구조 설계
이 글은 브런치북 "화공플랜트 EPC 엔지니어링"을 아마존에 출간하기 위하여 AI 도움을 받아 영문으로 번역한 내용입니다. 보완한 원문을 한글 서적으로도 출간하기 위해 영어 번역본 아래에 함께 올립니다.
STRUCTURAL ENGINEERING
Structural engineering deals with the design and fabrication of steel structures. In plant projects, except for certain buildings, most structures are steel frameworks. A large portion of equipment and piping is installed on these frameworks.
Steel structures offer clear advantages over concrete buildings. They have a high strength-to-weight ratio, allowing lighter designs. Their ductility enables them to absorb deformation without failure. Being lighter, they are easier to assemble, and construction schedules are shorter. They can also be dismantled and reused.
Today, even buildings are often constructed with steel frames, and most high-rise buildings fall into this category. In plants, however, a steel structure usually refers to an open framework—essentially the skeleton of a building without walls or full enclosure. In plant terminology, whether a facility is classified as a building or a structure depends on the presence of a roof and four enclosed walls.
Onshore vs. Offshore
Structural engineering work differs significantly between onshore and offshore plants.
In onshore plants, heavy equipment is installed directly on the ground. Only lighter or process-critical equipment and piping are mounted on steel structures. As a result, onshore structures are relatively simple, and the term steel structure design is often used interchangeably with structural design.
Offshore plants, such as FPSOs (Floating, Production, Storage and Offloading units) and fixed platforms, are entirely steel structures. They operate in harsh marine environments, subject to waves, wind, and saltwater corrosion. This requires strict compliance with specialized codes and standards for both design and material selection.
Transportation is another key difference. Onshore structures are assembled on site from raw materials such as shape steel, so transport is straightforward. Offshore structures are fabricated in a yard and then transported to sea. Their size and weight make transport-related design critical, and offshore projects often have dedicated teams for this work.
**The rest of this chapter is omitted for the final publication.**
구조설계는 말 그대로 철 구조물을 다루는 업무입니다. 플랜트는 일부 건물을 제외하면 모두 철 구조물(Steel Structure)로 이루어져 있으며, 각종 장비나 상당수의 배관이 이 철 구조물 위에 설치됩니다. 이는 철 구조물이 콘크리트 건물에 비해 많은 장점이 있기 때문인데, 주요 장점이라면, 강도와 비중의 비가 높아서 중량을 가볍게 할 수 있으며, 인성이 커서 변형에 잘 견딜 뿐 아니라 가볍기 때문에 조립하기가 쉬우며, 무엇보다 공사 기간이 짧다는 것입니다. 또한, 철 구조물은 해체 후 재사용이 가능하다는 장점도 빼놓을 수 없습니다.
그래서 예전과 달리 건물도 철골 구조로 짓는 것을 쉽게 볼 수 있는데, 고층 빌딩은 대부분 철 구조물이라고 봐도 무방합니다. 다만, 플랜트에서 말하는 철 구조물은 건물과 달리 사방이 모두 열린, 건물로 치면 뼈대만 있는 정도라고 이해하면 되겠습니다. 참고로, 플랜트에서는 지붕과 4면에 벽이 있는지에 따라 건물과 구조로 구분합니다.
한 가지 참고할 것은, 구조설계는 육상플랜트에서 수행하는 업무와 해양플랜트에서 수행하는 업무가 상당히 다르다는 것입니다.
육상플랜트는 땅이 있기 때문에, 중량이 큰 장비는 땅에 설치하고 비교적 덜 무거운 장비나 공정상 꼭 필요한 장비와 배관라인만 설치하기 때문에 구조물이 비교적 단순하다고 할 수 있습니다. 그래서 육상플랜트에서는 구조설계를 철골설계라고 부르기도 합니다.
하지만 해양플랜트는 바다 위의 플랜트로 불리는 FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)를 비롯하여 고정식(Fixed) Platform까지, 다양한 철 구조물로 만들어지는데, 사용 범위가 아주 넓은 데다가 파도나 바람 등 환경이 열악한 바다에 설치되기 때문에 구조물의 설계나 자재 선택에 상당한 까다로운 법규와 규격이 적용됩니다.
또한, 육상 철 구조물은, 형강(Shape Steel) 등의 원자재를 현장으로 공급하여 현장에서 직접 조립하기 때문에 크거나 무거운 자재가 없어 운송에 크게 신경 쓰지 않아도 되지만, 해양 구조물은 전부 육상 Yard에서 제작한 후 바다로 운송하기 때문에 구조물의 크기와 무게로 인해 운송 관련한 설계가 매우 중요합니다. 그래서 해양플랜트의 구조설계는 이 부분은 담당하는 조직을 따로 운영하기도 합니다.
이렇게 육상플랜트와 해양플랜트의 구조설계 업무에 차이가 있다는 것을 염두에 두고 구조설계의 업무를 살펴보겠습니다.
참고로 해양구조물의 종류에 대해서는 인터넷에서 쉽게 검색할 수 있으니 찾아보시면 도움이 되겠습니다.
ENGINEERING
엔지니어링 단계에서 수행하는 구조설계 업무는 크게 아래와 같이 나눌 수 있습니다.
여기서 한 가지, 해양플랜트는 땅이 없어서 기초(Foundation), 배수 처리 등 육상플랜트의 토목설계에서 하는 일의 상당 부분을 구조설계에서 수행한다는 것을 기억하고 넘어가면 좋겠습니다.
1) 해석 (Analysis)
구조설계의 해석 업무에 대해 정리한 것을 보면, 구조물에 설치되는 각종 설비의 안정적인 운용, 태풍, 지진 등에 대한 시설의 안정성 유지, 대형 구조물 취급에 따른 안전성 확보 등이 설계의 기본 방향이라고 언급되어 있습니다. 모두 구조물의 안정성이 가장 중요한 요소임을 알 수 있는데, 여러 외부 조건에 대해 아래의 해석을 통해 구조물에 걸리는 응력을 산출하여 구조물의 크기와 사이즈를 검증합니다.
특히 해양플랜트는 규모가 작은 것이라 해도 무게가 수천 톤에서 크게는 2~3만 톤에 이르는 대형 구조물입니다. 이런 대형 구조물이 바다에 설치되어 20~30년 동안 운전을 하려면 무엇보다 구조물의 안정성이 매우 중요합니다. 바로 이것이 육상 구조설계와 다른 점 중의 하나라 할 수 있습니다.
아래는 구조설계에서 수행하는 주요 해석입니다.
l 정역학적 안정성 해석(In-place Analysis)
l 피로 해석(Spectral Fatigue Analysis)
l 내진 해석(Response Spectrum Earthquake/Seismic Analysis)
l 파랑 해석(Wave Response Analysis)
l 사고 해석(Accidental Analysis)
l 기타 구조물의 운송, 선적 그리고 설치를 위한 해석 등
2) 도면 (Drawing)
위에서 설명한 해석과 계산 결과를 바탕으로 도면을 작성하는데, 구조 도면은 종류나 수량이 비교적 많지 않으며 단지 구조물 수량에 따라 도면 수량이 달라지는 정도입니다.
구조물의 전체 모양과 사이즈를 나타내기 위한 도면을 기본도라고 하는데, 플랜트에서 각 구조물의 위치를 나타내는 Layout 혹은 Plan 도면, 각 구조물의 형태를 사방에서 볼 수 있는 Overall 도면, 구조물의 층별 장비 설치 위치를 표기한 Elevation 도면, 각 부재의 조립 형태를 보여주는 Section 도면 등이 주요 도면입니다.
그리고 구조물은 각 소 부재를 하나씩 조립해서 최종 구조물을 만들어 가는데 필요한, 즉 각 소부재 대한 정보를 나타내는 제작(Fabrication)용 도면도 작성하는데. 이 제작도면은 기본도를 바탕으로 철골을 제작하는 업체에서 제작하는 것이 일반적인데, 각 소부재 별로 도면을 작성하다 보면 도면의 수량이 매우 많습니다. 그래서 가급적 소부재의 모양을 통일하는 것이 도면 수량을 줄이는 것은 물론 자재나 제작의 효율성 측면에서도 매우 중요합니다.
3) 3D Modeling
구조설계도 3D Model을 이용해서 도면을 작성하는데, 철 구조물에 설비가 설치되기 때문에 각종 장비나 배관의 기초는 물론, 간섭을 확인하는 데 매우 유용하게 사용합니다. 다만, 토목과 마찬가지로, 도면으로 추출하는 경우는 Layout이나 Foundation Plan 등 몇 종류 외에는 3D Model에서 추출할 도면이 많지 않다 보니 상당수 도면은 여전히 AutoCAD를 사용하여 작성하고 있습니다. 구조설계 역시 전체적인 관리를 위해 3D Modeling에 최대한 많은 Data를 입력하도록 하는 회사도 있지만, 아직은 효율성이 크지 않은 것 같습니다.
다만, AutoSACS 등 구조해석용 소프트웨어 일부는 해석을 위해 입력된 Data가 그대로 3D Model로 변환하는 기능이 있어 편리한 점이 있습니다.
4) 운송 (Load out)
구조설계의 업무에서 중요한 부분 중 하나가 운송 관련 업무입니다.
앞서 설명한 대로 육상플랜트의 구조물은 형강(Shape Steel) 등의 원자재를 현장으로 공급하여 현장에서 직접 조립하기 때문에 운송에 크게 신경 쓰지 않아도 문제가 되지 않습니다. 하지만 해양플랜트는 조금 다릅니다. 해양 구조물은 전부 육상 Yard에서 제작한 후 바다로 운송해야 하므로 운송 관련 업무가 매우 중요한 부분을 차지합니다.
구조물이 현장에 설치되기까지는 크게 다섯 단계를 거쳐야 합니다. 먼저 육상, 즉 Yard에서 제작 후, 배나 바지(Barge)에 선적, 그리고 바다를 통해 현장까지 운송, 다시 육지로 하역 그리고 현장 설치 과정으로, 과정마다 다루기가 만만치 않습니다. 그리고 구조물은, 무게도 무게지만 크기도 대형이어서 운송 장비도 SPMT(Self-Propelled Modular Transporter)와 같은 대형 장비를 사용해야 하기 때문에 사고의 위험이 높기 때문입니다.
그래서 해양플랜트의 구조설계는, 이 부분을 전담하는 조직을 따로 운영하기도 하는데, 이 조직이 운송 장비의 선정과정에 참여하는 것은 물론, 장비에 맞는 특화된 설계 업무를 수행합니다.
또한, 운송 도중에 생길 수 있는 사고에 대비해 반드시 보험에 들기 때문에, 보험사에서 설계는 물론 선적과 하역 등 언급한 운송 과정 전반에 걸쳐 확인합니다. 다만, 보험사가 직접 점검할 능력은 없기 때문에 대부분 전문 서비스 회사(MWS, Marine Warranty Surveyor)를 통해 업무를 수행하는 것이 일반적이어서 이 MWS와의 협업 또한 매우 중요합니다.
5) Tie-in or Hook-up
육상플랜트의 경우 기존 설비(Brown Field)가 있어 구조물끼리 연결되는 경우를 제외하면 구조설계에서는 Tie-in의 의미는 크지 않습니다.
하지만 해양플랜트의 고정식(Fixed) Platform의 경우, Jacket을 바다에 설치하고 그 위에 Platform을 올리기 때문에 두 구조물 사이의 연결 부분이 매우 중요합니다. 해양플랜트에서는 Tie-in이라는 용어보다는 Hook-up이라는 용어를 사용하는 것이 일반적이며, 구조물끼리의 연결도 있지만, 전계장 케이블과 배관 등 연결 부위가 많아 연결부의 정보를 초기부터 설계에 반영해야 합니다. 역시 각 공종 간의 협업이 매우 중요한 부분입니다.
이외에도 해양플랜트에는 FPSO와 같은 Floating Type의 고정을 위한 Mooring 등의 업무도 있지만 일반적인 플랜트 업무와는 성격이 다르기 때문에 여기서는 설명을 생략하겠습니다.
PROCUREMENT ENGINEERING
육상플랜트나 해양플랜트 모두 구조설계에서 다루는 자재는 대부분 H-Beam, Channel 등의 형강(Shape Steel)과 Plate가 대부분입니다. 구조물의 강도 때문에 Code에 맞는 자재를 구매해야 하는 등 일부 제약이 있으나 크게 문제 되지는 않습니다. 다만, 토목과 마찬가지로 가설재(假設材, Temporary Resources)가 많아 이 업무에도 많은 시간이 필요합니다.
Vendor Data 역시 토목과 마찬가지로 기계 등 장비를 공급하는 공종에서 Data를 받아서 설계에 반영해야 하기 때문에 구조설계 역시 기계 등 다른 엔지니어와 협업이 매우 중요합니다.
구조설계의 자재 구매 업무도 앞서 설명한 기계 장비 구매업무와 다르지 않기에 설명은 생략하겠습니다.
CONSTRUCTION & COMMISSIONING ENGINEERING
구조설계는 시공업무보다는 철골 제작 업무와 밀접한 관계가 있습니다.
앞서 설명한 대로 육상플랜트는, 원자재를 조립하기 쉽도록 1차 제작(Pre-fabrication) 하여 현장으로 투입하고, 현장에서는 자재를 받아 조립하여 구조물을 완성합니다.
예를 들면, H-Beam을 도면에 맞추어 자른 후 연결을 위한 Bolt Hole을 뚫고 도장(Painting)까지 마친 후 현장으로 투입하면 현장에서는 자재를 받아 구조물의 위치에 맞추어 하나씩 조립해 나가는 것입니다. 이렇게 제작과 설치가 순차적으로 이루어지는데, 이것을 Stick Built라고 하며, 일반적인 육상의 철골 시공방법입니다.
반면에, 해양플랜트는 Yard에서 철골을 제작하고 그 위에 각종 설비까지 설치하여 현장으로 보내는데, 이렇게 완성된 구조물을 Module 또는 Platform이라고 합니다. 그래서 해양플랜트에서는 Module 제작 과정을 시공이라고 하며, 현장(Site)에서 설치하는 것을 Installation이라고 합니다. 참고로 이러한 이유로 해양플랜트에서는 ‘EPC’를 조금 더 구체화하여 ‘EPCIC(Engineering, Procurement, Construction, Installation and Commissioning)’라고 하기도 합니다.
지금까지 구조설계에서 하는 일을 살펴보았습니다.
구조설계는 육상플랜트와 해양플랜트가 비슷한 것 같으면서도 다른 점이 많다는 것을 새삼 깨닫게 됩니다.
플랜트가 완성되고 나면 가장 먼저 눈에 띄는 것이 바로 구조물입니다. 웅장한 구조물을 볼 때마다 구조 엔지니어의 수고를 생각합니다.
대한민국 플랜트 산업의 부흥을 꿈꾸는 자, oksk