강철이 부러지지 않고 휘는 특성 덕분에 지진이 자주 발생하는 지역에서 매우 유리합니다. 취성이 강한 재료는 응력을 받으면 금이 가거나 파손되지만, 강철은 오히려 늘어나며 진동 에너지를 흡수하는데, 이를 엔지니어들은 '제어된 항복(controlled yielding)'이라고 부릅니다. 오늘날의 건축 설계는 이러한 특성을 활용하여 내진용 골조인 모멘트 저항 프레임(moment resisting frames)이나 이심 브레이싱(eccentric bracing) 시스템 등을 사용함으로써 지반이 움직일 때 힘을 분산시킵니다. 예를 들어 베이스 아이솔레이션(base isolation) 시스템은 건물과 기초 사이에 설치되는데, 일본이나 캘리포니아 일부 지역처럼 지진이 잦은 지역에서 측방향 움직임을 약 75% 정도 줄여주는 것으로 입증되었습니다. 이러한 혁신 덕분에 많은 건물들이 큰 지진에서도 무사히 버틸 수 있었습니다.
연성을 가진 철강 프레임은 지진 발생 시 에너지를 실제로 흡수하고 분산시켜 구조물이 한 번에 붕괴되는 것을 방지할 수 있다. 중복성(redundancy)의 개념은 일부가 파손되더라도 전체 구조물이 서 있을 수 있도록 추가적인 하중 전달 경로를 설계에 포함시키는 것이다. 연방응급관리청(FEMA)의 P-750 문서에 발표된 연구에 따르면, 이러한 유연한 철강 프레임으로 지어진 건물은 강성이 큰 콘크리트로 지은 건물보다 붕괴될 확률이 약 3분의 1 정도 낮다. 이와 같은 안전 장치는 태평양 링 오브 파이어 주변처럼 대규모 지진 이후 여진이 반복적으로 발생하는 지역에서 특히 중요해진다.
| 기준 | 철구조물 | 콘크리트 구조물 |
|---|---|---|
| 무게 | 60% 더 가볍다 | 무겁고, 지진 하중 증가 |
| 수리 가능성 | 국부적 손상; 수리 용이 | 치명적 파손이 일반적 |
| 에너지 소산 | 높음(항복을 통한 소성 변형) | 낮음(취성 파괴) |
강재는 흔들림 동안의 관성력을 줄여주는 경량 특성을 가지며, 콘크리트의 강성이 지진 후 비용이 많이 들고 복구가 불가능한 손상을 유발하는 경우가 많다. 2023년 터키에서 실시된 지진 이후 평가 결과에 따르면, 철골 구조 건물은 수리 비용이 40% 낮았다 콘크리트 구조물과 비교해.
그 FEMA P-750 지침은 철강 구조의 우수성을 입증하며, 적절히 설계된 연성 프레임이 대규모 지진 시 붕괴 가능성을 50분의 1에서 167분의 1로 낮춘다는 점을 보여준다. 이는 ASCE 7-22와 같은 세계적 기준들과도 일치하며, 지진 다발 지역의 중요 인프라에 있어 철강의 히스테리시스 감쇠 기능을 우선시하고 있다.
현대의 내진 설계 철골 건물은 흔히 '성능 기반 설계(Performance Based Design, PBD)'라 불리는 방식을 사용한다. 이 접근법은 지진 발생 시 구조물이 요구되는 성능을 실제로 발휘할 수 있도록 하여, 특정 안전 기준을 충족시키고 운영이 원활하게 유지되도록 보장한다. 전통적인 건축 규정은 엔지니어에게 일일이 따라야 할 절차를 제시하는 데 그치는 반면, PBD는 다소 다른 관점을 취한다. PBD는 여전히 건물이 정상적으로 기능할 수 있는 범위 내에서 지진 시 어느 정도의 손상이 허용될 수 있는지를 검토한다. 지진 후에도 환자 치료가 계속되어야 하는 병원이나, 어떤 상황에서도 서버 가동이 필수인 데이터 센터와 같은 시설을 생각해보면 이해하기 쉽다. 여러 엔지니어링 회사들의 연구에 따르면, 기존 기술 대비 PBD를 적용할 경우 수리 비용을 약 40% 정도 절감할 수 있다. 이러한 비용 절감은 안전성을 해치지 않으면서도 더 현명한 자재 선택을 통해 이루어지며, 지진과 같은 위험한 상황을 고려할 때 상당히 인상적인 성과이다.
건물이 지진 하중을 어떻게 처리하는지는 지붕에서부터 기초 수준까지 연속적인 하중 전달 경로를 갖는 데 크게 의존한다. 철골 건물은 주로 구조물 전역의 핵심 위치에 배치된 내진용 골격구조와 전단벽을 통해 이러한 요구사항을 충족시킨다. 특히 고층 건물의 경우, 전통적인 가새 골격구조가 철판 전단벽과 함께 작용하는 하이브리드 방식에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 이러한 조합은 구조 강성을 25%에서 35%까지 향상시킬 수 있어 큰 지진 발생 시 매우 중요한 차이를 만들어 낸다. 그러나 이러한 구성 요소들의 연결부에 있어 사소한 실수라도 실제 지진 발생 시 그 성능이 저하될 수 있기 때문에 정확한 상세 설계가 매우 중요하다.
효과적인 내진 설계는 세 가지 원칙 사이의 균형을 필요로 한다:
강재는 연결부에서 제어된 소성 변형이 가능하여 지진 에너지를 흡수하면서 갑작스러운 파손 없이 견딜 수 있다. 2023년의 개조된 구조물에 대한 분석에 따르면, 좌굴제한 브레이스를 적용할 경우 기존 설계 대비 에너지 감쇠 성능이 50% 향상된다.
교체 가능한 퓨즈 부품과 같은 고급 기능은 건물의 지진 저항력을 분명히 강화시켜 주지만, 약 3분의 2에 달하는 시공사들은 불필요한 비용 증가로 간주하며 여전히 반대하고 있습니다. 그러나 전체적인 관점에서 보면, 철골 건물에 대한 지진 저항 세부 설계에 적절히 투자했을 때의 수명 주기 비용(life cycle costs)에 관한 연구는 흥미로운 결과를 보여줍니다. 데이터는 초기에 추가 비용을 투자하면 지진 발생 후 대규모 재건이 필요 없어지는 경우 나중에 그 비용의 4배에 해당하는 금액을 절약할 수 있음을 시사합니다. 이는 엔지니어와 예산 결정권자가 건설 프로젝트에서 진정으로 중요한 사항에 대해 일치된 견해를 갖도록 하기 위해, 이러한 이점을 계산하는 표준 방식을 개발해야 한다는 타당한 근거를 제공합니다.
강재 구조물은 지진 발생 시 구조적 무결성을 유지하기 위해 정밀하게 설계된 접합부와 연결부에 의존합니다. 강성 보-기둥 연결부를 갖는 모멘트 저항 골조는 하중을 고르게 분산시키며, 연결 지점의 보강 상세는 국부적인 파손을 방지합니다. 적절히 설계된 강재 접합부는 기존 설계 대비 지진 후 수리 비용을 최대 40%까지 절감할 수 있습니다.
최신 볼트 연결 기술은 슬립 임계 계면과 프리텐션 고강도 볼트를 적용하여 영구 변형 없이 제어된 움직임을 가능하게 합니다. 하이브리드 용접-볼트 결합 방식은 조립 속도와 지진 내구성을 동시에 확보하여 ASCE 7-22 성능 요건을 충족함과 동시에 시공 시간을 25% 단축합니다.
2022년 캘리포니아 I-395 분기로 개량 공사에서는 취성성 있는 핀 앤 해거 연결부를 에너지 흡수형 연성 링크를 사용하는 강재 박스 거더 시스템으로 교체했다. 이 8,500만 달러 규모의 프로젝트는 2023년에 발생한 리히터 규모 4.0 이상의 여진 7회 동안 구조적 손상이 전혀 없었으며, 중요 인프라에서 첨단 철강 개량 공사의 비용 대비 효과를 입증했다.
체브론 브레이스에 설치된 팔 마찰 댐퍼는 중층 건물에서 지진 에너지의 최대 35%를 흡수한다. 주요 연구 기관의 진동대 시험 데이터에 따르면, 코어 월에 설치된 점탄성 댐퍼와 함께 사용할 경우 이러한 시스템은 층간 변위를 50~70% 감소시킨다.
일반적인 브레이스는 압축 하중에서 갑작스럽게 파손되는 반면, 좌굴방지브레이스(BRBs)는 콘크리트로 채워진 튜브 안에 삽입된 강재 코어를 사용한다. 이 설계는 FEMA P-795 지침서에서 검증된 바와 같이 에너지 소산 능력을 300% 향상시키면서도 안정적인 히스테리시스 루프를 유지한다.
도쿄에 위치한 55층짜리 도라나몬-아자부다이 타워는 점성 벽면 감쇠기와 함께 작동하는 1,200톤급 조율질량 감쇠기를 적용하였다. 이 하이브리드 방식은 2023년 나남돌 태풍 기간 동안 바람과 지진 진동을 기록적인 수준인 60%까지 저감하는 성과를 달성했다.
지진 지역에서 2020년 이후 건설된 철골 구조 초고층 건물의 78% 이상이 어떤 형태로든 감쇠 기술을 포함하고 있으며, 이는 2010년의 42%에서 증가한 수치이다. 전 세계적으로 지진 감쇠장치 시장은 지진 발생 가능 지역에서 더욱 엄격해지는 건축 규정에 힘입어 2028년까지 42억 달러에 이를 것으로 전망된다.
니켈-티타늄 계열의 형상 기억 합금(NiTi SMAs)은 변형된 후에도 원래 형태로 되돌아갈 수 있기 때문에 내진 강재 구조물의 설계 방식을 변화시키고 있습니다. 지진 발생 시 건물이 흔들리면 이러한 특수 재료는 에너지를 일부 흡수한 후 진동이 가라앉으면 다시 제자리로 돌아가므로 전체적인 영구 손상을 줄일 수 있습니다. 연구에 따르면 엔지니어들이 보강재와 기둥 연결부에 SMA 기술을 적용할 경우, 일반 철강 연결부보다 약 12% 더 큰 수평 하중을 견딜 수 있습니다. 더욱 주목할 점은 온도 변화에 반응하는 능력으로, 건물의 특정 부위가 경미한 손상 후 스스로 복구될 수 있다는 것입니다. 이는 활성 단층 근처에 위치한 구조물의 가장 큰 취약점 중 하나를 해결합니다.
자기 중심화를 위해 설계된 철골 구조는 일반적으로 포스트텐션 케이블 또는 마찰 감쇠 빔을 포함하여 지진으로 인한 흔들림 후 건물이 원래 위치로 돌아가도록 돕는다. 이 기술은 잔류 드리프트를 상당히 줄여주며, 일부 경우에서는 약 80%까지 감소시켜, 옛날 공법의 건물에서 흔히 보이는 기울어진 상태를 방지한다. 작년에 도쿄에서 엔지니어들이 40층짜리 건물에 이러한 기술을 시험한 최근 사례를 살펴보면, 지진 발생 후 구조물의 움직임이 거의 없었으며, 지진 전과 비교해 약 92% 수준의 사용이 가능했다. 이러한 성능은 단순히 구조물의 붕괴를 막는 것뿐 아니라 재난 후 신속하게 사람들을 다시 내부로 들일 수 있도록 하는 현행 건축 기준과 일치한다.
지진 시 에너지를 흡수하는 교체 가능한 부품(특수한 좌굴 억제 브레이스 또는 희생형 보의 끝단)을 사용하면 지진 발생 후 특정 구역에 집중하여 수리할 수 있다. 집 안의 퓨즈 박스를 생각해보면 되는데, 이러한 부품들이 대부분의 손상을 흡수하여 약 3일 이내에 교체할 수 있으므로, 기존 방식처럼 수주에서 수개월이 걸리는 수리를 기다릴 필요가 없다. 대부분의 현대 건물은 측면 지지 시스템의 약 4분의 1에서 3분의 1 정도를 이러한 교체 가능한 구성 요소로 만들고도 건물 전체의 구조적 완전성을 유지한다. 이 접근법은 재난 발생 시 엔지니어가 손상된 부분만 수리하면 되기 때문에 전면 철거 없이 시간과 비용을 절약할 수 있다.
자가 치유 강재 시스템은 처음 보기에는 기존 옵션보다 약 18~22% 더 비싼 가격대를 형성합니다. 그러나 장기적으로 발생하는 효과를 살펴보면, 연구에 따르면 50년 동안 유지보수 비용이 약 40% 감소하는 것으로 나타났습니다. 일부 사람들은 초기 비용이 더 크기 때문에 자금 조달이 가장 중요한 저소득 지역에서 이러한 기술의 확산을 저해하고 있다고 지적합니다. 반면, 보험사들은 위험이 훨씬 더 효과적으로 줄어든다는 이유로 이러한 스마트 소재를 적용한 건물에 대해 15~20%의 할인율을 제공하기 시작했습니다. 최근 지진 발생 가능성이 높은 지역에서는 초기 비용이 더 들더라도 이러한 기술을 의무화하기 위한 건축 규제 개정에 대한 논의가 활발히 이루어지고 있습니다. 핵심 지역에서 안전상 이점이 재정적 고려사항보다 우선할 수 있는지 여부는 여전히 논란의 대상입니다.
현대의 지진 위험 평가에서는 지반 움직임 예측과 과거 지진 기록을 바탕으로 지역들을 다양한 위험 등급으로 분류한다. 캘리포니아의 유명한 샌앤드레아스 단층이나 인도네시아 주변의 활성 화산대인 불의 고리처럼 심각한 위험이 있는 지역을 고려할 때, 대부분의 엔지니어들은 강철 구조를 선호하는 경향이 있는데, 이는 강철이 더 잘 휘어지며 충격을 더욱 효과적으로 흡수하기 때문이다. 2024년에 발표된 최근 연구에서는 흥미로운 결과가 나타났는데, 지진이 가장 빈번하게 발생하는 소위 '지진구역 4등급(Zone 4)' 지역에 위치한 철골 조적 건물은 규모 7의 지진을 시뮬레이션하여 시험했을 때, 유사한 크기의 콘크리트 구조물보다 약 40퍼센트 적은 피해를 입었다. 이러한 모든 연구 결과들은 건축 프로젝트에서 어떤 자재가 사용되는지를 결정하는 데 큰 영향을 미친다. 실제로 도쿄와 로스앤젤레스 같은 대도시에서는 지난 10년대 초부터 매년 강재 사용량이 약 18퍼센트씩 증가해 왔다.
2023년 터키-시리아 지진(규모 7.8)은 콘크리트 중심의 건축 방식에 존재하는 심각한 결함을 드러냈습니다. 붕괴된 건물의 92%가 연성(ductility)이 낮은 콘크리트 골조를 사용했습니다. 반면, 2011년 일본 도호쿠 지진(규모 9.1)에서는 철골 구조의 내구성이 입증되었으며, 센다이시의 철골 골조 고층건물 중 단지 0.3%만 철거가 필요했습니다. 주요 교훈은 다음과 같습니다.
신생 경제국들은 제한된 예산과 지진 안전 요건 사이의 균형을 맞추는 독특한 과제에 직면해 있다. 비용 효율적인 접근법은 다음을 결합한다:
2023년 스마트 댐핑 시스템 검토 결과, 칠레와 네팔과 같은 개발 도상국들이 전통적인 시스템보다 비용을 60% 낮춘 간이형 좌굴억제브레이스를 도입하고 있는 것으로 나타났다. 이 방법론을 통해 카트만두와 같은 도시는 연간 150개 이상의 중요 건물을 내진 보강하면서도 원래의 건설 예산의 85%를 유지할 수 있다.
철강은 지진 발생 시 에너지를 흡수하고 분산시키는 연성(ductility) 특성이 뛰어나 붕괴를 방지하고 피해를 최소화하기 때문에 선호된다.
철강 구조물은 콘크리트보다 무게가 60% 가볍고 수리가 용이하며 에너지 분산 성능이 뛰어나며, 콘크리트는 종종 복구 불가능한 손상을 입는다.
볼트 체결 및 용접 연결과 같은 첨단 연결 방식은 응력 하에서도 구조의 무결성을 보장하여 지진 발생 중 및 이후의 내구성을 향상시킵니다.
형상 기억 합금(SMA)과 같은 스마트 소재는 자체 복원 기능을 제공하여 장기적인 유지보수를 줄이고 구조적 무결성을 향상시킵니다.
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