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문제 정의
- 또한 한국공항공사에서 운영하고 있는 김포공항 등 국내 14개 공항의 22개 활주로 중 14개가 콘크리트포장으로 건설되어져 있고 많은 공항에서 포장의 노후로 단계적인 재포장이 예상되고 있다. 따라서 본 과업은 합리적으로 포장의 잔존수명을 예측하고, 신설 포장의 조기 파손을 최소화하여 공항 콘크리트 포장의 전반적인 성능 향상을 도모할 수 있도록 역학적-경험적 공항 콘크리트 포장 설계 기준 및 방법을 개발하는 것을 최종 목적으로 한다. 이러한 역학적-경험적 설계법 개발의 기초자료 및 검증 자료인 콘크리트 포장 거동 계측 데이터 확보를 위해 필요한 온도계, 습도계, 변형률계, 변위계 등을 대상 포장 구간 내 매설하였으며 11월 10일 부로 시공이 완료된 상황이다.
- 본 과업에서는 조사, 계측, 실내·외 실험, 구조해석 및 설계연구를 통해 교통하중뿐만 아니라 기존 설계법들이 고려하지 못한 온도하중 및 습도하중까지 설계인자로 반영한 역학적-경험적 설계법을 개발하는 것을 목표로 한다.
- 본 과업에서는 조사, 계측, 실내·외 실험, 구조해석 및 설계연구를 통해 교통하중뿐만 아니라 기존 설계법들이 고려하지 못한 온도하중 및 습도하중까지 설계인자로 반영한 역학적-경험적 설계법을 개발하는 것을 목표로 한다. 연구진은 이러한 설계법을 개발하기 위해 인천국제공항 3단계 건설 사업 현장에 계측기를 설치하여 시공완료한 상태이며, 본 기사에서는 전반적인 계측 계획, 계측기 설계, 시공의 현황 및 시공중 특이사항을 소개하였다.
제안 방법
- 이는 항공기의 종류에 따른 하중을 파악하고, 정확한 항공기 하중의 재하위치를 확인하기 위한 것으로, 항공기의 구분을 위한 전경(광각) 이미지와 항공기 기어의 위치를 확인하기 위한 확대(망원) 이미지로 수집을 계획하였다. 계측 시스템이 구축된 이후 그림 4의 동적하중재하장비(HWD: Heavy Weight Deflectometer)를 통한 포장 건전성, 하중전달률, 지반 지지력 등의 실험을 진행하여 초기 계측 결과를 전반적으로 검토할 것이다. 또한 초기 계측 결과를 통해 센서 설치위치를 확인하고 생존률을 검토할 것이다.
- 본 과업의 연구를 진행하기 위해 계측기를 설치할 위치는 인천국제공항 제2여객터미널 계류장 지역 시설공사 현장으로 그림 3과 같다. 계측기를 통해 항공기 운항에 의한 동적하중 뿐만 아니라 환경하중을 고려하여 복합적인 작용에 의한 슬래브 응력을 검토하고, 환경하중에 의한 포장 거동과 팽창줄눈부의 거동을 분석할 것이다. 계측기의 설치는 인천국제공항의 3단계 시공계획을 고려하여 항공기 운항에 차질이 없도록 하였으며 항공기 주행 방향을 고려하여 포장 층별 매립 위치를 선정하였다.
- 동적 데이터로거에 동적 데이터로거 모듈을 최대 64EA까지 연결할 수 있지만 동적 데이터는 초당 데이터 수집량이 많아 효율적인 데이터 처리 및 관리를 위해 동적 데이터로거를 2개로 나누어 연결하였다. 계측기와 데이터로거를 연결하는 신호케이블은 타설할 경우 손상될 것을 방지하여 린콘크리트 층에 매설하는 방안을 제시하였다. 그림 8은 현장에서 타설 전 계측기와 데이터로거를 연결한 신호케이블 사진이며, 모든 신호케이블은 한 곳으로 모여 계측실 수집장치로 집결된다.
- 구역별 계측기의 평면배치에 대하여 단면내부의 포장층별(슬래브, 기층, 노상) 수량 및 단면 위치를 그림 6과 같이 계획하였다. 동적변형률계의 경우 응력 및 변형이 가장 크게 발생하는 콘크리트 슬래브 상하부에 2점식으로 설치되었다.
- 또한 함수량계와 함수량계 전용 멀티플렉서까지의 거리가 20m 내외에 위치해야 하므로 양측에 함수량계 전용 멀티플렉서를 따로 계획하였다. 동적 데이터로거에 동적 데이터로거 모듈을 최대 64EA까지 연결할 수 있지만 동적 데이터는 초당 데이터 수집량이 많아 효율적인 데이터 처리 및 관리를 위해 동적 데이터로거를 2개로 나누어 연결하였다. 계측기와 데이터로거를 연결하는 신호케이블은 타설할 경우 손상될 것을 방지하여 린콘크리트 층에 매설하는 방안을 제시하였다.
- 앞의 그림 10은 계측계획에 따라 실제 현장에 설치한 계측기와 데이터로거의 모습이다. 동적 및 정적변형률계는 깊이별로 고정하기 위해 슬래브 하단을 기준으로 높이를 측정하여 철제 지그를 제작하였으며, 온도계는 플라스틱 지그를 제작하여 설치하였다. 다수의 계측기가 설치되어 있는 공간에 콘크리트를 타설하기 위해 연구진은 많은 회의를 통해 그림 11과 같은 시공 순서를 고안하였다.
- 함수량계는 정적 데이터를 계측하지만 함수량계 시스템에 사용하는 데이터로거 및 멀티플렉서는 별도로 함수량계 전용 인터페이스를 사용하였다. 또한 함수량계와 함수량계 전용 멀티플렉서까지의 거리가 20m 내외에 위치해야 하므로 양측에 함수량계 전용 멀티플렉서를 따로 계획하였다. 동적 데이터로거에 동적 데이터로거 모듈을 최대 64EA까지 연결할 수 있지만 동적 데이터는 초당 데이터 수집량이 많아 효율적인 데이터 처리 및 관리를 위해 동적 데이터로거를 2개로 나누어 연결하였다.
- 환경하중(온도/ 습도)에 대한 포장 거동분석을 위하여 온도계, 정적 변형률계, 다웰바 변형률계, 함수량계의 매립을 계획하였고, 동적하중(항공기하중)에 대한 슬래브 응력 검토를 위하여 동적변형률계 매립을 계획하였다. 또한 환경하중에 의한 팽창줄눈 거동 분석을 위하여 팽창줄눈이 시공될 2개 구간(D-1, D-2)에 수평변위계매립을 계획하여 줄눈부 내에 발생하는 팽창 및 수축 변위를 계측할 것이다. 온도계는 환경하중에 의한 포장의 거동특성을 확인하기 위해 정적 변형률계와 함께 슬래브 구간 A-1, A-2, B-1, B-5에 일정한 간격 및 각 층별 중심에 매설할 계획이다.
- 온도의 경우 포장체의 깊이별로, 습도의 경우 포장 하부의 주기적 변화를 측정한다. 또한 환경하중에 의한 포장체의 내부 거동과 줄눈에서 콘크리트 슬래브의 Curling으로 발생되는 전단력을 부담하는 다웰바에 대한 응답을 측정한다. 비주기적으로 발생되는 항공기 하중은 정기계측을 통해 측정되며, Triggering에 의하여 저장되는 동적 신호에 대응하여 항공기의 영상 이미지를 저장하도록 계획하였다.
- 보호캡 안을 콘크리트로 채우고 보호캡을 제거해도 계측기가 밀리는 현상이 없을 정도로 주변을 25cm높이 이상 채운 후 보호캡을 제거하는 방식으로 진행하였다. 배합설계의 굵은골재 최대치수가 40mm로 매우 크므로 펌프카를 이용한 다짐은 진행할 수 없었으며, 소형 바이브레이터를 이용한 다짐을 실시하였다. 이러한 과정을 거쳐 타설 완료한 후의 전경은 그림 12와 같다.
- 새로 타설되는 D-1, D-2 구간의 수평변위계가 고정되는 구간을 제외한 부분은 보호박스를 사용하여 콘크리트에 묻히지 않도록 하였다. 변위계의 최대 변위는 50mm이며 수축변위와 팽창변위를 모두 확인하기 위해 최대 변위의 중간값인 25mm를 초기값으로 고정하였다.
- 타설 중 계측기의 망실을 방지하는 것을 가장 중요하게 생각하여 계측기 주변에 보호캡을 설치하였다. 보호캡 안을 콘크리트로 채우고 보호캡을 제거해도 계측기가 밀리는 현상이 없을 정도로 주변을 25cm높이 이상 채운 후 보호캡을 제거하는 방식으로 진행하였다. 배합설계의 굵은골재 최대치수가 40mm로 매우 크므로 펌프카를 이용한 다짐은 진행할 수 없었으며, 소형 바이브레이터를 이용한 다짐을 실시하였다.
- 또한 환경하중에 의한 포장체의 내부 거동과 줄눈에서 콘크리트 슬래브의 Curling으로 발생되는 전단력을 부담하는 다웰바에 대한 응답을 측정한다. 비주기적으로 발생되는 항공기 하중은 정기계측을 통해 측정되며, Triggering에 의하여 저장되는 동적 신호에 대응하여 항공기의 영상 이미지를 저장하도록 계획하였다. 이는 항공기의 종류에 따른 하중을 파악하고, 정확한 항공기 하중의 재하위치를 확인하기 위한 것으로, 항공기의 구분을 위한 전경(광각) 이미지와 항공기 기어의 위치를 확인하기 위한 확대(망원) 이미지로 수집을 계획하였다.
- 동적 변형률계는 항공기 하중에 따른 최대 변형률이 측정될 수 있는 가장 일반적인 방향인 슬래브 끝단에 나란한 방향으로 설치하였다. 온도계는 슬래브중앙에 100mm 간격으로 총 5개, 아스팔트, 린콘크리트층의 중앙에 각각 1개, 하부층에 1개를 설치하였다. A-1, A-2 구간의 슬래브중앙에는 온도계와 같은 간격으로 정적변형률계를 함께 설치하여 환경하중에 의한 포장의 거동특성을 확인할 것이다.
- 비주기적으로 발생되는 항공기 하중은 정기계측을 통해 측정되며, Triggering에 의하여 저장되는 동적 신호에 대응하여 항공기의 영상 이미지를 저장하도록 계획하였다. 이는 항공기의 종류에 따른 하중을 파악하고, 정확한 항공기 하중의 재하위치를 확인하기 위한 것으로, 항공기의 구분을 위한 전경(광각) 이미지와 항공기 기어의 위치를 확인하기 위한 확대(망원) 이미지로 수집을 계획하였다. 계측 시스템이 구축된 이후 그림 4의 동적하중재하장비(HWD: Heavy Weight Deflectometer)를 통한 포장 건전성, 하중전달률, 지반 지지력 등의 실험을 진행하여 초기 계측 결과를 전반적으로 검토할 것이다.
- 정적데이터의 경우 정적 데이터로거 2개와 멀티플렉서 10개를 통해 온도계, 다웰바 변형 률계, 정적 변형률계, 수평 변위계를 모두 연결하여 데이터 수집을 진행한다. 정적 데이터로거 한개당 멀티플렉서는 최대 7개의 연결이 가능하며, 멀티플렉서 한개당 계측기는 최대 16개를 연결할 수 있음을 고려하여 계획하였다. 함수량계는 정적 데이터를 계측하지만 함수량계 시스템에 사용하는 데이터로거 및 멀티플렉서는 별도로 함수량계 전용 인터페이스를 사용하였다.
- 그림 9는 계측기 설치 계획 구간의 시공 일정을 보여주고 있다. 정적변형률계, 온도계, 함수량계가 설치된 A-1, A-2구간과 동적변형률계, 수평변위계가 설치된 C-3구간을 11월 1일 타설하였으며, 동적변형률계, 온도계, 다웰바 변형률계가 설치된 B1, B-5구간을 11월 2일에 타설하였다. 동적변형률계가 설치된 C-1구간은 11월 3일에 설치하였으며, 다웰바 설치를 위한 양생기간이 필요하여 약 일주일 후인 11월 10일에 B-2, B-4, B-6, C-2를 포함한 가운데 슬래브를 모두 타설하였다.
- 이러한 장기계측 데이터는 일단위의 단주기 거동과 년 단위의 장주기 거동을 포함한다. 콘크리트 슬래브 거동의 정기계측은 하중의 작용 시 구간별 단면별 각 계측기의 응답을 측정한다. 이러한 정기계측 데이터는 하중별/구간별/단면별 구분에 따른 측정 데이터 시계열 파일로 저장된다.
- 수평변위계는 깊이별 수평변위 차이를 계측하기 위해 팽창줄눈부의 상중하 3개소에 설치하였다. 팽창 줄눈부의 기존 타설된 슬래브에 5cm 직경의 구멍을 12cm 깊이로 천공하고 끝단에 지그앵커를 고정하는 방법으로 설치하였다. 새로 타설되는 D-1, D-2 구간의 수평변위계가 고정되는 구간을 제외한 부분은 보호박스를 사용하여 콘크리트에 묻히지 않도록 하였다.
- 포장 거동을 분석하기 위한 계측 데이터는 각각의 하중 특성을 고려한 측정 목적에 따라 표 1과 같이 분류하였으며, 측정 빈도에 따른 데이터의 구성 및 저장방법을 표 2와 같이 정리하였다. 상시계측은 매 10분 단위로 데이터를 생성하여 일 144개, 연간 약 52,000개의 데이터를 확보하게 된다.
- 그에 따른 계측기 종류 및 수량은 표 3과 같다. 환경하중(온도/ 습도)에 대한 포장 거동분석을 위하여 온도계, 정적 변형률계, 다웰바 변형률계, 함수량계의 매립을 계획하였고, 동적하중(항공기하중)에 대한 슬래브 응력 검토를 위하여 동적변형률계 매립을 계획하였다. 또한 환경하중에 의한 팽창줄눈 거동 분석을 위하여 팽창줄눈이 시공될 2개 구간(D-1, D-2)에 수평변위계매립을 계획하여 줄눈부 내에 발생하는 팽창 및 수축 변위를 계측할 것이다.
- 공항 포장에 작용하는 하중은 크게 상시적으로 작용하는 환경하중과 비주기적으로 작용하는 항공기하중으로 분류할 수 있다. 환경하중의 경우 본 연구에서는 상시계측을 통해 일주기, 년 주기를 갖는 온도 및 습도에 대하여 계측을 계획하였다. 온도의 경우 포장체의 깊이별로, 습도의 경우 포장 하부의 주기적 변화를 측정한다.
대상 데이터
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4. 계측기 설계
계류장 지역에 슬래브를 구역별로 구분하였으며, 항공기 유도선을 고려하여 직선부와 곡선부 계측기 설치 위치를 그림 5와 같이 선정하였다. 그에 따른 계측기 종류 및 수량은 표 3과 같다.
- 계측기를 통해 항공기 운항에 의한 동적하중 뿐만 아니라 환경하중을 고려하여 복합적인 작용에 의한 슬래브 응력을 검토하고, 환경하중에 의한 포장 거동과 팽창줄눈부의 거동을 분석할 것이다. 계측기의 설치는 인천국제공항의 3단계 시공계획을 고려하여 항공기 운항에 차질이 없도록 하였으며 항공기 주행 방향을 고려하여 포장 층별 매립 위치를 선정하였다.
- 포장 거동을 분석하기 위한 계측 데이터는 각각의 하중 특성을 고려한 측정 목적에 따라 표 1과 같이 분류하였으며, 측정 빈도에 따른 데이터의 구성 및 저장방법을 표 2와 같이 정리하였다. 상시계측은 매 10분 단위로 데이터를 생성하여 일 144개, 연간 약 52,000개의 데이터를 확보하게 된다. 이러한 장기계측 데이터는 일단위의 단주기 거동과 년 단위의 장주기 거동을 포함한다.
- 함수량계는 하부층 함수비 변화를 계측하기 위해 하부층 슬래브의 끝단에 설치한다. 수평변위계는 깊이별 수평변위 차이를 계측하기 위해 팽창줄눈부의 상중하 3개소에 설치하였다. 팽창 줄눈부의 기존 타설된 슬래브에 5cm 직경의 구멍을 12cm 깊이로 천공하고 끝단에 지그앵커를 고정하는 방법으로 설치하였다.
- 계측기와 데이터로거 연결 시스템은 그림 7과 같다. 정적데이터의 경우 정적 데이터로거 2개와 멀티플렉서 10개를 통해 온도계, 다웰바 변형 률계, 정적 변형률계, 수평 변위계를 모두 연결하여 데이터 수집을 진행한다. 정적 데이터로거 한개당 멀티플렉서는 최대 7개의 연결이 가능하며, 멀티플렉서 한개당 계측기는 최대 16개를 연결할 수 있음을 고려하여 계획하였다.
후속연구
- 계측 시스템이 구축된 이후 그림 4의 동적하중재하장비(HWD: Heavy Weight Deflectometer)를 통한 포장 건전성, 하중전달률, 지반 지지력 등의 실험을 진행하여 초기 계측 결과를 전반적으로 검토할 것이다. 또한 초기 계측 결과를 통해 센서 설치위치를 확인하고 생존률을 검토할 것이다.
- 하지만 기존의 공항포장 설계법들은 교통하중에 대해서는 고려하고 있지만 환경하중에 대한 고려는 부족한 실정이다. 본 연구진은 국외 현황과 인천공항 사례를 보다 면밀히 조사, 분석하고 기존 문제점 및 국내 적용의 한계점을 파악하여 그림 2와 같은 방향으로 합리적 설계프레임 구축을 위한 다양한 방안을 검토할 것이다.
- 이러한 역학적-경험적 설계법 개발의 기초자료 및 검증 자료인 콘크리트 포장 거동 계측 데이터 확보를 위해 필요한 온도계, 습도계, 변형률계, 변위계 등을 대상 포장 구간 내 매설하였으며 11월 10일 부로 시공이 완료된 상황이다. 추후 수집되는 데이터 분석 및 HWD를 통한 초기계측을 통해 계측기의 생존여부를 확인할 것이며, 시공 구간의 양생이 완료되는 시점부터 계측기 설치구간 및 인근 비교구간을 선정 후 Profiling을 실시하여 연구가 진행되는 중 슬래브의 변화양상을 기록할 것이다.
- 이러한 과정을 거쳐 타설 완료한 후의 전경은 그림 12와 같다. 타설 전, 중, 후로 나누어 계측 데이터를 점검한 결과 동적변형률계 1개와 다웰바변형률계 1개를 제외한 나머지 계측기는 모두 정상적인 범위 내의 데이터 값을 보였으며 추후 데이터 분석을 통해 일주기 경향을 분석하여 추가적인 계측기 이상여부를 판단할 예정이다.
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