HSB(교량용 고성능 강재) 적용 교량 상용화
"주변 환경과 조화를 이루는 HSB 적용 교량으로 쾌적한 도시 환경을 만들다"
[연구진 인터뷰]
● 인천대교에 ‘HSB(High performance Steel for Bridges)가 적용되었다고 한다. HSB 및 연구에 대해 소개한다면?
교량용 맞춤 강재인 HSB는 차세대 시설물용 신재료 활용기술을 이용해 일반 강재보다 강도, 인성, 용접성, 부식성 등 성능을 복합적으로 향상시켰다. HSB는 기존 강재 대비 시공성이 우수하고 강판 두께에 따른 강도손상이 없어 교량 사업비를 절감할 수 있으며, 교량에 요구되는 성능을 단일 강종으로 쉽게 확보할 수 있어 교량 설계와 제작의 편의성이 향상되는 장점을 갖고 있다. 이에 ‘HSB적용 교량 상용화 연구’를 통해 HSB를 적용한 교량의 제작성, 시공성 및 경제성을 향상시키고 있다. 실제 2007년 인천대교 현장에 초도공급한 이후 계속해서 적용하고 있다.
● 성과물을 실제 적용하는 연구인 만큼 어려움이 많았을 것 같다.
최종 성과물을 완성하는 형태로 진행된 연구인 만큼 연구기간 내 성능규격 정립 및 소재 개발, 성능검증, 구조설계 및 제품화 기술, 시범사업이 순차적으로 이루어져야 했다. 한 업무가 차질이 생기거나 문제가 발생할 경우 후속 업무가 연쇄적으로 영향을 받는 만큼 연구원, 철강사, 설계사, 제작사, 시공사, 학계등 다양한 분야가 서로 개발업무를 분담하고 유기적으로 연계해야 했다. 그럼에도 우리나라는 미국에 이어 세계에서 두 번째로 HSB 상용화에 성공했으며, 현재 1년에 4만톤 규모의 HSB가 현장에 적용되고 있다.
●최근 교량이 대형화되고 있는 추세에 따라 강도가 높은 강재의 수요가 증가하고 있다. ‘HSB적용 교량 상용화’ 연구가 가져올 긍정적 효과는 무엇인가?
교량에 사용되는 고강도 강재 이용기술 분야는 미국, 유럽, 일본 등에 뒤처져 있는 상황이었다. 이런 상황에서 순수 국내 기술로 개발된 HSB는 국외 강재와 비교할 때 성능이 더 좋거나 비슷했고, 가격은 저렴한 편이었다. 따라서 HSB를 적용할 경우 건설비용을 최대 20% 줄일 수 있다. 예를 들어 강교량 시장의 50%인 연간 20만 톤에 적용할 경우 연간 1,300억 원의 건설 비용을 줄일 수 있다는 뜻이다. 국외 제품들보다 성능이 떨어지지 않으며 가격경쟁력까지 있으므로 중 국산 저급재에 대한 수입 방어가 가능하고 국외로는 수출될 가능성이 매우 높아, 앞으로 우리나라 기술력을 널리 알릴 것이라 기대한다.
넓은 강 위를 우아한 모습으로 가로지르는 교량. 야경 사진을 즐겨 찍는 사람의 단골 소재이기도 한 교량은 사실은 엄밀한 공학의 산물이다. 길이가 수 km에 달하는 교량을 지탱하기 위해서는 다양한 기술이 필요하다. 그중 하나가 바로 재료, 특히 강재다.
강재는 철(Fe)을 주성분으로 하는 구조용 탄소강을 말한다. 지금까지 교량에 쓰이고 있는 강재는 모두 19종류로 다양하다. 그러나 이런 다양성은 설계나 제작의 편의성을 오히려 떨어뜨리는 결과를 가져왔다. 이에 따라 실무자들은 각종 강재를 단순화해야 한다는 의견을 꾸준히 제기해 왔다. 또한 기존 강재는 사용할 수 있는 환경이 영하 5℃에 한정돼 있어 연중 최저기온이 이보다 낮은 지역에 있는 교량은 구조안정성이 의심될 수밖에 없다. 따라서 한랭지역에서도 안심하고 사용할 수 있는 강재를 개발할 필요성도 누누이 강조돼 왔다.
이와 같은 문제로 인해 미국와 일본 같은 선진국에서는 고성능 강재를 개발하려는 시도가 오래 전부터 있었다. 미국은 1992년부터 연방도로국과 철강협회, 해군을 중심으로 교량의 요구 성능에 복합적으로 대응할 수 있는 고성능 강재인 HPS(HIgh Performance Steel)를 개발하시 시작했다. HPS는 1997년 상용화에 성공했고, 현재 미국 내 교량에 널리 쓰이고 있다. 일본도 2002년부터 신일본제철을 비롯한 철강업체와 교량 제작업체를 중심으로 BHS(Bridge High performance Steel) 개발에 착수해 2008년 상용화에 성공했다. 이처럼 1990년대 들어 선진국을 중심으로 비용 절감과 품질 향상을 위해 강재의 성능을 복합적으로 개선하는 움직임이 시작됐다.
이와 같은 세계적 추세는 우리나라에서도 ‘차세대 시설물용 신재료 활용기술 개발’ 과제의 일환으로 이뤄진 ‘HSB(교량용 고성능 강재) 적용 교량 상용화’ 성과로 나타났다. 포항산업과학연구원 및 포스코는 지난 2005년부터 교량용 고성능 강재를 개발해 교량 현장에 공급했다. 2007년 인천대교 현장에 HSB600 1,420톤을 초도공급한 이후 2010년 10월 기준으로 약 6만톤의 HSB를 공급했다.
HSB를 이용한 새로운 형식의 교량 및 제품성 교량 기술도 개발했다. 강도가 서로 다른 강재를 사용하는 하이브리드 소수주 거더교는 건설비용과 형고, 강중을 각각 10%, 30%, 15% 절감했고, 프리스트레스와 강재를 이용한 프리스트레스트 강합성 거더교는 기존 기술에 비해 형고를 20~30% 절감했다. 또한 공장에서 만든 모듈을 현장에서 핀으로 간단히 조립해 건설할 수 있는 교량시스템을 개발해 국제특허를 획득했으며 이는 긴급복구나 군사용으로 널리 쓰일 수 있다. 2008년 9월 및 2010년 9월에 국토해양부 도로교 설계기준에 교량맞춤형 고성능강재인 HSB가 반영되었으며, 교량용 강재의 지역별 온도 요구 조건이 마련돼 HSB가 더욱 유용하게 쓰일 전망이다.
교량에 HSB를 사용하면 경제적인 효과도 크다. 기존의 교량에 비해 건설 비용을 최대 20% 줄일수 있다. 강교량 시장의 50%인 연간 20만톤에 적용할 경우 연간 1,300억 원의 건설 비용을 줄일 수 있다는 뜻이다. 19종이나 되던 기존의 교량용 강재를 9종류로 단순화시킴으로써 설계에 있어서도 편의를 제공할 수 있다.
그러면 HSB를 어떻게 평가할 수 있을까. HSB는 미국의 HPS에 이어 세계에서 두 번째로 상용화에 성공했다. HPS와 비교해 성능이 같거나 뛰어나며 최신 기술을 적용해 10% 이상 저렴하다. 덕분에 HSB는 국제적인 경쟁력을 확보할 기틀을 마련했다. 유럽의 EN이나 미국의 ASTM 등 국제 규격 이상의 성능을 보여 주고 있으며 동시에 가격경쟁력까지 확보하고 있으므로 해외 교량 프로젝트에 수출될 가능성이 높다. 최근 터키 이즈밋대교에 5만톤 규모의 HSB를 적용하도록 추진한 바 있다. 또한 교량뿐만 아니라 건물, 조선, 해양 구조물에도 응용할 수 있으므로 관련 산업의 국제 경쟁력 확보에도 크게 기여할 수 있다는 평가다.
지금까지는 교량 건설시장에서 저렴한 가격으로 1970년대 이후 프리스트레스트 콘크리트 거더교를 널리 써 왔으나 이 경우 교각을 많이 세워야 해 도시 미관을 해쳤다. 특히 도심지 고가교 아래는 할렘이 되는 부작용이 생기기도 했다. 하지만 HSB를 콘크리트와 합성하는 효율적인 구조형식을 활용하면 경제성을 확보하면서 동시에 주변 환경과 조화를 이뤄 쾌적한 도시 관경을 만들 수 있다. 또한 HSB를 활용한 조립식 교량은 운반이 쉽기 때문에 군사용이나 산악 교량용으로 쓰일 수 있다. 특히 24시간 내에 구조물 설치가 가능하기 때문에 긴급 재난이나 전시와 같이 특수한 상황에서 더욱 활용성을 높일 수 있다.
새로 개발된 HSB가 널리 쓰인다면 우리나라의 수많은 교량은 가볍고 튼튼하며 아름다운 모습으로 다시 태어날 수 있을 것이다.
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