현대 사회는 도시발전의 가속화로 주거환경 개선을 끊임없이 요구받고 있다. 또 예기치 못한 자연재해 증가로 지진에도 안전한 강구조물 건축 등 내지진 대책 수립이 필요한 상황이다.
오늘날 건설 산업을 향한 까다로운 요구 사항은 ‘경제성’과 ‘안전성’, ‘환경과의 조화로움’으로 좁혀진다. 적어도 이 세 가지를 동시에 충족해야 구조물의 안전 기준은 물론 사용자의 사업성, 나아가 최종 사용자도 만족시킬 수 있다.
포스코, 고성능 건설구조용 강관 활용 방음터널 신공법 개발로 신수요 창출 나서…
최근 도심을 관통하는 고속화도로 건설 확대로 소음 민원이 지속적으로 증가하고 있다. 포스코에서 개발한 강관 트러스형 경량 방음터널 신공법은 기존 방음터널 문제점들에 대한 개선 방안을 제시함과 동시에 경제성, 경량성, 안정성, 심미성을 갖추고 있어 적용 사례가 점차 증가할 것으로 기대되고 있다.
교통소음에 대한 제어 대책은 크게 차량에 소음 제어 장치를 부착하는 차음설계법과 도로 방음벽, 방음터널 등을 설치하는 방법이 있다. 그중 방음터널 설치공법은 기존의 방음벽에서 발생하는 반사 소음을 최소화하고, 소음원으로부터 소음 전달 경로를 직접 차단할 수 있기 때문에 도심지 교통시설에 대한 소음 저감 효과를 극대화할 수 있는 대표적 기술로 각광받고 있다.
포스코는 올해 초 공동개발사인 포스코건설과 함께 안양-성남 고속도로 관양지구 4차선 연장공사에 강관 트러스형 신공법을 적용한 고성능강(STKT590, 830톤)의 초도 적용을 마쳤다. 세종시 2-1 생활권을 포함한 총 8개 현장에도 설계 스펙 등록을 완료해 2018년까지 약 2100톤의 판매가 이루어질 전망이다.
이번 신공법은 교량과 고가도로에 작용하는 고정 하중을 획기적으로 줄일 수 있어 이미 시공된 교량과 고가도로 상에 확대 적용할 수 있다. 도심을 관통하는 교량과 고가도로상에 방음터널 공법 대안으로 수요가 더욱 증가할 전망이다. 최근 서울시는 '2025 서울시 도시주거환경 정비기본계획'의 일환으로 자동차전용도로 소음피해지역 전수조사 후 방음시설물 설치 대책을 수립할 계획이다. 이번 신공법을 적용한 방음재 수요 확대가 예상된다.
방음터널을 교량에 적용할 경우 방음터널의 무게는 교량에 추가적인 고정하중으로 작용하기 때문에 교량에 대한 구조 안전성을 확보하기 위해 방음터널의 무게를 설계 단계에서부터 고려해야 한다.
또 방음터널은 기타 건축 및 토목 구조물에 비해 시공 조건이 불리해 시공성을 확보하기 위해서는 구조재를 경량화할 필요성이 있다.
방음터널 경량화 필요성에 따라 포스코에서는 고강도 소재를 활용한 강관 트러스형 경량 방음터널 신공법을 개발했다. 이 공법은 2016년 9월 국토교통부 건설 신기술로 지정받았다. 신공법은 포스코 및 포스코건설 포함 5개사가 공동으로 참여해 개발했으며, 소재·제작·설계·시공 관련 전 공정에 대한 품질 검증을 마쳤다. 기존에 주로 사용하던 H형강 프레임 공법 대비 품질과 활용 면에서 다양한 장점이 있음이 확인됐다.
포스코의 고강도구조용강인 STKT590과 PosH690 등을 기반으로 만든 경량 트러스 구조(직선으로 연결된 여러 개의 뼈대 재료를 삼각형이나 오각형으로 구성하여 지붕이나 교량 등에 사용하는 구조물)는 기존 H형강 프레임 대비 약 53%까지 무게를 줄일 수 있다. 설계 하중을 만족한 상태에서 경량화와 경제성을 동시에 달성할 수 있다.
특히 트러스 구조를 도입함으로써 구조적 강성을 향상시켜 처짐 감소 효과를 유도했다.
또한 방음터널 지붕 부위 강관 트러스 내에 흡음판을 설치, 방음터널 입출부에서 발생하는 배출소음을 저감시킬 수 있었다. 동시에 지붕 쪽에 설치한 흡음판의 흡음 효과로 인해 방음터널 벽면의 불투명 흡음판을 생략할 수 있게 해 채광이 우수, 운전자의 시인성을 향상시킬 수 있게 했다.
더불어 지붕 방음판 고정을 프레임 없이 시공하는 방식을 택해 시공성을 향상시켰고, 벽면 방음판은 측면에서 탈부착하는 방식으로 개발해 손상된 방음판을 국부적으로 교체할 수 있게 했다.
이렇게 개발된 트러스형 경량방음터널 신공법은 포스코의 고성능강 제품을 기반으로 최적 설계를 수행할 경우 약 15%가량의 공사비 절감이 가능했으며, 손상 방음판 교체 시 31%가량의 유지 보수 비용이 절감됐다.
포스코는 앞으로도 품질 향상에 노력을 기울여 2019년까지 안양-성남 과천고가교 등 20여 개 현장에 고성능강 제품 약 5000톤을 추가로 적용하는 등 강건재 시장에서의 입지를 더욱 확대해 나갈 계획이다. 이와 더불어, 2019년까지 서울특별시와 공동으로 기존 고가도로 상에 설치 가능한 강관 트러스형 경량방음터널 공법을 고도화하기 위한 R&D 과제를 적극 추진할 예정이다.
업계에서도 호평... 향후 확산 가능성 높을 것으로 기대
포스코의 신공법은 업계에서도 좋은 반응을 이끌어내고 있다. 올해 6월부터 9월까지 3개월에 걸쳐 신공법으로 제2경인연결(안양~성남)도로 2공구 관양지구 구간 방음터널 제작과 설치를 맡은 신영기술개발 관계자는 "포스코 부재가 무엇보다 가벼우며 볼트 체결 부위가 적어 기존 강재를 사용했을 때보다 시공이 빠르고 용이하다"고 했다. 이어 "설치 완료 후 미관 또한 수려하여 향후 포스코의 신공법이 널리 확산될 것으로 보인다"고 덧붙였다.
내지진 강관 시스템, 고강도 가설재용 강관, 항만 및 해양구조용 내식성 강관 등 건설·해양용 강재 개발 및 적용도 활발히 진행 중
포스코는 고강도 건설구조용강을 활용해 내지진 강관 시스템부터 부식에 강한 항만 및 해양구조용 강관까지 개발해 신수요 창출에 적극 나서고 있다.
지진을 비롯한 예기치 못한 재해에 대비하기 위해 포스코와 국내 주요 강관사는 2008년부터 철강협회 산하에 내지진 강관 협의회를 설치, 내지진 강관구조 시스템(EQST: EarthQuake, Strong Tube)을 개발하고 보급해 왔다.
내지진 강관구조 시스템 특징은 기둥에 내지진 소재를 적용한 강관을 심고, 기둥과 연결되는 보 부재 역시 내지진 강을 적용해 예기치 못한 지진 발생 시 보 부재에서 에너지를 흡수해 파괴에 따른 건물 붕괴를 기둥이 방지해 주는 시스템이다.
또 대공간에서의 내지진 강관 적용 시 용접 성능이 뛰어나 구조적 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 내지진 강관 구조 시스템은 국내 최초 돔경기장인 고척동 야구 경기장을 포함, 인천 숭의운동장, 아시안게임 경기장 등에 적용됐다. 해외로는 필리핀 아레나 경기장 등, 내진 성능이 요구되는 많은 구조물에 적용해 구조물 안정성을 확보해 왔다.
포스코는 2010년 진방스틸, 금강공업, 한진철관 등 조관사와 공동으로 고강도 비계용(높은 곳에서 공사를 할 수 있도록 임시로 설치한 가설물) 강관인UL700 (Ultra Light 700) 브랜드를 출시해 국내 최초로 철강 가설 제품 경량화를 시도했다. UL700이란 인장강도(강재가 지탱할 수 있는 최대 강도를 의미한다.
인장강도 700㎫는 단면적 1㎟강재가 지탱할 수 있는, 최대 하중이 700N(=70kg)인 700㎫ 이상 고강도 소재를 이용해 생산한 고강도 강관을 의미한다. 일반적으로 사용하던 인장강도 400㎫, 490㎫ 급 소재 대비 40% 이상 상향된 강도를 지니고 있다. 최근 들어 UL700용 강재(열연코일)의 원가절감 및 시스템 비계 최종 제품 상태의 성능 평가, 개선 등을 통해 적용을 확대해 나가는 상황이다.
가설재 설치 및 운영 과정에서 안전사고가 빈번하게 발생하는 이유는 가설재의 제품 특성에서 찾을 수 있다. 가설재는 말 그대로 건설 현장 등에 임시로 설치해 사용하고 추후에 해체하는 구조물을 의미한다.
UL700을 적용한 가설재의 대표적 사례는 시스템 비계다. 시스템 비계는 기존의 단관비계 대비 설치와 해체가 용이해 현장 작업자의 숙련도와 무관하게 유사한 성능의 비계구조물을 구현할 수 있다. 현장 설치와 해체 작업 시간을 단축할 수 있는 장점을 지니고 있다.
UL700을 적용한 시스템 비계 장점은 다음과 같다. 먼저 구조 안전성을 효과적으로 개선할 수 있다. 소재의 고강도화와 더불어 강도 수준과 편차 등에 대한 엄격한 품질 관리로 소재 신뢰도를 확보할 수 있다. 두 번째는 고강도 경량화를 통한 시공성 개선 효과를 들 수 있다. 강도 증가를 통해 기존에 사용되던 일반 가설재 대비 약 25%의 중량을 절감할 수 있으며 이는 현장에서의 시공성 개선 및 시공 시간 절감으로 나타난다.
실제 현장에서 UL700을 적용한 시스템 비계 제품의 설치, 해체 시간을 조사한 결과 시간이 약 15% 절감되는 것으로 나타났다. 세 번째로는 단위 제품의 중량 절감을 통해 현장 작업자에게 발생하는 근골격계 질환을 예방하는 효과도 기대할 수 있다. 마지막으로 운송 부하 절감의 효과도 기대할 수 있다. 단위 중량의 절감으로 인해 가설기자재의 반입과 반출에 소요되는 운송 비용 절감을 기대할 수 있다.
이외에도 UL700은 향후 기타 가설재 제품으로 적용하기 위한 설계와 성능 검증 작업을 진행 중이다. 이와 같이 UL700은 주변에서 흔히 접할 수 있는 가설재의 고강도화, 경량화를 통해 안전을 증진하고 현장 작업자의 작업 부담을 경감하기 위한 목적으로 개발, 보급되고 있다.
포스코는 해수 환경에서 부식 문제를 해결하기 위해 비말대에서 일반적인 구조용 강재보다 부식에 대한 저항성이 40% 향상된 내해수강 Poseidon500을 개발했다. Poseidon500은 1% 정도의 Cr(크롬) 성분을 함유한 탄소강으로서 해수에 노출되면 표면 부식을 억제하는 Cr 산화층이 형성돼 내식성을 향상시킨다.
해수 환경에서 내식성이 우수한 강재로는 스테인리스를 생각할 수 있지만 이는 가격이 비싸다. Poseidon500은 항만 강관파일 등 대량으로 사용하는 구조용 강재에 경제적으로 적용할 수 있도록 저원가로 개발됐다. 일본 철강사도 내해수강을 개발해 선박이나 플랜트에 적용한 사례가 있다. 이는 항복강도 240Mpa 수준인 반면 포스코의 내해수강은 항복강도 380MPa로 세계 최고의 구조용 내해수강이다.
포스코는 Poseidon500의 내식성을 검증하기 위해 2011년에 국내 시화(서해), 광양(남해), 포항(동해)에 시험편을 설치, 5년 동안 장기 부식시험을 했다.
장기부식시험 결과, Poseidon500은 국내 3개 지점에서 모두 일반 구조용 강재(SS400) 보다 40%가량 부식이 느리게 진행된다는 것을 검증받았다. 이를 바탕으로 2016년까지 KS D 3300 항만 및 해양 구조용 내식성 강관 등 KS 표준 4종에 등록됐다.
2014년에는 관급공사에서 적용하기 위해 필수인 해양수산부 발간 항만 및 어항설계 기준도 반영해 국내 사용 기반 구축을 완료, 2016년부터 포항신항 1부두 #12선석 개축공사, 대형연구조사선(이사부호) 전용부두, 광양 LNG 탱크 등 강관파일로 적용됐다.