오늘은 조금 작은 것들에 대해 이야기를 해볼게요. 중후장대의 대명사 포스코지만, 꼭 거대한 것에만 힘을 쏟는 건 아니거든요. 크기는 우리 손바닥 하나보다 작지만 우리 건물의 벽을 지탱하는 중요한 자재, ‘하지재(下持材)’에 대해 들어보셨나요? 세상에서 제일 강한 ㄴ 이라고 해도 과언이 아닌데요. 오늘은 고객사 ㈜운형과 함께 기존 하지재의 문제점을 해결하고 고강도강을 이용해 안전성을 더욱 높인 ‘석재 벽걸이형 고강도 하지재’ 개발에 4년 동안 몰두한 연구원의 이야기를 들려드리겠습니다!

l 보이지 않는다고 아무거나 써도 되나요?

나는 포스코 기술연구원 철강솔루션연구소의 여경윤 수석연구원. 포스코 강재를 활용한 건설 자재 이용 기술을 연구하는 게 나의 임무다. 주로 거대한 건설 자재와 구조 솔루션을 연구하지만, 오늘 이야기할 것은 작지만 강한 ‘하지재(下持材)’라는 녀석이다. 하지재는 건축물의 외벽 석재를 지탱하는 자재다. 일반적으로 5층 건물 기준 1,500~2,000개의 하지재가 사용되고, 국내 연간 사용량은 3만 톤 이상이다.

대부분의 대형건설사가 석재용 하지재의 소재로 우수한 내구성과 내식성을 가진 STS304강*을 사용하도록 지정하고 있다. 하지만 외부로 드러나지 않아 확인이 쉽지 않다는 점을 이용해 비교적 가격이 저렴한 수입 STS200계나 STS410을 사용하는 곳도 있고 알루미늄, 일반 탄소강 등을 쓰는 불량 사례가 비일비재하다.

보이지 않는다고 아무거나 써도 될까? 보이지 않으니 더 믿을 수 있는 자재를 써야 한다는 게 우리의 신념. 이런 실정을 파악한 우리 연구소는 곧장 포스코 강재를 적용한 새로운 석재 하지재 개발 프로젝트에 착수했다. STS304보다 저렴하면서 강성은 충분히 확보하여 가격 경쟁력과 안전성을 모두 잡을 예정. 여기에 간편한 설치 방법으로 현장에서 두루두루 사랑받는 하지재를 만드는 게 최종 목표다.

l 기존 하지재 문제점 모두 잡은 ‘Anchor Plus’ 개발!

우선 기존의 하지재 공법을 확인하기 위해 한국, 일본, 미국, 유럽의 석재 하지재 특허 293건을 분석했다. 그 결과, 가격경쟁력을 잡는 것 못지않게 간결한 시공법과 최적화된 구조 성능을 구현하는 작업도 반드시 필요하겠다는 결론을 내렸다. 이에 하지재 종류는 벽체와 석재 사이의 공간에 앵글, 조정판, 꽂음촉 앵커, 볼트 등으로 석재를 고정하는 ‘앵커(Anchor) 긴결(緊結) 공법’을 택했다. 이 공법은 벽체와 석재 사이의 간격이 떨어진 채로 시공되기 때문에 빗물 유입 등으로 인한 흰 얼룩이 생기는 백화 현상이 발생할 우려가 없고, 공기 단축이 가능하며, 무게 또한 상대적으로 적다.

하지만 앵커 긴결 공법에도 개선해야 할 부분이 있었으니. 첫째로 앵글이 벽체의 콘크리트 상태와 무관하게 시공되기 때문에 콘크리트 상태에 따라 앵커 볼트 지지력이 충분할 수도, 충분치 않을 수도 있다는 점이다. 단단한 콘크리트에 시공되어 앵커 볼트 지지력이 충분하더라도, 예기치 못한 벽의 균열로 지지력이 줄어들 수도 있다. 또 하지재에 일정한 하중이 지속적으로 가해지면 시간이 지남이 따라 변형이 계속되는 크리프(Creep) 현상이 발생하는데, 이로 인한 앵글 처짐과 석재의 균열 발생도 고질적인 문제점이다.

우리가 풀어야 할 과제는 이뿐만이 아니었다. 고의적인 ‘꽂음촉(외벽 석재 고정핀)’ 누락 실태도 반드시 짚고 넘어가야 했다. 꽂음촉은 하지재와 외장 석재를 최종적으로 고정시키는 핀(Pin)인데, 건축 공정상 관리 인원이 부족한 시점에 시공되고, 시공 후에 외관상 확인이 어렵다는 점 때문에 누락되는 일이 종종 벌어지곤 했다. 또 제대로 된 꽂음촉이 아닌 에폭시 접착제만으로 고정하는 관행도 문제. 이를 해결하는 것 역시 우리의 숙제였다.

우리는 우선 크리프(Creep) 변형에 의한 처짐 현상부터 해결해보기로 했다. 우선 단면 강성을 확보함과 동시에 앵커의 무게를 줄일 수 있는 고강도 강재를 활용해야겠다는 생각이 들었다. 내 머릿속에는 당시 포스코의 신(新)공법으로 완성한 고내식 고강도 듀플렉스 스테인리스강, PossSD(POSCO Super Ductile Duplex)가 떠올랐다. PossSD는 강도가 높고 가공성과 내식성이 뛰어나 건축외장재, 철도차량 부품, 식기, 파이프, 피난사다리 등 다양한 활용성을 자랑한다.

PossSD를 적용하고 구조적으로 보강을 더한다면 어떨까? 기존 하지재가 ㄴ 모양으로 한 번만 구부러져 있는데 반해, 우리 제품은 양쪽 구부린 날개를 더해서 구조적 강성을 키웠다. 이렇게 개선을 하게 되면 기존 두께 5~8mm의 STS304강으로 제작하던 하지재의 두께를 3mm로 줄이면서도 크래프(Creep)에 대한 저항성은 향상시킬 수 있다는 판단이었다.

2년간의 연구개발 끝에 탄생한 새로운 석재 하지재는 2017년 ‘Anchor Plus’라는 브랜드로 특허출원의 결실을 맺었다. 기존 석재용하지재에서 두께를 40% 이상 저감하며 경제성을 확보했고, 구조기술사로부터 발생응력, 허용응력, 발생처짐, 허용처짐 등에 대한 검증을 받아 모든 조건을 만족하여 곧바로 건설 현장에 투입될 수 있는 준비를 마쳤다.

l 운형과의 협업으로 승승장구하던 Anchor Plus. 그런데…?

본격적인 현장 적용에 앞서 우리가 풀어야 할 과제가 하나 더 있었다. Anchor Plus의 수요 개발을 함께할 제작업체를 찾는 것. 이때, 우리 눈에 들어온 곳이 있었으니…. STS304강으로 만든 하지재를 삼성물산에 공급하던 스테인리스 하지재 전문 제작사 ㈜운형이었다. 운형의 장복식 대표 역시 신소재와 설계 개선의 조합으로 탄생한 석재용 하지재의 가능성을 한눈에 알아보았고, 우리와 동행하기로 결정했다. 그렇게 양사가 의기투합하여 공동 마케팅을 추진한 결과, Anchor Plus는 아파트 2,610세대, 오피스텔 238실로 구성된 주상복합건물 단지 ‘송도 더샵 센트럴시티’ 현장에 12만 개 이상 적용되며 승승장구를 시작했다.

▲ Anchor Plus 실제 시공 모습

Anchor Plus는 보수적인 건설시장에서도 그 우수성을 발휘하며 활발하게 판매됐다. 그런데 순조롭기만 할 것 같았던 우리의 앞날에 돌연 문제가 발생했으니…. 2018년, PossSD를 생산하던 공정 폐쇄가 결정되며 더 이상 Anchor Plus의 소재를 생산할 수 없게 된 것이다. Anchor Plus에서 낮은 원가로 고강도 고내식 특성을 보여줬던 PossSD의 영향력이 지대했던 만큼 우리는 큰 고민에 빠졌다. 이대로 Anchor Plus는 단종되고 말 것인가? 그럴 순 없다! 우리는 PossSD를 대체할 수 있는 소재를 찾아 나섰다.

l 포스코 WTP, PossHN0 등장이오!

천만다행이라는 말은 이럴 때 쓰는 게 아닐까? 새로운 구원투수로 포스코 WTP(World Top Premium) 강종 PossHN0(POSCO stainless High Nitrogen 0)가 등판했다. PossHN0은 기존 스테인리스강보다 니켈 성분은 줄이고 질소 함유량은 높여 경제적이면서 강도도 높은 신(新) 스테인리스강. 사내에서 수소문해보니, STS304강에 못지않은 내구성을 가져 PossSD의 대안으로 손색이 없는 강종이라는 의견이 들려왔다!

우리는 PossHN0 강종으로 다시 구조 검토를 시작했다. 그런데 아쉽게도 하지재 소재로 쓰기엔 기존 PossSD보다 부족하다는 결론이 나왔다. 그래도 물러설 수 없지. 구조적으로 변형을 가해 강도를 보강해 보기로 했다. 바로 엠보싱 레일(Embossing Rail)을 디자인에 적용해 하중을 분산시키는 것!

엠보싱 레일은 말 그대로 툭 튀어나온 난간이다. 위의 그림처럼 기존 하지재의 하중이 앵글의 굴곡 부분에만 쏠린다는 단점을 해결하기 위해, 우리 제품에는 엠보싱 레일을 달아 하중을 분산했다. 엠보싱 레일의 적용으로 더 높은 하중을 견디게 된 장점도 있지만, 한편으로 조정판과 앵글을 헐겁지 않도록 단단하게 잡아줘서 작업이 한결 편리해지고 결합의 견고성도 강화되는 효과를 얻을 수 있었다.

엠보싱 레일 덕분에 앵글 자체로도 충분한 강성을 확보할 수 있어, 기존 PossSD 하지재에서 크리프 변형 방지를 위해 부착했던 양쪽의 날개 부분은 생략할 수 있었다. 더불어 앞서 짚었던 꽂음촉 문제를 해결하기 위해, 도색된 꽂음촉을 조정판에 일체형으로 삽입해 애초에 누락되는 불상사가 없도록 디자인했다.

연구개발은 성능 검증을 거쳐야 비로소 완성된다. 이 말인즉, PossHN0 하지재가 기존의 STS304로 제작한 하지재보다 가격경쟁력뿐 아니라 성능 역시 우수한지 확인해야 한다는 것! 우리는 기존 제품과 새롭게 개발한 제품에 실제 석재 패널을 달아 하중을 측정하는 테스트에 돌입했다. 그 결과, STS304 석재 하지재의 경우 22kg까지 버티는 데 반해 PossHN0는 35kg까지 버티는 놀라운 성능을 보여줬다.

이 말은 즉, 기존 STS304보다 더욱 가벼워졌음에도 PossHN0 하지재가 더 우수한 기능을 갖췄다는 걸 증명해 낸 것이다. 이는 우리 연구소뿐 아니라 KTR(한국화학융합시험연구원장)로부터 발급받은 시험보고서와 구조기술사무소로부터 발생된 구조 검토서를 통해 다시 확인할 수 있었다. 이런 검증 결과를 토대로, 2019년 새로운 석재 하지재가 시장에 출시됐다.

l 작지만 빠지는 것 하나 없는, 이노빌트 석재 벽걸이형 고강도 하지재

새로운 하지재가 탄생함에 따라 운형은 마케팅 활동에 박차를 가했고, 우리 역시 동고동락한 고객사에 대한 지원을 아끼지 않았다. 그 결과 △삼성 장위 1동 래미안을 비롯해 △삼성 개포동 래미안 △삼성 서초우성 래미안 △대우 푸르지오 지축동 △대우 푸르지오 과천 △포스코건설 산성역 포레스티아 성남 등 굵직한 건설 현장에 연이어 적용되며 하지재 시장의 블루칩으로 주목받았다. 그리고 2019년, 마침내 LH 공사 우수제품으로 선정되며 향후 대형 프로젝트에서 확장세를 이어갈 수 있는 발판을 마련했고 KS 인증 역시 완료했다. 지난 10월에는 ‘석재 벽걸이형 고강도 하지재’라는 제품명으로 제4차 INNOVILT 인증도 받았다.

현장에서 들려오는 INNOVILT 하지재의 특장점 몇 가지. 이 제품을 써본 작업자라면 가장 먼저 시공성에 놀란다. PossHN0 하지재 두께는 3.2mm. 기존 STS304의 5mm 대비 36% 얇아졌다. 두께가 줄어든 만큼 무게도 한결 가벼워졌다. 여기에 조정판이 레일을 따라 앞뒤로만 움직이기 때문에, 기존 제품처럼 좌우로 흔들리는 것을 똑바로 고정해야 하는 번거로움도 없다. 실제 시공자들이 이 제품을 ‘편하다’라고 말하는 이유 중 하나다.

INNOVILT 하지재에 손이 갈 수밖에 없는 이유 한 가지 더. 바로 경제성이다. 고강도 강종 적용으로 기존 하지재보다 얇지만 견딜 수 있는 하중은 최소 동일하거나 그 이상이다. 자연스레 자재비 절감을 예상해 볼 수 있는데, 수치로 따져보면 무려 15%나 된다는 사실. PossHN0은 STS304강에 비해 고가 원료인 니켈 함유량이 적다는 점도 경제성 향상에 한몫했다.

아무리 편하고 경제적이라도 안전성을 담보하지 못한다면 하지재로서 의미가 없다. INNOVILT 하지재는 그런 점에서 자신의 역할을 충실히 수행한다. 특히 꽂음촉을 조정판 일체형으로 제작해서 현장 감리 시 꽂음촉 시공 여부를 쉽게 확인할 수 있기 때문에 안전성을 더욱 보장할 수 있다.

우리의 연구 분야는 경계가 없다. 옛 것과 새 것, 큰 것과 작은 것 어디에나 스틸이 필요한 곳이라면 더 나은 제품을 위한 우리의 고민은 계속된다. 대중의 스포트라이트를 받는 제품을 만드는 일은 아닐지라도, 우리의 결실이 묵묵히 누군가의 안전과 내일을 지탱하고 있다는 사실에 나는 더욱 묵직한 사명감을 느낀다. 음, 다음은 또 어떤 연구를 시작해볼까?

오늘 여러분께 소개할 INNOVILT 제품은 ‘경량방음터널, PosLST(POSCO Lightweight Soundproof Tunnel)’입니다. 고객사 ㈜테크스퀘어, ㈜유진철강산업과 함께 방음터널 신공법 개발에 나선 포스코 연구원의 연구개발 스토리, 여러분께 공개합니다!

l ‘시끄러워 못 살겠네!’ 교통 소음, 방음 터널로 잡는다!

요즘은 동네 뒷산에 올라도 귀가 평온하지 않다. 저 멀리 도로에서 들려오는 차량 소음이 끊임없이 귓속을 파고들기 때문이다. 창문을 굳게 닫은 연구실에서도 마찬가지다. 시끄럽게 울려대는 경적과 대형 화물차의 엔진 소리가 마음을 어지럽힌다.

아 참, 내 소개가 늦었다. 나는 포스코 기술연구원 철강솔루션연구소의 노명현 수석연구원이다. 내 귀가 교통 소음에 이토록 민감한 이유는 소음 저감을 위한 새로운 방음터널 연구에 몰두하고 있기 때문이다.

최근 3년간 국민권익위에 접수된 도로 교통 소음 피해 민원은 2017년 3만 9,326건, 2018년 6만3,011건, 지난해 11만 3,073건으로 꾸준히 증가하고 있다. 주목할 대목은 이런 민원의 약 98%가 도로 인근 공동주택 거주자들의 소음 피해라는 점이다. 공동주택 입주민들은 창문을 열고 생활하기 어려울 정도로 소음으로 인한 불편이 크다고 호소한다.

그렇다고 해서 자동차를 다 없앨 수도 없는 노릇. 때문에 곳곳에 세워지기 시작한 게 ‘방음벽’이다. 하지만 저층 건물 거주자의 조망권을 해치면서 빛 반사로 실내 온도를 상승시키고, 마냥 높게 세울 수도 없어 고층 건물에 대한 소음 저감 효과도 크지 않다는 불만의 목소리가 생기기 시작했다.

이런 방음벽의 대안으로 급부상한 것이 오늘 이야기할 ‘방음터널’이다. 방음터널은 발생한 소음이 높이 올라가지 못하도록 직접 차단하기 때문에 초고층 건물에 대한 방음 효과가 탁월하다. 또 기존 방음벽에서 발생하는 반사 소음도 최소화할 수 있기에 도심지 도로 교통 소음 저감효과를 극대화할 수 있는 대표적인 기술로 각광받고 있다.

▲도심에 설치된 방음터널 모습

하지만 방음터널 역시 안전성, 사용성, 경제성, 심미성 등 다양한 측면에서 충분한 검토가 이루어지지 않아 개선의 여지가 많다. 별도의 표준화된 설계 방법이 없어 획일적으로 설계가 이뤄지고 있고, 주변과 조화를 이루지 못하는 단순한 형태가 대다수다. 복잡한 도심에서는 교량, 고가 등 기존 구조물에 방음터널을 추가로 설치해야 하는데, 그럴 경우 과도한 중량과 바람 등에 의한 추가 하중이 발생해 설계 하중을 초과하는 문제도 있다.

우리 구조연구그룹이 방음터널 개발에 나선 이유도 바로 여기에 있다. 포스코 강재를 활용한 최적의 설계로 구조물을 경량화하고, 객관적인 성능평가를 바탕으로 신뢰성 있는 방음터널 제품과 공법을 개발하면 교통 소음을 획기적으로 줄일 수 있을 것이란 생각이 든 것이다. 우리에겐 고강도 프리미엄 강재가 있으니 못할 이유도 없었다. 새로운 방음터널 연구개발은 그렇게 시작됐다.

l 척하면 착! 든든한 개발 파트너를 소개합니다

좋은 연구개발은 협업을 통해 완성되는 법. 우리 프로젝트 역시 이 분야에서 전문성을 가지고 연구개발에 힘을 보태줄 고객사가 등장했다. 바로 경량방음터널 분야의 특허를 보유할 만큼 경험과 역량이 우수한 ㈜테크스퀘어가 그 주인공. 테크스퀘어는 2013년 당시 새로운 방음터널 개발을 고민 중이던 우리에게 기존 방음터널의 주요 구조재인 H형강 대신 원형 강관 여러 개를 삼각형 형태로 배열한 ‘트러스 지붕 형식의 방음 터널 공법’을 제안해 왔다.

H형강 방식의 획일적 프레임 구조는 도로 폭이 넓은 방음터널 설계 시, 구조물의 처짐이 과도하게 발생했다. 처짐 현상을 해결하기 위해 H형강 사이즈를 키우면 중량이 무거워져 공사비가 늘어났다. 이러한 H형강 대신, 고강도 강관을 사용한 트러스 구조로 경량화와 경제성, 안전성을 달성하자는 게 테크스퀘어의 아이디어였다. 형강을 생산하지 않는 우리로서는 언제나 형강을 대체할 수 있는 강재 이용기술에 목마른데, 강관으로 형강을 대체할 수 있다는 아이디어는 매우 반가운 이야기였다.

테크스퀘어와 더불어 이번 프로젝트에 파트너로 참여하게 된 고객사가 하나 더 있다. 바로 강관 생산 전문 기업 ㈜유진철강산업이다. H형강을 강관으로 대체하려면 고강도 강판을 강관으로 가공해 줄 곳이 필요한데, 조관 생산 경험이 풍부한 유진철강산업에서 이를 맡아주기로 한 것이다. 자, 최강 드림팀이 꾸려졌으니 이제 시작할 일만 남았다. 우리의 목표는 기존 H형강 공법 대비 획기적인 경량화와 비용 절감! 그렇게 2014년 1월, 이를 위한 본격적인 연구개발에 돌입했다.

l 가볍고 튼튼한 방음터널 개발을 향한 여정

방음터널이라면 응당 갖춰야 할 조건이 있다. 이름에 걸맞게, 무엇보다 소음 저감 성능이 뛰어나야 한다. 이를 위해 방음터널에는 방음판을 설치하는데, 방음판은 크게 소음을 흡수하는 기능이 있는 ‘흡음판(불투명)’과 소음의 경로를 반사하는 ‘반사판(투명 혹은 불투명)’으로 나눌 수 있다. 대부분의 방음터널은 터널의 측면에 불투명한 흡음판을 설치하고, 또 입출구에서 소음이 크게 발생한다는 점 때문에 방음터널을 필요구간보다 더 연장해서 설치하거나 입출구에 방음벽을 추가로 설치하는 경우가 많다. 이는 비용, 심미성 등 다양한 문제의 원인이 된다. 우리 기술은 이런 문제점을 어떻게 해결할 수 있을까?

우리는 터널 지붕 부분의 강관 트러스 내부에 흡음판을 설치하기로 했다. 터널 측변에서 불투명하게 시야를 가리는 흡음판을 지붕의 트러스 안으로 넣으면, 운전자에게도 도움이 되고 심미적으로도 탁월할 거라는 기대가 생겼다. 이 흡음판의 기능을 검증하기 위해 소음 해석 전용 프로그램으로 분석한 결과, 우리가 설계한 터널은 강관 내부에 삽입된 흡음판의 영향으로 평균 1.0dB의 소음이 저감되는 것으로 평가됐다.

우리가 목표로 한 방음터널의 두 번째 조건은 가벼워야 한다는 점이다. 앞서 설명한 대로 방음터널은 기존 구조물에 추가적인 고정하중으로 작용하기 때문에 무거우면 구조 안전성을 확보하기 어렵다. 또한 방음터널은 실제 사용되는 도로를 두고 건설해야 하다 보니 다른 구조물에 비해 빠른 시공이 중요하다. 도로 공사가 길어지면 무엇보다 사용자의 큰 불편을 초래하기 때문. 시공성 확보를 위해서 자재는 가벼울수록 유리하고, 이를 위한 솔루션으로 우리는 가볍지만 단단한 포스코의 고강도 강재 SHT460(Structural High strength Tube 460, 인장강도 590MPa급 열연코일)과 PosH690(POSCO High strength 690, 인장강도 690MPa급 열연코일)을 강관 소재로 채용했다.

조건 마지막은 구조가 튼튼해야 한다는 것. 방음터널 골조와 방음판 자체의 중량은 물론이고 눈, 비바람 등 외부 자극에도 견뎌야 하기 때문이다. 설계 과정에서도 이는 중요한 고려 대상에 속하므로 다양한 실험을 통해 구조물의 안전성을 확인했다. 그중 하나가 ‘실물 하중 재하 실험’이다. 실험체를 제작해 설계 하중의 몇 배까지 견디는지 살펴봤다. 그 결과, 바람에 의해 발생하는 ‘풍하중(風荷重)’은 설계 하중의 3배가량까지, 눈이 쌓여서 받는 하중인 ‘설하중(雪荷重)’의 경우 설계 하중의 5배 이상을 견딜 수 있었다.

위와 같이 세 가지 포인트에 주안을 두고 실험과 검증을 거듭, 17개월간의 연구가 이어졌다. 소음 저감, 경량화, 구조적 안전성 모든 부분에서 기존 터널 대비 우수하다는 결과를 손에 넣었고 마침내 우리 소재를 적용한 신개념 경량방음터널 기술을 완성했다. 공법의 이름은 PosLST(POSCO Lightweight Soundproof Tunnel)라고 붙였다!

l 연구개발의 결정체, 건설신기술 지정에 도전하다!

기술 개발로 끝일까? 언젠가 고객사 기술개발 책임자분이 이런 말을 한 적이 있다. 객관적으로 검증된 좋은 기술은 편법을 동원해 기술 영업을 하지 않아도 언젠가 진가를 발휘한다고. 순간 ‘우리가 개발한 기술도 객관적으로 입증받으면 좋을 텐데… 그래, 건설신기술^* 지정을 받자!’라는 새로운 도전 의식이 퍼뜩 머리를 스쳤다.

돌이켜보면 참 도전적인 일이었다. 낮은 지정률이나 높은 심사 난이도 때문이 아니다. 신기술 신청부터 지정·고시까지 심사에 투입되는 노력과 시간이 결코 만만치 않기 때문이다. 우리는 현장 실사와 품질 검증 등 장장 9개월여간을 신기술 심사에 힘을 쏟았다. 그리고 마침내 2016년 9월 12일, 국토교통부 건설신기술 제795호(파이프 트러스 빔과 횡방향 탈부착 측면 방음판 및 직각흡음체를 이용한 터널형 방음시설 (PosLST공법))로 당당히 지정받았다, 국토교통부의 객관적 검증을 받은 국내 최초 방음터널 공법 기술이었다.

사실 한 단계, 한 단계 공법 개발에 완성도가 더해지면서 ‘혹시나 시장 반응이 미미하진 않을까?’ 하는 불안감도 엄습해왔다. 그도 그럴 것이 아무리 가볍고 튼튼하고 저렴할지라도 보수적인 산업 분위기상, 신규 공법과 제품에 대한 초기 수용이 쉽지 않기 때문이다.

다행히도 그런 걱정은 기우에 불과했다. 2017년, 제2경인 안양-성남 민자고속도로 방음터널 공사에 초도 적용되는 성과를 이룬 것이다. 이후 위례신도시 북측도로 방음터널, 용인도시계획도로 개설공사 등 9개 프로젝트에 지속적으로 확대 적용되며 PosLST 경량방음터널 공법은 그 우수성을 인정받았다.

▲안양-성남 고속도로 관양지구 4차선 연장공사에 강관 트러스형 신공법을 적용한 방음터널

l 소음만 잡는 방음터널? 경량성, 경제성, 심미성까지 다 잡았다

실제로 PosLST 공법을 적용한 방음터널, 우리의 연구 결과만큼 제대로 기능하고 있을까? 현장에서 들려오는 PosLST 방음터널의 장점을 꼽아보니, 우리 기대가 딱 들어맞은 것 같다.

첫 번째 특장점은 당연히 소음 저감 효과다. 방음터널 지붕 부위 강관 트러스 내에 설치된 흡음판은 방음터널 입출구에서 발생하는 배출소음을 줄이는 데 탁월하다. 또한 지붕 쪽에 설치한 흠음판으로 방음터널 벽면의 불투명 흡음판을 생략해 채광이 우수함은 물론 운전자의 시인성 또한 향상할 수 있다.

그다음으로 경량성을 이야기해야겠다. 이 터널은 포스코 고강도 구조용강인 SHT460과 PosH690을 소재로 해서, 구조물의 중압감을 최소화한다. 기존 H형강 방음터널 프레임 대비 약 53%까지 무게를 줄일 수 있어 설계 하중을 만족하면서 경량화와 경제성도 모두 달성할 수 있다. 또한 트러스 구조는 터널의 구조적 강성을 향상해 구조물 처짐을 줄이는 데도 효과적이다.

장점 셋째는 뛰어난 시공성과 경제성이다. 앞서 말했듯 PosLST 방음터널은 핵심 기능재인 흡음판을 지붕 쪽 강관 트러스에 삽입하기 때문에, 측면에는 불투명한 흡음판 대신 투명한 반사판을 설치할 수 있도록 했다. 또 이는 탈부착하는 방식으로 제작해서 손상된 부분만 부분적 교체가 가능하다. 기존 방음터널은 측면 흡읍판 교체가 어려워서 유지보수비가 많이 들기 때문에, 이 또한 기존 H형강 프레임 공법과 차별화된 점이라고 볼 수 있다. 더불어 지붕에 올리는 방음판 역시 기존에는 H형강에 설치하다 보니 4개 변을 지지하기 위한 별도의 프레임을 설치해야 했지만, PosLST는 동그란 강관에 설치하기 때문에 프레임 없이 앵글을 이용해서 볼트 체결만 하면 끝! 덕분에 포스코 고성능강을 기반으로 최적 설계를 할 경우, 기존 공법 대비 약 15%의 공사비를 줄일 수 있고, 손상 방음판 교체에 필요한 유지보수비는 31%가량 절감할 수 있다고 한다.

또 하나 빼놓을 수 없는 게 우수한 심미성이다. 미려한 원형 강관을 적용해 기존 터널 대비 구조물의 디자인이 우수하다. 다양한 비정형 구조물을 구현할 수 있어 도심 경관에 어울리는 조화로운 디자인도 가능하다.

PosLST에 대한 업계 반응도 호의적이다. 방음터널 제작과 설치를 맡은 시공사 관계자들은 “포스코 강재로 만든 부재가 무엇보다 가볍고, 볼트 체결 부위가 적어 기존 강재를 사용했을 때보다 시공이 빠르고 용이하다”고 말한다. 이어 “설치 완료 후 미관 또한 수려하여 향후 포스코의 신공법이 널리 확산할 것으로 보인다”는 긍정적인 전망도 함께 내비쳤다.

서울시가 ‘2025 서울시 도시주거환경 정비기본계획’의 일환으로 자동차전용도로 소음피해지역 전수조사를 실시하고 방음 시설물 설치 대책을 마련하겠다고 밝힘에 따라, 향후 신공법을 적용한 방음터널용 강재 수요는 더욱 확대될 것으로 기대된다. 이노빌트랩에서 탄생한 세상에 없던 기술이 삶의 질 향상을 위해 널리 쓰이는 것, 이것이야말로 연구원으로서 느낄 수 있는 최고의 보람 아닐까. 크고 작은 솔루션을 필요로 하는 곳이 많아질수록 이노빌트랩 연구원들의 열정 또한 더욱 뜨거워지고 있다.

오늘 여러분께 소개할 INNOVILT 제품은 ‘UL700 스틸-알루미늄 하이브리드 잭서포트’입니다. 고객사 대한가설산업과 함께 잭서포트 개발에 나선 포스코 연구원의 제품 개발 스토리, 여러분께 공개합니다!

l 가설재는 그저 임시 자재일까? 아니, 안전 자재다!

나는 포스코 구조연구그룹의 하태휴 수석연구원이다. 포스코 강재를 적용한 건설 자재 개발에 주력하고 있는데, 오늘은 그중에서도 ‘가설재(假設材)’ 개발 이야기를 풀어보려 한다.

머릿속으로 건물 하나를 짓는 그림을 그려보자. 땅을 다지고, 뼈대를 세우고, 바닥과 천장을 설치하고, 내외장재를 바르고 인테리어를 꾸미고…. 아마 일반적으로 떠올리는 건설 과정일 것이다. 하지만 아주 중요한 과정이 하나 빠져있다. 바로 ‘가설공사’다.

가설공사는 공사에 필요한 임시 설비와 기본 구조물을 설치하는 단계다. 공구 사용을 위한 전기를 인입(引入)하고, 식수·위생에 필요한 용수 설비를 설치하고, 또 사고 방지를 위한 안전시설을 구축하는 작업 등이다. 이러한 가설공사에는 ‘가설재’라는 자재가 필수로 쓰인다. 높은 곳에서 일할 수 있도록 설치하는 작업 발판이나 통로, 건축 구조물의 뼈대를 임시로 지탱하는 지지대, 공사 구간 위로 차량이나 보행자가 다닐 수 있도록 설치하는 복공판 등이 대표적인 가설재다. 즉, 가설재가 없다면 공사 진행도 불가능하다는 얘기다.

특히 가설재는 건물 완성도 및 현장 근로자의 안전과 직결된다는 점에서 매우 중요하다. 그럼에도 실제 현장에서는 찬밥 신세인 경우가 많은데, 공사가 끝나는 동시에 철거되는 운명 때문이다. 어차피 잠깐 쓰는 자재라는 인식 때문에 빨리빨리 지어 공사 기간을 단축하고, 값싼 수입 가설재로 비용을 절감하려는 시도가 많다.

▲고강도 시스템 비계 현장 설치 사례

이런 상황에서 포스코는 건설 현장의 안전성 확보를 위해 2009년부터 고객과 함께 프리미엄 철강재를 적용한 가설재 시장 개척에 나섰다. 가설재가 그저 임시 자재가 아니라, 작업자의 안전과 직결되는 안전 자재라는 인식 전환을 이끌어내는 것이 목표였다. 그 결과 ‘비계(飛階)’를 위한 프리미엄 강관 ‘UL700(Ultra Light 700)’ 개발에 성공했다. UL700의 소재로는 포스코 고강도강 PosH690이 적용됐다.

아 참, 비계가 뭐냐고? 리모델링이나 신축 공사 현장을 지나면서 작은 강관을 수직-수평으로 엮은 구조물이 건물을 감싸듯 설치된 모습을 본 적 있을 것이다. 이 비계는 작업자가 고층 건물을 공사할 때 안전하게 오르내릴 수 있도록 설치하는 일종의 발판이다. UL700으로 제작한 비계는 과거 주 소재였던 인장강도 400MPa 수준의 일반 강관을 인장강도 700MPa급의 포스코 프리미엄 스틸을 적용한 강관으로 교체한 제품이다.

처음에는 가격 중심의 강관 시장에서 고강도 프리미엄 제품의 확대가 녹록지 않았다. 그러나 실제 사용 현장에서 긍정적인 피드백이 쏟아졌고, 경량화를 통한 경제성과 안정성을 모두 인정받으며 점차 수요가 확대되기 시작했다.

l 임시 기둥 ‘잭서포트’도 프리미엄급으로 만들어보자

안전성과 고강도 성능을 갖춘 UL700의 인지도가 높아지면서, 비계뿐 아니라 다양한 가설재 분야에서 제품 문의가 빗발쳤다. 그러던 어느 날, 때는 2016년 2월. ‘대한가설산업㈜’의 정민영 대표가 포스코 송도R&D센터를 방문했다. 정 대표의 사연은 이러했다.

“저희 대한가설산업은 잭서포트(Jack Support)라는 제품을 만들어 공급하는 회사입니다. 잭서포트는 건물 상부의 하중을 분산시키는 데 사용하는 일종의 지지대인데요. 바닥에 콘크리트를 타설하면 콘크리트가 굳으면서 강도가 올라가는데, 콘크리트 강도가 충분히 발현되려면 일주일 이상의 시간이 소요됩니다. 상층부 공사를 진행하기 위해 콘크리트가 굳는 동안 바닥 판 하부에 임시버팀목을 설치해야 하는데, 그 임시버팀목이 바로 잭서포트입니다.

▲건설 현장에 설치된 잭서포트 모습

그런데 문제가 있습니다. 1층 로비나 공용 공간처럼 층고가 높은 곳에는 5m 이상의 긴 잭서포트가 필요한데, 길이가 길어지면서 무게도 그만큼 무거워진다는 겁니다. 제작하고 공급하는 데에는 문제가 없지만, 100kg이 넘다 보니 설치가 너무 힘듭니다. 작업자들이 100kg가 넘는 자재를 들어 옮기고 세워서 설치해야 한다고 생각해보세요. 그래서 저희는 ‘가벼우면서도 길이가 긴’ 잭서포트 개발이 필요합니다. 듣자 하니 UL700이란 비계용 강관이 있다던데, 그런 고강도 강재를 적용해보면 어떨까 해서 찾아왔습니다.”

정 대표의 제안은 그럴 듯했지만 가능하다는 답변을 주기엔 조심스러웠다. 내 머릿속에는 “아, 또 긴 거야….”라는 걱정이 앞섰다. 경험상 길이가 긴 자재에 고강도 강재를 적용하면 ‘좌굴(buckling)’이라는 특성 때문에 성능이 제대로 발현되지 않기 때문. 좌굴은 단면의 크기에 비해 길이가 긴 부재가 압축력을 받을 때, 하중이 일정 크기에 이르면 부재가 갑자기 휘어지는 현상이다. 짧은 부재에서는 고강도 강재가 훨씬 큰 하중에도 휨 없이 버티지만, 길이가 길어지면 좌굴 때문에 고강도 강재라도 일반 강재과 비슷한 하중에 휘어지고 만다.

“정 대표님~! 길이가 긴 부재는 좌굴 현상이 발생하는 탓에 고강도 강재를 적용해도 효과가 크지 않을 가능성이 높습니다. 일단은 고강도 강재를 활용해 길이별로 제품을 설계하고, 시제품으로 성능 실험을 해보는 것이 좋을 듯합니다. 이후 세부 방향을 협의해 보시지요.”

일단 나는 고객의 제안대로 사용 길이 3~4m의 일반형 잭서포트와 사용 길이 6~10m의 고층고형 잭서포트에 대한 대안 설계에 돌입했다. 일반강도의 SS400과 고강도 강재 PosH690로 총 4종의 잭서포트를 만들어 최대 하중을 확인해 볼 참이었다. 설계 내용을 대한가설산업으로 보내드렸고, 이를 바탕으로 대한가설산업은 시제품을 제작했다. 두 달 후, 성능 평가를 위해 우리는 송도 연구소에 다시 모였다. 완성된 시제품 상태를 점검한 후 조심스럽게 가력 실험을 시작했다. 하지만 결과는 예상대로였다. 일반형 잭서포트는 고강도 강재를 통해 효과적으로 중량을 절감하면서도 기존 제품과 유사한 성능을 보였지만, 고층고형 잭서포트는 고강도 제품과 일반 강도 제품 모두 요구 성능인 30톤에 미달하는 성능이 나왔다.

혹시나 하고 기대하던 정 대표의 얼굴이 어두워졌다. 아쉽긴 우리도 마찬가지. 원하는 결과는 못 얻었지만 그렇다고 여기서 끝낼 순 없었다. 우리는 조심스럽게 새로운 제안을 하나 했다.

“원하셨던 고층고형 잭서포트는 당장 개발이 어렵지만… 대신 일반형 잭서포트에 고강도 강재를 적용해보는 건 어떨까요? 실험에서 보셨듯 일반형 잭서포트를 고강도 강재로 만들면 무게를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 경량화는 물론이고 가격 경쟁력도 높일 수 있죠.” 우리의 제안에 잠시 고민하던 그는 “시장도 훨씬 크고 일반적으로 적용되는 제품이니 해볼 만하겠네요. 한번 해 봅시다!”라며 화답했다. 이후, 여러 차례 상세 설계와 성능 실험을 진행한 끝에 우리는 최대 사용 길이 3.8m의 고강도 잭서포트를 시장에 내놓았다.

사실 꿩 대신 닭으로 출시한 제품이었지만 시장의 반응은 뜨거웠다! 기존 제품 대비 절반 수준으로 가벼워진 중량이 인기 비결이었다. 가벼운 잭서포트에 대한 시장의 갈증을 느낄 수 있었다. 시간과 인력이 중요한 건설 현장에서 고강도 경량화 제품에 대한 수요는 점차 많아졌고, 제품을 생산하고 공급하는 고객사의 손길도 덩달아 바빠졌다.

l 스틸과 알루미늄의 합동 작전! 하이브리드 잭서포트 등장

거의 3년이 흐른 2018년 11월, 대한가설산업의 정민영 대표가 연구소를 다시 방문하겠다고 연락해왔다. 고강도 잭서포트가 상용화된 이후로는 주로 실무자를 통해 기술 자료나 품질평가 등을 요청해온 터라 의아했다. 무슨 문제가 있는 걸까? 다시 만난 정 대표의 사연은 이러했다.

“현재 국내 강건재 잭서포트 제품 중에선 저희 제품이 제일 가볍습니다. 시장도 꽤 커졌고요. 그런데 최근 알루미늄으로 잭서포트를 만드는 곳이 늘고 있습니다. 알루미늄 제품이면 응당 비쌀 텐데 가격도 저희 제품과 크게 차이 나지 않습니다. 그래서 이참에 제품을 한 번 더 개선해볼까 합니다.”

대한가설산업의 요구는 크게 두 가지였다. 첫째는 3.8m인 최대 사용 길이를 5.0m까지 확대하고 싶다는 것. 현장의 다양한 수요에 대응하려면 반드시 지금보다 길이가 더 길어져야 한다는 게 그의 설명이었다. 둘째는 길이 조절 폭을 늘리고 싶다는 것. 기존 제품의 경우, 조절 범위가 30cm밖에 안 되다 보니 현장에서 요구하는 길이별로 제품을 제작해야 하는데, 그 종류만도 10개가 넘는다고 했다. 조절범위를 70cm까지 늘여서 단일 제품으로도 더 많은 현장에서 맞춤으로 적용이 가능하게 하고 싶다는 것이었다.

듣고 보니 앞서 3년 전 했던 고민의 연장선이었다. “고강도강으로 쉽지 않을 텐데 새로운 방법을 연구해보죠”라는 말을 꺼내려는 순간, “UL700 강관에 알루미늄 내관을 삽입하여 길이를 조절할 수 있는 형태로 제품을 설계해 봤습니다.” 라며 정 대표가 먼저 아이디어를 건넸다.

강재에 알루미늄을 결합한다니?! 처음에는 황당한 제안처럼 들렸다. ‘강재만으로도 충분히 구현할 수 있는 제품인데 굳이 알루미늄을 적용해야 하나?’ 싶었다. 하지만 샘플로 제작한 시제품을 보자 생각이 달라졌다. 정밀 가공이 가능한 알루미늄 내관을 연결하니 직진도(straightness)를 확보하기 용이했고, 고강도 강관이 적용된 덕에 주요 내력도 충분히 발휘할 수 있었다. 주요 하중을 버터야 하는 외관은 고강도 강관으로, 길이 조절용 내관은 알루미늄을 적용해 무게를 획기적으로 줄인다- 해볼 만한 아이디어였다.

우리는 고객사의 시제품을 바탕으로 최적화 설계를 해보기로 했다. 일단 복잡한 알루미늄 단면 설계를 위한 계수를 찾아내고, 사용 길이별로 강관의 좌굴하중을 산정해 강관 두께와 알루미늄 단면의 형상을 개선하는 작업을 반복했다.

사용 높이 별로 4가지 종류의 시험체를 제작하고 압축하중 시험을 진행했다. 시험결과와 공동주택현장의 주요 요구 사용높이를 고려해 상용화 제품 라인업 구성도 완료! 길이 조절을 위한 알루미늄 내관의 길이는 내관의 좌굴강도 및 현장시공성을 따져 1m로 적용하고, 총 4개 사이즈의 제품을 제작했다. 1년간의 연구와 테스트를 거쳐, 마침내 우리는 2019년 7월 마침내 알루미늄 내관을 장착한 고강도 하이브리드 잭서포트를 시장에 출시했다. 2016년 대한가설산업과의 첫 만남 후 4년 만의 성과였다.

l 작업자에게는 안전을, 시공사에게는 경제성을

스틸과 알루미늄의 기막힌 동거! 경쟁소재들의 콜라보로 만들어진 하이브리드 잭서포트는 출시 1년 만에 현대건설, 대우건설, 포스코건설 등 국내 유수의 건설사들이 시공하는 30개 이상의 공동주택 현장에 적용됐다.

▲UL700-Al Hybrid 잭서포트 양산제품 상세 및 설치 전경

정 대표는 “제품을 납품하면서 ‘가벼워서 좋다’는 말을 정말 많이 듣는다.”며 현장 목소리를 전해왔다. 제품 경량화, 그렇다. 정 대표가 맨 처음 우리를 찾은 이유다. 맨 처음 가설재에 고강도 철강재를 적용해 보자며 시작된 일이 초경량 고강도 잭서포트 개발로 이어졌고, 마침내 하이브리드 잭서포트 제작에까지 이르게 된 것이다.

하이브리드 잭서포트를 일반적으로 사용하는 5인치 제품과 비교해 보면, 강도는 동일하지만 무게는 50% 이상 가볍다. 기존 알루미늄 제품과 비교해도 80% 수준의 중량이다. UL700이 높은 강성과 강도를 지니기 때문에 알루미늄의 3분의 1 수준으로 외관 단면적을 줄일 수 있고 덕분에 획기적인 경량화가 이뤄졌다. 일반 잭서포트가 60kg이라면, 알루미늄 제품은 약 35kg, 우리 하이브리드 제품은 29kg에 불과하다. 작업자가 더욱 안전하게 다룰 수 있다는 점 외에, 이 경량화가 실제 현장에서 어느 정도의 가치가 있을까?

가벼움으로 인해 빠르게 설치할 수 있다는 점이 가장 주요하다. 29kg는 현장에서 작업자 한 명이 거뜬히 핸들링할 수 있는 무게. 거기다 기존 제품과 달리 볼트 결합 없이도 70cm까지 길이 조절이 가능해 빠르고 간편하게 작업할 수 있다. 작업자가 단 35초만에 하이브리드 잭서포트를 현장에 설치하는 모습을 확인해보시라!

이렇게 간편하고 빠른 설치는 곧 인건비 절감과 공기 단축이라는 효과로 이어진다. 실제로 제품을 설치하고 해체하는 데 드는 시간이 줄어들면서 인건비가 30% 이상 절감된 사례도 있다. 또 트럭에 실을 수 있는 개수도 많아지기 때문에 운송 비용도 30%가량 절감된다고 한다.

그런데 ‘가볍기만 하면 내구성에 문제가 있지는 않을까?’ 하는 의구심이 들 수 있다. 흔히 알루미늄으로 제작된 내관이 현장에서 파손되지 않을까 우려하는 목소리도 있으니. 하지만 우리가 목표한 것은 무조건 가벼운 제품이 아니라 ‘가벼우면서도 강한 가설재’다. 하이브리드 잭서포트는 기존 제품과 달리 부품별로 분리가 가능하게 설계되어 파손의 위험이 적고, 혹 파손되더라도 해당 부품만 교체하면 되기 때문에 보수 비용도 저렴하다. 외관은 포스코 UL700으로 만들어져 내구성이 더욱 탁월하다.

고강도 강재를 활용한 잭서포트를 개발하고 시장의 요구에 맞춰 개선해온 지 4년여의 시간이 흘렀다. 정체돼 보이는 시장이지만, 제품의 트렌드는 빠르게 변하고 있다. 우리가 연구실에 가만히 앉아 실험만 하며 제품 개발을 할 수 없는 이유다.

그런 의미에서 하이브리드 잭서포트는 포스코와 고객사가 회사와 현장을 오가며 제품의 약점을 뛰어넘을 아이디어를 끈질기게 고민한 끝에 이뤄낸 결과물이다. 덕분에 초창기에는 일반 강도의 제품과 경쟁하며 시장을 확대했지만, 이제는 알루미늄 제품에 맞서 시장을 수성하는 입장이 됐다. 올해 2분기에는 INNOVILT 인증 제품으로 선정됐다는 기쁜 소식도 들려왔다.

가설재- 품질 기준도 명확하지 않고 저가 수입재에 대한 유혹도 큰 시장이다. 하지만 그럴수록 우리는 더 정직한 제품과 기술로 시장의 인식을 변화시키고 작업자들의 안전 사각지대를 없애야 한다. 동시에 건축주에게도 실질적 이익을 가져다줄 수 있는 솔루션을 만들어내는 것, 이것이 우리에게 주어진 사명 아닐까. 오늘도 우리 이노빌트 랩은 새로운 솔루션 개발을 위해 분주하다.

건설 공사에 사용되는 셀 수 없는 건설 자재들, 모든 제품이 그렇듯 건설 자재들도 다 같은 건 아니랍니다. INNOVILT LAB이 만드는 건 ‘프리미엄’ 제품이거든요. 지금 당신이 서있는, 앉아있는, 누워있는, 혹은 걸어가고 있는 그곳에 저희 INNOVILT LAB의 노력이 스며들었을지도 몰라요.

프리미엄 건설 자재 INNOVILT의 탄생기, 오늘은 SP-CIP 강관철근망 이야기를 들려 드리고자 합니다. 고객사 MS파이프, 한국소재와 함께 강관철근망을 직접 개발한 포스코 연구원의 연구 노트, 여러분께 공개합니다.

l 언제까지 무거운 철근을 쓸 텐가?

나는 포스코 철강솔루션연구소 구조연구그룹의 수석연구원 안동욱. 고객이 필요로 하는 강재 기술을 연구하고 개발하는 일을 담당한다. 요즘 내가 몰두하고 있는 분야는 ‘철근’이다. 철근을 생산하지 않는 포스코에서 웬 철근이냐고? 물론 철근을 개발하려는 건 아니다. 좀 더 정확히 말하자면 철근을 대체할 수 있는 스틸 강관(Steel Pipe)을 개발해, 프리미엄 건설 자재를 만드는 게 나의 목표다.

철근은 건설 시장에서 가장 많이 사용하는 자재다. 단독으로는 거의 쓰지 않고 인장력 보강을 위해 콘크리트 안에 넣어 사용하는 게 일반적인데, 특히 지반 보강용 자재로는 철근 콘크리트의 비중이 압도적으로 높다. 하지만 큰 단점이 있었으니 ‘무거워도 너무 무겁다’는 점. 또 철근은 용접도 불가능하기 때문에 철근끼리 하나하나 철사로 묶어서 결속시켜야 한다. 이렇게 인력 의존도가 높은 철근 가공 작업에서 무거운 철근은 현장 작업자들에게 큰 불편을 초래할 수 밖에. 근골격계 질환이 작업자들에게 꼬리표처럼 따라다니는 것도 바로 이 무거운 자재 때문이다.

모든 창조는 문제의식에서 시작되는 법. ‘꼭 무거운 철근이어야 할까?’라는 문제의식은 자연스레 ‘철근보다 가볍지만 더 튼튼한 대체재를 만들 수 있지 않을까?’라는 생각으로 확장됐다. 어떻게? ‘우리가 제일 잘하는 철강기술로!’ 그렇게 나는 철근을 대체할 경량 강관 개발에 착수하게 됐다.

경량 강관을 가지고 최종적으로 만들 건설 자재는 바로 ‘철근망’ 이다! 철근망은 지반 공사용 자재로, 땅 속에 철근망을 심고 콘크리트로 타설하면 건축물의 균열과 성능 저하를 막는 기능을 한다. 이 철근망의 철근을 강관으로 대체한다면? 무게는 훨씬 낮추고, 강도는 높여 앞서 말한 여러 가지 문제점을 해소할 수 있을 것 같다. 우리는 우선 철근망의 수직방향에 있는 주철근을 강관으로 대체한 ‘강관철근망’ 개발을 목표로 본격 연구에 돌입했다.

l 강관철근망 함께 개발할 파트너 : MS파이프와 한국소재

철근을 강관으로 대체하려면 우선 고강도 강판 소재를 직경이 작은 강관으로 조관^*할 수 있는 강관사가 필요하다. 오랜 기간 파트너를 물색하던 중, 차량 부품용 강관을 주력으로 생산하던 MS파이프㈜(대표: 박중호)에서 답을 찾았다. 자동차 업계는 이미 10년 전부터 연비 향상을 위한 부품 경량화가 진행돼왔고, 때문에 MS파이프 역시 고강도 경량 강관 생산 경험이 풍부했다. 건설 시장이라는 새로운 분야로의 진출은 큰 도전이었지만, 긴 논의 끝에 마침내 MS파이프는 우리와 손잡고 연구에 합류했다. ^*조관: 평평한 강판을 관 형상으로 말아 둥글게 모양을 만드는 공정

그런데 이게 웬걸? 의외의 복병이 있었다. 기존 철근의 표준 길이는 12m인 데 반해, MS파이프를 비롯한 자동차 부품용 강관사들은 최대 생산 치수가 9m에 불과했던 것. 어렵게 뜻을 모았는데 이대로 끝낼 수 없지. MS파이프는 건설 시장의 고강도 강관 적용 가능성을 확인하고 12m 이상 조관이 가능한 설비 도입을 결정했다. 그리고 이 강관을 가지고 최종 제품인 철근망을 제작해줄 고객사도 발굴이 필요했다. 이미 우리와 터널의 고강도 강관 적용 시장을 성공적으로 개척한 경험이 있는 ㈜한국소재(대표: 양철진)가 적임자였다. 직원 수 10명 남짓의 작은 회사지만, 고강도 강관으로 기존의 철근 제품인 록볼트, 네일링 등을 대체하였던 경험이 큰 힘이 되었다. 한국소재도 흔쾌히 우리와 뜻을 함께하기로 결정. 셋이 뭉쳤으니 이제 남은 건? 본격적인 개발이다!

l 자 본격적으로 개발을 해볼까, 항복강도 800MPa의 고강도 강관을!

시중에 유통되는 철근의 항복강도(YS, Yield Strength)는 400MPa이다. 철근에 400MPa 이상의 힘을 가하면 변형된 소재가 다시 원복 되지 않는다는 뜻이다. 우리는 철근이 아닌 강관으로 이보다 최소 동등하거나 강한 건설 자재를 만들어야 한다. 강관 가운데가 동그랗게 비어있다는 점을 고려해 소재의 항복강도를 2배 이상 높인 800MPa급 강관을 만들기로 했다.

초기에는 일반 열연 소재를 조관한 후 열처리를 통해 강도를 확보하고자 했다. 하지만 비용이 증가하고 품질을 안정화하기 어렵다는 문제가 발생했다. ‘열처리 없이 고강도 강관을 만들 방법은 없을까?’ 고민하던 우리는 뜻밖에도 다른 고객사의 클레임에서 해결의 실마리를 찾을 수 있었다. 그 내용인즉슨 우리 회사의 고강도 강재 PosH690(POSCO High strength 690)의 항복강도가 KS 규격이 요구하는 기준보다 높아서 강관 조관 시 설비에 무리가 가고 생산성이 떨어진다는 것이었다. 심지어 소형 강관으로 조관하니, 가공경화^*로 소재가 더 단단해져서 항복강도가 20%가량 더 올라간다는 피드백. ^*가공경화: 가공 시 변형의 영향으로 소재가 강해지는 현상

‘어? 강관으로 조관하면서 항복강도가 올라간다고? 그럼 열처리 없이도 800MPa급의 강관을 만들 수 있지 않을까?’ 유레카! 고객의 불만이 우리에겐 기회가 됐다. 즉시 PosH690으로 항복강도 800MPa을 보증하는 강관 가공법 연구에 착수했다. MS파이프로 PosH690 샘플을 보내 실제로 강관을 조관하고, 사이즈별로 가공경화에 의한 항복강도 상승률을 정량적으로 분석했다. 그 결과, 마침내 최적의 생산 조건을 도출하는 데 성공했다.

이제 이 강관을 우리 연구의 최종 목표인 철근망에 적용하는 일만 남았다. 앞서 MS파이프가 개발한 강관으로 한국소재는 강관철근망을 제작했다. 주철근을 강관으로 대체하고, 스파이럴은 그대로 철근을 썼고 체결 방식 역시 철사를 이용했다. 주철근의 소재 외에는 변수를 두지 않은 것. 우리는 콘크리트 내부에 일반철근망과 강관철근망을 삽입한 시험체를 만들어 성능 비교 실험을 수차례 진행했다. 결과는 대성공! 우리가 개발한 강관철근망은 기존의 일반 철근망과 대동소이한 성능을 보였다. 드디어 일반 철근망을 대체하는 강관철근망의 현장 진출이 눈앞에 성큼 다가온 것이다.

▲ 강관철근망 휨성능 테스트

자, 이제 항복강도 800MPa을 보증하는 강관과, 이 강관을 적용한 강관철근망 제품이 준비됐다. 하지만 실제 건설 현장에 철근 대신 강관을 적용하려면 큰 산을 하나 넘어야 한다. 바로 ‘KS 규격 등록’이다. 건설 분야에서는 KS 규격화되지 않은 자재는 사용할 수 없기 때문. 이를 위해 KS 규격 등록 경험이 풍부한 동료들과 머리를 맞댄 끝에 2018년 12월 14일 ‘KS D 3872 지반보강용 강관’을 신규로 제정하는 데 성공! ‘STG800(Steel Tube for Ground reinforcement)’으로 규격 등록을 마쳤다. 이렇게 PosH690을 원소재로 개발된 강관은 공식적으로 STG800이라는 이름을 얻었다.

l 드디어 개봉박두! INNOVILT 강관철근망을 소개합니다

한국소재는 KS 규격으로 정식 등록된 STG800으로 본격적인 강관철근망 양산에 돌입했다. 한국소재는 이 강관철근망의 제품명을 ‘SP-CIP 강관철근망’이라고 명명했다. (SP-CIP는 Smart Pipe-Cast In Placed Pile의 약자다.) 지금까지 우리의 협업 과정을 다시 정리해 보면, 포스코의 고강도강 PosH690으로 MS파이프가 STG800 강관을 생산하고, 한국소재는 STG800 강관으로 최종 SP-CIP 강관철근망을 제작하는 프로세스다.

강건재, 특히 지반 분야 연구는 반드시 실제 공사 현장에 제품을 적용해본 뒤 연구 값처럼 튼튼하게 사용할 수 있는지 확인해야 한다. 강건재 제품 연구는 실험실에서 끝나는 게 아니란 말씀. 나를 비롯한 MS파이프, 한국소재 직원 모두는 현장으로 출동해 시공과정을 꼼꼼히 지켜봤다. 미처 고려하지 못했던 요소는 없는지 두 눈 크게 뜨고 살피길 두 시간. 17m에 달하는 거대한 강관철근망이 땅속에 설치되고 콘크리트 타설까지 마무리되고 나서야 한 시름 놓을 수 있었다.

시공 후에는 제품이 목표한 성능을 발현하는지도 확인해야 한다. 한 달여 시간 동안 콘크리트가 굳기를 기다린 후, 10t의 해머로 시공된 구조체를 타격해 지지력을 측정하는 동재하시험을 실시했다. 또한 구조체와 구조체를 서로 밀어서 내진 성능을 확인하는 수평재하시험도 함께 진행했다. 다행히 두 시험에서 모두 만족할만한 성능을 확인했고, 그제야 우리는 서로 악수를 하며 수고의 말을 건넬 수 있었다. 이후 SP-CIP 강관철근망은 2차례 현장 테스트를 더 거쳤고, 이를 통해 기존 일반철근망 대비 훨씬 가벼우면서도 경제적이고, 강도 또한 안정적이라는 완벽한 피드백을 얻어냈다.

l 100% 포스코 스틸로 만든 SP-CIP 강관철근망 추가요~

목표한 대로 제품의 무게는 확 내려갔지만 해결해야 할 과제가 하나 더 있었다. 바로 용접. 앞서 말한 대로 철근은 화학 성분을 보증하지 못하기 때문에 용접이 불가능하다. 우리가 개발한 강관철근망도 수직 강관에 스파이럴 철근을 철사로 엮어 제작할 수밖에 없었는데, 이를 완전 용접 제품으로 바꾸고 싶다는 욕심이 생겼다. ‘그래, 100% 포스코 스틸로 용접이 가능한 강관철근망을 만들어 보는 거야!’

맨 먼저 우리 회사에서 생산하는 선재로 제작하는 ‘철선’이 떠올랐다. 철선은 선재 표면에 2줄 이상의 돌기를 규칙적으로 배열해 철근과 동일한 형상을 띠는 소재다. 이미 KS(KS D 3552) 규격도 완료된 제품이라 충분히 스파이럴 철근을 대체할 수 있었다. 한국소재는 △철근-철근, △강관-철근, △강관-철선 3가지 제품을 두고 직접 한 땀 한 땀 용접 테스트를 진행했다. 그중 유일하게 ‘강관-철선’ 제품만이 높은 품질로 용접이 가능하다는 결과. 우리는 이 테스트 결과를 바탕으로 한국건설이음협회의 공식 사용 인증도 받아냈다. 한국소재는 올해 5월 본격적으로 강관-철선을 소재로 한 강관철근망 제작을 위해 용접 자동화 설비를 구축했다. 처음 철근을 대체하는 강관 개발에서 시작한 일이, 결국 100% 포스코에서 생산하는 강재를 사용하는 강관철근망 제작까지 가능케 했다. 4년 만의 성과였다.

▲한국소재의 SP-CIP 강관철근망 자동용접 설비

l 4년 만에 탄생한 강관철근망: 경제성, 안정성, 경량화 모두 심었다

이 연구성과는 강건재마케팅실과 고객사가 공동 마케팅을 펼친 끝에 지난 1월 종로구 숭인동 오피스텔 신축공사 현장에 초도 적용되는 쾌거를 이뤘다. 이후에도 6개월간 추가 4개 현장에 적용 실적을 쌓으며 건설 시장에 성공적으로 안착했다. 보수적인 건설 시장에서 SP-CIP 강관철근망에 대한 반응은 이례적으로 뜨겁다. 가격 경쟁력이 높고 품질이 좋다는 단순한 이유 때문만이 아니다. 발주처(가격), 시공사(품질), 작업자(시공성/작업성)를 모두 만족시키는 솔루션이기 때문이라고 자신 있게 말할 수 있다. 현장에서 SP-CIP 강관철근망을 사용해본 이들이 말하는 특장점을 몇 가지 소개하자면-

우선 경제적이다. 강관철근망의 주 소재인 STG800 강관은 일반 철근 대비 약 5~10% 저렴한 가격에 현장에 공급할 수 있는 공급망(Supply Chain)이 구축돼 있다. 항복강도가 일반 철근보다 2배 향상돼, 동일한 강도를 확보하는데 필요한 단면적이 절반으로 줄어들기 때문이다. 톤당 단가는 철근보다 비싸지만, m당 무게는 절반으로 줄어들어 m당 단가는 철근보다 저렴하게 공급이 가능하다.

둘째로, 안정적인 품질 확보가 가능하다. 일반 철근망은 용접으로 제작할 수 없기 때문에 소재끼리의 결속을 위해 결속선이라고 하는 철사를 사용한다. 반면 우리 제품은 안전하게 용접으로 제작하여 공급이 가능하다. 어느 제품이 더 안정적일지 자세한 설명은 생략한다.

반드시 짚고 넘어가야 할 요소 하나 더, 바로 경량화다. STG800의 m당 중량은 철근 대비 약 50% 수준으로 가벼워 현장 작업자들의 노동 강도를 낮추는 데 탁월하다. 실제로 현장에서 STG800 강관으로 작업을 한 작업자들이 다른 현장으로 이동 후 일반 철근으로 작업을 해야 하는 상황에서 건설사에 STG800 강관으로 변경할 것을 제안한 사례가 있을 정도다.

마지막으로 선 제작을 통한 공급 체계다. SP-CIP 강관철근망은 현장에서 제작하는 것도 가능하지만, 공장에서 제작을 완료한 후 현장으로 공급하는 방식을 기본으로 한다. 거대한 철근망을 협소한 현장에서 제작하는 데 따르는 물리적 어려움과 외국인 노동자 증가로 인한 소통 문제도 무시할 수 없는 애로사항이다. 이런 여건 속에서 공장에서 완성한 후 현장에 설치만 하면 되는 SP-CIP 강관철근망은 무척이나 매력적인 대체재라고 확신한다.

최근 SP-CIP 강관철근망을 적용한 현장인 ‘GS건설 대구 용산동 주상복합사업’ 우인정 소장께서는 “SP-CIP 강관철근망은 우수한 품질로 공장에서 미리 제작되어 현장에서는 시공만 하면 되기 때문에 도심지의 협소한 현장에서 다루기 매우 편리하다. 필요한 사이즈의 완제품으로 입고되기 때문에 현장에 잔여 철근이 남는 일도 없다“라며 “무엇보다 철사로 묶은 철근망은 옮기고 시공할 때 비틀어짐 때문에 작업하기 까다로운데, 용접으로 제작한 강관철근망을 써보니 훨씬 안전한 작업이 가능하다”고 실제 사용 평가를 전하기도 했다. 현장 시공 영상도 준비했으니 아래에서 확인하시길!

한국소재의 SP-CIP 강관철근망은 올해 1분기 INNOVILT 인증 제품으로 선정되면서 더욱 활발히 현장에 적용되고 있다. 지반 보강을 위해 SP-CIP 강관철근망을 적용할 수 있는 잠재적 국내 시장 규모는 연간 최소 40만 톤 수준으로 추정된다. 국내에서 사용되는 일반 철근 시장 규모의 10% 수준에도 못 미치는 상황. 이는 곧 우리가 진출할 수 있는 분야가 아직 많이 남아있다는 뜻이다. 나를 비롯한 포스코 연구원들은 오늘도 연구실에서 시장 확대를 위한 이용 기술을 고민 중이다. 고객이 필요로 하는 강재 기술이 혁신적인 제품으로 완성되는 그날까지, 우리의 연구는 앞으로도 계속될 것이다.

우수한 제품이 시장에서 널리 쓰일 수 있도록 브랜딩, 마케팅하는 것도 중요하지만 그전에 해야 할 일이 있다. 일단 우수한 제품을 만들어야 하지 않겠는가? 그래서 포스코는 고객과 함께 ‘INNOVILT 제품 개발’이라는 첫 단추부터 함께 채운다.

l 티슈 한 장에 그린 아이디어, 지반 공사의 새로운 기초가 되다

2017년 어느 겨울날, 도건이엔텍의 이종범 대표와 포스코 강건재마케팅실 이정해 대리, 철강솔루션연구소의 안동욱 연구원이 미팅을 마치고 커피숍에서 이야기를 나누고 있었다. 도건이엔텍은 포스코의 고객사로, 땅속 지반 공사 설계와 시공 전문 기업이다. 건축물을 올릴 때 지하공간을 만들기 위해서는 땅을 파고 지반이 무너지지 않도록 해야 하는데, 땅을 파낸 자리의 양옆 토사가 무너지지 않게 막아주는 주요자재를 ‘지반 가시설(地盤 假施設)’이라고 한다. 지반 가시설로 많이 사용되는 것은 H를 옆으로 눕힌 모양새의 소형 RH(Rolled H) 형강.

포스코는 형강류를 생산하지 않기 때문에 판재를 용접해서 제작하는 BH(Built-up H) 형강을 개발해 고객들의 형강 시장 진출을 함께 해오고 있다. 도건이엔텍의 경우에는 BH 형강 중에서도 지반공사에 최적화된 형강 개발이 필요했다. 이날도 어김없이 제품 개발 이야기가 한창이었는데, 순간 안동욱 연구원의 머릿속으로 새로운 아이디어가 스쳤다.

“꼭 H형강일 필요 없잖아요? 우린 용접으로 제작하니까… 웨브(Web)를 하나 더 넣으면요?

H형강이 아닌 ㅍ형강을 만드는 거예요.

강도는 올라가고, 부재 성능도 향상되고 경량화할 수 있어서 작업성능도 오를 것 같은데요.”

바로 커피숍의 티슈에 펜으로 아이디어를 구체화하기 시작했다. 기존 H형강을 ㅍ 형태의 새로운 모습으로 바꾸는 것. 가능성이 있어 보였다. 이들은 곧장 사무실과 연구실로 돌아가 제품 설계에 돌입했다. 고강도강을 적용해 강도는 기존보다 50% 이상 높이고 중량은 20%가량 낮췄다. 아이디어를 실제 제품으로 구현하기 위해서 이정해 대리는 모든 네트워크를 동원해 최적의 제작사를 찾아다녔다. 3달 만에 진천에 공장을 둔 제작사를 발굴하는데 성공, 그렇게 포스코, 도건이엔텍과 제작사인 동양이엔씨 까지 힘을 합쳐 ㅍ형강을 제작하게 됐다. 지반 가시설용으로 고강도 ㅍ형강을 처음으로 제작한 것. 이름은 웨브가 두 개인 것에 착안해 DIB(Double I Beam)이라고 붙였다.

▲ DIB 모델링 이미지(왼쪽)와 실제 시공 모습

실제 현장에 데뷔 전, 약 1년간 개발과 성능 검증이 이어졌다. 마침내 2019년 1월, 경기도 하남시 농협 하나로마트 신축공사에 초도 물량이 공급됐다. 1년 전 카페에서 조그만 티슈 위에 그려냈던 아이디어가 현실이 된 순간이었다. 현장 반응은 뜨거웠다. “고강도 강재를 사용하니 설치해야 하는 자재 수량이 줄어들어 공사기간이 줄어들고, 작업자들도 가벼운 자재로 시공하니 훨씬 일하기 편하다고 하네요.” 이후 DIB는 약 10여 개의 현장에 활발히 적용되었고 지금도 여러 프로젝트에서 러브콜을 받고 있다. 시장성과 차별성을 인정받아 지난 1분기에는 INNOVILT 인증 제품으로 정식 등록됐다.

l 이노빌트 인증 제품 절반이 ‘포스코-고객사 공동개발’ 성과

위와 같이 포스코가 고객과 공동으로 개발하여 시장에 내놓고 INNOVILT 제품으로 인증까지 마친 케이스가 현재까지 총 36개다. 올해 3분기 기준 INNOVILT 인증 제품 수가 72개이니, 절반에 달하는 수준. 대표적으로 한국소재의 SP-CIP 강관철근망, 대한가설산업의 고강도 잭서포트, NI스틸의 스틸커튼월, 도건이엔텍의 DIB 등이 이노빌트 후보 제품에서 인증 제품으로 거듭난 사례다.

▲ 포스코는 차세대 INNOVILT 후보 제품들을 고객과 함께 공동 개발한다. 이중 개발과 상용화가 완료된 후 INNOVILT 제품으로의 자격이 갖추어진 제품은 브랜드위원회를 통해 정식 이노빌트 제품으로 인증받을 수 있다. 이런 과정을 통해 INNOVILT 제품으로 인증된 제품은 2020년 8월 말 기준 36개다.

지금도 포스코에서는 수많은 INNOVILT 후보 제품이 연구개발되고 있다. 철강사가 자사의 철강재가 아닌 고객사의 제품에 브랜드를 부여하고 관리하는 시스템은 세계적으로도 이례적인 일. 여기에, 자사의 인력과 자원을 투입해 고객사를 위한 제품 개발까지 힘쓰고 있다는 것은 더욱 남다른 행보다. 고객을 향한 ‘풀 레인지 솔루션(Full Range Solution)’이라 할만하다. 철강의 가치를 모두 담은 INNOVILT를 앞세워 빠르게 고도화되는 건설 산업에서 건설 자재의 고급화를 이끌고, 비즈니스 파트너와 함께 성장하겠다는 포스코의 강한 의지다.

l 시장분석, 제품개발, 현장 테스트까지… 포스코의 전문가가 함께 한다

INNOVILT 후보 제품이 성공적으로 개발되어 시장에 나오기 위해서는 꽤 긴 시간 포스코와 고객사의 협업이 필요하다. 시장의 요구를 세심하게 분석하고 포지셔닝을 설정하는 ①시장분석, 각종 소프트웨어 프로그램을 활용하여 최적화 설계를 하는 ②제품설계, 국내 최고 수준의 포스코 자체 실험장비를 활용하여 제품 성능을 확인하는 ③성능검증, 학회와 협회 등을 통해 상품 성능의 객관성을 확보하는 ④사용인증, 원활한 상품 공급을 위한 ⑤Supply Chain(공급망) 구축, 시험 현장 적용을 통한 실제 현장에서의 가능성을 확인하는 ⑥Track Record 확보, 마지막으로 본격적인 마케팅을 통한 현장 적용 확대의 ⑦양산이라는 기나긴 여정을 거쳐 비로소 후보 제품이 시장에 모습을 드러낸다.

‘프리미엄’이라는 타이틀에 걸맞게 적지 않은 비용과 시간이 투입되는 제품이니만큼, 전 과정에는 포스코 강건재마케팅실과 철강솔루션연구소의 전문 직원들이 대거 참여한다. 연구원들은 제품 설계와 성능 검증 및 사용 인증, Track Record 확보까지 제품 개발 부분을 책임진다. 시장 진출 후에도 경쟁력을 분석해 부족한 부분에 대해서는 다시금 포스코의 연구과제로 전환해 보완하고 경쟁력을 향상시키고 있다.

마케터들은 시장분석을 통해 신제품 니즈를 발굴하고 Supply Chain 구축, 양산 등을 통해 개발된 제품이 시장에 빠르게 안착할 수 있도록 돕는다. 우수한 제품이지만 시장에서 인지도가 부족한 경우엔 박람회 참가를 제안하거나 공동 홍보를 강화하는 등의 노력도 빼놓지 않는다. 즉, 제품 개발의 시작부터 양산 후 홍보와 마케팅, A-Z 전 과정을 포스코가 고객사와 함께 한다.

철강 소재 공급사에서 나아가 강건재 제작사들의 파트너로서 건설 산업 고도화를 이끌고 지속 가능한 건설문화를 함께 만들어가는 것. 그것이 포스코가 INNOVILT를 통해 추구하는 모습이다. 포스코는 매 분기 브랜드위원회를 통해 INNOVILT 제품들을 선정하고, 이 제품들이 프리미엄 건설 자재로써 시장에서 활발히 사용될 수 있도록 적극적 지원을 전개해 나간다. 또 이런 혁신적인 제품들이 끊임없이 개발될 수 있도록 고객에 먼저 손 내밀어 연구개발 역시 주도적으로 이어나갈 예정. 이를 통해 비즈니스 파트너의 성공, 더 나아가 수요 산업 전체의 강건화가 이뤄질 수 있도록 남다른 발걸음을 이어나갈 계획이다.

포스코 뉴스룸은 ‘INNOVILT LAB(이노빌트 랩)’ 시리즈를 통해 포스코가 실제 고객사와의 협업으로 INNOVILT 제품을 탄생시킨 개발 과정를 전해드릴 예정입니다.