견고한 복합 소재 커버, 보고타의 수자원 보호

콜롬비아 보고타의 물 저장 및 공급은 여느 대도시와 마찬가지로 복잡한 과제입니다. 문제는 공급량이 아닙니다. 약 900만 명의 인구가 거주하는 이 도시는 연간 32인치(824mm)의 강우량을 기록하며, 보고타 강이 도시를 관통합니다. 진짜 과제는 이 물을 포집하고 정수한 뒤, 주민과 기업이 필요할 때 언제든 음용 가능한 상태로 저장하는 것입니다. 이를 위해 보고타 수도하수도공사(Empresa de Acueductos y Alcantarillados, EAAB)는 수년에 걸쳐 도시 전역에 59개의 탱크를 건설하여 정수된 물을 저장하고 고객에게 안정적으로 공급해 왔습니다.

이 탱크 중 일부는 외부 요인으로부터 물을 완벽히 차폐하는 밀폐형 탱크입니다. 하지만 다수, 특히 오래된 탱크는 탈착식 커버로 덮인 거대한 콘크리트 저수조 형태입니다. 시우다드 볼리바르(Ciudad Bolivar) 지역에 위치한 '카사블랑카(Casablanca)' 탱크가 바로 그런 경우로, 약 300만 명의 인구에 물을 공급합니다. 카사블랑카는 EAAB 네트워크 내 최대이자 콜롬비아 최대 용량의 물 저장 탱크로, 길이 144m(472ft) × 너비 110m(361ft) × 깊이 9m 규모에 143,000㎥(약 3,800만 갤런)의 물을 저장할 수 있습니다. 탱크 중앙을 가로지르는 콘크리트 격벽이 있어 물을 두 개의 동일한 구획에 나누어 저장합니다.

66년 된 카사블랑카 탱크의 유지보수는 쉬운 일이 아닙니다. 2009년, 탱크 콘크리트 바닥의 균열로 인해 시간당 36만 리터(9만 5천 갤런)의 물이 새어 나가는 것이 발견되었습니다. 폴리우레아 코팅으로 콘크리트를 보수하여 누수를 완전히 차단했습니다. 그러나 콘크리트 위쪽에는 여전히 문제가 남아 있었습니다. 탱크의 물은 콘크리트와 석면이 혼합된 일련의 커버로 보호되고 있었는데, 이는 수질과 인체 건강에 심각한 위협이 되었습니다. 기존 커버는 파손되기 쉽고 유지보수 비용도 많이 들었습니다. EAAB는 더 안전하고 가볍고 내구성 있는 대체재로 기존 커버를 교체해야 했습니다.

거대한 커버, 그리고 엄청난 수량

EAAB는 커버 솔루션으로 복합 소재를 채택하기로 했지만, 프로젝트 규모라는 당면 과제에 직면했습니다. 카사블랑카 탱크 내부에는 커버를 받치는 보 네트워크를 지지하는 콘크리트 기둥들이 격자 형태로 설치되어 있습니다. 이 보들의 간격은 약 7.2m(23.6ft)로, 새로운 커버는 기존 인프라를 활용하기 위해 이 경간을 자립적으로 커버해야 했습니다. EAAB는 이러한 커버를 경량 수지 전이 성형(LRTM) 공법으로 제조할 것을 제안했습니다. 과제는 이 용도에 필요한 크기의 복합 구조물이 콜롬비아에서 LRTM 공법으로 제조된 적이 없었다는 점입니다. 많은 제작 업체들이 이 프로젝트를 감당할 수 없었습니다.

예외는 메데인(Medellín) 남쪽 라 에스트레야(La Estrella)에 위치한 복합 소재 제작 업체 '솔링(Soling, Innovative Engineering Solutions)'이었습니다. 솔링은 2014년 하비에르 모레노(Javier Moreno)가 설립했으며, 그는 콜롬비아 내 여러 복합 소재 제조 회사를 소유·운영하고 있습니다. 솔링의 엔지니어링 코디네이터 로드리고 베르가라(Rodrigo Vergara)는 커버의 크기가 많은 제작 업체에게 진입 장벽이었다고 말합니다. "콜롬비아에서는 부품 크기 때문에 아무도 이런 경험이 없었습니다. 이건 콜롬비아에서 제작된 가장 큰 복합 소재 부품입니다." 하지만 모레노에게 이 크기는 흥미로운 도전이었습니다. "우리 오너[모레노]에게는 '꿈이 이루어진 것'이었습니다." 베르가라가 말합니다. "'불가능'은 그가 이해하지 못하는 단어입니다. 그는 '우리가 해내겠다!'고 말했고, 저는 '좋아!'라고 답했습니다."

솔링은 카사블랑카 프로젝트를 위한 구체적인 솔루션을 제안했습니다. 길이 7.6m, 너비 2.4m(24.9 × 7.9ft) 크기의 돔형 직사각형 복합 구조물 840개를 제작하는 것입니다. 베르가라에 따르면 반원형 돔 설계를 선택한 이유는 "가장 높은 기계적 강도를 가진 기하학적 형태가 원주(원형 단면)이기 때문입니다. 이것이 커버의 자립성을 보장하는 주요 요소였습니다. 동시에 제조 현장에서 설치 현장까지 418km(260마일) 떨어진 거리를 운송할 가장 쉬운 방법을 찾아야 했습니다."

커버는 EAAB 사양에 따라 외부 표면에 블루 겔코트, 내부 표면에 화이트 겔코트를 적용한 LRTM 공법으로 제조됩니다. 유리 섬유 직물과 폴리에스터 수지로 구성되며, 표면적 28.5㎡(207ft²) 크기의 커버 무게는 320kg(705lb)으로 이 중 208kg이 수지입니다. 설계를 확정하고 납품 계약을 맺은 베르가라와 솔링은 제작에 착수했습니다.

완벽한 커버 제작

솔링은 물론 카사블랑카 프로젝트를 혼자 수행하지 않았습니다. 유통사, 자재 공급사, 장비 공급사로 구성된 공급망과 협력했습니다. 유통사 미네프로 SAS(Minepro SAS, 메데인)는 기술 지원을 제공했고, 장비 공급사 매그넘 비너스 프로덕츠(Magnum Venus Products, MVP, 녹스빌, 미국)는 LRTM 공정용 펌프와 보조 장비를 공급했습니다. 자재 공급사는 안데르콜(Andercol, 메데인)로 폴리에스터 수지 매트릭스, 겔코트, 기술 지원을 제공했고, 주시(Jushi, 중국 퉁샹시)는 E-글라스 섬유 직물을 공급했습니다.

제작은 당연히 금형 제작에서 시작됩니다. 관건은 몇 개의 금형이 필요한가였습니다. 이를 결정하기 위해 베르가라는 EAAB의 납품 일정을 맞추기 위한 생산 속도를 먼저 산출해야 했습니다. 이는 현장 설치 조건에 영향을 받았습니다. 새 커버를 내리고 설치하는 동안 수돗물 오염을 방지하기 위해 EAAB는 커버가 설치되는 쪽 탱크 구획의 물을 비우기로 합의했습니다. 카사블랑카의 저장 용량이 절반으로 줄어드는 상황이라, EAAB는 납품과 설치를 최대한 빨리 진행해야 했습니다.

솔링은 EAAB와 협의해 하루 6개 커버를 납품하는 생산 일정을 수립했습니다. 하루 3교대(각 8시간) 운영 체제에서 이는 교대당 1개씩 생산 가능한 금형 2개가 필요함을 의미했습니다. 금형은 사내에서 제작되었으며, 강철 지지 구조로 보강된 유리 섬유 복합 소재의 양면(암수) 금형 설계였습니다.

금형이 완성되자 솔링은 돔을 구체적으로 어떻게 제조할지 정립했습니다. 미네프로, MVP와 협의해 각 금형에 수지 주입구 2개, 진공구 1개를 배치하기로 했습니다. 수지 주입을 위해 MVP는 대량의 수지 공급이 가능한 패트리어트 이노베이터(Patriot Innovator) 대용량 RTM 펌프 장비를 추천했습니다. 또한 터보 오토스프루(Turbo Autosprue) 밸브, 유니버설 커플러, 실, 금형 액세서리도 제공했습니다.

커버 제작 시작 시, 베르가라에 따르면 금형 암형(여성형)에는 화이트 겔코트를, 수형(남성형)에는 블루 겔코트를 분사합니다. 둘 다 안데르콜 제품입니다. 다음으로 주시가 공급한 E-글라스 매트와 직물을 암형에 수작업으로 깔아 넣습니다. 이어 크레인으로 수형을 암형 안으로 내리고 양쪽을 클램프로 고정합니다. 진공을 걸고 수지 주입을 시작합니다. 베르가라에 따르면 커버 하나당 수지 주입은 약 40분 만에 완료되며, 이후 상온에서 경화합니다. 탈형 후 최종 치수로 트리밍하고, 커버 플랜지 표면에 빗물 배수를 위한 피드 채널을 가공합니다.

베르가라는 커버의 거대한 크기와 엄격한 중량·치수 요구사항이 제작상 최대 난제였다고 회고합니다. 주입구 위치 결정과 주입 타이밍 관리는 수많은 시행착오와 기술 전문가 자문을 거쳐야 했습니다. 결국 솔링은 높은 반복성과 신뢰성을 보장하는 제작 공정을 확립했습니다.

"가장 큰 도전은 설치할 부품의 무게였습니다. 기존 구조물의 하중 용량을 초과할 수 없었기 때문입니다." 베르가라가 설명합니다. "이로 인해 모든 부품이 형상과 무게 면에서 동일한 특성을 가져야 했습니다. 이 조건을 보장할 유일한 방법은 반복성을 보장하는 공정을 사용하는 것이었습니다."

완성된 커버는 솔링 공장(메데인 인근)에서 카사블랑카 현장(보고타)까지 418km(260마일) 트럭으로 운송된 후 크레인으로 내려져 지지 구조물 위에 설치되고, 커버가 놓일 보 위에서 작업자들이 위치를 잡았습니다. 커버가 지지 구조물에 기계적으로 고정되지는 않지만, 베르가라에 따르면 "매우 심각한 상황이 발생하지 않는 한" 이동하거나 탈거하도록 설계되지 않았습니다.

솔링은 2019년 초 커버 설계에 착수해 2020년 첫 커버 제작을 시작했습니다. 코로나19 팬데믹과 간헐적인 기계적 문제로 제작이 중단과 재개를 반복했지만, 베르가라는 솔링이 7~8개월 만에 840개 전량 제작을 완료해 2020년 말 마쳤다고 밝혔습니다. 새로운 커버는 교체된 기존 커버보다 수명이 훨씬 길고 유지보수도 훨씬 적게 들 것으로 기대됩니다.

카사블랑카 프로젝트는 베르가라의 말대로 솔링이 고품질·고성능·대형 복합 구조물 제작 업체로서의 역량을 입증했고, 새로운 기회를 여는 계기가 되었습니다. "이 프로젝트는 '이 정도 규모의 부품은 이 제조 공법으로 만들 수 없다'는 패러다임을 깨고 해낸 도전이었습니다." 그가 말합니다. "솔링의 미래에 한 가지는 확실합니다: 우리가 해내지 못할 프로젝트는 없습니다."