STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

국토의 70%가 산지인 우리나라는 차를 타고 달리다 보면 크고 작은 터널을 쉽게 볼 수 있어요. 국토교통부의 조사에 따르면 지난해 기준 국내 도로에는 총 2,682개의 터널이 있다고 해요. 그중 고속도로에만 1,204개의 터널이 존재한다고 하니 우리 친구가 할머니 댁에 다녀오는 길에 터널을 엄청 많이 만날 법도 하네요~

그런데 터널을 통과할 때마다 뭔가 공통점을 발견하지 않았나요? 맞아요! 터널은 모두 둥근 모양이에요. 거대한 산속을 통과하는 터널이 무너지지 않고 버틸 수 있는 비결은 바로 이 둥그런 아치 구조에 있답니다.

l 터널이 튼튼히 버틸 수 있는 이유는? 바로 둥근 모양에 있다!

아치(arch)는 구부러진 곡선 구조를 말해요. 아치 구조는 위에서 누르는 힘을 곡선을 따라 아래로 분산시켜 하중을 줄여주기 때문에 예부터 구조적으로 우수한 건축기법으로 손꼽혔어요. 내부가 뚫려 있는 터널이 산의 무게를 거뜬히 버틸 수 있는 건 터널 위에 쌓여있는 흙과 암석의 무게를 아치 구조를 통해 밑으로 내려 바닥이 하중을 견딜 수 있도록 하기 때문이에요. 이런 원리를 공학 용어로는 ‘아칭 효과 (Arching Effect)’라고도 불러요. 만약 터널이 사각 구조였다면 평평한 천장에 하중이 집중되어 균열이 발생하고 무너질 우려가 있어요.

우리 친구, 바닷가에서 두꺼비집이나 모래성 만들어 본 적 있죠? 동그랗게 만든 두꺼비집은 손바닥으로 세게 두드려도 잘 깨지지 않는 반면, 네모반듯하게 쌓은 모래성은 손바닥으로 살짝 누르기만 해도 쉽게 무너지는 것과 같은 원리에요. 터널이 아치 구조를 고집하는 이유, 이제 알겠죠? 터널 외에도 아치 형태는 다리나 건물 등 우리 주변에서 쉽게 찾을 수 있어요. 우리 몸의 무게를 견디는 발바닥도 아치 모양으로 되어있고, 장기를 보호하는 갈비뼈도 아치 형태랍니다.

아치 구조를 여러 방향으로 더하면 천장이 사방으로 동그란 돔(dome) 구조가 돼요. 둥근 그릇을 엎어놓은 모양인 돔 구조는 아치 구조의 입체적인 형태라고 할 수 있어요. 돔 구조는 위에서 누르는 힘을 둥그런 천장을 따라 구조물 전체에 분산시키기 때문에 기둥이 없이도 스스로 버틸 수 있어요. 이게 바로 야구장이나 축구장을 실내 구장으로 만들 때 돔 구조를 적용하는 이유랍니다. 실내 구장에 기둥이 잔뜩 있으면 제대로 경기를 할 수 없겠죠? 이렇게 아치 구조와 돔 구조는 수직 하중을 수평 방향으로 분산시켜 큰 무게를 지탱하는 동일한 과학적 원리가 작용해요.

l 천장이 울룩불룩한 터널의 비밀!

이런 아치, 돔 구조 원리는 스틸을 만들 때도 그대로 적용된답니다. 평평한 강판보다 구불구불 아치 모양으로 생긴 강판이 훨씬 더 강하거든요! 그럼 아치 구조의 터널에, 아치 구조의 강판을 적용하면 어떨까요? 당연히 더 강하고 안전한 터널을 만들 수 있겠죠? 바로 위에 있는 사진처럼요.

사진 속 터널은 남산 버티고개에 있는 생태터널이에요. 사람과 동물이 도심 속에서도 안전하게 길을 건널 수 있도록 만든 터널인데요. 자세히 보면 터널 천장이 울룩불룩한 거 보이나요? 맞아요. 이게 바로 구불구불 곡선을 넣은 강판으로 만든 터널이랍니다. 이런 강판은 ‘파형(波形)강판’이라고 불러요. 파형강판은 평평한 강판보다 강성^*이 높아 더욱 안전한 터널을 만들 수 있어요. 좀 더 자세히 알아볼까요? ^*강성(强性): 하중을 받는 구조물이나 부재가 변형에 저항하는 성질.

l 평평한 스틸보다 구불구불한 스틸이 강하다?

파형강판은 일반 강판에 비해 단면계수가 10~30배 높데요. 단면 계수는 하중을 지탱하기 위해 견뎌야 하는 정도를 숫자로 나타낸 거라 생각하면 쉬워요. 단면 계수가 높을수록 하중에 대한 저항력이 높답니다. 그 원리도 터널에서 본 아치 구조에서 찾을 수 있어요. 강판에 아치 모양으로 굴곡과 높이를 만들어 강성을 극대화한 거죠.

위 그림처럼 강판 위에 무거운 물체를 올려놓는다고 가정해볼까요? 평평한 강판은 수직 하중을 그대로 받기 마련이지만 파형 강판은 윗부분의 무게가 파형강판의 곡선을 따라 분산되기 때문에 같은 두께라도 더 큰 힘을 견딜 수 있어요. 이렇게 강한 파형강판은 큰 무게를 견뎌야 하는 터널은 물론이고, 광물을 실은 거대한 트럭이 오가는 광산 진입 도로, 강력한 방호 성능이 필요한 탄약고, 방호벽 등 국방시설에도 쓰인답니다.

속이 텅텅 빈 터널이 터널을 둘러싸고 있는 흙과 암석의 무게를 거뜬히 버텨내는 비결, 구불구불한 강판이 평평한 강판보다 강한 이유는 ‘아치 구조’의 같은 과학적 원리에서 비롯된 거였네요. 우리 친구, 이제 아무리 긴 터널을 만나도 겁먹을 필요 없겠죠?

사건을 파헤쳐 보니 그 중심엔 ‘파형강판(波形鋼板)’이라는 비장의 무기가 있었다. 이 파형강판의 소재는 포스코의 고성능 열연재라고. 파형강판을 제작하고 시공하는 ‘청암이앤씨㈜’가 포스코와 이노빌트 얼라이언스(INNOVILT Alliance)를 맺고 있다는 소문도 들려왔으니… 그렇다면 이 마술 같은 상황을 만들어 낸 주역들을 만나보지 않을 수 없지.

지난해 11월 포스코에서 론칭한 프리미엄 건설 자재 브랜드가 ‘이노빌트(INNOVILT)’, 이를 더 효과적으로 수행하기 위한 ‘작전 공동체’가 바로 ‘이노빌트 얼라이언스’다. 뉴스룸에서 이들에 대한 이야기를 여러 번 다루었으니 참고하시길(스마트건설을 만드는 우리는 ‘이노빌트 얼라이언스’에요!). 이렇게 이노빌트 얼라이언스가 제대로 작전(?)을 수행 중인 모습을 포착하기 위해 뉴스룸 에디터들이 직접 청암이앤씨의 충북 음성 사업장을 찾아가봤다. 이름하여 <이얼(이노빌트 얼라이언스) 탐방기>! 탐방기를 함께 하실 분은 스크롤을 내려보자.

l 청암이앤씨㈜와 포스코가 함께 완성한 3세대 파형강판

서울 포스코센터에서 차로 약 1시간 반을 달려 도착한 곳은 충북 음성 청암이앤씨㈜의 파형강판 공장. 복숭아 나무 밭을 정신없이 구경하다 보니, 어느새 철강재가 쌓인 공장이 등장했다. 넓은 공장 부지에 다음 공정을 기다리고 있는 파형강판과 실험 중인 강재들이 여기저기 반듯하게 놓여 있었다. 공정을 진행 중인 각 파트에서는 거대한 파형강판이 제 모습을 갖추기 위해 열심히 굽이굽이 파도 모양을 내는 중이었다. 눈으로 짐작해봐도 꽤 튼튼해 보이는 이 강재가 어디에, 어떻게, 얼마나 쓰이는지 몹시 궁금해졌다. 또, 이 와중에 포스코는 대체 어떤 활약을 한 건지… 그 속사정을 알기 위해 청암이앤씨의 손희준 대표, 포스코 강건재마케팅실 윤경조 차장과 이야기를 나눠봤다.

먼저 청암이앤씨의 소개부터 들어보자. 청암이앤씨는 2014년 9월에 설립해 국내외 건설시장에 파형강판을 제작, 시공하는 중소기업으로 서울, 대구, 광주, 충북에서 사업장을 운영하고 있다. 이곳 충북 음성 사업장에서는 1세대, 2세대, 3세대 총 3가지 종류의 파형강판을 생산한다. 36명의 임직원이 파형강판 설계, 생산, 영업, 시공 분야에서 근무하고 있다. 청암이앤씨가 생산하는 파형강판은 전량 포스코의 고성능 열연강판인 SS315와 SS450 제품을 사용한다.

청암이앤씨와 포스코의 인연은 2017년 3세대 파형강판을 개발하면서 시작됐다. 파형강판은 전 세계적으로는 100년 이상의 역사를 지닌 반면, 국내에 들어온 지는 30년도 채 되지 않았다. 파형강판 기술을 국내 처음 도입한 포스코는 당시 3세대 파형강판을 개발하기 위해 청암이앤씨와 R&D(연구개발) 프로젝트에 돌입했고, 1년 6개월의 연구 끝에 3세대 파형강판을 완성했다. 포스코 윤경조 차장은 그간 협업을 떠올리며 이렇게 말했다. “현재 청암이앤씨는 국내 유일의 3세대 파형강판 생산 기업입니다. 해외 시장에서도 품질을 인정받아 요즘은 수출도 활발히 진행 중이고요. 덕분에 포스코는 강재 판매량이 늘면서 양사가 윈윈하며 부가가치를 창출하는 파트너가 되었죠!”

l 이노빌트 파형강판, 이렇게 튼튼하게 만들어지더라고요!

그런데 대체 파형강판이라는 게 뭐냐고? 파형강판은 쉽게 말해 얇고 평평한 강판에 파형(波形)을 성형하여 강성(强性)을 증가시킨 제품이다. 강판에 굴곡과 높이를 만들어 힘을 극대화 시킨 물결 모양의 철강재다. 파형강판과 평평한 판을 비교하자면? 파형강판은 동일한 두께의 일반 강판보다 견딜 수 있는 힘이 약 50배 세다. 두께는 대폭 낮추면서도 높은 강도를 유지할 수 있는 덕분에 현시대 가장 구조적으로 안전하고 저렴한 건설 재료라고 해도 과언이 아니라고 한다.

공장 내부에서는 파형강판 제작이 이뤄지고 있었다. 거대한 기계 속에 직사각형 시트 형태의 강판을 넣으니 물결 모양과 곡률이 만들어졌고, 펀칭 기계로 들여 보내니 볼트 홀이 생겼다. 딱딱한 강판이 물결치듯 곡선 모양으로 변하고, 그 파형으로 더욱 강한 힘을 갖게 되는 모습을 지켜보자니… 그 무엇보다 튼튼하면서도 또 엄청나게 유연한 스틸의 매력을 제대로 느낄 수 있었다.

l 일상에서 마주치는 파형강판, 철근콘크리트 공법보다 뭐가 더 좋을까?

청암이앤씨의 파형강판은 우리의 일상에서도 흔히 볼 수 있다. 예로, 야생 동물 로드킬(Road Kill)을 방지하기 위해 단절된 도로를 연결해 만든 ‘생태터널’이 있다. 또 다른 예로 수서 SRT와 김포도시철도의 지상 대피로 수직구가 있다. 도로 횡단 통로, 수로와 지방 소하천… 그리고 그밖에 우수한 방호 성능을 자랑하며 탄약고, 비행기 격납고, 방호벽 등 국방시설에도 적용되고 있다.

이쯤 되니 건설업계에서 가장 보편적인 공법으로 꼽힌다는 철근콘크리트 공법과 파형강판을 비교해보고 싶었다. “건설업계에서 철근콘크리트는 편하고 익숙한 공법이라는 장점이 있어요. 하지만 그 공법은 철근배근-거푸집-동바리-양생 등 다단계로 이뤄지는 공정 때문에 공사 기간이 길어요. 사람이 통행하는 곳은 최대한 공사 기간을 줄여서 이용자의 불편을 최소화하는게 정말 중요하죠. 파형강판은 생산 공장에서 규격과 각도에 맞춰 제품을 모두 제작한 뒤에, 현장으로 이동해 절단 및 용접 없이 볼트 조립만으로 구조물을 완성해요. 인력도 5명 정도만 투입하면 되죠. 결과적으로 건설현장에서 가장 중요하게 여겨지는 공사기간과 공사비를 30% 이상 줄일 수 있어요.” 콘크리트 공법 대비 파형강판의 장점에 대해 손희준 대표가 설명했다.

“그런데 빨리 시공하는 것보다 안전성이 더 중요한 거 아닌가요?”라는 우리의 질문에 그의 자신 있는 대답. “100% 포스코 철강재로 만드는 파형강판입니다. 내구성은 당연한 거죠. 파형강판으로 만드는 터널은 약 100년을 견딜 수 있도록 철저히 계산하고 설계해 지어집니다. 이 모든 것은 포스코와의 오랜 테스트를 통해 검증되었고요. 최근 사고가 났던 남원시 사매터널 복구 케이스를 소개해드릴게요.”

▲ 사매2터널 복구 현장

“콘크리트 대비 파형강판의 강점은 지난 2월 사매2터널 사고 복구 과정에서도 확실히 입증됐습니다. 사고 직후 한국도로공사로부터 연락을 받았고, 즉각 포스코에 SOS를 날렸죠. 복구 방안을 함께 협의해서 파형강판을 이용한 보강공법을 한국도로공사에 해결책으로 제시했어요. 콘크리트 공법으로 보수 보강할 경우 6개월 이상의 교통 통제가 불가피했지만, 저희는 이노빌트 파형강판 공법을 적용해 공사기간을 1.5개월로 단축할 수 있었습니다.
이때 사용된 강재는 강종 SS450, 두께 5.45mm의 파형강판 2세대에요. 시공 중에도 포스코에서는 불철주야 현장을 방문하여 파형강판 설치에 대한 기술지원을 아끼지 않았습니다. 인력 15명과 크레인 장비 3대를 가지고 하루 18시간 돌관공사를 진행하여 6.5일 만에 시공을 완료할 수 있었어요. 당초 계획보다 1주일 앞당겨 3월 24일 재개통을 할 수 있게 되었죠. 사회적 문제를 포스코와 이노빌트 얼라이언스가 공동으로 대응하여 초기에 해결했어요.”

그런데 여전히 건설업계에서는 파형강판을 보는 시각이 보수적일 수밖에 없는 것이 사실. 이때 영향력을 발휘하는 것은? 그렇다. 역시 포스코 이노빌트 얼라이언스다. 손 대표는 “포스코에서 인증한 파형강판이라고 하면 우리회사 제품을 달리 봐요. 어 그래? 하면서 눈빛이 달라집니다. 실제로 이노빌트 얼라이언스 제품을 현장에 납품할 때는 인증 스티커를 붙이는데요. 포스코가 인정한 제품이니 품질에 대한 신뢰성이 높아져 재구매율 또한 향상되었어요”라고 자신있게 말했다.

▲ 제품 납품 시 부착하는 포스코 이노빌트 얼라이언스 인증 스티커!

l 이노빌트 파형강판, 해외에서도 잘나간다는데

앞서 3세대 초대골형 파형강판이 해외에서도 인정받아 수출 꽃길을 걷고 있다는 사연을 언급한 바 있다. 해외에서는 청암이앤씨의 제품이 어떻게 사용되고 있는 걸까?

최근 청암이앤씨에 러브콜을 보내온 곳은 광산이 발달한 호주와 남미였다. 광산 개발에 있어 가장 먼저 시작하는 작업은 광산으로 통하는 진입 도로를 건설하는 일. 광물 차량의 하중은 약 670톤으로 바퀴 하나가 성인 키보다 더 크다고 한다. 이 초대형 차량을 견딜 수 있는 것이 바로 3세대 파형강판. 광산 개발에 필요한 도로와 터널 건설에 사용할 수 있고, 급속 시공이 가능한 것으로 이만한 재료는 없다. 그 결과 올해 1월, 청암이앤씨, 포스코, 포스코인터내셔널의 합작으로 호주 Adani 광산 현장에 파형강판을 400톤 수출하는 성과를 거뒀다.

국내외서 인정받은 청암이앤씨의 파형강판. 그만의 강점은 뭘까? 세 가지 키 포인트가 더 있다. 먼저 청암이앤씨는 다양한 파형단면을 설계·생산함으로써 세분화된 고객의 니즈에 대응이 가능하다는 것. 특히 세계에서 3개사만 생산이 가능한 3세대 파형강판은 캐나다와 스웨덴 회사의 제품보다 구조적 성능이나 품질이 우수하다. 집중적인 연구개발 및 시설투자를 통해 양산 가능하게 된 3세대 파형강판은 현재 북미, 유럽, 남미, 호주, 아시아 국가 등에 2개의 지적재산권을 출원하여 등록을 마쳤다.

▲ 고객은 BIM을 이용해 파형강판 설계와 공사를 시뮬레이션해보고, 필요한 데이터를 미리 파악한다. 청암이앤씨 손희준 대표가 모바일로 직접 BIM을 구현하고 있는 모습.

두 번째는 세계적 설계 트렌드인 BIM(Building Information Modeling)* 설계 방식이다. 2019년, 청암이앤씨는 파형강판 업계에서는 최초로 BIM을 도입해 호주와 유럽 등 해외 고객에게 엔지니어링 서비스를 제공해오고 있다. 올 1월에 수출한 호주 광산 현장의 파형강판 구조물 시공에도 BIM 설계 방식을 적용해 좋은 반응을 얻었다고 한다. BIM을 이용하면 미리 설계와 공사를 시뮬레이션할 수 있어, 설계 오류를 최소화하고 공사 물량의 오차를 차단하는 등 생산성 향상을 기대할 수 있다. * BIM(Building Information Modeling, 건설정보모델): 3차원 형상정보는 물론 사용 부재와 재료 물량 등의 정보까지 담아 가상으로 시설물을 모델링하는 과정

마지막으로 3D Scan Monitoring 기술과 드론을 활용한 현장 시공 및 유지 관리 기술이다. 드론으로 3D Scan 카메라를 띄워, 1초에 1천만 개의 4차원 좌표를 획득할 수 있는 기술. 기존 수작업 방식보다 훨씬 짧은 시간 안에 더 정교한 정보를 파악할 수 있다. 시공상태 뿐 아니라 주변 정보까지 획득하여 고객과 실시간으로 소통할 수 있기 때문에, 시공 과정 중에 발생하는 각종 오류를 예방할 수 있다고 한다.

청암이앤씨에서 반나절을 보내며 이 둘의 관계가 실로 부러워졌다. 포스코와 이노빌트 동맹을 맺고 국내외 시장에 자신있게 명함을 내밀고 있는 청암이앤씨. 그리고 기술 지원을 아끼지 않고 협업한 결과, With POSCO를 실현하면서 수익도 창출하는 포스코. 이것이 바로 진짜 얼라이언스의 시너지 아닐까? 아무나 할 수 없는 두 회사의 성공적 협업은 분명 앞으로도 계속될 것이다.