내화·내진 소재, 국민 안전생활 필수 중요성 커질 것

■ 기술의 정의 및 분류

2001년 9월 11일 수많은 인명 피해가 발생한 미국 뉴욕의 월드트레이드센터의 급작스러운 붕괴와 관련한 여러 원인 중 하나로 화재로 인한 고온에서 철강 소재의 강도 하락이 지목되었다.

그 이후로 화재 시 건축구조물의 안전성에 많은 관심이 쏟아졌다. 건축물의 화재 저항성은 특히 건축구조물의 뼈대가 되는 철강 소재에 크게 의존한다. 화재 시 고온에서 저항성이 강화된 건축용 철강 소재를 특별히 ‘내화강’으로 부른다.

2016년 9월 12일에 경북 경주시에서 발생한 규모 5.8의 지진과 2017년 11월 15일에 포항에서 발생한 규모 5.4의 지진은 많은 인명 및 재산 피해를 야기하였다. 최근 들어 한반도 지진 발생 횟수는 꾸준히 증가하고 있으며, 대형 지진 발생 또한 증가하고 있다. 반면, 국내 내진설계 대상 건축물 중 실제 내진설계가 적용된 건축물은 16%에 그치는 것으로 나타났다.

건축물의 내진 특성은 건축물의 내진설계를 통해 강화할 수 있으며, 건축 재료인 철강 소재에 내진 특성을 부여해 강화할 수도 있다. 내진 특성이 강화된 건축용 철강 소재를 특별히 ‘내진강’으로 분류한다.

최근 건축물은 100층 이상으로 초고층화되고 있다. 이와 더불어 지구 온난화로 인해 지진, 태풍 등의 자연재해 빈도도 지속해서 증가하고 있고, 그 강도 또한 강해지고 있다. 이러한 상황에서 건축물의 안전성은 국민들의 생활 안전을 위해 필수적으로 확보되어야 한다. 자연재해뿐만 아니라 화재 등 안전사고에 의한 사회적 재난으로도 초고층·초대형 건물의 인적, 물적 피해가 막대하다는 것은 과거 사례들을 통해 이미 많이 인지하고 있다. 이를 위해 건축용 소재 차원에서는 후판과 형강 등의 건축 구조용 철강 소재의 고강도화와 함께 내진 특성 및 내화 특성을 부여한 고기능화에 대해 포스코, 아르셀로미탈(ArcelorMittal), 일본제철(Nippon Steel) 등의 글로벌 철강기업들을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.

건물 고층화·대형화 철강소재 고강도화

대형지진 빈발 저항복비 내진강 개발 必

■ 기술의 원리

1) 내화강

내화강은 화재 시 건축 구조물을 유지할 수 있어야 하므로 고온에서의 강도가 매우 중요하다. 철강 소재는 온도가 상승할수록 강도가 점차 낮아지는데, 일반강의 경우는 600℃에서의 항복강도가 상온에서의 항복강도의 삼분의 일에서 이분의 일(1/3∼1/2) 수준으로 비교적 낮고, 고온으로 갈수록 강도의 하락폭 또한 크다. 하지만, 내화강은 600℃에서의 항복강도가 상온 항복강도의 삼분의 이(2/3) 이상으로 높은 수준을 나타내며, 고온에서 강도의 하락폭 또한 일반강보다 상대적으로 작다. <<span style="font-size: 12pt;">그림 3-1-1-1>은 내화 특성이 없는 철강 소재(SN490)와 내화 특성이 강화된 철강 소재(FR)의 온도에 따른 항복강도를 나타내고 있다. 두 강종 모두 상온에서 항복강도가 약 350MPa로 비슷한 수준을 나타내지만, 온도가 올라갈수록 SN490강의 항복강도는 비교적 큰 폭으로 하락하는 반면, 내화강은 고온에서 강도 저하폭이 상대적으로 작음을 알 수 있다. 결과적으로 내화강의 600℃에서의 항복강도는 상온 항복강도의 삼분의 이(2/3) 이상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

고온 인장 시험법으로 측정한 고온 강도는 철강 소재 자체의 고온 특성은 잘 나타내지만, 건축 구조물에서의 철강 소재의 내화 특성을 설명하기에는 부족하다는 의견이 제기되었다. 이에 건축 구조물에서 철강 소재의 내화 특성을 평가하기 위해 ‘가속 크리프 시험법’이 제시되었다.

가속 크리프 시험법은 먼저 소재에 상온 항복강도보다 낮은 수준(대체로 상온 항복강도의 1/2 수준)의 응력을 가한 후, 일정 속도로 온도를 상승시킨다. 그 때 소재의 파단이 일어나는 온도를 측정하여 그 파단 온도를 내화 특성 지표로 나타낸다. 이는 실제 하중이 걸려있는 건축물의 화재 상황을 잘 모사하기에 고온 인장 시험법에 비해서 조금 더 현실적인 내화 특성 시험법으로 평가받는다. 가속 크리프 시험법으로 얻어지는 결과의 모식도를 <그림 3-1-1-2>에 나타내었다.

그리고 고온 인장 시험으로 얻어진 고온 강도와 가속 크리프 시험으로 얻어진 파단 온도의 상관관계와 관련한 최근 연구 결과에 의하면, 고온 강도와 파단 온도는 대체로 비례하는 관계를 가지는 것으로 나타났다.

온도가 상승하면 철강 소재는 1) 석출이 일어날 수 있고, 2) 기존 존재하는 석출물은 성장할 것이고, 3) 고용된 일부 합금원소는 감소할 것이고, 4) 전위가 소멸하며 회복이나 재결정이 일어날 수 있다. 이러한 미세조직적인 변화로 인해 온도가 상승할수록 철강 소재의 강도는 하락하게 된다. 이를 개선하기 위해 고온에서의 석출거동을 제어하거나 전위의 움직임을 방해하는 등의 다양한 방법이 시도되었다. 또한, 전위밀도가 높은 미세조직의 생성을 통한 고온 강도 확보를 위해 Mo(몰리브덴)와 Nb(나이오븀)의 첨가를 시도하였다. Mo의 첨가는 경화능을 향상해 베이나이트(bainite)와 같은 저온변태 미세조직의 생성을 조장하여 상온 강도 및 고온 강도의 향상을 유도하며, Nb의 첨가는 미세한 크기의 NbC(탄화나이오븀) 석출물의 생성을 통해 고온에서 석출강화를 조장하여 고온 강도를 향상시키는 것으로 알려져 있다.

2) 내진강

대형 지진이 발생하여 건축 구조물의 변형이 시작되고 최종적으로 붕괴할 때까지 얼마간의 시간이 확보되어야 건물 붕괴로 인한 인명 피해를 최소화할 수 있다. 이를 위해 고층 건축물에는 반드시 내진 설계가 적용되어야 하며, 건축물의 뼈대로 사용되는 철강 소재에도 내진 특성이 부가되어야 한다. 건축 구조용 철강 재료의 내진 특성은 항복강도와 인장강도의 비(항복비, YS/TS, Yield Ratio, YR)로 나타낼 수 있다. 즉, 항복비는 재료의 항복이 일어난 이후 최종 파단에 이르기까지 재료가 견딜 수 있는 능력을 나타낸다.

<그림 3-1-1-3>에 항복비에 따른 철강 소재의 소성변형 능력을 나타내었다. 항복비가 높은 고항복비의 소재는 항복이 일어난 후 바로 인장강도에 도달하기 때문에, 철강 소재의 소성변형 능력이 낮아 건축물의 급작스러운 취성파괴 확률이 증가한다. 즉, 건물 내 사람들의 대피를 위한 골든타임 확보에 어려움이 있음을 나타낸다. 반면, 항복비가 낮은 저항복비의 소재는 항복이 일어난 후 인장강도에 도달하기까지 소성변형의 여지가 있다. 이는 건축물의 급격한 붕괴를 막을 수 있고, 골든타임 확보에도 유리하다. 따라서 건축 구조용 내진강은 저항복비를 확보해야 하며, 일반적으로 내진강은 항복비 0.85 이하로 규정하고 있다.

건축 구조물의 고층화·대형화로 건축 구조용 철강 소재의 고강도화에 대한 연구가 지속해서 진행 중이다. 소재의 강성뿐만 아니라 내진 특성을 확보하기 위해서 저항복비 또한 나타내야 한다. 일반적으로 철강 재료 강도가 높아지면 항복강도와 인장강도의 차이가 점차 줄어들게 된다(그림 3-1-1-4). 그러므로 고강도와 저항복비를 동시에 가지는 고강도 내진강의 개발은 상당히 난도가 높은 연구이다. TMCP(Thermo Mechanical Controlled Process)강, 베이나이트강 등의 고강도와 저항복비를 함께 가지는 건축 구조용 고강도강의 개발은 여전히 계속되고 있다.

■ 국민생활문제 해결관점에서 기술의 중요성 및 전망

지진, 화재 등 자연재해와 인재(人災) 발생이 증가하고 있고, 대형화되는 상황에서, 재해 및 재난에 대비한 건축 구조물의 안전성 확보는 국민 안전생활에 필수적이다. 특히, 최근 건축 구조물의 고층화 추세에 따라 지진이나 화재 등의 재해에 대비한 구조물의 안전설계와, 내화·내진 등의 고기능성 건설 소재 개발은 반드시 필요하다. ‘2018년 제2차 과학기술 기반 국민생활(사회) 문제 해결 종합계획(2018∼2022)(안)’의 10대 분야, 40개 주요 사회문제에 지진이 추가되어 지진으로 발생하는 문제 해결에 관심이 증대될 것으로 보인다.

이런 측면에서 건축 구조용 내화·내진강 기술은 중요성이 점점 커질 것으로 전망된다.

■ 연구개발 동향 - 내화강

1) 국내 동향

국내에서도 초고층 건축물이 증가함에 따라 국민 생활 안전을 보장할 수 있는 구조물의 안전설계와 내화 및 내진 특성이 고려된 건축 구조용 철강재의 수요가 증가하고 있다. 한국표준협회는 한국산업표준 KS D 3865에서 건축 구조용 내화 강재에 대한 규격을 제정하여 운영하고 있다. FR(fire resistance) 규격으로 강도와 충격 특성에 따라 FR275B, FR275C, FR355B, FR355C 4가지 종류의 내화강에 대해 화학성분, 상온 및 고온 물성, 샤르피(charpy) 충격 특성을 규정하고 있다. <표 3-1-1-1>부터 <표 3-1-1-4>까지 위 내화강의 규격을 나타내었다.

내화 강재에 대한 국내 연구개발은 국외만큼 활발하지는 않다. 포스코에서 POSFR490의 제품명으로 내화 후판재를 개발한 사례 정도만 보고되고 있다. POSFR490은 상온에서 SM490 규격의 일반강과 유사한 물성과 용접성을 가지면서 고온 강도 특성이 향상된 건축용 내화 강재이다. 내화피복 감소 및 무내화피복의 강구조 실현이 가능할 것으로 기대하며, 1988년 신일본제철(현, 일본제철)에서 개발한 NSFR 강재에 대응하기 위해 1995년에 포스코가 개발하였다. 개발한 내화강(POSFR490)은 SM490보다 우수한 600℃에서의 항복강도뿐만 아니라, 고온 크리프 특성을 나타내었다. 개발한 내화강으로 H모양의 형강 기둥을 제작하여 재하내화시험을 수행했을 때 일반강의 경우 약 535℃에서 붕괴하는데 반해, 내화강은 약 620℃에서 붕괴하여 향상된 재하내화시험 결과를 나타내었다. 다음 <표 3-1-1-5>는 POSFR490 강재의 상온 및 고온 물성, <그림 3-1-1-5>는 재하내화시험 사진이다.

2016년부터 국책사업인 산업핵심기술개발사업의 일환으로 ‘재난 안전 인프라용 고성능 내화내진강재 개발’연구사업이 진행 중이다. 본 연구는 조선선재(주)를 중심으로 재료연구소를 포함한 총 9개 국내 기업, 연구소, 대학교가 참여하고 있으며, 고강도 건축용 내화·내진 형강 개발을 목표로 하고 있다.

2) 해외 동향

해외에서는 일찍부터 내화·내진강과 같은 고기능성 철강 소재 개발에 많은 관심을 가졌으며, 특히 일본과 유럽의 철강기업 중심으로 많은 연구가 보고되었다. 내화강의 경우 일본에서는 일본제철을 중심으로 많은 연구가 이루어졌다. 일본제철은 1988년에 NSFR이라는 내화 후판재를 개발하여 지금까지 생산하고 있다. 건축 시 NSFR을 이용하면 내화 피복 두께가 줄어듦에 따라 건설비용 절감, 활용공간 확대, 건설 공기 단축 등의 장점이 있다. NSFR은 강도에 따라 다음 표와 같이 NSFR400, NSFR490 두 종류로 나뉘고 일본 내 많은 대형건물에 적용되었다.

일본제철은 NSFR 규격의 내화 형강도 개발하여 내화 설계가 의무적으로 지정된 건축물에 적용하고 있다. 일본은 부지 면적이 50,000m2 이내, 전체 14층 이내의 건물에 대해 내화설계 도면 제출 및 확인이 필요하도록 법령으로 제정하여 이러한 건축물에는 내화 형강 적용이 필수적이다.

NSFR 규격의 내화 형강도 앞의 내화 후판재와 마찬가지로, 우수한 고온 물성을 나타낸다. 일본제철에서는 내화 형강뿐만 아니라 내화 강재용 용접 재료, 내화 강재용 고강도 볼트도 개발하여 건축 구조용 내화 철강재 일체를 개발하였다.

유럽에서는 아르셀로미탈에서 내화강에 대해 많은 연구를 진행하였다. 대표적인 내화 형강 제품으로 16Mo3이 있다. 16Mo3강은 Mo를 첨가하여 탄질화물 석출을 유도해 전위의 이동을 억제함으로써 고온 강도를 확보하고, 크리프 특성을 향상했다. <표 3-1-1-7>과 <표 3-1-1-8>에 16Mo3의 상온 인장 특성과 온도별 항복강도를 나타내었다. 아르셀로미탈은 내화 형강 개발 이외에도, 개발한 내화 형강으로 실제 구조체를 제작하여 가열 시 위치별 온도변화에 따른 구조 안정성 평가를 수행하였고, 자체적인 내화평가법을 설계하기도 하였다.

이밖에도 미국의 Colorado School of Mines(CSM)의 David Matlock과 John G. Speer 교수 그룹에서는 실제 건축물에서의 화재 상황을 고려한 철강 구조물의 내화 특성을 평가하기 위해 ‘가속 크리프 시험법’을 제안하였다. 앞에서도 설명하였듯이, 가속 크리프 시험법은 먼저 건축물의 구조부재인 철강 재료에 응력이 인가된 상황을 모사하기 위해 항복강도 이하 수준의 일정한 인장력을 철강 소재에 가한다. 그리고 건축물에 실제 불이 난 상황과 유사하게 일정한 승온 속도로 온도를 올릴 때, 철강재의 파단이 일어나는 온도를 측정하여 철강재의 내화 특성을 평가하는 방법이다. 이는 실제 건축물의 화재 시 철강 구조부재의 내화 특성을 평가하는 것으로 보다 현실적인 내화 특성 시험법으로 평가받는다.

▲ <그림 3-1-1-1>내화강과 일반강의 온도에 따른 항복강도 변화

▲ <그림 3-1-1-2>가속 크리프 시험법

▲ <그림 3-1-1-3>항복비에 따른 재료의 소성변형능력

▲ <그림 3-1-1-4>강도 수준에 따른 일반적인 stress-strain 곡선

▲ <표 3-1-1-1>건축 구조용 내화 강재의 화학성분 규격

▲ <표 3-1-1-2>건축 구조용 내화 강재의 상온 인장특성 규격

▲ <표 3-1-1-3>건축 구조용 내화 강재의 샤르피 충격 흡수에너지 규격

▲ <표 3-1-1-4>건축 구조용 내화 강재의 고온 항복강도 규격

▲ <표 3-1-1-5>POSFR490 강재의 상온 및 고온 인장 특성

▲ <그림 3-1-1-5>재하내화시험 예시와 일반강·내화강의 재하내화시험을 통한 붕괴온도 측정

▲ <표 3-1-1-6>NSFR 강재의 규격

▲ <표 3-1-1-7>16Mo3 강재의 상온 인장 특성 및 샤르피 충격 흡수에너지 규격

▲ <표 3-1-1-8>16Mo3 강재의 온도별 항복강도