뜨거운 열정과 차가운 판단력으로 최고의 INNOVILT 제품을 탄생시키는 곳, 여기는 INNOVILT LAB입니다. 이곳은 포스코와 고객사가 차세대 INNOVILT 후보 제품을 공동으로 연구하고 개발하는 일종의 전진기지죠.
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.
