21세기에 들어서면서 우리나라 산업계의 눈부신 혁명과 발전이 이뤄지고 있다. 이 같은 산업구조의 변혁에 따라 구조물의 대형화 현상이 두드러지고 있다.
강구조는 철근콘크리트 구조와 비교해 대조적인 특징을 갖고 있다. 강구조는 콘크리트 등 타 부재에 비해 단위면적당의 강도가 매우 큰 재료로 알려져 있다. 강구조는 강하고 인성이 풍부하며 시공성이 우수한 재료다. 이 때문에 단면이 작아질 수 있고, 따라서 자중이 감소되므로 타 부재에 비해 훨씬 큰 스팬, 초고층 건물 등에 적합하다. 현재 토목, 건축, 교량, 철탑 등 여러 분야에서 강구조의 사용이 급속히 증가하는 추세를 보이고 있다. 강구조는 특히 초고층 건물 등 대형구조물에 많이 쓰이고 있다.

강구조 설비를 알기 위해서는 기본적으로 ‘강구조’에 대해서 알아야 한다. 강구조(steel structures, 剛構造)는 기둥, 들보 등 건축용재의 접합부분이 일체성을 가지고 완전히 단단하게 접합돼 있는 구조로, 철근 콘크리트 구조가 대표적 예다. 즉, 공장에서 제련, 성형된 구조부재를 리벳, 볼트 또는 용접 등의 방법으로 접합해 하중을 지지할 수 있도록 만들어진 구조체를 말하는 것으로, 강구조 설비라 하면 공장에서 제련, 성형된 구조부재를 리벳, 볼트 또는 용접을 하는 데 사용되는 설비를 뜻한다. 강구조의 강재는 아래 표1과 같이 성분, 용도, 제조법, 형상 등으로 구분할 수 있다. 또 제조법은 고로와 전기로로 나눌 수 있으며, 제조공정은 그림 1과 같다.

<표 1> 강재의 분류
■ 출처: 한국철강협회 강구조센터

<표 2> 강재의 제조법
■ 출처: 한국철강협회 강구조센터

<그림 1> 강재의 제조법
■ 출처: 한국철강협회 강구조센터

(1) 건설 및 토목
건설업이란 일반적으로 토지에 시설물을 신설하거나 변경하는 일련의 경제행위를 말한다. 그리고 강구조는 이러한 건설산업에서 시설물의 형태를 잡는 데 사용된다.
건설산업은 근래 국내외 건설 공사의 형태에서 점차적으로 기술 집약형으로 전환되고 있으며, 새로운 공법과 가치 공학(VE, value engineering)을 통한 경영의 합리화 및 기존의 시공 영역에 기술적인 부분을 추가시켜 총체적인 건설 업무를 수행하는 EC(engineering constructor)화의 경영 전략까지 요구되고 있는 추세다. 또 건설산업은 주택 및 생산 시설의 구축에서부터 사회간접자본시설의 확충, 국토개발, 국제적 개발사업에 이르기까지 실물부문의 생산을 담당하며, 타 산업에 비해 생산 유발효과가 큰 국가경제의 기반산업으로 그 주요한 특성은 발주자의 주문을 받아서 생산하는 수주형 산업이다. 그리고 발주자의 주문조건이나 공사의 종류와 규모에 따라 생산물의 종류와 생산에 소요되는 시간이 천차만별인 특수성, 개별성의 성격을 띄고 있다. 또한 생산을 위해 현장이 이동되는 장소의 이동성을 갖고 있으며 다양한 자재와 기술이 결합된 종합산업이다.
건설산업의 경쟁력은 기술력, 시공능력 및 경험, 공사관리능력, 회사의 지명도, 재무상태 등 포괄적인 요인이 복합된 가격 및 품질 우위에 의해 좌우되는 것으로 알려졌다. 정부에 의한 지속적인 진입규제 완화로 시장 진입은 쉬운 편이나 대부분의 공사수주는 일정자격 기준에 해당하는 업체들의 제한경쟁으로 이루어지며 최저가 공사는 가격경쟁력, 적격공사는 공사실적, 재무능력, 기술력, 신인도 등이 종합된 수행능력이 경쟁의 핵심 요소다.
또한 고도의 기술력이 요구되는 플랜트, 발전소, 턴키형 발주공사 등은 아직 선도 건설업체들을 중심으로 수주활동이 이루어지고 있다. 최근에는 수요의 고급화와 수요자 우위의 시장으로 변모해감에 따라 가격, 품질, 고객서비스 등 소비자 만족이 한층 중요할 뿐만 아니라 재무적 안정성, 시공기술력, 건설관리 능력 등이 경쟁의 핵심요소로 작용하고 있다.
이러한 건설산업에서 강구조의 역할은 크다. 서두에 밝혔듯, 강구조는 시설물의 형태를 잡는 데 사용되며 이는 인체와 비교한다면 뼈대에 해당되는 아주 중요한 부분이다.
강구조 산업은 건설산업의 호재에 따라 상당한 영향을 받고 있다. 강구조 산업의 호황 여부 역시 건설산업의 호불호에 따라 크게 좌우되기도 한다. 강구조로 시설물을 건설할 시, 시설물의 전체 강도가 크고, 중층 이하의 건물에는 내진성이 우수함을 확인할 수 있을 것이다.
아래 그림은 강구조가 사용된 일본 간사이 국제공항의 경량 지붕과 제주도 서귀포 월드컵 경기장이다. 이 외에도 강구조로 시공된 시설물은 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 특히 최근 건설되는 통유리 식의 시설물의 대부분은 강구조로 건설된 시설물이라고 보면 된다.

<그림 2> 일본 간사이 국제공항의 강관을 이용한 경량지붕
■ 출처: 강구조엔지니어링㈜
 

(2) 교량
1)현수교
현수교란, 주탑(Tower) 및 앵커리지(Anchorage)로 현수선(Catenary curve)인 주 케이블(Main Cable)을 지지하고 이 케이블에 현수재(Suspender 또는 Hanger)를 수직으로 매달아 보강형(Stiffening Girder)을 지지하는 교량 형식을 말한다.
현수교의 주 케이블 형상은 아치교와 유사하나 인장력만을 받는다는 점에서 크게 다르다. 이와 같이 인장력만이 발생하도록 하는 것이 재료의 효과적인 사용방법이다. 지간 1,000m 이상의 장대교가 거의 현수교라는 점도 이러한 역학적 특성을 잘 반영하는 것이다.
적당히 늘어지게 친 케이블이 본체를 구성하는 다리로 그 주요한 구성요소는 주요 인장재인 주 케이블, 주 케이블의 장력을 대지로 이끄는 앵커 부분, 주 케이블의 최고점을 지지하는 강재 또는 철근 콘크리트구조 등의 탑, 보강형(플레이트거더 또는 트러스), 보강형을 주 케이블에 매다는 현수재의 5가지다.
또 보강형의 종류에 따라 현수교를 분류할 수가 있다. 전형적인 현수교에서는 보강형은 그 양끝이 받쳐져 있지만 이 형의 중앙에 힌지(hinge)를 넣은 것도 있다. 또 보강형을 탑 사이에 단지 하나만 가지고 있는 것도 있고 탑의 외측에 각각 보강형을 갖춘 현수교도 가끔 볼 수 있고, 3개의 보강형을 연속시킨 현수교도 많다.
현수교의 주 케이블로서는 휨성이 있는 인장에 강한 재료가 적당하다. 보통은 스트랜드 로프 또는 스파이럴 로프가 사용되지만 지간이 큰 현수교에서는 가늘고 강한 철사를 꼬지 않고 단지 한 묶음으로 한 이른바 평행선 케이블 공법이 채택되고 있다.
경간수 및 보강형의 지지조건은 단경간 현수교, 3경간 단순지지 현수교, 3경간 연속지지 현수교, 다경간 현수교이며, 보강형의 형식은 트러스 형식과 박스형식으로 나뉜다. 대부분의 현수교는 주 케이블을 지상의 앵커리지에 고정시키는 타정식 (earth-anchored)이지만, 최근 들어 보강형이 주 케이블을 지지하는 자정식(self-anchored, 영종대교)현수교도 시도되고 있다. 자정식을 제외한 어떤 형식이라도 주 케이블이 모든 사하중을 지지하며, 따라서 사하중 상태에서 보강형에는 응력이 발생하지 않는다. 활하중과 같이 집중하중은 일단 바닥틀에 의해 지지되고 다시 보강형에 의해 분배되며 이 힘은 행거(hanger)를 통해 주 케이블로 전단되고 최종적으로 앵커리지에 전달된다.
현수교에 활하중 등이 재하되면 보강형과 주 케이블이 이 하중을 분담 하여 지지하게 된다. 이 때, 사하중에 의한 주 케이블의 수평장력을 크게 하면 보강 형의 휨모멘트를 감소시킬 수 있다. 수평장력을 크게 하려면 케이블의 새그(f/l)비를 줄이거나 자중을 늘리면 된다.
근대의 현수교에는 바닥부분에 플레이트 거더 또는 트러스를 조합해 강성을 높이는 구조가 사용되는데, 이를 보강형(補剛桁)이라고도 하며 이를 통해 하중이 분산되므로 현수교 전체가 큰 강성을 지니게 된다.
현수교의 계획 및 설계 시 고려해야 할 항목으로는 보강형의 연속성, 중앙 경간과 측경간의 비, 중앙 경간과 새그(sag)의 비, 행거의 배치, 보강형의 형식, 주탑의 형식, 강 바닥판과 들보의 합성 및 비합성 등이 있다.

2) 사장교
사장교는 교각이나 기초 위에 세운 주탑으로 부터 비스듬히 사선형의 케이블로 주형(거더, Girder)또는 트러스를 지지하는 교량형식으로, 경간(徑間) 150∼400m 정도 범위의 도로교에 흔히 쓰이며, 경제적이고 미관에도 뛰어난 설계가 가능하다는 장점이 있다.
국내에는 올림픽대교, 서해대교, 영흥대교, 인천대교, 진도대교, 돌산대교, 여수대교 등이 있다. 착상은 오래됐으나 본격적으로 근대 교량에 채용되어 주목을 받게 된 것은 제2차 세계대전 후 서독에서이다. 교각 사이의 거리가 150∼400m 정도 범위의 도로교에 흔히 쓰이며, 경제적이고 미관에도 뛰어난 설계가 가능하다. 교각 사이가 너무 길면 현수교와 같이 바람으로 인한 안정성에 문제가 된다. 교각 사이가 짧은 보도교에도 조형적인 효과를 얻기 위해 채택되는 일이 있다. 케이블의 배치, 탑의 형식 등 다양한 구조가 연구되고 있다.
초기의 기술적 어려움으로 인해 본격적으로 발전하지 못했던 사장교 형식은 1950년 이후 50년의 짧은 기간 내에 비약적으로 기술 발전을 이루었으며, 급기야는 현수교가 지지하고 있던 500-700m의 지간을 이미 많이 뛰어넘어 890m가 공사 중이며 1000m를 훨씬 넘는 중앙지간의 사장교가 설계에 접어든 시점이다. 사장교의 건설기술이 성공적으로 정착되기 위해서는 바람과 지진에 대한 사장교의 동적 거동에 대해 정밀분석이 필수적이며 더불어 케이블의 피로특성, 시공성 등의 기술 개발이 전제되어야 할 것으로 보인다.
사장교의 계획 및 설계 시 고려사항으로는 케이블의 배열 및 장력, 케이블 수, 주탑 및 보강형에 케이블이 정착되는 위치, 탑 기초부의 지지조건, 탑과 케이블의 결합조건 등이 있다.

3) 아치교
아치교는 활을 의미하는 라틴어 arcus의 어원을 갖는 아치(arch)로 지지하는 다리로, 강 및 콘크리트가 주 부재로 사용된다. 우리나라에서는 통일신라시대의 불국사에 있는 청운교, 백운교와 같은 석조 아치교를 시작으로 조선시대의 금천교(창덕궁), 영제교(경복궁)등을 거쳐 2001년 지간장 180m의 방화대교부터 2013년 완공 예정인 암사대교(그림 참조) 등에 이르기까지 다양한 아치가 완공 또는 시공되고 있다.
아치교는 부재 내에 압축력만 발생케 하는 아치 구조의 성질을 이용한 교량 형식으로 기본적으로 2힌지 아치, 3힌지 아치의 형식이 있다. 교량의 주체를 Arch구조로 하여 지점을 이동하지 못하도록 만든 교량이다.
아치교는 수평 반력에 의해 Arch Rib에 휨모멘트를 감소시켜 단면을 결정하게 되는 주 요인을 축 방향 압축력이 되게 만든 구조이다. 자중 상태에서는 부재에 휨이 발생하지 않도록 설계하는 것이 바람직하다. 강도로교의 경우에는 아치 리브에 필연적으로 휨이 발생하므로 아치 리브의 부재는 압축력과 휨에 동시에 저항할 수 있게 설계되어야 한다.
바닥판에 작용하는 차륜 하중을 행거 또는 기둥을 이용하여 가능하면 등분포로 아치 리브에
전달하고, 이 아치 리브를 통하여 지반으로 연결케 하는 구조체계를 갖고 있다. 하로 아치교는 바닥구조와 아치리브 구조의 연결방법에 따라 타이드 아치교, 랭거 아치교, 로제아치교 또는 닐슨 아치교 등으로 나누기도 한다.

(3) 해양구조설비 및 플랜트
해양플랜트는 일반적으로 바다에 있는 석유나 가스를 탐사하고 굴착, 생산하는 시설을 뜻한다. 흔히 'Offshore(오프쇼어)'라고 불리고 있으며, 산업 분야를 비롯해 그린 에너지라고 불리는 해상에서의 풍력, 조류, 파랑을 이용한 에너지 자원 개발과 관련된 발전설비, 그리고 담수화 장치, 소각장치, 핵폐기물 장치, 공항 및 항만, 해상 주차장 등 해상에 설치하는 모든 사회 기반 시설을 포함한다고 할 수 있다.
이처럼 해양플랜트는 설치 또는 운용 위치의 자연환경이나 구조 특성상 육상 플랜트가 갖고 있는 특성 이에도 부식에 강해야 하고, 황화수소를 포함하는 경우 이에 대한 내부식성 확보돼야 한다. 가스전 고온과 고압이어야 하며, 방폭?방화가 가능해야 한다. 또한 이중안전 장치는 물론 경량화까지 요구되는 종합 특수설비다. 이 때문에 일반 철구조물 보다는 강구조가 적합하다.

시장활성화 및 기술개발
강구조 산업은 대부분 다품종 소량생산으로 이뤄지는 것으로 전해졌다. 다품종 소량생산의 경우 고객의 기후에 맞춰서 생산을 해야 하기 때문에 그만큼 시장을 많이 알아야 하고 용도 등에 대해서도 많이 알아야 한다. 특히 적극적인 기술개발 의지가 반드시 선행돼야 할 것이다.
또한 산업에 대한 정보가 많이 부족한 것으로 보인다. 정확한 통계라던지, 수요전망이라던지, 기업이 참고해서 산업을 발전시킬 수 있는 데이터가 많이 부족한 것이 사실이다. 기존에 공개돼있는 자료라고 할지라도 신용하기에는 부족한 면이 사실 없지 않아 있다. 이에 정확하고 공정성있는, 기업이 참고해서 산업 발전의 초석이 될 수 있는 통계자료가 시급한 상황이다.
국내 강구조 산업 관련 업체가 500여 개 정도가 되는 것으로 알고 있다. 그러나 대부분이 협력업체 형식이며 과다경쟁으로 인한 경영악화에 시달리고 있는 것으로 보인다. 특히, 건설사의 저가 수주 또는 저가 예산 편성 등으로 인한 피해가 협력업체에까지 큰 영향을 미치는 것으로 알고 있다. 이를 위한 시장 질서 확립이 반드시 필요한 것으로 보인다. 또한 강구조 산업의 시장 개발을 통한 시장개척 및 수요 확대 방안의 수립 역시 반드시 필요하다.
제강사, 건설사 및 제강산업 종사자들의 강구조물 시장 개척 및 확대 방안의 수립이 반드시 필요하다. 또한 공장 인증제도와 강구조 제작산업 보호 등 상생하는 방안을 마련하는 데에도 총력을 기울어야 할 것으로 보인다.
현재로서는 제강 업체와 강구조 관련 기관 등을 중심으로 기술개발 및 시장 수요확대가 불가피한 것으로 보인다. 특히 정부와 정기적인 간담회 및 회의 등을 통해 건설사 발주 정책을 개선하고 의견을 제안하고 요구하는 창이 마련돼야 할 것이다.

출처: 메탈넷코리아