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Circular Economy in High-Seismicity Andean Zones: A Circular Seismic Design Framework for Reusable Steel Moment Connections with Demountable Shear Tabs — Life Cycle Assessment and Normative Adaptation for Peru

본 연구는 페루의 고지진 활동 안데스 지역 내 해체 가능한 강재 모멘트 접합부를 위한 순환형 내진 설계 프레임워크를 제안하고 검증하며, 비선형 해석과 전생애주기 평가를 통해 이러한 시스템이 규제 안전 표준을 충족하면서도 다회 재사용 주기 동안 구조적 층간 변위와 탄소 배출을 유의미하게 감소시킨다는 것을 입증한다.

원저자: PAUL RICARDO PRUDENCIO GALVEZ

게시일 2026-06-29

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CC BY 4.0

원저자: PAUL RICARDO PRUDENCIO GALVEZ

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

당신에게 거대한 지진을 견딜 수 있도록 정교하게 만들어진 매우 비싸고 품질 좋은 레고 성이 있다고 상상해 보십시오. 페루와 같은 지진 지역에서 강철 건물을 짓는 전통적인 방식에서는 부품들을 영구적이고 끊을 수 없는 "용접"으로 붙여버립니다. 만약 큰 지진이 발생하면, 접착제가 갈라지거나 부품들이 변형되어 망가질 수 있습니다. 이 성을 고치려면, 부서진 조각들을 고철 더미로 부수어 버리고 새 부품을 사서 다시 지어야 합니다. 이는 비용이 많이 들고, 엄청난 양의 쓰레기를 만들며, 대기 중에 막대한 양의 오염 물질을 배출합니다.

이 논문은 더 스마트한 건축 방식을 제안합니다: "탈착식 전단 탭(Demountable Shear Tab, DST)" 시스템입니다.

이 새로운 시스템을 접착제로 붙인 레고 성이 아니라, 초강력하고 재사용 가능한 볼트로 고정된 하이테크 산업용 퍼즐이라고 생각하십시오. 연구의 핵심 내용을 쉬운 용어로 설명하면 다음과 같습니다:

1. 문제점: "한 번 쓰고 버리는" 건물

현재, 고위험 지역(안데스 산맥 등)에서 지진이 발생하면 강철 건물의 보(beam)와 기둥(column) 사이의 연결 부위가 손상되는 경우가 많습니다. 용접으로 완전히 붙여져 있기 때문에 단순히 나사를 풀 수 없습니다. 부품을 잘라내어 버리고 새로운 것을 용접해 넣어야 합니다.

비용: 수리 비용이 원래 건물 가격의 30~40%에 달할 수 있습니다.
폐기물: 부서진 연결 부위 하나당 약 120kg의 철강 쓰레기가 발생합니다.
오염: 새로운 철강을 만드는 과정은 지구에 매우 해롭습니다.

2. 해결책: "재사용 가능한 퍼즐 조각"

저자 폴 리카르도 프루덴시오 갈베즈(Paul Ricardo Prudencio Galvez)는 탈착식 전단 탭 역할을 하는 연결 구조를 설계했습니다.

작동 원리: 용접 대신 고강도 볼트를 사용하여 철제 부품들을 결합합니다. 이 볼트들은 지진 중에 단단하게 조여지도록 설계되었지만, 건물을 수리하거나 건물을 다른 곳으로 옮겨야 할 때 쉽게 풀 수 있습니다.
비유: 텐트를 상상해 보십시오. 텐트 폴대를 자를 필요 없이 설치하고, 해체하고, 다른 곳에 다시 설치할 수 있습니다. 이 연구는 강렬한 지진 속에서도 철골 건물이 이와 똑같이 작동할 수 있음을 증명합니다.

3. 스트레스 테스트: "지진 시뮬레이터"

연구자는 단순히 이 방식이 작동할 것이라고 추측만 한 것이 아니라, 페루 리마의 3층 및 5층 건물에 대한 대규모 컴퓨터 시뮬레이션("디지털 트윈")을 실행했습니다.

시나리오: 그는 디지털 건물들에 규모 7.0에서 8.5에 이르는 일곱 가지 서로 다른 실제 페루 지진 기록을 가했습니다.
결과: "볼트 결합" 건물은 "용접" 건물보다 덜 흔들렸습니다.
- 용접된 건물은 너무 많이 흔들렸습니다 (0.035 변위).
- 새로운 볼트 결합 건물은 덜 흔들렸습니다 (0.028 변위). 즉, 더 곧게 서 있고 더 안전하다는 뜻입니다.
볼트: 볼트가 흔들림에 의해 파손되는지 테스트했습니다. 볼트는 2,450회의 반복 진동 주기를 견뎌냈는데, 이는 안전 요구 사항인 1,000주기의 두 배가 넘는 수치입니다. 이는 볼트가 여러 번의 큰 지진에도 견딜 수 있을 만큼 강력함을 의미합니다.

4. 그린 스코어: "지구를 생각하는 재사용"

이 연구는 탄소 영수증처럼 환경적 영향도 조사했습니다.

비교: 일회용 용접 연결 방식과 새로운 재사용 가능 연결 방식을 세 번의 재사용 주기(건축, 해체, 다른 곳으로 이동 후 재건축, 다시 해체, 세 번째 재건축) 동안 비교했습니다.
승자: 재사용 시스템은 기존 용접 방식보다 62% 적은 오염(온실가스 배출량)을 발생시켰습니다.
이유: 매번 오래된 철을 녹여서 새로운 철을 만들 필요가 없기 때문입니다. 기존의 부품을 그대로 옮겨서 사용하기만 하면 됩니다.

5. 규칙집: "법을 바꾸다"

가장 큰 장애물은 기술이 아니라 법입니다. 페루의 현재 건축 법규(E.030)에는 이러한 재사용 가능한 연결 방식에 대한 규정이 없습니다.

제안: 저자는 법규 제24조에 대한 구체적인 변경을 제안합니다. 그는 이 볼트들을 위해 0.85라는 특정 "안전 계수"(엔지니어가 극도로 주의를 기울이기 위해 사용하는 숫자)를 제안합니다.
약속: 또한, 이 연결 부위들은 2시간 이내에 파손 없이 분해할 수 있어야 하며, 분해 후 다시 조립했을 때도 원래 강도의 90%를 유지해야 한다는 규칙을 설정했습니다.

결론

이 논문은 우리가 안전한 건물과 친환경적인 건물 중 하나를 선택할 필요가 없음을 증명합니다.

안전성: 새로운 볼트 결합 방식은 기존 용접 방식보다 지진 중에 덜 흔들리며 실제로 더 안전합니다.
경제성: 초기 건설 비용이 15% 더 저렴하며, 큰 지진이 올 때마다 건물을 새로 지을 필요가 없으므로 50년 동안 많은 돈을 아낄 수 있습니다.
지구: 부품을 세 번 재사용할 경우 오염을 절반 이상 줄일 수 있습니다.

저자는 이 "순환형 내진 설계(Circular Seismic Design)"가 페루에서 채택될 준비가 되었으며, 건물을 "일회용" 아이템에서 "재사용 가능한" 자산으로 바꾸는 라틴 아메리카의 다른 지진 위험 국가들의 청사진이 될 수 있다고 결론지었습니다.

기술 요약: 페루의 탈착식 전단 탭을 위한 순환형 내진 설계 프레임워크

문제 제기
건설 부문은 전 세계 온실가스(GHG) 배출량의 39%를 차지하며, 구조용 강철 제조는 그 중 8%를 기여하고 있다. 안데스 산맥과 같은 고지진 지역에서 기존의 영구 강재 모멘트 연결부는 지진 발생 시 가역적이지 않은 손상에 취약하다. 이러한 손상은 연결당 약 120kg의 강철 폐기물을 발생시키며, 원래 건물 가치의 30~40%에 해당하는 재건축 비용을 초래한다. 순환 경제(CE) 원칙이 제조 및 전자 산업에는 적용되어 왔으나, 탈착 가능성(재사용성)과 내진 안전성 사이의 상충 관계에 대한 인식 때문에 내진 설계 규정에는 거의 적용되지 않고 있다. 탈착식 연결부에 관한 기존 연구는 저지진 지역에 국한되어 있어, 지반 가속도가 통상 0.4g를 초 exceed하는 안데스 지역의 내진 성능과 지속 가능성을 통합하는 데 있어 중요한 공백을 남기고 있다.

연구 방법론
본 연구는 탈착식 전단 탭(Demountable Shear Tabs, DST)을 활용한 강재 모멘트 연결부를 위한 순환형 내진 설계(Circular Seismic Design, CSD) 프레임워크를 제안한다. 본 연구는 4단계의 IMRyD 구조를 따랐다:

시스템 정의: 페루 리마의 주거용 건물을 위해 설계된 3층 및 5층 강재 모멘트 저항 골조(SMRF)를 모델링하였다. 설계 조건은 지진 구역 4, 토양 유형 S2이다. DST 구성 요소로는 A36 강재 전단 탭(12mm), 전단 전달을 위한 Grade 10.9 고장력 볼트, 그리고 제거 가능한 Grade 8.8 추출 볼트가 포함되었다.
내진 성능 분석: 12개의 수치 모델을 SAP2000 v23을 이용한 비선형 시계열 해석에 적용하였다. 해석에는 E.030 설계 스펙트럼에 맞춰 스케일링된 7개의 페루 지진 기록(Mw 7.0–8.5; PGA 0.3–0.6g)을 사용하였다. 성능 평가는 즉시 거주(IO), 인명 안전(LS), 붕괴 방지(CP)에 대한 E.030 기준에 따라 수행되었다.
전생애주기 평가(LCA): ISO 14040:2006 및 ISO 14044:2006 표준에 따라, OpenLCA v1.10 및 Ecoinvent 3.8 데이터베이스를 사용하여 cradle-to-cradle LCA를 수행하였다. 세 가지 시나리오를 비교하였다: 단일 사용 용접, 단일 사용 볼트, 그리고 3회 재사용되는 DST 연결부. 영향 범주는 지구 온난화 지수(GWP), 산성화 잠재력(AP), 부영양화 잠재력(EP)을 포함한다.
규범적 적응: 탈착식 연결부 수용을 위해 페루의 E.030 내진 설계 표준 제24조를 수정할 것을 제안하였으며, 특히 전단 저항 감소 계수를 도입하고 추출 시간 제한을 정의하였다.

주요 기여
본 연구는 해당 분야에 네 가지 주요 기여를 제공한다:

통합 CSD 방법론: E.030 내진 성능 요구 사항과 CE 재사용성 기준을 동시에 다루는 프레임워크를 제공한다.
전생애주기 정량화: 페루의 조건 하에서 DST 연결부의 환경 영향을 정량화하기 위해 세 번의 재사용 주기에 걸친 LCA를 수행하였다.
내진 검증: 고지진 하중을 견딜 수 있음을 입증하기 위해 현지 페루 지진 기록을 사용하여 내진 성능을 검증하였다.
규제 경로: DST 연결부의 사용을 법적으로 허용하기 위해 전단 감소 계수와 잔류 용량 검증을 포함하여 E.030 표준을 수정하는 구체적인 제안을 제시하였다.

결과

내진 성능: 모든 모델이 E.030 붕괴 방지 한계(θ ≤ 0.040)를 충족하였다. DST 연결부는 최대 층간 변위를 0.028로 달성하였는데, 이는 용접된 영구 연결부(0.035)보다 20% 낮은 수치이다. DST 연결부의 극한 모멘트 저항은 505 kN·m로 용접 연결부보다 12% 높았으며, 전단 저항은 295 kN으로 용접 연결부보다 7.8% 낮았으나 설계 요구량보다는 13.5% 높았다.
피로 및 재사용성: 추출 볼트는 지진 설계 요구 사항인 1,000 사이클을 초과하는 2,450 사이클의 피로 수명을 보였다. 평균 추출 시간은 연결부당 1.2시간이었다.
환경 영향: 세 번의 재사용 주기를 거치면서, DST 연결부는 용접 영구 연결부(1,080 kg CO₂ eq) 대비 지구 온난화 지수(GWP)를 62%(410 kg CO₂ eq) 감소시켰다. 산성화 및 부영양화 잠재력은 각각 58%와 64% 감소하였다. 주요 감소 동인은 신규 강철 생산의 회피였다.
경제성 분석: 리마의 5층 건물에 대해, DST 연결부의 초기 비용은 용접 방식( $110,000)보다 15% 낮은$ 93,600였다. 50년의 설계 수명 동안 DST 옵션의 순현재가치(NPV)는 재건축 비용 회피와 노동 시간 단축(설치 시 4.5시간 대비 2.9시간)에 힘입어 22% 더 높았다.

의의 및 주장
본 논문은 순환 경제 원칙과 내진 안전 요구 사항이 고지진 지역인 안데스 환경에서도 호환 가능하다는 점을 주장한다. 본 연구는 제안된 DST 프레임워크가 현재의 내진 성능 한계를 충족할 뿐만 아니라 능가하면서도 환경적 영향을 크게 줄일 수 있음을 입증한다.

본 연구는 DST 연결부를 위해 전단 저항 감소 계수(φ = 0.85)를 도입하고 잔류 용량 검증을 의무화하는 E.030 표준 제24조의 수정을 기술적으로 근거가 있고 입법적으로 실행 가능한 경로로 제시한다. 저자들은 이 프레임워크가 현재 탈착식 내진 연결부에 대한 규정이 없는 다른 고지진 라틴 아메리카 국가들(칠레, 에콰도르, 콜롬비아)을 위한 복제 가능한 모델 역할을 할 것이라고 단언한다.

본 논문은 분석이 5층 이하 건물로 제한되었고, LCA를 위해 유럽 공급망 데이터를 사용하여 불확실성이 존재할 수 있으며, 잔류 용량을 위해 실험적 반복 시험 대신 수치 모델링을 사용했다는 한계를 인정한다. 향후 연구에는 근접장 지표 운동(near-field ground motions) 하에서의 실험적 검증과 고층 건물에 대한 검증이 포함될 것을 권장한다.