미래 세계 도시의 스카이라인을 바꾼다
-초고층 빌딩용 고성능 800MPa급 초고강도 강재 실용화 -
“국가의 상징, 나아가 경제성장의 척도로 인식되는
첨단 건설기술의 집약체, 초고층 건축물의 핵심 기술을 개발하다.”
[연구자 레터]
HSA800은 초고층 건물에서 요구되는 내진, 연쇄붕괴, 용접성, 고강도, 강재 신뢰성 등의 요구 성능을 모두 갖춘 고성능 강재이다. HSA800은 내진성능 및 용접성능이 우수한 세계 최고 사양의 초고강도 강재로 기존 600MPa급 강재 대비 30% 물량저감 등의 효과를 누릴 수 있다. 또한 강재생산, 부재제작, 운송, 현장설치 등에서 발생하는 CO2 배출량 절감에 따른 환경적 기대효과도 커서 향후 철강수요 확대 및 철강 산업의 국제 경쟁력 향상에도 크게 기여할 것으로 확신한다.
최근 초고층 빌딩은 세계 각국의 도시에서 눈에 띄게 많이 볼 수 있게 됐다. 건설하는데 많은 비용이 들지만 초고층 빌딩 하나로 도시 전체가 단번에 국제적인 주목을 받을 수 있으며 건설산업에 있어 초부가가치를 만들 수 있기 때문이다.더불어 완공 후 국가와 도시의 랜드마크로써 경제에 기여하는 동시에 쾌적하고 효율적인 공간 제공 또한 가능하다.
더욱이 최첨단 건설기술이 집약된 초고층 건물을 위한 연구·개발 기술은 건축기술의 첨단화 및 관련 빌딩산업에 큰 기술적 파급을 가져온다. 이에 세계적으로도 초고층 건축물의 건설시장이 확대되고 있고, 국내의 초고층 건축물에 대한 수요 역시 꾸준히 증가하고 있으며, 이미 초고층 건축물의 수 또한 세계 2위에 랭크될 정도로 많다.
세계 각국은 국가 전략상품으로써 초고층 빌딩의 중요성을 인식하고 정부차원의 집중적인 초기투자를 통해 초고층 건설 핵심기술 개발에 힘쓰고 있다. 우리나라의 경우 초고층 건축물 건설의 핵심기술을 국산화해야 하고, 요소기술의 실용화 및 독자적인 기술 브랜드를 구축하는 것이 국내 건설산업에 있어 시급한 과제이다.
최근 초고층 빌딩의 메카로 떠오르고 있는 부산 해운대구 전경 및 야경으로
2012년 현재 80층에 높이가 299m로 우리나라에서 가장 높은 건물인 ‘해운대 위브더제니스’가 위치해 있다.
초고층 건축물 시장 우위 확보를 위한 고성능 강재 개발
초고층 건축물은 건물의 높이가 증가함에 따라 자중이 증가하고 동시에 바람하중과 지진하중도 크게 증가한다. 그에 따라 건물 하부에서 작용하는 하중이 커서 부재 크기가 커진다. 따라서 일반 건축물에 비해 높은 안정성과 내구성이 요구되며 건축에 사용되는 강재 및 콘크리트 등의 구조재료가 지니는 재료강도 및 성능을 향상하기 위한 노력이 반드시 필요하다.
강재 선진국인 일본의 경우 이미 1970년대부터 토목 및 조선 분야에 최소인장강도 780MPa급 강재를 사용해왔다. 또한 건축용 고강도 강재 및 이를 이용한 신구조 시스템의 개발을 위해 2006~2007년 780MPa급 건축구조용 강재를 개발 및 규준으로 제정하였다.
우리나라에서도 초고층 시장에서의 우위를 확보하기 위해 국가 기술수준을 세계적인 수준으로 높이고, 해외 초고층 프로젝트 수주에 활용하기 위한 기술 개발에 돌입했다. 2009년 국토해양부와 건설교통평가원이 진행한 첨단도시개발사업 초고층 복합빌딩 분야 '저탄소 고성능 재료기술 개발' 과제를 위한 RIST 강구조연구소와 포스코의 공동연구로 고성능 강재의 개발이 시작되었다.
(왼쪽부터) 현재 롯데월드타워(123층)를 비롯하여 용산의 트리플원(620m), 인천경제자유구역의 청라 시티 타워(450m) 등 100층 이상의 초고층 건물은 9건이 건설 계획 중이며, 100층 이상 초고충 건물의 총 사업비 규모는 36조원에 달한다. 국외에서도 두바이에 이어 중국에서 2011년 23개의 초고층 건물이 완성되는 등 금융위기에도 불구하고 초고층 건물의 건설이 지속적으로 이루어지고 있다.
건설경기의 침체와 보수적인 동향을 이겨내고 이룩한 쾌거
초고층 건축물은 사용 수명이 길고 상주인구가 2만 명 이상인 수직도시 규모인데다 보수적인 성향이 강해 새로운 기술을 적용하는 것이 타 산업에 비해 더욱 어려운 상황이었다. 여기에 세계적인 금융위기의 여파와 건설경기의 침체로 개발기술을 적용할 대상건물을 찾기란 쉽지 않았다. 하지만 세계 최고품질의 강재 개발을 위한 연구는 계속되었고 총 3차 시제품 생산을 통해 소재 성능을 지속적으로 테스트 하여 실험적 검증자료를 축적해 나갔다.
초고층 건물에 사용되는 강재의 요구 성능을 도출을 위하여 일본, 유럽 등 외국의 선진 규격을 분석했고 2년여의 연구개발 과정과 국내 학계 및 산업계 건설 전문가들로부터 자문회의를 열었다. 그 결과 2011년 세계 최고 사양의 최소인장강도 800MPa급 건축구조용 초고강도 강재인 HSA800을 개발하는데 성공했다.
100년 이상 사용될 세계 최고 품질의 고성능 국산 강재의 위력
HSA800은 초고층 건물에서 요구되는 내진, 연쇄붕괴, 용접성, 고강도, 강재 신뢰성 등의 성능을 모두 갖춘 강재이다. HSA800 강재는 기존 일반강도 강재 대비 물량저감을 할 수 있다. 실례로 초고층 건물의 아웃리거 부재를 대상으로 대안설계를 수행한 결과 기존의 고강도 강재 SM570TMC 대비 물량이 30% 절감됐다.
개발된 고성능 강재는 고강도 콘크리트와 함께 초고층 건물에 적용하여 합성구조로 적용할 수 있다. 현재 개발된 고성능 강재를 고층건물 및 일반 건축물에도적용하기 위하여 강재의 구조성능을 검증하고 있으며, 건축구조설계기준에 반영하기 위한 작업을 진행하고 있다.
HSA800의 개발의 가장 큰 수확은 우리나라에서 향후 100년 이상 사용할 수 있는 초고강도 소재를 직접 만들었다는 것이다. 또한 사용자는 내진성능 및 용접성능이 우수한 HSA800의 개발로 기둥 등 주요 부재의 단면이 줄어들어 더 넓은공간을 사용할 수 있게 되었다. 시공자의 입장에서도 구조체의 무게가 감소하고한 번에 들어 올릴 수 있는 부재의 길이가 증가하기 때문에 건축물의 공사 기간을 단축할 수 있다.
환경적인 측면에서도 건축물에 필요한 강재량을 절감함으로써 소재 생산 및 운반에 소요되는 CO2 배출량을 줄일 수 있게 되었다. 여기에 국내 철강 산업의 경쟁력을 향상시킴과 동시에 고갈되는 천연자원을 장기간 사용할 수 있다는 장점도 있다. 개발된 고성능 강재는 미래 도시의 스카이라인을 바꾸고 다양한 형태의 초고층 건물이 경제적으로 건설될 수 있는 데 크게 기여할 것이다.
초고층 건물의 아웃리거 부재를 대상으로 대안설계를 수행한 결과 기존의 고강도 강재 SM570TMC 대비 물량이 30% 절감됐다.
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