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구조물
구조물(構造物, structure, construction)은 건축물과 공작물의 뼈대를 이루는 부분을 말하며, 구조공학적인 측면에서 건축물과 공작물을 일컬을 때 사용한다. 일정한 설계에 따라 여러 가지 재료를 얽어서 만든 물건으로 교량, 터널, 댐에 천연 혹은 인조 재료를 써 하중을 기초에 전달하고 그 사용 목적에 유익하도록 건조된 공작물의 총칭을 말한다.
목차
개요
구조물은 도로, 빌딩, 댐, 제방 등처럼 여러 재료 및 부재 등으로 구성되며, 기초 등으로 무게를 지탱한 구조로 제작한 것을 말한다. 공항, 고속도로, 고층 빌딩, 주차장, 항만 등과 같이 콘크리트 구조로 만들어진 콘크리트 구조물, 공장, 기타 철골 구조물 등과 같이 주요 부재가 강재인 구조물, 제방 등과 같이 흙을 사용한 흙 구조물 등 사용하는 재질에 따라 여러 가지로 분류되기도 한다. 건축 공학에서 취급하는 구조물을 건축 구조물, 건축을 제외한 토목 공학에서 취급 구조물은 특히 토목 구조물이라고 할 수 있다.
복합 구조물
복합 구조물은 구조물 중 주요 몸체가 다른 재료와 구조, 예를 들어 중력식 (강체 구조물)과 널말뚝식의 복합 구조로 지어진 것 등을 의미한다.
건축 구조물 종류
건축물의 구조
건축 구조물은 일반적으로 공간을 구성하는 기초, 기둥, 벽체, 바닥, 보, 천장, 계단 등에 사용되는 구조나 재료에 따라 구분된다. 오늘날의 건축 구조물은 여러 재료와 구조가 복합적으로 사용되는 것이 보편적이어서 재료나 구조 형태에 따라 명확히 분류하기 어려운 종합 건축 구조물이 늘어나고 있다.
건축물 구조는 크게 목구조, 조적조, 철골구조, 콘크리트 구조로 구별할 수 있다.
시공방식은 습식방식과 건식방식이 있으며 습식은 조적식주조, 코크리트구조처럼 구조체 제작에 물이 필요한 구조 단위작업에 한계치가 있고, 경화에 일정기간이 소요된다. 반면 건식구조는 목구조, 철골구조처럼 규격화된 부재를 조립시공한느 것으로 물과 부재의 건조를 위한 시간이 필요없어 공기단축이 가능하다.
목구조(Wooden structure)
목재는 유해물질을 배출하지 않고 환경을 오염시키지 않아 친환경적이다.
습도가 높을 땐 습도를 빨아들였다가 낮아지면 품고 있던 수분을 내뿜으며, 에너지 효율이 콘크리트보다 7배, 일반 단열재와는 1.5배 높은 것은 물론, 온도에 의한 변화도 작아 여름엔 시원하고 겨울엔 따듯한 이상적인 자재이다. 이러한 친환경성과 쾌적성, 단열 성능 때문에 많은 목구조를 선호한다.
- 통나무구조 방식(Log House, log Cabin)
원형 또는 각형의 수평목을 내력벽으로 하고 나머지 바닥이나 지붕구조는 2x4경량 목구조와 동일한 구조로 구성된다. 벽체가 통나무를 쌓는 구조이기 때문에 1개층 높이에서 7~12cm의 침하가 장기적으로 발생하게 되므로 창문틀 등의 개구부에는 침하를 고려한 디테일을 만들어야 한다. 주로 추운지방 북유럽, 내률지방등에서 주로 사용된다.
- 중(重)목구조 방식(Heavy Timber Framing System)
기본적으로 기둥-보 방식과 동일한데 다른점은 구조용 목재로 큰 각재(heavy timber)를 사용하여 건축한다는 것이다. 큰 각재로 분류되는 최소한의 규격을 지니는 목재로 구성되는데 중목구조에 요구되는 부재의 최소 규격은 화재 시 구조체의 안전을 보장하기 위한 것이다.
- 기둥-보 구조 방식(Post & Beam)
가장 오래된 목구조 방식 중 하나로 통나무 구조에서 발전된 건축양식이다. 주로 상업건물이나, 규모가 큰 주택등에 사용되며 요즘에는 전형적인 플랫폼구조와 혼용되기도 한다.
- 경량목구조(Light Weight Wood Frame House)
투바이포공법으로도 불러지는 경량목구조는 단면이 2인치 x 4인치(혹은 6인치)의 각재를 사용하여 수평 및 수직격판이 상호 긴밀하게 결합되어 수평수직하중에 저항하는 "상자형 구조(box system)"로서, 설계상 거의 제약이 없어 원하는 구조와 디자인을 연출할 수 있으며, 지진에도 강한 저항 능력을 가진다. 경량 목구조공법은 가벼운 목재를 사용하기 때문에 붙여진 이름이지만 2백년 이상의 역사를 자랑하며 오늘날 가장 과학적으로 발전된 일반적이며 대중적인 건축양식으로서 미국, 캐나다 등 일반 주택의 대부분이 이 방식으로 건축되었다.
조적식 구조(Masonry structure)
조적식구조는 벽돌 또는 콘크리트 블록을 모르타르로 점착하여 쌓는 구조로서 주택과 같은 소규모 건물에 주로 쓰이며, 4∼5층의 건물도 가능하다.내습 ·내구성이 좋으며 내화 구조이고, 경제적이어서 가장 보편적인 방식으로 평가된다.구조적으로도 지진이 적은 서유럽 등에서는 각종 구조법이 사용되고 의장적으로도 뛰어난 아치나 돔 등이 오래 전부터 완성되어, 현재도 벽돌구조 등은 널리 사용되고 있다. 그러나 지진 등에 의한 수평방향의 외력에 대하여 약점을 보이며, 단일 벽체면으로 쌓을 수 있는 수평 ·수직적인 한계가 있다. 또한 하중이 극심한 경우와 지진 ·풍압등 수평적인 힘이 크게 걸릴 경우 취약한 단점이 있다.
- 벽돌구조
건물의 벽체및 기초등으로 벽돌과 모르타르로 쌓아 만드는 것으로서조적식 구조의 기본이 되는 것이다. 벽돌구조법은 실용상,미관상으로 블록,석재,타일등을 섞어 쓰기도 하고담장,굴뚝, 기타 여러가지 구조물을 축조하는데 이용한다.
- 블록구조
조적식 구조법의 하나로철근 콘크리트가 발달된 이후에 나타난비교적 새로운 구조이다. 모르타르 또는 콘크리트 블록을 만들어서벽돌재와 같은 방법으로 벽체를 구축하는 구조,철근 콘크리트로 보강하여 사용하기도 한다.
- 석구조
석재로 쌓아 올리는 구조. 예부터 사용되어 궁전·불사(佛寺)·탑비(塔碑) 등의 고건물에서 볼 수 있는데, 풍압력·지진력·기타 인위적 횡력(人爲的橫力)에는 극히 약하므로 고층건물에는 부적당하며, 보강구조로 해야 함.
철골 구조(Steel frame construction)
여러 가지 종류의 철강 재료(H-BEAM 등)를 이용하고, 리벳, 볼트 또는 용접 등의 방법으로 조립하는 구조. 철근 콘크리트와 함께 사용되는 것을 철골 철근 콘크리트 구조라고 한다. 가벼우면서도 큰 하중에 견딜 수 있고 건축 속도가 빠르고 내구성이 좋아 최근의 고층 건물은 대부분 철골 구조를 사용한다.
- 일반철골구조
형강, 강판, 평강등의 강재(H-BEAM 등)를 리벳이나 볼트,용접 등으로 접합하여 조립한 것을 주요한 뼈대로 한 구조. 빌딩은 큰 규모로 사용되며 경량철골에 비해 기초공사, 자재비, 장비비, 인건비등이 비싸다.
- 경량철골구조
경량철골조는 약 1.5~3mm 두께의 철골을 사용하며 각각파이프, C형 찬넬, LEB자재 등을 말한다. 주택, 창고, 공장,농장시설 등에 사용되며 자재 성능에 비해 저렴하다.
콘크리트 구조(Concrete structure)
콘크리트는 시멘트와 물, 골재가 혼합된 것을 말한다. 이밖에 시멘트와 물, 모래가 혼합되어 진 것은 시멘트 몰탈이라 하고, 시멘트와 물만 이 혼합된 것을 페이스트 또는 시멘트밀크라 하며, 다시 철근과 콘크리트가 합쳐져 철근 콘크리트가 되는데, 여기에 다시 철골이 포함되 어 지면 철골 철근 콘크리트가 된다.
- 철근콘크리트구조
일반적으로 도심에서 가장 많이 이용하는 구조 중 하나이다. 콘크리트의 인장응력의 약점을 철근으로 보완한 구조로, 내구성이나 내화(耐火)·내진(耐震)의 성능은 좋으나 강도에 비해서 자중이 커 중·고층의 건물에서는 그 자중을 지지하기 위해 아래층의 보나 기둥의 단면이 커야 하는 문제가 있다.
- 철골콘크리트구조
철골을 중심으로 그 주위에 콘크리트를 넣어 단일체(單一體)로 만든 구조. 철근콘크리트구조와 철골구조의 중간적인 구조법이다. 철근콘크리트구조는 내화성은 좋으나 자중이 무겁고, 고층이 될수록 기둥이 굵어지고 유효면적이 작아지는 결점이 있다. 철골구조는 반대로 자중은 철근콘크리트에 비해 가볍지만 내화성이 부족하므로 값비싼 내화피복을 필요로 한다. 따라서 이들의 결점을 보완하고 내화성이 좋고 자중이 가벼운 구조로서 철골철근콘크리트 구조가 개발 ·사용되고 있다.
- 철골철근콘크리트구조
철골 철근 콘크리트는, "SRC 조"라고도 불리며, 튼튼한 철골의 주위를 철근과 콘크리트로 한층 더 보강하고 있는 점이 구조상의 특징이다. 코스트가 걸리기 때문에 중저층의 건물에서는 그다지 사용되지 않아, 10층 건물 이상의 고층 맨션 등의 대규모 건축물로 잘 사용된다. 철골 철근 콘크리트 구조의 메리트는, 내진성의 높이이다. 이것은 철골과 철근 콘크리트의 양쪽의 장점이 살려지고 있기 때문으로, 끄는 힘이 뛰어난 철근과 압축력에 강한 콘크리트의 특성에 의해, 지진 재해 시의 흔들림에 대해서도 대규모 건축의 무게에 견딜 수 있다.
- 프리케스트콘크리트구조
미리 공장에서 철근콘크리트 구조의 기둥, 보, 벽 등을 미리 만들어 운반하여 현장에서 조립하는 구조로, 접속부위의 누수 및 소음 등의 하자 발생을 고려하여 정밀시공을 요하는 구조이다.
해양구조물
해양 구조물은 흔히 선박과 다른 의미로 선박은 화물이나 승객을 수송하는 것이 주 목적이며, 해양구조물은 해양 자원 및 에너지를 생산, 저장하는 것이 주 목적이다. 이외에 대형 선박의 계류시설, 방파제 등도 해양 구조물에 해당된다. 해양구조물은 고정식, 중력식, 부유식, 매설식 등 다양한 형태로 존재한다.
원유 이송 계류시설 중 고정식 구조물
원유 수송선은 일반 선박에 비해 규모가 훨씬 크기 때문에 수심 등의 이유로 기존 항만에 입항하기가 쉽지 않다. 그래서 육지(부두)에서 떨어진 바다 위에 부이, 돌핀을 건설해 원유의 상, 하역 작업을 용이하게 해준다. 이렇게 육지에서 떨어지게 만드는 이유는 수심 확보를 위한 비용적인 이유가 크다고 할 것이다.
부이(Buoy)
원통형 철재 구조물인 원유 부이는 체인으로 바다 위에 떠서 고정되어 있다. 부이(Buoy)와 유조선이 연결되면 부이(Buoy)에 연결된 3~4km 길이의 해저 송유관을 통해 육상의 저장시설로 원유를 이송하게 된다. 시간당 7만 5천 배럴의 원유가 부이를 통해 저장 지역으로 이송된다고 하는데 원유를 다 옮기는 시간이 무려 이틀이나 걸린다고 한다. 이렇게 옮겨진 약 200만 배럴의 원유는 우리나라가 하루에 사용하는 양과 맞먹는다고 하니 그 규모가 엄청나다.
1964년 1월 22일 4만 5천 톤 급의 걸프 이타리아나호가 최초로 SK1 부이에 접안했고, SK1 부이는 약 46년의 사용 끝에 철거됐다고 한다. 현재 울산항의 부이는 총 3기가 운영되고 있으며 한기가 더 증설된다고 한다.
돌핀(dolphin)
시 버스(sea berth)를 크게 분류하면 접현식과 계류식으로 나뉘는데 말뚝식 돌핀(dolphin)이 고정식으로 건설된 예가 많다. 부이에서 하역하는 원유 수송선은 규모가 매우 큰 반면(울산항의 경우 최대 35만 톤 급) 돌핀형 부두에 접안하는 배는 규모가 부이의 절반 정도라고 한다.(울산항의 경우 최대 15만 톤 급)
돌핀은 해안에서 조금 떨어진 곳에 기둥 모양의 구조물로 설치하여 선박이 계류할 수 있도록 만든 시설로 돌핀과 육상 저장시설이 파이프로 연결돼 있어 화물을 하역하는 방식이다. 배 길이의 ½ ~ ⅓ 간격으로 축조돼 돌고래(돌핀)이라는 명칭으로 불리며 안벽(Quay)를 따로 건설하지 않아도 되므로 건설 비용이 저렴한 장점이 있다.
울산항에는 액체화물 취급에 특화된 돌핀 부두가 총 31 선석 있다.
안벽(Quay)
안벽은 배를 접안 시킬 목적으로 케이슨이나 블록 등의 구조물을 설치하고, 육지의 옹벽처럼 배후에 토사가 채워져 있어 하부는 물이 통하지 않는 계류시설이다.
현재 울산신항은 케이슨을 사용한 안벽으로 건설 중에 있다. 왼쪽의 케이슨을 이어서 우측의 안벽을 만드는 방식이다. 빨간색 점선 부분이 케이슨이라고 생각하면 된다.
인공섬
인공섬은 말 그대로 인간이 인위적으로 만든 섬을 뜻한다. 보통 부유식, 잔교식, 매립식으로 나뉜다. 인공섬은 인구의 포화도와 환경오염에 따른 생활 가능 부지의 부족을 해소해줄 수 있는 좋은 대안이다. 바다는 개척되지 않은 상태로 광활하기에 육지의 범위를 바다로 넓히기 시작한 것이다.
부유식 인공섬
부유식 인공섬은 서울에 위치한 세빛섬(세빛둥둥섬)이 대표적인 예이다. 사실 세빛섬은 선박으로 등록돼 있다고 한다. 부유식 인공섬은 선박 위에 건물을 세운 형태로 존재하기 때문이다. 부유식 인공섬은 수심 100 M 이상인 곳에도 건설할 수 있는 장점이 있으며 인공섬이 떠내려가지 않게 단단하게 고정하는 장치가 필요하다.
잔교식 인공섬
잔교식 인공섬은 말뚝을 땅에 박고 바다 위까지 올려 그 위에 탑을 쌓는 방식으로 만들게 된다. 매립식과 달리 건설에 방대한 양의 재료가 필요하지 않고 부유식처럼 태풍 등 자연재해에 흔들림이 없다는 장점이 있다. 하지만 말뚝의 비용도 만만치 않다. 수심이 깊은 바다는 건설이 불가능하며 매립식처럼 범위를 크게 만들 수 없는 단점이 있다.
매립식 인공섬
매립식 인공섬은 가장 보편화된 방법에 해당된다. 바다에 바다와 자갈, 흙 등을 부어 육지화 하는 방법이다. 하지만 수심이 깊은 곳에 자갈, 모래 등을 마냥 쏟아 부을 수 없기에 수심 20m 이내의 제한적인 곳에서만 건설할 수 있다.
비교적 얕은 곳에 건설할 수 있기에 토지의 확보가 용이하고 유지 보수비용도 들지만 육지와 다름없는 장점이 있다. 가장 유명한 매립식 인공섬은 인천 국제공항과 송도 국제 신도시이다. 인천국제공항은 영종도와 용유도 사이 평탄한 수심 1 ~ 2 m의 간석지를 평균 5.3m 높이로 성토해 조성했다.
간석지 : 강을 타고 운반된 미립 물질이 해안에 퇴적되어 생기는 갯벌그래서 인천 국제공항도 인공섬에 해당된다.
인천경제자유구역 송도 국제 신도시는 바다와 갯벌을 메워 조성한 도시이다. 세계 최초의 유비쿼터스 도시, 친환경 도시, 무공해·무소음 신교통 시스템이 도입된 최첨단 도시로 이 또한 바다를 메워 육지화 해 현재 10만 명이 넘는 인구가 거주 중이다. 이처럼 인공섬은 인위적으로 만들기도 하지만 운하 및 간척지를 만들면서 생기는 경우도 있다.
한 가운데 위치한 인공섬도 있는데 바다를 막아 간척지를 만드는 과정에서 우연히 생겼다고 한다. 생태적으로 훌륭한 가치가 있어 '뜬섬'이라고 불리며 총 면적 193ha, 약 58만 평에 해당되는 방대한 크기이다. 안산의 랜드 마크로 개발 중인 인공호수 시화호의 '반달섬'은 호텔 및 대규모 공원을 조성중에 있으며 이 또한 인공섬에 해당된다.
신라시대에 조성된 안압지에도 인공섬이 3개나 존재했다고 하니 인공섬의 역사는 꾀 오래전부터 시작됐다고 유추할 수 있다.(신라 안압지보다 40년 빠른 인공섬은 부여 궁남지에 있다고 한다.) 인공섬은 항만이나 공항, 공업단지, 주거용의 목적으로 땅을 '매립'하는 것이기에 간척지와는 별개로 간주한다. 흔히 바다들 메워 육지로 만든다고 생각하면 <간척지>가 떠오를 것 같다. <간척지>는 바다나 호수의 물 흐름을 막고 물을 빼낸 뒤 흙으로 메워 농토나 산업부지 등으로 만드는 것을 말한다. 근대적 간척 사업의 시초는 일제 때 조성된 금강의 부안 지구이다.
시추와 관련된 해양구조물
- 플로팅(Floating) 식 : 물에 떠 다니며 이동할 수 있는 반잠수정(semi-submersibles), SPAR 플랫폼, 플로팅 레그 플랫폼(Floating-leg platforms), 드릴 십(drillship), FPSO(Floating Production Storage and Offloading)가 있다.
- 고정식 : 한 위치에 영구적으로 고정돼 있으며 떠있는 구조물에 비해 상대적으로 강한 내구성을 갖춘다. 고정식이기에 한번 설치하면 이동하기 어렵다는 단점이 있다. 종류로는 콘크리트 중력 플랫폼(Concrete Gravity Platforms), TLP(Tension-Leg Platform), Jack-Up Rigs 등이 있다.
자켓식 구조물(Jacket platform)
자켓 구조물은 해저에 파일을 박고 자켓에 데크(수평 및 경사 보강재)를 올리는 구조로 자켓의 데크는 처리 설비 및 거주 설비 등으로 활용된다. 거대한 말뚝이 해저에 박혀있어 바람이나 파랑하중 및 자체 중량을 지지할 수 있는 구조이며 자켓 구조물의 크기와 건조비는 수심에 따라 급격히 증가하기에 수심 400 m 정도가 현재의 한계라고 한다.
자켓식 구조물은 고정식 구조물이기에 폐기될 때까지 같은 자리를 지키고 있다가 톱사이드(상부)는 수거되고 자켓은 옆으로 넘어트려서 인공 암초로 사용되기도 한다.
우리나라 대표적인 자켓 구조물은 서해 남단 이어도에 있는 <이어도 종합 해양 과학기지> 이다. 이어도는 1900년 영국 상선 소코트라호에 의해 발견돼 '소코트라 암초'라고도 불린다.
기상관측 및 해양자원 연구 목적으로 1995년부터 2003년 6월까지 212억 원을 투자해 완공한 자켓식 구조물이다. 이어도 종합 해양기지는 수심 약 40 m에 설치된 고정식 자켓 구조물이며 건설에 착수한 뒤로 중국이 배타적 경제수역(EEZ)를 거론하며 이의를 제기하고 있다고 한다. 그 외에 가거도 해양과학기지(수심 15 m), 옹진 소청초 해양과학기지(수심 50 m)가 있다.
2017년 5월 8일 착수된 서남해 해상풍력 변전소 건설공사도 자켓구조물(약 600톤)과 상부 톱사이드(약 980톤)의 구조로 17년 9월 준공될 예정이다.
재킷 구조물의 설치방법은 자켓이 완성되면 Launching Barge를 이용해 목적지까지 예인한 뒤 소형 자켓은 플로팅 크레인(Floating Crane)으로 직접 들어 올려 진수시키거나 중, 대형 자켓은 바지에서 회전시켜 진수하게 된다. 자켓구조물의 상부에 해당되는 데크는 데크 바지(Deck Barge)등을 이용해 건식 예인한 뒤 플로팅 크레인(Foalting Crane)으로 하역한다.
수심 40 m의 이어도 과학기지도 꽤 깊은 바다에 속하는데 그 거대한 자켓과 톱사이드를 어떻게 바다에 설치하는지 아래의 동영상을 시청하시면 쉽게 알 수 있다.
갑판 승강식 구조물(Self-elevating platform)
부유식 갑판과 승강식 다리로 구성된 갑판 승강식 구조물은 수심 100 m 정도에서 이동 가능한 소규모 해양구조물이다. 갑판식 승강 구조물은 시추용으로 많이 사용되며 1953년 DELONG PLATFORM No.1이 최초로 건조된 후 많이 사용되어 왔다. 갑판 승강식 구조물은 고정 구조물로 선체 요동이 없어 작업 가동률은 높지만 가동할 수 있는 수심이 얕으며 예인할 때 다리의 높이가 높아짐에 따라 복원성 및 강도가 문제가 될 수 있다. 이 구조물은 다리를 들어 올려 갑판부의 부력으로 부양된 상태로 예인되거나 데크 바지(Deck Barge)에 올려 이동한다.
착저식 케이슨 구조물
착저식 케이슨 구조물은 말뚝에 비해 지지력 및 저항력이 큰 상자 모양의 철근 콘크리트 구조물이다. 내부에 토사나 사석을 채우고 그 위에 케이슨을 올리는 구조이며 상부 구조물 이외엔 바다에 잠겨 있으며 파랑을 차단해 항만 내의 정 온도를 유지하기 위한 구조물이다.
케이슨 구조물은 위와 같이 지상에서 제작해 대형 기중기선으로 매달아 이동하거나 예인선으로 이동하게 된다.
1980년 북극해 빙해에서 케이슨 구조물을 상당히 많이 사용했다고 한다. 북극해 시추용으로 건설된 케이슨은 방파제, 독 등과 같은 용도로 변경될 수 있다.
콘크리트 중력식 구조물(Concrete gravity platform)
평균 수심 150 m 이내에 설치하는 콘크리트 중력식 구조물은 자켓 구조물과 달리 파일을 박지 않고 콘크리트 구조물 자체의 중량을 이용해 해저 면에 고정하는 방식히다.
타워형
타워형 콘크리트 구조물은 하부(기초부) 케이슨에 석유를 저장하는 구조이며 콘크리트 타워(샤프트)는 1 ~4개의 기둥으로 구성돼 상부 구조를 지탱한다. 샤프트는 연안에서 사전 제작 후 현장으로 운반돼 설치된다.
매니폴드형
원통형 셀이 동심원상으로 결합된 구조로 바깥벽에 조그만 구멍을 뚫어 세굴 발생을 줄이게 된다. 매니폴드형 구조물은 설치 해역의 수압을 견딜 수 있어야 하며 물 위에 떠서 예인할 때 하중을 줄이기 위해 가벼우면서 강도가 큰 콘크리트로 제작된다.
※ 세굴 : 수류나 파랑에 의해 해안, 하상, 제방, 해저 및 전환 수로의 바닥이 침식되는 현상으로 토사가 구조물의 안전성에 영향을 끼침
빙해역의 콘크리트 구조물
북극에 매장돼 있는 석유의 양은 세계 원유 매장량의 ¼ 정도로 추정되며 석유 이외에 석탄, 가스 하이드레이트, 금속 광물도 많이 매장돼 있다. 석유 파동 후 북극에 대한 관심이 더 높아졌으며 북극은 일반 해양 시추보다 민감한 자연환경 때문에 더 까다로운 조건을 충족시켜야 한다.
콘크리트는 해수로 인한 부식 및 저온에서도 충분한 강도가 유지되는 안정된 건설 재료로 북극의 시추 플랫폼에 널리 사용하지만 폭이 넓은 케이슨 구조물은 얼음의 하중을 받고 토양의 부드러운 표면에 미끄러지는 문제가 있어 북해(北海)의 중력식 구조물과 비슷하지만 기초부 규모가 크고 직경이 줄어든 원추형 형태로 제작되도 한다.
다양한 형태의 케이슨(caisson)
콘크리트 구조물이 얼음의 충격을 감소하기 위한 쐐기형 외벽으로 구성된 실린더형 구조물의 형태와 대규모의 다년생 얼음과 충격 에너지를 지닌 빙산으로 인한 하중을 견딜 수 있는 계단식 구조물(좌)은 얼음을 위아래로 쪼개 균열을 발생시켜 갈라지게 한다.
전기, 수소 등 다양한 석유 대체 에너지원을 동력으로 하는 기술이 개발되고 있지만 아직까지는 석유가 부동의 1위인 핵심 에너지이다. 시추의 역사는 150년이 넘지만 해양 시추(특히 심해 시추)는 육지의 환경보다 민감하기에 시추 구조물의 변화는 해양 시추 기술의 발전과 같다고 볼 수 있다.
부유식 구조물
해양자원 개발이 얕은 수심에서 깊은 심해로 이동하게 되면서 기존에 사용하던 고정식 구조물이 지나치게 거대해지자 대체로 나온 것이 부유식 구조물이다. 부유식 구조물은 부력으로 해상 위에 떠있는 구조물을 말하며, 석유 시추 용도 이외에 해상 발전,유류 저장시설 등 다양한 목적으로 이용되고 있다.
부유식 구조물로는 폰툰 구조물, 반잠수식 구조물, SPAR , Drillship, FPSO, 쇄빙선 등이 있다.
폰툰 구조물(Pontoon Platform)
폰툰 구조물은 자체 이동 능력은 없으며, 바지 위에 갑판을 얹고 그 위에 설비를 탑재한 형태이다. 주로 파도가 없는 곳에 설치하는 구조물로 국내 폰툰 구조물은 다양한 관광지에서 그 모습을 쉽게 확인할 수 있다. 사진에 보이는 곳은 포항시 송도에 조성된 부력식 해상 테마파크이다. 총 9천90㎡(약 2750평)의 대규모로 폰툰 100여 개를 연결해 조성하였으며 시민들을 위한 세계적 캐릭터 테마파크인 동시에 포항 운하를 오가는 포항 크루즈의 정박지로도 사용될 예정이라고 한다. 폰툰 구조물을 대량으로 연결하니 부유식 인공섬의 느낌도 난다.
이외에 국내 폰툰 구조물이 적용된 관광지로는 포항 송도 해수욕장 '생존 수영장', 화천' 산소 100리 길'의 숲으로 다리, 롯데 잠실 석촌 호수에 띄운 슈퍼문 등이 있다.
반잠수식 구조물(Semi-submersible Platform)
파랑 등에 의한 구조물의 동요를 줄이고 가동률 또한 높이기 위해 건조된 반잠수식 구조물은 1960년대 초 등장과 함께 현재까지 많이 건조되고 있다. 부유식 구조물은 수심 500 m로 비교적 깊은 수심에서 작업할 수 있는 장점이 있으며 석유 시추 및 생산 이외에 해상 건설공사 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
반잠수식 구조물은 고정식 구조물이 작업이 불가능한 높은 파고에서도 작업이 가능하지만, 수선면적(물과 맞닿아 있는 면적)이 적어 복원 성능에 주의할 필요가 있다.
SPAR
SPAR는 수직으로 고정된 속이 비어 있고 긴 원통형 구조로 실린더는 해저까지 닿지 않고 고정하는 케이블만 바닥에 닿아 있는 부유 형식의 구조이다.
처음에 저장용이 주 목적이었으나 현재는 수심 약 3,000 m 정도의 심해 시추 생산용으로 널리 사용된다. 본체는 원통형 선체(Hull)로 이루어져 있고, 시스템은 상부구조, 라이저, 계류장치로 구분된다. 원통 바깥쪽을 보면 독특하게 나선형 핀이 설치되어 있는데 이는 와류(유체의 회전 운동에 의해 주류와 반대 방향으로 소용돌이치는 흐름)에 의한 진동 및 그에 따른 과도한 움직임을 방지하기 위함이다. 또한 흘수 크기가 매우 커 파랑에 의한 상하동요에 대한 응답 성능이 좋다.(흘수 : 물체가 수중에 떠 있는 수면과 구분되는 면에서 물체의 가장 깊은 점까지의 수심으로 SPAR 구조물의 수직거리 중 물에 잠긴 구조물의 길이를 뜻함)
파괴적인 허리케인 등에 견딜 수 있도록 설계된 가장 큰 Perdido SPAR는 수심 약 2450m에서 활동 중이며 길이가 에펠탑과 거의 같다고 하니 실로 어마 어마하다. 지난 4월 21일 울산항에서 건조한 세계 최대 크기의 아스타 한스틴 SPAR 설비가 다양한 의미로 역사의 한 획을 긋고 출항 했다.
Drillship
Drillship은 선박과 같은 형태에 시추용 굴착장비를 탑재한 것을 말한다. 해저에 확보된 자원이 풍부하면 고정식 플랫폼을 설치하지만 자원의 양을 알 수 없을 때 시추 후 이동하기엔 고정식 플랫폼의 가성비가 떨어지기에 유동성 좋은 Drillship을 이용하게 된다.
현재 수심 3,000m 정도에서도 시추가 가능하지만 최근 그 이상의 수심에서도 활동 가능한 Drillship이 개발되고 있다. Drillship은 단순 시추용 구조물이 아닌 심해에서 뽑아 올린 원유에 포함된 다양한 불순물을 1차적으로 정제하는 시스템을 탑재하며 척당 금액이 최고 1조 원에 달할 정도로 매우 고가이다.
FPSO
FPSO(Floating Production Storage Offloading, 이하 FPSO)는 선박의 형태지만 선박과는 전혀 다른 구조물로 석유 시추 및 저장, 하역 기능을 한다. FPSO는 일정 기간 심해에 머물며 원유를 채취해 정유 제품을 생산 및 보관, 타 선박에 이송하는 최첨단 시설로 육상에 저장시설을 건설, 유지하는 것보다 비용이 저렴한 장점이 있다.
최초의 FPSO는 1977년 스페인의 Shell Castellom이고, 현재 약 270척 이상이 활동 중이며 물론 한국에서 건조한 FPSO도 있다. FPSO는 기능적 차이로 세분화 되는데, FSO(Floating Storage Offloading System)는 톱사이드라 불리는 원유 정제 설비가 없으며 채취한 원유를 잠시 보관하는 역할만 한다. FPS(Floating Production System)는 저장하는 설비가 없어 원유 채취 → 불순물을 분리 → 근처 FSO 및 육상으로 수송한다.
FSU(Floating Production System)는 원유를 저장하는 역할만 하며 육상 기지와 파이프를 연결한 채 주변의 FPS, FSO와 연계할 때만 사용한다. FSRU(Floating Storage Regasification Unit)는 LNG 저장 및 재기화 장치로 탄성 라이저(관) 및 파이프라인을 통해 천연 가스를 해안으로 내보낸다.
쇄빙선(Ice Breaker)
석유와 천연가스가 풍부하게 매장되어 있는 북극해 지역은 1970년대 이후 개발이 활발해진다. 1991년 러시아가 북극해 항로를 대외 개방하며 북유럽과 동아시아의 주요경제 지역을 연결한 최단 항로로 부각 되는데, 이런 극지방은 쇄빙선과 내빙 유조선이 짝을 이뤄 쇄빙선이 얼음을 깨고 유조선이 뒤를 잇는 방식으로 이동하였지만 선박 두 척의 이동으로 경제성이 떨어져 최근 얼음도 깨고 원유도 수송하는 쇄빙형 유조선이 등장했다.
쇄빙선은 빙판에 올라가 무게로 얼음을 깨트리며 깨진 얼음조각은 선체좌, 우로 밀려나는 구조이다. 얼음에 올라타야 하기에 선수는 무겁고 선미는 뒤따르는 배에게 길을 내주기 위해 날씬한 형태를 하고 있다. 혹시 모를 상황에 대비해 기름 탱크 등은 환경오염을 막기 위해 2중으로 설계된다.
하이브리드 구조물
전 세계적으로 사용되는 석유 시추용 해양 구조물은약 95%가 '자켓'으로 설계된다. 고정식 구조물인 '자켓'은 비교적 얕은 수심인 약 400 m 정도가 한계이며 수심이 깊을수록 비용과 규모가 증가하기에 비효율적이다.
하이브리드 구조물은 얼핏 자켓 구조물, 반잠수식 구조물과 비슷하지만 보다 복합적인 형태를 띠며 타워형 구조물과 (가이드 타워, 아티큘레이트 타워, 유연 파일 타워), TLP(Tension Leg Platform)로 나뉜다.
타워형 구조물 a.Compliant Platform 은 고정식 구조물과 유사한 외형이지만 폭이 좁으며 유연한 타워에 케이블을 방사선상으로 배치해 지지하는 형식이다. b. TLP(Tension Leg Platform)의 한 형태로 seastar TLP, Mini-TLP의 형태가 유사하다. TLP(Tension Leg Platform)는 반잠수식 구조물과 유사한 형태로 텐션이 좋은 철 배관 또는 스틸 케이블에 의해 제자리에 고정된 채 떠 있다. 수직 운동은 제한적이고 파랑에 의한 수평 운동 성능은 좋으며 최대 수심 7,000 ft(약 2100 m) 정도에 설치된다. 적재 하중의 변화가 증가하면 텐션의 인장력이 감소해 원유 저장고로 사용하지 못하는 특징이 있다. Seastar-TLP는 Mini-TLP와 유사한 형태이며 비교적 얕은 수심에서 시추하기 위해 제작된 TLP 구조물 중 하나로 수심 약 200 ~ 1000 m 안팎으로 설치된다.
대표적인 구조물
롯데월드타워의 백미 '다이아그리드 구조물'
롯데월드타워 최상층부에 설치된 다이아그리드는 두께 6cm 철판을 둥글게 말아 만든 대형 강관을 'ㅅ'자로 이은 형태로 진도 9의 지진과 순간 최대풍속 80m/s의 강풍에도 견딜 수 있도록 설계되어 안전성을 높여주는 역할을 한다. 또한 안전뿐만 아니라 외부 조망이 중요한 프라이빗 오피스(Private Office, 107~114층) 구간부터 전망대(117~123층) 구간에 걸쳐 입체구조의 다이아그리드 랜턴이 적용되어 건물의 미적 효과를 극대화 시키고 있다. 롯데월드타워에 적용된 다이아그리드는 국내 초고층 건물에 적용된 최초의 구조물일 뿐만 아니라 기존 중국 광저우 국제금융센터(438.6m) 보다 더 높은 높이의 555m에 설치되어 세계적으로도 가장 높은 기록을 세우게 되었다.
독일 자를란트 지역의 이색적인 전망 플랫폼, 자르 폴리곤(Saarpolygon)
독일 엔스도르프에 들어선 자르폴리곤(Saar Polygon)은 250년간 이어져온 지역 광산 채굴의 마지막을 기념하기 위해 세워진 조형물이다. 독일 남서부의 주도인 자를란트(Saarland)는 자르 탄전이 있어 경제적으로 중요한 지역이었고 자르 폴리곤이 들어선 것은 이러한 산업 환경이 크게 변화한 것을 의미한다. 이름 그대로 다각형의 구조물은 독일의 건축가그룹 pfeiffer sachse architekten이 설계하였으며 Lichtvision Design이 조명디자인을 맡았다. 특히 구조물은 어느 방향에서도 다른 모습으로 보이도록 디자인된 것이 특징적이다. 구조물은 두하멜의 랜드 마크로서 몇 킬로미터 거리에서도 볼 수 있으며 자르 계곡을 파노라마로 조망할 수 있다.
3차원으로 얽힌 외형은 30m의 높이로 광산업을 상징하며 미래의 게이트로 인식된다. 시간의 흐름에 따라 또는 밤낮으로 변화하는 건물의 다이내믹함은 계단과 전망 플랫폼을 따라 설치된 조명의 변화에 따라 더욱 생동감 있게 살아난다.
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지구상에서 가장 큰 콘크리트 구조물
싼샤댐(Three Gorges Dam)은 중국 양쯔강 중상류에 위치하고 있는 세계 최대 규모의 댐이다. 이곳은 지구상에서 가장 큰 콘크리트 구조물이기도 하다. 높이는 185m, 길이는 2,309m, 너비는 135m에 달하며 최대 저수량은 390억톤에 이른다. 60층 건물 높이에 해당하고 2km에 달하는 폭을 자랑하는 것.이곳을 건설하는 데에만 노동자 4만 명이 17년 넘는 시간을 일해야 했다고 한다. 전력량도 규모에 걸맞게 2만 2,50메가와트에 이른다. 주요 공사는 지난 2006년 완료했으며 2012년 7월부터 본격 가동을 하고 있다.
베슬(Vessel, TKA)
베슬(Vessel, TKA)은 뉴욕시 맨해튼의 허드슨 야드 재개발 프로젝트의 일환으로 건설된 구조와 방문객 명소다. 영국 디자이너 토마스 헤더윅이 설계한 이 정교한 벌집 모양의 구조물은 16층 높이로 계단 154개, 계단 2500개, 관람객들이 오를 수 있는 착륙지 80개로 구성돼 있다. 베슬은 5에이커(2.0ha) 허드슨 야드 공공광장의 주요 특징이다. 허드슨 야드 개발자 Related Companies에 의해 자금을 지원받아, 그것의 최종 비용은 2억 달러로 추산된다.
2016년 9월 14일 베슬의 컨셉트가 대중에게 공개되었다. 2017년 4월 착공해 이탈리아에서 제작돼 미국으로 출하됐다. 베슬은 2017년 12월 최고 작품 설치로 1위를 차지했고, 2019년 3월 15일 문을 열었다.
세계 최대 나무 구조물, 메트로폴 파라솔
세계에서 가장 규모가 큰 목재 구조물인 메트로폴 파라솔(The Metropol Parasol)이 6년간의 공사를 마치고 2011년 스페인의 안달루시아 지방 세비야(Sevilla)에서 거대한 모습을 드러내며 문을 열었다.
넓이가 18,000평방미터에 이르는 이 나무 구조물은 세비야의 엔까르나시온 광장(Plaza de la Encarnaction)을 현대식 광장으로 자리잡기 위한 재개발의 일부분 사업으로 지어졌다고 한다. 메트로폴 파라솔은 중세의 분위기를 간직한 도시의 이미지와 조화를 이루는 문화적 아이콘이다. 이 구조물의 디자인을 맡은 건축사무소 J메이어 H아키텍트(J Mayer H Architects)는 "메트로폴의 목적은 중세적 분위기의 세비야 도심에서 레저 및 상업 등 추억을 만들어주는 보다 다양한 활동을 촉발시키는 독특하고 도시적인 공간으로 자리잡는 것"이라고 설명한다.
앞으로 메트로폴은 박물관, 현지 농민들의 시장, 다양한 바와 레스토랑, 전망대 등 세비야의 시민들과 여행객들에게 사회적, 문화적 허브로 자리잡기 위한 사회적 인프라로서의 역할을 할 예정이다.
동영상
참고자료
- 〈구조물〉, 《위키백과》
- 〈구조물〉, 《나무위키》
- [주]본LEB건설 , 〈건축물의 구조 종류 및 특성〉, 《티스토리》, 2020-10-13
- 고누비, 〈해양구조물 알아보기 1편 - 부이, 돌핀, 안벽 : 〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-26
- 고누비, 〈해양 구조물 알아보기 ② - 매립식, 잔교식, 부유식 인공섬〉, 《네이버 블로그》, 2017-05-11
- 고누비, 〈해양 구조물 알아보기 ③ - 자켓식 구조물, 갑판승강식 구조물, 착저식 케이슨 구조물, 콘크리트 중력식 구조물〉, 《네이버 블로그》, 2017-06-07
- 고누비, 〈해양구조물 알아보기 ④ - 부유식 구조물(Floating Type Structure)〉, 《네이버 블로그》, 2017-07-03
- 고누비, 〈해양 구조물 알아보기 ⑤ 하이브리드 구조물, 해양플랜트〉, 《네이버 블로그》, 2017-07-31
- 〈배슬 (구조물)〉, 《위키백과》
- 〈롯데월드타워 국내 최고높이 555m 도달! – 롯데 공식 블로그〉, 《롯데 공식블로그》, 2016-04-01
- 안정원, 〈(안정원의 디자인 칼럼) 삼차원의 다각형 구조물로 기념성과 상징성을 반영한 전망게이트〉, 《YTN뉴스》, 2017-04-15
- 이원영 IT칼럼니스트, 〈지구상에서 가장 큰 콘크리트 구조물은〉, 《전자신문》, 2014-07-25
- 정보세계, 〈세계 최대 나무 구조물, 메트로폴 파라솔〉, 《다음블로그》, 2011-05-09
같이 보기
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