예상치 못한 재난·재해 대비 구조물 안전성 검증…'극한성능실험센터'

9.11 테러나 동일본 대지진과 같은 예상치 못한 인적·자연적 요인에 의해 발생하는 충격과 폭발, 극저온, 극한하중 등의 환경 속에서 구조물은 어떤 영향을 받을까. 각종 장비로 관련 실험과 검증을 진행, 구조물 안전성 강화와 전문인력 배출을 돕는 국내 유일의 시설이 있다. 서울대학교 극한성능실험센터다. 극한성능실험센터의 설립 취지는 무엇이며, 어떤 장비를 갖추고 있는지 직접 찾아가 살펴봤다.

서울대 극한성능실험센터 내부. 출처=IT동아

서울대 극한성능실험센터 내부. 출처=IT동아

구조물에 대한 극한성능실험 가능한 국내 유일 시설물

서울대 극한성능실험센터는 국토교통부의 건설연구 인프라 구축사업의 일환으로 건립, 2018년 개소했다.

기존에는 대학이나 연구소, 기업 등이 극한환경 하에서 구조물의 영향을 평가하려면, 막대한 비용과 시간을 들여 해외로 나가 실험을 해야 했다. 극한성능실험센터 건립 이전에 해당 실험이 가능한 시설이 국내에 없었기 때문이다. 이에 산학연 관계자들이 관련 실험센터의 건립을 요구했고, 이를 수렴한 국토부는 건설 연구 인프라 구축사업으로 서울대 극한성능실험센터의 건립을 지원했다.

원전에 비행체가 충돌할 경우 구조물에 미치는 영향 등…다양한 극한성능실험 가능

그렇다면 극한성능실험센터를 구성하는 시설물은 무엇이고, 이를 활용해 어떤 실험이 가능할까. 극한실험센터는 ▲중속 가스건 ▲고속 가스건 ▲초고속 가스건 ▲홉킨스바 ▲자유낙하 시험기 ▲극한온도 실험시설 ▲팬들럼 충격 실험기 등을 갖추고 있다. 토목건축, 기계, 항공 등 다양한 산업분야에서 다루는 재료와 구조물의 성능과 거동을 극한환경 하에서 실험할 수 있다.

중속 가스건은 국가 중요시설과 같은 특수 설계 구조물에 충격이 가해졌을 때 구조물에 미치는 영향을 측정할 수 있는 장비로, 최대 구현 속도 470m/s로 실험이 가능하다.

중속 가스건. 출처=IT동아

중속 가스건으로 예컨대 원전 구조물에 항공기가 충돌했을 경우 또는 무기격납고에 미사일이 충돌한 상황, 극한 환경에 놓인 해양 플랜트나 대형 선박 등을 가정해 내충격 성능을 평가한다. 해당 구조물을 구성하는 구조물의 벽면을 실험현장에 구현한 후 발사체에 해당하는 충격을 가한 뒤 초고속 카메라 촬영 영상과 시뮬레이션 기술을 통해 결과를 해석하는 방식이다.

종속 가스건 활용 실험사례. 출처=극한성능실험센터

중속 가스건으로 조류가 항공기 엔진에 충돌할 경우를 모사한 실험도 가능하며, 유도탄의 전방부에 충격이 가해져도 신관의 신호가 제대로 작동하는지 여부까지 검증할 수 있다. 방산기업에 반드시 필요한 실험이다.

고속 가스건은 시설물에 총격이 가해졌을 때 방탄 성능을 검증할 수 있는 실험장비로, 최대 구현 속도는 1.2km/s다.

고속 가스건 스펙. 출처=극한성능실험센터

고속 가스건으로 탄환 발사실험과 구조물을 구성하는 다양한 재료와 부재의 내충격 성능 평가 또한 가능하다.

고속 가스건 활용 실험 사례. 출처=극한성능실험센터

초고속 가스건은 우주에 떠다니는 비산물이 우주선이나 위성에 충돌했을 때를 가정한 실험이 가능한 장비로, 최대 구현 속도 7.0km/s에 달한다.

초고속 가스건 스펙. 출처=극한성능실험센터

초고속 가스건으로 강철과 같은 다양한 재료와 부재의 내충격 성능 실험과 태양계 행성의 지질학적 형성 과정을 모사한 실험 또한 가능하다.

초고속 가스건 활용 실험 사례. 출처=극한성능실험센터

홉킨스바는 고속하중 하에서 다양한 구조물의 재료가 어떤 영향과 특성을 보이는지, 사회기반 시설물의 내충격 성능은 어떠한지를 평가할 수 있는 장비다.

홉킨슨바. 출처=극한성능실험센터

예컨대 충돌속도 18m/s에서 콘크리트의 동적압축 강도는 어떠한지 평가하는 방식이다.

콘크리트 동적압축강도 평가 실험. 출처=극한성능실험센터

자유낙하 시험기는 고중량의 물체가 충돌했을 때 사회 기반 시설물이 어떤 영향을 받는지 실험할 수 있는 장비로, 최대 3톤의 추를 최대 15m 높이에서 낙하해 실험할 수 있다.

자유낙하 시험기 스펙. 출처=극한성능실험센터

자유낙하 시험 후 충격을 분석하는 시뮬레이션 이미지. 출처=극한성능실험센터

자유낙하 시험 결과를 향후 설계 기법에 반영하면, 산사태로 인한 울릉도 가두봉 피암터널 붕괴와 같은 사건을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

극한온도 실험시설은 온도 범위 -60℃~60℃까지 지구상에서 나타날 수 있는 최저·최고 기온을 구현해 구조물에 미치는 영향을 분석하는 장비다.

극한온도 실험시설. 출처=극한성능실험센터

극지방 해양 플랜트 구조물과 같이 혹한, 혹서기에 동시에 노출된 구조물에 대한 안전성을 평가하는 연구에 주로 활용되는 장비다.

고온·고습 및 저온에서의 모터 및 제어계통 작동 성능을 검증하는 모습. 출처=극한성능실험센터

고온·고습 및 저온에서 드론이나 비행체의 모터 및 제어계통이 올바로 작동하는지 성능을 검증하는 데에도 쓰인다.

팬들럼 충격 시험기는 무게 최대 2,000kg의 추를 최대 수직높이 5m에서 최대 충격에너지 100kJ을 가하는 방식으로 작동한다. 방호울타리나 교통표지판의 지주 등 도로 안전시설물의 내충격 성능을 검증하는 데 쓰인다.

팬들럼 충격 시험기 스펙. 출처=극한성능실험센터

이처럼 다양한 실험을 수행할 수 있는 극한성능실험센터는 2021년 4월부터 오는 2025년 12월까지 국가 과제 또한 수행한다. 국토교통 기술과 제품의 객관적인 성능평가를 위한 표준실험절차서를 개발하는 내용의 사업으로 계획대로 수행된다면, 국가 중요시설물 등의 안전성 평가와 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

조재열 극한성능실험센터장(서울대학교 건설환경공학부 교수)은 “국가에서 세계 최고 수준의 연구 인프라를 구축해 준 것에 대해 감사함과 자랑스러움을 느낀다. 나라의 미래인 초중고 학생들이 극한성능실험센터로 견학오면서 극한공학분야의 중요성을 알아가고 훗날 이 분야에서 중요한 역할을 해 줄 것이라는 기대감이 생긴다”며 “이처럼 훌륭한 시설이 구축된 만큼, 운영에 필요한 인력 고용 문제와 더 나은 실험을 위한 장비 유지 관리의 문제 또한 관심을 당부드린다”고 말했다.

동아닷컴 IT전문 김동진 기자 (kdj@itdonga.com)