중등교실 7

“철강과 구조물”

‘철강’이 쓰이는 곳 중에서 빼 놓을 수 없는‘건축’. 건축에서의 철강도 나날이 발전을 거듭하고 있다.

어떠한 기술의 발전이 있었으며, 우리 생활에 어떻게 들어와 있는지 알아본다.

1. 안전하고 아름다운 스틸하우스

1930년대부터 도입되기 시작했으며, 우리나라에서도 최근 큰 인기를 모으고 있다. 스틸하우스는 기존주택의 골조를 경량철강재로 대체한 것으로, 스틸하우스의 가장 큰 장점은 내구성이며 마감재는 기존주택과 같은 재료를 사용함으로써 외관과 기능이 같다는 것이다. 또 시공이 간편하며 지진이나 화재 등 천재지변에도 뛰어난 안전성을 보장한다.또 내부설계가 자유로우며 보온 및 단열성이 기존주택보다 우수해 골조가 뒤틀리거나 썩거나 할 염려가 없어 수명이 반영구적이다. 주택을 새로 짓거나 철거할 경우 골조를 재활용할 수 있으므로 환경주택이라 불린다. 또 설계가 자유로워 세련되고 개성있는 외관이 특징이다. 또한 건축시공 기간도 콘크리트 방식보다 매우 짧아서 수 개월씩 걸리는 단점을 보완하고 있다. 스틸스터드에 의한 건축물의 시공은 공장에서 맞춤 시공도 가능하기 때문에 내 집 마련 기간을 대폭 줄일 수 있다는 장점도 있다.

2. 환경친화적 건물, 철골조 아파트

현대인의 선호하는 주거공간인 아파트, 그 중에서도 철골조 아파트가 부상하고 있다. 그 이유는, 기존의 철근콘크리트 아파트의 수명은 약 23년 밖에 되지 않아서 그 이후의 재건축으로 인한 환경오염과 낭비가 심하기 때문이다. 철골구조 아파트는 건물을 지탱하는 것에서부터 철근 콘크리트가 아닌 철골을 사용하는 방법이다. 1990년 국내에 처음소개되어 점차 영역이 확대되어 가고 있다. 현재 30층 이상의 고층건물에 많이 사용되고 있다. 그 특징으로는 넓은 실내공간을 연출 할 수 있고, 철의 강도 높음으로 인하여 지진과 태풍에도 안전하다. 또한 리모델링으로 장기간 사용할 수 있기 때문에 친환경적이다.

3. 철 케이블로 지탱한 현수교

현수교는 다리의 무게를 다리 아래의 기둥이 아닌 다리 위의 철 케이블로 지탱하는 방식으로 설계되었다. 그래서 다리 중앙에 기둥이 없다는 것이 그 특징이다. 강도가 높은 가느다란 철사를 다발로 엮어 와이어로프라는 밧줄을 만들어, 두 기둥 사이에 빨래줄처럼 적당히 늘어뜨린 후 여기에 다리를 매다는 구조다.

현수교는 다리를 세우는 조건이 나쁠 때 등장한다. 다리가 세워지는 곳이 해협 등 수심이 깊거나, 바닥이 진흙으로 되어 지지하는 기둥을 세우기 어려울 때, 또 해류가 빠르거나, 지진의 위험이 있을 때 이 방식을 사용한다.

다리 기둥간의 거리인 경간이 세계에서 가장 긴 일본의 아카시대교(경간 길이 1,991m), 덴마크의 스토렙토 브릿지(경간 길이 1,600m)가 대표적인 현수교이다. 우리나라에는 4,321톤의 와이로프가 사용된 광안대교(경간 길이 900m/총 길이 7,420m), 300톤의 와어로프가 사용된 남해대교, 영종대교가 있다.

와이어로프는 최근 각종 산업에 필수적으로 사용되는 철강 소재로 토목 및 건설, 각종 운송․운반 장비에 이르기까지 활용 범위가 매우 넓다. 와이어로프는 경강선재(탄소 함유량이 0.4% 이상인 탄소강 선재)를 열처리한 후 신선 등 냉간 가공하여 만든 경강선과 경강선에 아연을 도금한 아연도경강선을 소선으로 하여 1층 또는 여러 층을 꼬아서 스트랜드를 만들고, 이 스트랜드 6개를 다시 심강(코어)을 중심으로 꼬아서 만든 것을 말한다. 꼬임 방향에 따라 오른 꼬임 한 것을 Z꼬임, 왼 꼬임 한 것을 S꼬임이라고 하며, 로프의 꼬임 방향과 스트랜드의 꼬임 방향이 반대인 것을 보통꼬임, 로프와 스트랜드의 꼬임 방향이 같은 것을 랭꼬임이라고 하는데 일반 와이어로프는 대부분이 Z꼬임이다. 와이어로프를 구성하는 스트랜드 수는 6개가 표준이나 3개, 4개, 8개 또는 그 이상인 것도 있다. 로프 중간에 있는 심강은 일반적으로 마봉강(열간 압연 봉강을 냉각 인발해서 절살, 연삭 또는 이들의 조합으로 가공한 것)을 이용한다. 그러나 최근에는 와이어로프 자체를 심으로 한 로프심을 쓴 것이 널리 사용되고 있다.

4. 파도 위에도 안전한 해양구조물

해양구조물은, 해상에 떠 있는 구조물로서 석유관련설비나 소각장, 발전설비 등 산업설비로 최근에는 호텔이나 공항 활주로의 이용도 검토되고 있다. 그 중에서 주로 원유를 시추하기 위한 설비가 대부분이며, 기능상으로는 시추․생산․저장․하역․주거설비 등의 기능을 담당하고 있다. 형태상으로는 스틸자켓이나 콘크리트 구조물로 해저에 고정되어 있는 ‘고정식’과 해상에 떠 있는 ‘부유식 구조물’로 나눌 수 있다. 고정식 구조물은 수심 300미터 이하 대륙붕 지역에 설치되어 석유를 시추하고 생산하며, 부유식 구조물은 해상에 떠서 수천미터 해저의 천연가스나 원유를 시추하는데 쓰인다. 해양구조물은 구조와 기능에 따라 종류도 천차만별인데, 가장 대표적이라 할 수 있는 원유시추탐사선(Drill ship)․FPSO라고 불리는 원유생산저장설비․해상에서 움직일 수 있게 만든 부유식 해상 구조물․심해에 고정되어 있는 고정식 해상 플랫폼 등이 그것이다.

그렇다면 국내의 해양 구조물 제작수준은 어느정도 일까?

국내에서는 풍부한 조선 제작 기술을 바탕으로 거의 모든 해양구조물을 건립하고 있다. 지난 89년에는 현대중공업이 미국 산타바바라 해협에 3만9천톤이 넘는 구조물을 제작했고, 2004년에는 대우조선해양에서 7만톤이 넘는 해양구조물을 제작하여 초대형 해양구조물 제작에 있어서 한국의 능력을 보여주기도 하였다.

해양구조물에 사용되는 철강재는 고강도 후판이 주로 사용되는데, 최근에는 용접성이 우수한 PMCP강재를 많이 사용하고 있다. 해양구조물은 20년 이상 한 위치에서 석유를 생산하기 때문에 구조적으로 매우 안전해야 하기 때문이다. 때문에 재료 뿐만 아니라 설계에서도 안전조건에 맞는 복잡한 설계가 필요하고 제작도 까다로운 것이 그 특징이다.

세계인이 놀란 우리의 국내기술로 이룬 쾌거, 해양구조물. 거대한 파도에도 끄떡없는 해양신화임에 틀림없다.

5. 시간이 남아있는 내후성 강판

페인트칠을 하지 않아도 혹독한 대기환경 속에서 부식되지 않는 강판이 있다. 바로 내후성 강판이다. 내후성 강판은 튼튼하고 시공기간도 짧은데다 외형이 아름답다. 또한 가장 큰 장점인 유지보수 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 특성 때문에 강교량이나 건물에 쓰이고 있다.

내후성(耐候性)이란 대기 중에서 부식에 견디는 성질을 말하며 내후성 강판(고내후성강)은 내후성이 우수한 구리, 크롬, 인, 니켈 등의 원소를 소량 첨가한 저합금강으로서 일반강에 비해 4~8배의 내후성을 갖고 있는 강재다. 내후성 강판이 대기에 노출되면 초기에는 일반강과 유사한 녹이 발생하지만 시간이 경과함에 따라 그 녹의 일부가 서서히 모재에 빈틈없이 밀착하여 안정녹층을 형성하는 것이 일반 철판과 다른 점이다. 이러한 안정녹층은 외부 대기 부식에 대한 보호막이 되어 더 이상의 부식진행을 억제하게 된다. 즉 내후성 강판은 강재의 약점인 녹을 독특한 형태로 극복한 자재이다. 이러한 특성 때문에 내후성 강제는 페인트 칠에 의한 환경오염이 우려되는 상수도 보호구역이나 유지보수가 어려운 산악지역 강교량에 쓰여서 수질 및 환경오염 방지와 경제적인 유지비용 절감 효과를 보고 있다.

내후성 강판의 큰 매력인 안정화녹이 형성되기 위해서는 자연부식과정을 거쳐야 하는데, 현장에서 많은 시간을 필요로 한다. 1단계(1~2년경과)는 일반강과 동일하게 부식이 진행되며 2단계(3~4년경과)는 부식산화층 내부에서 크롬, 구리, 니켈 등의 작용으로 치밀한 안정 산화층이 형성․유지되며 3단계(5~10년경과)에는 암갈색의 산화피막층 형성된다. 하지만 현장에서 비를 한번 맞게 되면 일단 붉은 색의 안정화녹이 발생하고 시간이 지남에 따라 암갈색으로 변화되는 모습을 쉽게 볼 수 있다. 규격은 정해져 있지 않으나 일반적으로 두께 2.3㎜, 폭 1.2m이다.