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문제 정의
- 인천국제공항 2단계 활주로, 유도로 및 계류장 에 어사이드 포장은 변화된 설계항공기와 지반조건을 적용하여 보다 경제적이고 내구적인 구조로 포장설계가 이루어졌다. 또한 1단계 운영시 발생된 포장 문제점들을 보완하여 경제성, 시공성, 품질향상, 안전성 등에서 우수한 공법을 적용하여 최상의 공용성을 달성하고자 하였다. 본 사업에서 연구 검토된 사항이 향후 유사한 사례에서 긍정적인 참고가 되기를 바라며 더욱 발전적인 성과를 기대할 수 있을 것이다.
- 포장설계를 수행한 결과, 1단계 포장설계에 적용하였던 설계항공기 및 지반조건의 변화와 1단계 포장시설 운영으로 발생한 문제점 개선 등에서 1단계와 상이하게 2단계 포장설계에 적용되었다. 본고에서는 인천국제공항의 1단계 포장 시설과 2단계 포장설계 내용을 비교 고찰코자 한다.
제안 방법
- 0Mpa))하였다. 2단계 설계에서도 동일한 설계기준과 층구성 및 FAA 시방을 적용하였으며, 아스콘 중간층 시공시 콘크리트 슬래브 포설전에 반사균열이 발생할 경우에는 균열을 보수토록 시방 및 내역에 반영하였다.
- 이 · 착륙 및 이동에 따른 중하중의 교통이 반복적으로 작용하는 활주로 단부와 이륙시 주로 이용되는 평행유도로 및 활주로 단부에 인접한 연결유도로와 항공기 주기를 위한 계류장은 중하중에 적응성이 양호하며 제트엔진으로부터 유출되는 후폭풍 및 분사열에 내구적이고 유지관리가 비교적 경제적인 한편 연료 누유에 내구적인 콘크리트포장으로 계획하였 고, 항공기가 주로 고속으로 운행하거나 재하하중이 상대적으로 적은 활주로의 중앙부와 고속탈출유도로, 착륙시에 주로 이용되는 평행유도로 및 직각유 도로를 비롯한 기타 유도로는 승차감이 양호하고 연약지반에 순응성이 좋으며 유지보수가 신속한 아스팔트포장으로 계획하였다. 계류장 포장은 제트누유에 대한 저항성, 정지 및 저속하중에 의한 저항성, 교통의 반복 및 집중화, 최대하중 재하에 대한 저항성 등이 요구되는 조건이므로 콘크리트포장으로 계 획하였다.
- 제1, 4 평행유도로는 출발항공기의 지상이동용으로 사용되 므로 출발항공 기의 중(重)하중을 고려하여 시멘트콘크리트포장으 로 하였으며, 도착항공기가 이용하는 제2, 3 평행유 도로 및 그 외의 유도로 구간은 아스팔트콘크리트로 포장하였다. 계류장지역은 저속 및 정지구간임을 감안하여 시멘트콘크리트 포장으로 설계하였다.
- 2단계 포장설계결과는 1단계의 경우와 달리 설계 결과에 대하여 시험시공을 통한 적정성 여부의 확인이 이루어지지 않았다. 따라서 적용한 설계법에 대하여 설계결과를 검증하였다.
- 중앙부(3,150m)는 주행성을 고려하여 아스팔트 콘크리트로 포장하였다. 또한 항공기의 하중분포에 따라 지 역 별로 포장두께를 달리하였다. 제1, 4 평행유도로는 출발항공기의 지상이동용으로 사용되 므로 출발항공 기의 중(重)하중을 고려하여 시멘트콘크리트포장으 로 하였으며, 도착항공기가 이용하는 제2, 3 평행유 도로 및 그 외의 유도로 구간은 아스팔트콘크리트로 포장하였다.
- 1단계 공항포장은 설계당시 새로운 공법을 다수 적용하여 포장의 공용성을 높이고자 하였다. 보조기 층을 비롯한 포장의 전층에 안정처리층을 도입하였으며 콘크리트슬래브 하부에 아스콘 중간층을 포설하였다. 아스콘표층의 소성변형 방지를 위해 수퍼페이브 입도를 적용하였고, 콘크리트슬래브의 하중전 달을 위해 종횡방향으로 다웰바를 설치하였다.
- 보조기층의 두께변화에 따른 최적의 포장두께를 찾기 위해 보조기층의 두께를 변화시켜가며 지지력 을 산출하고 이에 따른 슬래브 두께를 산출한다.
- 아스콘 기층의 경우에는 개질처리하지 않은 FAA 시방에 의한 아스콘층을 적용하였다. 쇄석기층은 최대 골재크기 50mm에7일 압축강도 40kg/cm2(4.0Mpa)의 시멘트 안정처리층으로, 보조기층은 최대골재크기 50mm, 7일 압축강도 lOkg/ctfQ.OMpa)의 시멘트 안정처리층으로적용하였다.
- 아스콘 표층(15cm)은 소성변형을 방지하기 위하여 상부 6cm는 FAA 시방을 적용하고 하부 9cm는 Superpave 입도를 적용하였다. 아스콘 기층의 경우에는 개질처리하지 않은 FAA 시방에 의한 아스콘층을 적용하였다.
- 보조기 층을 비롯한 포장의 전층에 안정처리층을 도입하였으며 콘크리트슬래브 하부에 아스콘 중간층을 포설하였다. 아스콘표층의 소성변형 방지를 위해 수퍼페이브 입도를 적용하였고, 콘크리트슬래브의 하중전 달을 위해 종횡방향으로 다웰바를 설치하였다. 또한 포장표면의 마찰저항을 높이기 위해 그루빙을 적용하였는데 아스팔트포장에도 반영하였다.
- 연간 이륙회수는 1단계 설계시와 비교하여 항공수요예측의 변화에 따른 기종별 운항회수를 산출하 고 2단계 포장설계를 위한 설계항공기의 연간 이륙 회수를 산출하였다. 이를 위해 항공수요 중 연간 운항회수 자료를 활용한다.
- 이 · 착륙 및 이동에 따른 중하중의 교통이 반복적으로 작용하는 활주로 단부와 이륙시 주로 이용되는 평행유도로 및 활주로 단부에 인접한 연결유도로와 항공기 주기를 위한 계류장은 중하중에 적응성이 양호하며 제트엔진으로부터 유출되는 후폭풍 및 분사열에 내구적이고 유지관리가 비교적 경제적인 한편 연료 누유에 내구적인 콘크리트포장으로 계획하였 고, 항공기가 주로 고속으로 운행하거나 재하하중이 상대적으로 적은 활주로의 중앙부와 고속탈출유도로, 착륙시에 주로 이용되는 평행유도로 및 직각유 도로를 비롯한 기타 유도로는 승차감이 양호하고 연약지반에 순응성이 좋으며 유지보수가 신속한 아스팔트포장으로 계획하였다. 계류장 포장은 제트누유에 대한 저항성, 정지 및 저속하중에 의한 저항성, 교통의 반복 및 집중화, 최대하중 재하에 대한 저항성 등이 요구되는 조건이므로 콘크리트포장으로 계 획하였다.
- 이 포장두께를 기본두께로 항공기 이동 하중조건 을 고려하여 3.2항에서 검토된 구역별 단면변화를 반영하였다. 구역별 포장두께를 표 8과 같이 조정하여 적용하였다.
- 공항의 포장시설은 운항하는 항공기의 중량의 정도, 운항속도, 교통의 빈도 등에 따라 구조적으로 단면변화를 적용한다. 이를 위하여 ICAO, FAA, 일본운수성 등 여러기준을 비교하여 결정하였다.
- 이를 위해 항공수요 중 연간 운항회수 자료를 활용한다. 포장설계는 20년 수명을 목표로 기종별 이륙회수를 설계항공기인 B777- 300ER에 대한 등가환산 이륙회수로 산출하였다. 포장설계 입력변수인 설계항공기 등가연간 이륙회 수를 공용기간 2008년〜2027년에 대해 산출한 결과 193,407회/년이 산출되었으며, 이륙용 활주로 수를 고려하여 100,000회를 설계적용 연간 이륙회 수로 선정 하였다.
- 활주로 및 유도로지역 포장설계에 필요한 노상의 지지력을 결정하기 위해 토취원인 오성산의 노상토 지지력을 결정한다. 인천국제공항 1단계 때는 포장하부 노상재료로서 준설토(사질토)가 사용되었으나, 2단계에서는 장애구릉 절취부에서 생산되는 파쇄암을 이용하는 점에서 차이가 있다.
- 활주로 중앙부 안쪽과 고속탈출유도로는 항공기의 고속운항지역이나 저속운항의 경우도 예상되므로 안전한 값을 적용하였다. 활주로 본포장 외측부는 항공기 운항이 드문 지역으로 전이구간을 콘크리트 1블럭크기 (6m)만큼 두고 최외측부는 이에 맞도록 단면 을적용하였다.
- 활주로 바깥쪽 과주로, 노견 등은 항공기 운항이 극히 드문 지역이므로 최소치를 채택하여 경제성을 도모하였다. 활주로 중앙부 안쪽과 고속탈출유도로는 항공기의 고속운항지역이나 저속운항의 경우도 예상되므로 안전한 값을 적용하였다. 활주로 본포장 외측부는 항공기 운항이 드문 지역으로 전이구간을 콘크리트 1블럭크기 (6m)만큼 두고 최외측부는 이에 맞도록 단면 을적용하였다.
대상 데이터
- 한편 경제성 비교 결과 전체 안정처리층의 두께가 15cm일 때 가장 경제적인 것으로 분석되었으나, 미 공군 매뉴얼인 AFJMAN 32-1014 "Pavement Design for Airfields”에서는 시멘트안정처리층이 구조적인 기능을 수행하면서 슬래브두께를 감소시킬 수 있는 최소두께를 15cm(6in)로 규정함에 따라 경제성과 안전성을 모두 만족하고 1단계 시험시공을 거쳐 적정성이 확인된 두께20cm의 린콘크리트층을 기본단면으로 선정 하였다.
- 아스콘 표층(15cm)은 소성변형을 방지하기 위하여 상부 6cm는 FAA 시방을 적용하고 하부 9cm는 Superpave 입도를 적용하였다. 아스콘 기층의 경우에는 개질처리하지 않은 FAA 시방에 의한 아스콘층을 적용하였다. 쇄석기층은 최대 골재크기 50mm에7일 압축강도 40kg/cm2(4.
- 연간 이륙회수는 1단계 설계시와 비교하여 항공수요예측의 변화에 따른 기종별 운항회수를 산출하 고 2단계 포장설계를 위한 설계항공기의 연간 이륙 회수를 산출하였다. 이를 위해 항공수요 중 연간 운항회수 자료를 활용한다. 포장설계는 20년 수명을 목표로 기종별 이륙회수를 설계항공기인 B777- 300ER에 대한 등가환산 이륙회수로 산출하였다.
- 인천공항 1단계 포장시설의 설계항공기는 장래항공기로 선정하되 개발전이므로 가상의 B747-400S로 결정하였으며 최대 이륙중량은 492톤(1, 084, 0001b) 을적용하였다.
- 설계항공기는 운항예상되는 항공기중 가장 큰 포 장두께를 요구하는 항공기로 가장 무거운 항공기를 의미하지는 않는다. 즉 연간이륙회수를 비롯한 기어 배치, 윤하중, 타이어압 등 변수와 장기공용성 등을 종합적으로 고려하여 가장 큰 포장두께를 요구하는 항공기를 설계항공기로 선정한다. 설계항공기 결정을 위한 해당 항공기의 예상되는 연평균 이륙회수에 따른 포장두께는 표 5와 같다.
- 포장설계는 20년 수명을 목표로 기종별 이륙회수를 설계항공기인 B777- 300ER에 대한 등가환산 이륙회수로 산출하였다. 포장설계 입력변수인 설계항공기 등가연간 이륙회 수를 공용기간 2008년〜2027년에 대해 산출한 결과 193,407회/년이 산출되었으며, 이륙용 활주로 수를 고려하여 100,000회를 설계적용 연간 이륙회 수로 선정 하였다.
이론/모형
- 2단계 포장시설의 설계항공기인 B777-300ER 기종은 콘크리트포장에 대해서는 아직 FAA에서 설계 차트를 공식화하지 않았기 때문에 PCA법으로 설계를 수행하였다. 이를 검증하기 위하여 1단계 설계조건에 대해 PCA법으로 포장두께를 산출한 결과 슬래브 두께가 48.
- 슬래브두께는 항공기 제작사에서 제공된 매뉴얼을이용하여 산출하며 이는 PCA설계법 (Design ofConcrete Airport Pavement, Robert G Packard,1973)을 기초로 제작되었다. 콘크리트의 허용응력은 설계휨강도 640psi와 안전율 2를 적용하여 320ps로 산출되었다.
성능/효과
- 또한 FAA에서 공인된 공항포장설계 프로그램인 LEDFAA를 이용하여 포장구조를 산출 비교한 결과, 콘크리트포장의 경우에는 1, 2단계의 설계결과 와 동일한 값을 나타내어 적정한 것으로 판단하였다. 아스팔트포장의 경우에는 설 계 결과보다 LEDFAA 프로그램에 의한 결과가 다소 작게 산출되었으나 구조적인 안전성 및 설계의 일관성을 고려하여 현 설계 법을 준용하는 것이 타당한 것으로 판단하였다.
- 비행장 포장의 구조적인 설계에서 가장 중요한 요점에 설치된 팽창줄눈에 균열이나 파손이 발생되었으며, 맨홀이나 Ditch Box 등 구조물과 포장이 접속하는 부분에 설치된 팽창줄눈에 균열이나 파손이 발생되었다. 또한 Ditch-Box부 인접슬래브에 전반적으로 미세한 헤어크랙이 발생되었다.
- 또한 FAA에서 공인된 공항포장설계 프로그램인 LEDFAA를 이용하여 포장구조를 산출 비교한 결과, 콘크리트포장의 경우에는 1, 2단계의 설계결과 와 동일한 값을 나타내어 적정한 것으로 판단하였다. 아스팔트포장의 경우에는 설 계 결과보다 LEDFAA 프로그램에 의한 결과가 다소 작게 산출되었으나 구조적인 안전성 및 설계의 일관성을 고려하여 현 설계 법을 준용하는 것이 타당한 것으로 판단하였다.
- 2단계 포장시설의 설계항공기인 B777-300ER 기종은 콘크리트포장에 대해서는 아직 FAA에서 설계 차트를 공식화하지 않았기 때문에 PCA법으로 설계를 수행하였다. 이를 검증하기 위하여 1단계 설계조건에 대해 PCA법으로 포장두께를 산출한 결과 슬래브 두께가 48.4cm로 산출되어 FAA법에 의한 결과인 50cm와 유사하므로 PCA법을 이용한 설계는 타당한 것으로 판단하였다.
- 안정처리층 두께 중 5cm는 아스콘 기층을 적용하였으며 이는 1단계 포장시험시공 결과를 반영한 것 으로, 아스콘 기층은 분리층의 목적 외에 공용성 및 안정성 측면에서 부가적인 장점을 얻을 수 있다. 특히 항공등화 시설 설치와 관련하여 수밀성 측면에서 우수하여 아스콘 기층을 분리층으로 시행하는 것이 적정한 것으로 판명되었다.
- 인천국제 공항의 에어사이 드 포장시설은 항공기 의 이 · 착륙 및 지상이동과 주기를 위한 활주로, 유도로 및 계류장으로 구성된다. 포장설계를 수행한 결과, 1단계 포장설계에 적용하였던 설계항공기 및 지반조건의 변화와 1단계 포장시설 운영으로 발생한 문제점 개선 등에서 1단계와 상이하게 2단계 포장설계에 적용되었다. 본고에서는 인천국제공항의 1단계 포장 시설과 2단계 포장설계 내용을 비교 고찰코자 한다.
후속연구
- 또한 1단계 운영시 발생된 포장 문제점들을 보완하여 경제성, 시공성, 품질향상, 안전성 등에서 우수한 공법을 적용하여 최상의 공용성을 달성하고자 하였다. 본 사업에서 연구 검토된 사항이 향후 유사한 사례에서 긍정적인 참고가 되기를 바라며 더욱 발전적인 성과를 기대할 수 있을 것이다.
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