콘크리트 시공기술

콘크리트 시공기술

극저온하의 콘크리트 LNG 貯槽

I. 머리말

세계의 에너지시장에 있어서 LNG의 수요는 매년 증가하고 있다. 에너지원의 다양한 안정화를 기도하기 위하여 또 클린 에너지로의 전환을 위하여 LNG의 도입이 적극적으로 진행중이다. 이에 따라 LNG를 받기 위한 기타와 貯槽의 건설도 세계적으로 증대하고 있다. LNG는 메탄을 주 성분으로 하는 천연가스를 액화한 것이고 상압하에서의 온도는 -162℃이라고 하는 극저온액체이다. 이 때문에 저장에 있어서는 입열을 차단하는 단열층(보냉층)이 있는 보냉창구가 필요하게 된다.

LNG 貯槽의 구체(측벽, 저판)에 프리스트레스 콘크리트 (이하PC) 또는 철근 콘크리트를 사용하고자 하는 시도가 미국에서 20년 전에 기도하였다. 그 후 여러나라에서 많은 시험과 실험을 실시하여 현재에는 콘크리트가 우수한 저온용구조재료로서 확인되고 콘크리트계의 LNG貯槽도 수많이 건설되었다.

지하식 貯槽의 설계와 시공의 관하여는 일본의 통산성의 위탁을 받아 일본와사협회 액화천연가스용貯槽 보안조사임원회가 3년간에 걸처 검토를 하여 발표한 "LNG지하식貯槽(토공설비)설계지침"이 완성되고 있다. 이들의 지침에는 저온하에 있어서 콘크리트, 철근, PC강재, 부재의 시험결과 등을 비롯하여 설계와 시공의 기본사항이 기술되어 있다. 구미에서는 LNG에 직접 닿는 부분은 PC를 사용한 예도 있지만 일본에서는 지하식 貯槽에서는 철근콘크리트 구체의 내측에 단열층이 있어 콘크리트가 냉각되는 속도가 완만하고 또한 사용년한내에 -160℃라고 하는 극저온으로는 되지 않는다. 다라서 이와 같이 사용되는 콘크리트를 과혹환경 하에서 콘크리트라고는 의문도 있다. 그러나 현재 사용되고 있는 철근 콘크리트 구조물중에는 가장 저온의 환경하에 있어서의 콘크리트라고 생각도어 다음에는 주로 이러한 콘크리트에 대한 개요를 기술하기로 한다.

II.LNG貯槽에 대하여

LNG선에 장치된 탱크는 다각의 것도 있지만 육상의 貯槽는 모두 원통형으로 되어 있다. LNG貯槽의 형식은 설치형태에서 대별하여 지상식과 지하식으로 나눌 수 있다. 지하식貯槽(<그림1> 참조)에서는 금속이중방식 (내구는 저온 특수강 또는 알미늄형, 외구는 보통강체)이 주류를 이루고 있고 내구는 액밀, 기밀, 억압을 保持하고 내외조간에 단열재가 충전되어 있다.

구미에서는 외구뿐만 아니라 내구에도 PC계의 貯槽가 10數基 건설되고 있다. 금속계의 貯槽도 기초저판에는 철근콘크리트가 사용되고 있다. 기초는 동상방지를 위하여 <그림1>과 같이 고상식으로 하거나 히타를 설치하여 기초하면이 0℃이하로 되지 않도록 설계되고 있다. 지하식 貯槽에서는 貯槽주변에 방액제를 필요로 하고 있으며 이것은 주로 철근 콘크리트제가 많다.

지하식貯槽는 1960년대에 미국 등에서 동결공법으로 지반을 동결하여 놓고 이의 동결지반 중에 직접 LNG를 貯液하는 동결식 지하貯槽가 실용화한 것이 최초이다.
일본에서는 <그림 2>에 가르키는 바와 같이 구체에 철근 콘크리트, 그의 내측에 단열재 및 맨푸렌(액밀, 기밀을 보전할 수 있는 금속의 도막)으로 지하식貯槽의 관계를 하였다. 그리하여 1970년에 동경가스(주) 근암공장내에 최초의 지하식貯槽가 건설되었다.
그 이후 일본에서 건설된 지하식貯槽도 모두 동일한 형식이고 구체가 철근 콘크리트, 지붕이 강제로 되어 있다.
구체 내부는 모두 단열재로 피복되었으며 단열재는 貯槽을 보냉하고 LNG가 기화하는 것을 방지하는 동시에 콘크리트에 대하여는 급격한 냉열충격이나 온도강하를 주지 않도록 역할을 하고 있다. 본방식은 LNG선 및 지하식貯槽에도 사용되고 있으나 이것을 지하식貯槽에 적용한 것은 일본이 최초이고 구미 등에서도 주목하고 있다.

콘크리트를 극저온액체용貯槽의 구조재료로 사용하고자 하는 도전은 1953년에 미국에서 건설한 액체산소(-182℃)용 PC제 貯槽가 가장 오래 된 것으로 추측된다. 그후 1961년에 LNG 대형貯槽의 건설을 목적으로 Test용의 PC제 model tank가 建造되었다.

미국에서의 개발은 저온용 특수강이나 알미늄제 내조용 대신에 PC를 사용하여경제적인 대용량 貯槽를 책조하고자 하는 점이었다.

멘푸렌방식의 지하식貯槽에서는 구체온도가 일반으로 -100℃ 이하로 되지 않고 구체외측에서 작용하는 하중(지하수압, 토압)이 지배적이고 외압용기가 되기 때문에 또 시공상으로도 철근콘크리트가 가장 적합한 구조재료가 된다.

III. LNG지하식貯槽의 온도환경

LNG貯槽의 구체는 LNG냉열의 영향을 받기 때문에 당열 일반토목구조물보다 온도 조건은 매우 까다롭게 된다. 그리하여 貯槽의 설계에서는 구체온도의 경시변화를 먼저 정확하게 예측할 필요가 있다.

지하식貯槽는 <그림2>와 같이 -160℃측에서 맨푸렌-단열재-구체-주변토의 구성으로 되어 있다. 단열재에는 경질우레탄휨 등이 사용되고 있으나 사용년한내에는 단열재만으로 구체 및 주변토의 온도를 0℃ 이상 보존하기는 곤란하다. 貯槽가 가동을 하기 시작하면 구체는 서서히 냉각되고 1년 후 정도에서 구체외면이 0℃이하가 되고 주변토도 동결하기 시작한다. 흙이 동결하면 강도가 증가하고 또 지수층이 되기 때문에 지하식 貯槽로서의 매리트(매력)가 있으나 동상성이 높은 토질의 경우에는 과대한 지반의 변위와 동결토압이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여는 주변지반에 히타 등의 설비를 하여 지반동결의 진행을 억제하는 대책을 하여야 한다.

구체의 설계에서는 단열재, 콘크리트, 주변토의 열정수를 구하여 히터의 유무 등도 고려하여 구체 및 주변토의 경시변화를 구한다.

열전도해석수법으로는 일차원비정상해석 등의 간편법도 있으나 정도한 해석을 하기 위해서는 구체와 지반을 연성시켜 축대칭회전체 model로 하여 유한요소법 또는 차분법에 의한 해석법을 사용하고 있다.
<그림 3>에 히터를 설치하였을 때는 측벽부의 동결직선(0℃선)의 진행상황을 가르키나 약 2년에서는 거의 진행을 정지된다.
6년후에 측벽내면의 최저온도는 -45℃가 되고 이때 내외면에는 약 25℃의 온도차가 생긴다. 콘크리트 내의 온도분포는 구체의 변형이나 열응력의 산정에 필요하고 또 히터의 설계에 사용된다.
멘푸렌방식의 지하식貯槽에는 구체 콘크리트의 온도는 -100℃ 이하로 되지 않고 외주에 히터를 설치할 때의 외저온도는 약 -50℃ 정도이고 스타트후 약 2~3년에서 정상 상태가 된다.

IV. 철근콘크리트의 저온 특성

철근과 콘크리트 및 부재의저온특성에 대하여는 선진국에서 많은 시험, 연구를 하여 많은 성과를 발표하고 있다.
또한 각종 지침에는 많은 시험결과를 기재하고 있다.
여기에서는 이러한 자료를 근거로 하여 지하식貯槽의 구체를 대상으로 한 철근 콘크리트 및 재료의 저온성의 개요를 요약하여 <표2>에 나타낸다.
콘크리트는 저온이 됨에 따라 강도가 매우 증대하지만 온도 배합 및 함수량에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 함수량이 큰 경우 강도증가량도 크다.
이것은 콘크리트 중의 간극에 있는 자유수가 동결하여 간극이 강도가 있는 고체로 변하기 때문이라고 생각된다. <표2>의 특성은 거의 습윤상태의 콘크리트를 대상으로 한 것이다.

철근도 저온이 됨에 따라 降伏點 및 인장강도가 증가하지만 콘크리트 만큼 증대되지 않는다. 정적인장시험 이외에 지진때에 생기는 strain 속도를 상정하여 정적시험의 약 350배의 strain 속도로 동적인장시험 (-70℃, -120℃)을 하였으나 저온취성의 걱정은 없고 일반의 지하식 貯槽에서는 국제규격의 철근을 사용할 수 있다.

철근 콘크리트의 부재도 콘크리트 및 철근의 강도가 증가됨에 따라 저온하에서는 내력이 향상된다. 貯槽가 냉각된 후는 반년 정도의 단위에서 내부를 비어두지 않는 한 콘크리트가 동결융해를 받는 일은 없으며 완만한 동결융해를 되풀이 하여도 강도의 저하는 없다.

이상 지하식貯槽는 상온강도에서 설계하면 충분히 안전하나, 사용시 온도가 -120℃ 이하가 되면 되풀이 되는 극저온의 냉열충격을 받는 구조물에 철근 콘크리트를 사용할 때는 별도 배려가 필요하다.

V. 구체의 설계, 시공상의 특이점

LNG 지하식 貯槽구체의 설계, 시공상에 있어서 일반 토목구조물과 다른 점을 간단히 적기로 한다.

1. 허용응력

구체의 설계에는 허용응력도법에 따라 설계를 하고 있고 허용응력으로는 「콘크리트 표준시방서」에 있는 상온설계의 치를 사용하는 것을 원칙으로 하고 있다.
다만, 전기의 지침에서도 콘크리트는 저온이 됨에 따라 강도가 크게 증대하기 때문에 저온의 상태가 되어 작용하는 동결토압 및 온도하중을 고려할 때는 구체의 온도에 대응하여 콘크리트의 설계기준강도를 할증할 수 있게 하였고 할증량을 규정하고 있다.

철근도 전술한 바와 같이 저온하에서는 강도가 상승하고 철근콘크리트부재의 Bending 내력 등이 향상하는 것은 확인되고 있지만 저온하에서 구열성상이 상온하에서와는 다르기 때문에 안전을 위하여 철근에 있어서는 저온하에서의 허용응력의 할당은 하고 있지 않다.
 

<표1> 콘크리트, 철근, 부재의 저온특성
 

2. 설계하중

구체의 설계에 사용하는 하중조건 중 특이한 것은 상온하중과 동결토압(흙의 동결팽창에 따른 압력)이 있다. 온도하중이라 함은 구체가 냉각되어 구체내의 온도차가 생기게 됨에 따라 열응력을 발생하게 하는 하중작용을 말하고 구체의 설계에서는 무시할 수 있다. 따라서 타의 외력하중과 동등한 하중조건의 조합을 하여 단면을 결정한다.

측벽은 원통형이고 저판부와의 접합부는 구속되어 있가 또 저판은 측벽과 하부지반에서 구속을 받고 있다. 이 때문에 3항에서 기술한 것과 같이 구체온도가 강하여 내외면 및 상하방향에 온도차가 생기면 구체에는 구속응력으로서의 열응력이 발생한다.

열응력은 각부의 온도분포를 입력으로 하여 유한요소법 등에 의하여 구하지만 일반적으로 열응력은 콘크리트 표면의 구열에 의하여 감소하고 Creep에 의하여도 완화되는 성질이 있다. 열응력의 산정에서는 구열에 따른 단면강성의 저하를 고려하고 있다. 다만 전기의 지침에서는 강성저하의 하한을 전단면유효의 경우의 1/2로 제한하고 또 인장측의 최소철근량을 규정하고 있다.

3. 사용재료

지침에서 콘크리트 및 철근 등의 재료등을 규정하고 있지만 보통 일반의 토목구조물에 사용되는 재료이다 다만 특수한 골재나 시멘트 철근의 이음 등에서 아직 저온하에서의 역학, 물리 특성이 확인되지 않는 재료를 사용할 때는 당연히 저온하에서 확인시험을 필요로 한다.

4. 시공

지하식貯槽는 구체치수가 크기 때문에 부재의 두께도 크게 되고 mass콘크리트가 된다. 따라서 콘크리트의 배합, 설계 및 시공에서는 극력수화열에 의한 온도상승을 억지하고 Crack을 적게 하도록 유의 한다. 저판은 설계하중이 작용하는 것은 콘크리트 타설 후 상당한 기간이 경과한 후가 되기 때문에 齒令 90일에서 설계기준강도를 설정하여 배합설계를 할 때도 있다. 또 누수가 있을 때는 단열 쟁의 성능을 저하시키기 때문에 밀실한 콘크리트의 시공이 요구된다.

逆巷공법을 채용할 때는 이의 목적을 이음부분에 그라우팅을 하거나 배면에 drain을 설치한다.

양수압에 견디는 강도판형의 저판에서는 다량의 대경철근 D51를 사용하지만 다단배근이 되는 개소이면서 철근간격이 좁은 구간은 콘크리트의 다짐이 충분히 잘 될 수 있도록 이음의 위치와 형식을 검토할 필요가 있다. 구체의 내면에는 정도의 끝손질이 요구된다. 이 때문에 측벽의 거푸집은 내장측의 요구정도에 대응하여 강성이 높은 것이라야 한다.

기타 지하식貯槽에서는 내장과 기계공사와의 설계 및 시공상에서 서로 관련되는 것이 많고 貯槽의 유지 및 운전에 관하여 서로의 설계상 통일성이 요망된다. 이 때문에 기본설계상의 단계에서 토목과 기계내장단당간의 긴밀한 상호 연휴가 요망되는 특이점이 있다.

VI. 結語

어느 LNG 지하식貯槽가 완성하는데 까지는 구체뿐만 아니라 기계, 내장, 설계, 운전, 보안 등 광범위한 분야의 연구, 개발이 장기간에 걸쳐 시행되어 왔다.

이들의 기술이 잘 융합되어야 하나의 완성된 구조물이라 할 수 있을 것이다. 전술한 바와 같이 철근콘크리트에 관하여는 재료면에서 저온으로의 도전은 비교적 진보되었으나 설계 및 해석수법에 있어서는 더 합리적인 수법의 연구개발이 필요로 하고 구축방법에 있어서도 각종의 토질 및 지층조건에 적합한 cost와 공기면에서 유리한 공법과 형식의 개발 등 아직도 해결되어야 할 많은 문제가 남아 있는 분야이다.