공간이 커질수록 설계는 세밀해야하니까, 남다른 구조 솔루션 ‘PoSPACEs’

이에스건축구조엔지니어링(대표이사 황보석)의 이노빌트 PoSPACEs(포스페이스)는 포스코 철강솔루션연구소와 포스코건설, 이에스건축구조엔지니어링이 공동으로 개발해 상용화한 비정형 구조 시스템이다. 일반 커튼월 구조로는 구현하기 어려운 곡선 외장이나 개방감 있는 대공간 지붕, 파사드를 미려하게 마감할 수 있는 최적의 솔루션으로 주목받고 있다.

PoSPACEs는 포스코의 건축 전용 강재 HSA(High performance Steel for Architecture)로 제작한 노드(Node)에 건축가가 원하는 사이즈의 부재를 용접 접합해 제작한다. 중심에 노드를 두고 프레임이 되는 부재들이 뻗쳐 나가는 모양이다. 이때 노드에 용접하는 모든 부재의 각도를 세밀하게 다변 설계할 수 있어, 서울식물원처럼 대공간의 지붕이나 벽을 유리로 마감할 경우 PoSPACEs를 적용하면 획일적인 구성을 탈피한 탁월하고 남다른 곡선 디자인 구현이 가능하다.

서울식물원의 외장 커튼월과 같이 배부른 원통쉘 형태는 단순해 보이지만 기술적으로는 모든 프레임의 연결 각도가 달라 제작과 시공의 난이도가 높다. 또 커튼월은 프레임 설치 후 그 사이사이에 최종 마감재인 유리를 설치해야 하고, 유리를 오차 없이 가공하기 위해 프레임 설치 뒤 부재를 모두 실측하는 작업도 필요하다. 하지만 이노빌트 PoSPACEs는 전용 설계 프로그램을 통한 정확한 설계 제작이 이뤄지기 때문에 부재 실측 없이 유리를 제작할 수 있고 PoSPACEs 자체도 공장에서 완전히 맞춤 제작돼 현장에서는 조립만 하면 되기에, 시공 기간과 공사비 절감 효과가 탁월하다.

건축가의 요구에 따라, 두 가지 타입으로 제작 가능

PoSPACEs는 건축가가 원하는 설계 디자인에 따라 두 가지 타입으로 제작될 수 있다. 노드에 접합하는 부재의 각도가 10° 이하로 작을 경우에는 60mm 이상의 후판을 절단하여 노드를 제작하는데, 이때 노드가 별 모양이기 때문에 ‘Star Type’ 이라고 한다. 별 모양 사이사이에 부재를 용접 접합하는 방식이다. 노드의 소재는 포스코의 HSA500(High performance Steel for Architecture 500)이며, Star Type 부재의 단면 사이즈는 최대 250mm까지 적용 가능하다.

또 다른 타입은 서울식물원에 시공된 ‘Ball Type’이다. 접합하는 부재의 각도가 10°이상으로 클 경우에 이 타입을 사용한다. 노드 소재는 포스코의 HSA500/600이며, 냉각 프레스 성형을 통해 동그란 모양으로 제작한다. Ball Type은 부재의 각도를 10°이상 크게 적용할 수 있으면서, 부재 단면 사이즈는 최대 600mm까지 적용 가능해 더 역동적인 곡률을 표현하기에 적합하다. 또한 노드인 Ball의 속이 비워져 있는 형태로 개발되어, 속이 꽉 채워진 유사 형태의 타 제품 대비 노드 중량을 절반가량 낮추는 강점과 함께 거의 모든 곡면을 실현할 수 있다.

구조 성능은 더 강하게, 하지만 더 가볍게 짓는다

대공간 스페이스 프레임 구조는 트러스 형태의 2-Layer(더블레이어)를 취하는 경우가 많다. 중간 기둥 없이 부재들끼리 하중을 전달하며 구조체를 지지하기 때문에 구조적으로 더 견고한 2-Layer을 따르게 된다. 서울식물원의 경우에도 기존에는 노드와 부재의 접합을 힌지 접합(Hinge Connection, 경첩 접합)으로 한  2-Layer 스페이스 프레임으로 설계되었다. 2-Layer에서 곡면을 형성해야 했기에 부재끼리의 연결이 복잡하고 개방감이 저하될 수밖에 없었다. 또 이 경우 노드 부분은 주물로 제작되어 제작 기간이 길고, 노드와 프레임 자체의 중량도 크기에 시공이 어렵고 시공비도 높아지게 된다.

이에 반해 PoSPACEs는 부재가 외력에 의해 휘어질 수 있는 힌지 접합이 아닌 노드와 부재를 완전히 용접하는 모멘트 접합(Moment Connection) 방식으로 제작된다. 때문에 부재가 변형되거나 휘어지는 힘에 저항할 수 있어, 1-Layer 프레임으로도 곡면 구성이 충분히 가능하다. 이로써 구조적인 안정감과 함께 2-Layer와는 비교할 수 없는 개방감이 주어지는데, 이는 PoSPACEs의 부재들을 연결하는 노드 부분이 포스코의 고강도강 HSA로 제작되는 덕분이다. HSA는 강종에 따라 인장강도를 500MPa 이상 보증하면서 굽힘과 용접 시 변형 발생은 최소화한다. 특히 PoSPACEs Ball Type의 경우에는 노드 중량을 획기적으로 줄여, 구조 성능은 강하게 유지하는 동시에 훨씬 더 가벼운 건축물을 지을 수 있게 된다.

실제로 서울식물원의 경우, 포스코인터내셔널이 제안한 솔루션을 통해 기존 2-Layer 구조에서 PoSPACEs를 적용한 1-Layer로 구조 변경을 거쳤다. 덕분에 기존안 대비 상당량의 강재량과 시공기간이 절감되었으며, 포스코인터내셔널은 솔루션 제안부터 설계, PoSPACEs 제작, 시공 전 과정을 이에스건축구조엔지니어링과 함께 하면서 포스코그룹-이노빌트 얼라이언스의 시너지를 톡톡히 보여줬다.

이노빌트 PoSPACEs는 서울식물원, 대구은행 본점 등에 적용되어 건축물 내부에서도 하늘 바로 아래 있는 듯이 탁 트인 공간을 선사하고 있다. 이용자에게는 남다른 미학적 즐거움을, 건축가와 시공사에는 더 경제적이고 뛰어난 성능을 보장하는 PoSPACEs. 앞으로 더 많은 건축물의 구조 솔루션으로 활약하게 될 것이다.

※ 이노빌트 PoSPACEs 제작/시공 문의 : 이에스건축구조엔지니어링 황보석 대표 (02-579-9371)

그래서 포스코 뉴스룸이 준비했죠. 이름하여 [강건재 백과사전]! 포스코만이 설명해드릴 수 있는 강건재의 개념부터 특장점, 트렌드 등 강건재의 A to Z를 다 모았습니다. 우선 강건재가 무엇인지, 그리고 강건재에는 어떤 스틸이 쓰이는지 알아보죠!

l 강건재, 그것이 알고 싶다

‘강건재’의 뜻, 이름 풀이로 쉽게 알아보자고요. 강건재는 강철 강(鋼), 세울 건(建), 재목 재(材)로 이뤄진 철강 용어입니다. 한자에서 유추할 수 있듯이 강철로 된 건설 자재를 통칭합니다. 업계에서는 각종 건축물과 건설기계 제작 등에 사용되는 스틸 건설 자재를 말할 때 이 단어를 사용하죠. 영어로는 ‘Steel Products for Construction’이라고 합니다.

우리는 결국 하루 24시간을 강건재와 함께 지내고 있는 거네요! 대부분 건물 안에서 시간을 보낼 뿐만 아니라, 건물 사이를 이동하면서도 다리와 도로 등을 거치니까요.

l 강건재를 더 쪼개보면?

건설, 정말 크고 광범위한 시장이죠. 거기에 들어가는 강건재 역시 제품 포트폴리오가 상당합니다. 이해를 돕기 위해 강건재 시장을 아래와 같이 △건축구조용 △건축내외장재용 △토목용 세 가지로 크게 분류해볼게요.

– 건축구조용(Architectural Structure): 쉽게 말해 건축물의 뼈대입니다. 우리 눈에는 거의 보이지 않아 무심히 지나칠 수 있지만, 안전과 밀접한 연관이 있기 때문에 무엇보다 중요한 자재이기도 하죠. 더 높고 더 안전한 건축물을 짓기 위해 여러 형태의 구조시스템이 적용되는데요. 구조시스템이 제 기능을 하기 위해서는 더 강하면서 충격을 잘 흡수하고 내식성도 우수한 기본 소재가 필요합니다. 그게 바로 스틸이죠. 포스코의 스틸은 Pos-H(H형강), 기둥, 보, 데크, 파이프 등의 강건재로 제작되어 건물의 구조물이 됩니다. 주로 후판이나 열연이 사용됩니다.

– 건축내외장용(Interior and Exterior): 건물에서 우리의 눈에 띄는 부분입니다. 다양한 패턴과 색상을 입힌 스틸을 사용해 건축물의 내외관을 결정하는 주요 마감재로 활용하고 있는데요. 내외장재는 외관을 미려하게 만들고, 단열이나 내화성능을 확보하는 등 쾌적하고 안전한 환경을 제공하는데 주요한 역할을 합니다. 열연, 냉연, 스테인리스 스틸을 포함한 도금강판 및 컬러강판 등이 건축내외장용 강건재로 탄생합니다.

– 토목용(Civil Engineering): 도로·교량·항만·제방·댐·철도·상하수도 등 사회기반 인프라를 건설하는데 쓰이는 강건재를 통칭합니다. ‘토목(土木)’의 한자적 의미 때문에 스틸을 연상하기 어려우실 수도 있는데요. 영어로 ‘civil engineering’이라는 점을 생각해보면 이해가 쉽습니다. 특히 교량, 즉 다리에 스틸이 사용된 것은 자주 볼 수 있어요. 요즘은 다리가 점점 더 길어지고 커지면서 더욱 강하고 튼튼하면서도 유연한 강재가 필요해지고 있습니다. 열연, 후판, 선재가 대표적으로 쓰입니다.

l 강건재를 위한 최고급 강재 라인업

포스코는 위에서 알아본 3대 분류를 바탕으로 건설용 강재를 생산, 판매하고 있습니다. 포스코가 1차로 만든 강재는 중간 가공 과정을 거쳐 프리미엄 강건재로 탄생해, 최종 고객사의 건설 현장에서 사용됩니다. 대표적인 예로, 포스코가 고성능 건축구조용 후판 HSA(High performance Steel for Architecture)를 만들면 강건재 제작·가공사가 HSA로 Pos-H(H형강)를 만들고, 이는 다시 최종 시공사로 공급돼 실제 건축물의 뼈대가 되죠. 포스코가 생산하고 있는 대표적인 건설용 강재를 아래와 같이 소개해드릴게요.

포스코 강재는 고객의 요구에 맞춘 솔루션 및 이용기술과 함께 제공되며, 건설 프로젝트에 따라 다양한 규격으로 제작이 가능합니다. 강재가 그대로 건설 현장으로 가는 것이 아니라 포스코의 고객사에서 강건재로 제작된 후 최종 수요자에게 공급되기 때문에, 포스코와 고객사간 긴밀한 협업과 시너지가 더욱 중요하죠.

포스코 스틸로 만드는 프리미엄 강건재의 모든 것, [강건재 백과사전] 시리즈를 통해 만나보세요.

– 본격 숨은 포스코 찾기! –

도심 속 곳곳에 숨어있는 포스코의 기술력을 함께 찾아볼까요?

① 높을수록 더 튼튼하게! 포스코 HSA, Pos-H, PosMAC-Steel 커튼월

초고층 건물은 높이 200m 이상 또는 50층 이상인 건축물을 말한다. 초고층 건물을 안전하게 짓기 위해서는 일반 건물과는 건축 방법이 근본적으로 달라야 한다. 건물의 규모가 커짐에 따라 축적되는 무게를 버틸 수 있는 건축 재료를 선정해야 하고, 지진이나 태풍 등 자연재해를 견딜 수 있는 기술이 필수적이다. 포스코는 더 안전하고 높은 건물을 위한 소재 개발과 구조 시스템 연구를 진행 중이다.
그 중 포스코의 대표적 건축구조용 강재는 HSA(High Performance Steel for Architecture)이다. HSA 강재는 기존의 건축구조용 일반재보다 약 1.7배 강하고 중량은 약 30% 가벼워 초고층 건물에 최적인 초고강도 강재다. 그뿐만 아니라 지진에 의해 건물이 받는 진동에너지를 효과적으로 흡수하는 내진용 강재로 각광받고 있다. 간단히 말해 “태풍과 지진에 강하다”. HSA 강재는 롯데월드타워, 부산 LCT, 인천국제공항 제2터미널, 동대구역 복합환승센터 등에 적용됐다.
Pos-H 역시 최고의 건설용 철강제품으로 통한다. 규격화 및 최적화가 가능한 Built-up H형강, Pos-H는 고품질의 포스코 강판을 사용해 포스코의 엄격한 품질관리하에 제작되는 World Top Premium 제품이다. 최적화 설계가 가능한 440종의 부재로 이루어져 있으며 RH형강 대비 15~20% 상당의 강재량을 절감할 수 있다. 또한 H형강, ㅍ형강, T형강 등 용도에 따른 다양한 부재 선택이 가능하며, 신 KS 기준에 따라 모든 강종을 고려한 효율적인 단면 도출이 가능하다. 이로써 고객사의 맞춤형 요구에 대응해 최적의 가격, 납기 및 품질을 보증한다.
건축물의 외부를 구성하는 PosMAC-Steel Curtain Wall은 건물의 하중을 부담하지 않고 외기를 차단하는 비내력 벽이자 스틸프레임에 유리 및 패널을 부착한 고급 외벽 시스템이다. 가장 큰 특징은 압축, 인장, 휨 하중에 높은 구조 성능과 용접성으로 다양한 디자인을 표현할 수 있다는 것. 하여 보강 없이 12m 이상 설치가 가능하며, 알루미늄 대비 슬림한 디자인을 구현할 수 있다. 또한 3D-Modeling 정보를 통해 용접 제작하여 비정형 디자인도 가능하다. 높은 층고와 넓은 개방감을 확보할 수 있고 알루미늄 대비 구조, 단열, 내화, 내진, 차음 등에서 우수한 성능을 지니고 있다.

② 친절하고 화려한 친환경 태양광 구조물, 솔라파인

‘솔라파인’은 포스코 WTP(World Top Premium) 강재와 스마트 IoT 기술을 접목한 친환경 태양광 구조물이다. 그 이름에는 포스코가 자체 개발한 태양광 디자인 조형물로 솔방울의 형상을 닮았다는 의미가 담겨있다. 솔라파인에는 포스코의 강재뿐만 아니라 외관 디자인 및 가공 등 전반적인 제작 과정에도 포스코의 기술력이 담겼다. 이 구조물은 직경 5.5m의 상부 원형 구조에 총 1kW 규모의 태양광 모듈 48개가 설치됐다. 주간에는 상부 태양광 지붕에 의해 기하학적 그림자 패턴이 연출된다. 동시에 태양광 발전으로 전력을 축적해 주간과 야간에 모바일 기기 충전은 물론 동절기엔 온열 벤치 역할도 가능하며 공공 와이파이나 블루투스 스피커 등 다양한 편의기능을 제공한다. 솔라파인은 서울 마포구에 위치한 서울에너지드림센터 ‘태양의 놀이터’ 잔디마당과 인천 청라국제도시의 포스코 에너지 본사에서 만날 수 있다.

③ 환경과 건강을 지키기 위한 최적의 수단은? 스테인리스 텀블러와 빨대

무더운 여름, 야외에서 목을 축여야 할 땐? 스테인리스를 사용하자! 최근 플라스틱 일회용 컵과 빨대 사용과 관련한 환경 문제가 짙어지면서 스테인리스 텀블러 사용에 대한 관심도 늘고 있다. 플라스틱 소비를 줄이고 환경을 보호할 목적으로도 괜찮지만 스테인리스 텀블러와 빨대에는 생각보다 많은 특장점이 있다. 먼저 스테인리스 스틸은 냄새와 변색에 강하고 세균 증식을 막아준다. 텀블러는 항상 액체류와 닿아 있기 때문에 쉽게 녹슬지 않고 위생적인 관리가 가능해야 한다. 스테인리스 스틸은 이 조건들을 만족하는 최적의 소재다.
플라스틱 빨대 한 개는 평균적으로 20분 동안 사용되고 500년에 걸쳐 썩는다. 하루에 한 사람 당 1.6개의 빨대를 사용한다고 하니, 플라스틱 빨대 대체 수단 마련 역시 시급하다. 이때 반가운 소재 또한 스테인리스 스틸이다. 현재 국내외 곳곳에서도 쉽게 발견할 수 있는 스테인리스 스틸 소재의 빨대는 환경에 해롭지 않으며 위생적으로 재사용이 가능하다는 점에서 주목받고 있다.

④ 18.38km를 지탱하는 포스코 후판

주탑 사이의 거리가 1km 이상인 긴 다리를 초장대교량이라 부른다. 주탑에서 케이블을 연결해 다리를 이어주며 교량 종류로는 현수교와 사장교가 있다. 현수교는 케이블과 행어를 통해 교량의 무게를 상판에 전달하는 방식으로 광안대교와 영종대교 등이 이에 해당된다. 사장교는 주탑에 연결된 케이블이 상판을 지지하는 교량으로 인천대교와 서해대교 등이 있다.
인천대교에는 포스코의 고부가가치 후판 2만 4,000톤과 포스코가 개발한 교량 난간용 강재 3,000톤을 비롯해 모두 5만 여 톤의 포스코 강재가 사용됐다. 이 중 교량용 TMCP강 소요량은 3,000톤에 이르는데, TMCP강은 용접성이 우수한 고급후판재로 통한다. TMCP강을 비롯한 포스코의 고부가가치 후판은 인천대교에서도 사장교 구간에 주로 사용됐으며, 콘크리트 교량으로 건설되는 접속교에는 PC강연선용 소재 등 포스코의 일반 강재가 사용됐다.
한편 초장대교량에서 가장 중요한 역할 중 하나인 케이블(Cable)은 상판에 작용하는 무게를 주탑으로 전달해 교량을 지탱하는 장치로, 포스코에는 ‘PosCable(POSCO wire for Cable)’이 있다. 또한 케이블과 상판을 연결하는 부품인 행어(Hanger) 역시 포스코 교량 케이블용 강선이 적용된다. 이 강선은 포스코 선재(Wire Rod)로 가늘게 뽑아 만든 와이어를 여러 가닥 꼬아서 만들기 때문에 힘이 강력하다. 빨대보다 가는 강선 한 가닥이 4.5톤 트럭 무게를 지탱할 수 있을 정도. 또한 교량이 설치되는 바다 환경에도 녹이 잘 슬지 않아 오랫동안 안전하고 튼튼한 다리를 유지할 수 있다.

⑤ 공항의 지붕과 티켓팅 홀에도 포스코의 강재가?

지난해 문을 연 인천공항 제2여객터미널은 제1여객터미널의 역할을 분산해 혼잡도를 낮추고 ‘아트포트(Art Port)’로서 다채로운 복합문화공간을 제공하고 있다. 훌륭한 건축미와 쾌적한 시설로도 유명한 제2여객터미널에도 포스코 강재가 적용됐다. 먼저 제2여객터미널 지붕 패널에는 포스코 WTP스테인리스 강종인 446M이 쓰였다. 446M은 고내식, 내후성강으로 400계의 낮은 열팽장특성을 활용해 해양 지역이나 공장 밀집지역 지붕재 및 건축외장재로 적용되는 포스코의 특화강이다. 지붕 부위에는 대공간 SHELL 구조에 적용되는 포스코 솔루션 기술 중 하나인 접합 노드 기술(POSCO Space System)을 적용해 지붕 중량을 경량화했다.
공항 메인 티켓팅 홀 대공간의 나무형상 대형기둥에는 초고강도 고성능 건축구조용 강재 HSA800이 사용됐으며 최소한의 기둥 크기로 티켓팅 홀의 대공간을 가능하게 만들었다. HSA800은 대공간이나 초고층 대형 건설 시 강재 사용량을 크게 절감할 수 있어 고성능, 경량화는 물론 경제성도 뛰어나다.

⑥ 새로운 미래 교통수단 하이퍼루프를 아시나요?

도심과 도심을 연결한 새로운 교통수단으로 ‘하이퍼루프’가 미래 메가 트렌드로 주목받고 있다. 하이퍼루프는 탑승체의 이동에 대한 저항을 제로에 가깝게 하여 시속 1,280km라는 경이로운 속도를 구현할 수 있는 열차형 교통기관을 말한다. 이 하이퍼루프에 사용되는 열차 튜브는 직경 4m, 두께 20~30mm의 나선형 강관인 포스코의 고기능 강재가 적용된다. 이 튜브에 사용되는 강재는 튜브내 진공을 유지하고 탑승체의 이동을 이끌어 고속으로 운행할 수 있도록 튼튼한 고기능 열간 압연을 적용한다.
하이퍼루프가 작동하기 위해서는 먼저 출발지에서 목적지까지 진공에 가까운 저압(0.001atm)의 튜브로 연결하고, 튜브 내 진공을 유지하면서 전자기 모터를 이용해 탑승체를 부양해야 한다. 그리고 가압기로 공기를 뒤쪽으로 보내면서 추진력을 얻는다. 가압된 공기는 에어베어링(Air Bearings)을 이용해 마찰을 최소화한다. 또한 태양에너지를 이용해 운영 효율을 높일 수 있다. 서울에서 부산까지 약 20분 만에 연결해줄 것으로 예상되는 이 미래 교통수단이 앞으로 우리의 일상을 어떻게 바꿀 수 있을지 기대되는 시점이다.

숨은 포스코 찾기 1편과 2편, 그리고 3편을 통해 일상 속 중요한 역할을 하는 철의 모습과 포스코의 기술력을 알아봤다. 이번 시리즈에서 소개한 포스코의 기술력들은 여러분의 주변에서도 쉽게 찾을 수 있을 것이다. 앞으로 또 포스코가 어떤 새로운 기술과 소재로 우리 곁에 찾아보게 될지 기대해봐도 좋겠다.