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문제 정의
- 인천공항 3단계 제2 여객계류장 포장공사에서는 “공항포장(강성) 장기거동 특성 분석을 통한 설계개선방안 연구”를 위한 기반을 마련하여 연구진과 함께 국내공항 포장설계법을 마련하는데 기초를 구축하고자 노력하였으며, 장기적으로 국가 정책연구로 이끌어 국내 고유의 공항포장 기술을 확보하는데 기여하고자 하였다.
제안 방법
- 3단계 건설사업의 일환인 제2 여객계류장 포장공사는 제2여객터미널 전면에 항공기 56대(접현 37개, 원격 19개, 면적 891천㎡)를 주기할 수 있는 계류장을 만드는 공사로 2014년 8월 착수하여 2017년 10월에 공사를 완료할 계획으로 추진중에 있으며, 계류장 포장설계 있어 1, 2단계 건설시 적용한 미연방 항공청(FAA:Federal Aviation Adminstration) 포장설계 기준 변화에 따른 검토 및 연구결과 적용 현황에 대하여 소개하고자 한다.
- FAA AC150/5320-6C기준에 의해 포장설계를 하였으며, 설계대상 항공기는 장래 초대형 항공기 출현에 대비해 기존 B747-400(397ton) 항공기에 하중을 추가하는 방식으로 B747-400S(492ton)를 적용하고, 다음과 같은 흐름으로 포장설계를 하였다.
- FAA AC150/5320-6D기준에 의해 포장설계를 하였으며, 설계대상 항공기는 초대형 항공기인 A380과 현재(2005년) 운항하는 항공기 중 포장에 미치는 영향이 가장 큰 항공기를 비교 후 B777-300ER(341ton)로 적용하였고, LEDFAA 프로그램으로 차트에 의해 산출한 포장단면을 검증토록 하였으며, 포장설계 현황은 다음과 같다.
- 그나마 국내에서 인천공항 1단계 본 포장 시공에 앞서 연약지반상의 준설 매립된 지반위에 포장이 되고 초대형 항공기의 이·착륙 시 영향에 대한 포장설계 결과의 적용 불확실성에 대한 검증을 위해 포장시험시공 및 시험주행[설계항공기 747-400S(492ton), 축하중 84ton 재하]을 시행하였다.
- 또한, 국내외 사례 조사결과도 상기와 같은 문제점으로 Dowel Type을 적용·사용하고 있음을 고려하여 인천공항 3단계 제2여객계류장 지역에 대한 종방향 시공줄눈은 Dowel Type을 적용하였다.
- 제2 여객계류장 포장은 제트누유에 대한 저항성, 정지 및 저속하중에 의한 저항성, 교통의 반복 및 집중화, 최대하중 재하에 대한 저항성 등을 고려하여 1, 2단계와 동일하게 강성포장(무근콘크리트)을 적용하도록 계획하였으며, 포장설계는 다음과 같이 하였다.
- 콘크리트 포장두께 설계는 하부층을 여러 단면으로 가정하고 각각의 하부층 조건에 따라 FAA 포장설계 프로그램으로 포장두께를 3개 대안으로 산출하였으며, 대안 2안이 비교적 경제적이나 추가적인 교통량 수용과 포장 공용기간을 고려한 LCC 분석 및 계류장 운영특성, 1, 2단계 포장시설의 안정적 운영결과 등을 고려하고, 운영적인 측면에서도 1, 2단계와 동일한 단면을 적용함으로써 단계별 포장 보수계획 수립 시 일관적인 유지관리가 가능토록하여 보수시기 중복발생으로 인한 공항운영 차질(계류장 규모 축소로 인한 용량 감소)을 최소화하는 대안 1을 적용하였다.
- 1단계 활주로 건설이후 공항운영 시 연성포장의 종방향 시공이음부(cold joint)에서 항공기의 반복적인 하중 및 마찰력 작용으로 아스팔트의 골재가 탈락하는 현상이 지속적으로 발생하여 반복적인 보수 및 포장성능이 떨어졌다. 특히 탈락된 골재는 항공기 엔진에 흡입될 우려가 있어 항공기 안전운항을 저해하는 문제가 발생하여, 2단계 활주로 및 유도로 연성포장 시공 시에는 이를 개선하기 위해 종방향 시공이음이 없도록 편대 포장시공을 시행하였다.
- 포장설계 이후 연성포장 7개, 강성포장 6개 단면에 대하여 포장시험시공 및 항공기 하중 시험주행을 ’96년 11월 부터 ’98년 5월까지 약 18개월간 시행하고 시험결과를 기준으로 최종 포장단면을 결정 후 본 포장 시공을 하였다.
성능/효과
- 1,2단계 강성포장 하중전달 시험결과 Dowel Type이 Key Type에 비해 계절적 영향(온도변화)이 적고, 하중전달 효율이 높으며, 활주로 및 계류장 지역에 대한 강성포장 균열조사 결과 Key Type이 Dowel Type보다 균열이 많이 발생하고, Key Type 줄눈부에 대한 균열단면 조사결과 Key Type 부분이 시간변화에 따라 파손이 점차 증가되는 현상을 확인할 수 있었다. 또한, 국내외 사례 조사결과도 상기와 같은 문제점으로 Dowel Type을 적용·사용하고 있음을 고려하여 인천공항 3단계 제2여객계류장 지역에 대한 종방향 시공줄눈은 Dowel Type을 적용하였다.
- 온도 변화에 따라 key joint의 하중전달율이 Dowel Joint의 하중전달율 보다 변화폭이 크며 1차(11월) 제2활주로 조사결과 하중전달효율 불량비율이 Key joint는 12%, Dowel joint는 1%로 조사되었다. 2차 조사(2월)에서 Dowel joint의 하중전달효율은 fair 등급 이상으로 조사되었고, Key joint의 경우 일부 시간대와 39번 계류장은 poor 등급으로 조사되었다. 3차 조사(8월)에서는 key joint 하중전달효율은 fair 등급 이상, Dowel joint는 모두 acceptable로 나타난 것으로 볼 때 Dowel type이 온도변화에 큰 영향없이 하중전달효율이 양호하게 나타나는 것으로 조사·분석되었다.
- 5개 공항의 900,000feet(약 274km) 줄눈을 조사한 결과 Dummy 및 Key Type의 줄눈이 Dowel과 Hinge Type에 비해 줄눈과 관련한 파손(스폴링, 균열)이 많았다.
- 특히 줄눈형식 변경(종방향 시공줄눈 Key Type ⇒ Dowel Type)의 경우 경제성 및 시공성이 떨어지는 방법을 적용하는 것에 대하여 문제 제기가 많아 1, 2단계 포장체를 대상으로 현장 확인시험 및 연구를 진행하였다. 결과를 심도있게 분석한 결과 줄눈 기준 변경의 타당성을 객관적으로 입증하게 되어 3단계 포장의 종방향 시공줄눈은 Dowel Type을 적용할 수 있었으며, 이로써 계류장 강성포장의 장기 공용성을 확보하는데 기여한 것으로 판단하고 있다.
- FAA AC 150/5320-6E에서 콘크리트 포장 줄눈의 용어와 형식이 변경되었으며, 줄눈의 분류기준이 기존의 팽창, 시공, 수축줄눈에서 팽창줄눈(Expansion Joints)의 명칭이 분리줄눈(Isolation Joints)으로 명칭이 바뀌었다. 그리고 주요 변경내용은 기존 Type A(Doweled)가 삭제되고 Type A-1(Reinforced) 형식이 새로 추가되었고, 시공줄눈(Construction Joints)은 기존 Type C-Keyed와 Type E-Hinged는 제외되고 Type E Doweled 형식 하나로 통합되었다.
- 사천공항의 포장 공용기간은 약 38년으로 전면 재포장 공사를 진행중에 있었고, 현장 조사결과 Key Type 줄눈 파손 이후 장기간 이토 등이 충적되어 있음을 확인할 수 있었으며, 기존 Key Type에서 Dowel Type으로 종방향 줄눈형식을 변경하여 시공 중에 있었다.
- 온도 변화에 따라 key joint의 하중전달율이 Dowel Joint의 하중전달율 보다 변화폭이 크며 1차(11월) 제2활주로 조사결과 하중전달효율 불량비율이 Key joint는 12%, Dowel joint는 1%로 조사되었다. 2차 조사(2월)에서 Dowel joint의 하중전달효율은 fair 등급 이상으로 조사되었고, Key joint의 경우 일부 시간대와 39번 계류장은 poor 등급으로 조사되었다.
- 장기적 공용수명 확보로 공항운영의 안정화를 위해 LCC측면에서 포장두께를 비교 분석한 결과 50cm를 적용하는 것이 46cm 대비 성능과 가치는 각각 17%와 30.6% 증가했고, 비용은 10.4% 감소한 것으로 검토되었으며, 검토 결과는 다음과 같다.
- 조사대상 370개 Span중 155개(41.9%) Span에서 종방향 균열발생이 발생하였으며 이중 편측균열 27.6%, 양측균열 14.3%가 발생하였다. 활주로 마킹으로 인해 확인이 어려운 25~30개 Span을 고려할 경우 약 50%의 Span에서 균열이 발생한 것으로 예상 할 수 있다.
- 종방향 균열 폭은 활주로 중심선에 인접할수록 크고, 외측으로 갈수록 작으며, 측정위치별 포장면 종방향 균열 발생 비율은 시공순서 및 Key Type 줄눈의 형상(암 또는 수)에 따라 반복됨을 알 수 있었고, 이를 기준으로 고려해 보면 Dowel Type이 Key Type보다 항공기 하중에 따른 균열 저항성이 높은 것으로 판단된다.
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