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장수명 모듈러 ‘해상 교량 시스템’ 상용화 연구 박차

오성덕 기자 | 기사입력 2023/11/14 [14:09]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2023/11/14 [14:09]
장수명 모듈러 ‘해상 교량 시스템’ 상용화 연구 박차
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배가 육지로 도착할 때 배를 댈 수 있도록 바다 위에 지어진 해상잔교 공사 시 신속하고 정밀한 시공, 시공단계별 구조 안전성 확보와 현장타설 최소화로 환경오염을 최소화할 수 있는 기술들이 개발되고 있어 이목을 집중시키고 있다. 

 

염해·동결융해·화학적 저항성 탁월 ‘슈퍼콘크리트’ 적용

자기치유 슈퍼콘크리트 제조 기술 개발 특허출원 마쳐

경사 레벨 오차 보정 ‘수직 오차보정 시스템’도 선봬

‘레고 블록처럼 조립’ 공기 단축 사고 방지 효과 탁월


현재 국내에 설치된 해상잔교와 항만시설 등은 시간 경과에 따라 염소이온 침투, 동결융해, 화학적 침식 등 다양한 원인들로 구조물에 균열이나 박리, 탈락, 철근 부식 등이 발생하며 수명이 단축되거나 유지관리에 어려움이 발생하고 있다.

 

이에 염해·동결융해·화학적 저항성이 탁월한 슈퍼콘크리트를 적용한 장수명 모듈러 해상 교량 시스템의 상용화를 위한 연구가 이뤄지고 있다. 

 

이 연구는 해양 환경에 적합한 슈퍼콘크리트(SUPER Concrete) 적용 장수명 모듈러 해상 교량 시스템의 상용화 기술 개발을 목표로 진행되고 있다. 

 

한국건설기술연구원에서 개발한 슈퍼콘크리트는 압축강도가 80~180MPa로, 일반 고강도콘크리트 강도인 40MPa 대비 2~5배 수준이다. 

 

특히, 마이크로·나노 재료와 내염해성이 우수한 결합재를 사용해 조직이 치밀하고 염소이온 침투 차단과 화학적 침식 억제, 수밀성 향상 등으로 염해와 동결융해, 화학적 저항성이 일반 콘크리트에 비해 탁월하고, 내구수명 200년 이상 확보할 수 있는 세계 최고 수준의 초고강도 콘크리트 기술이다.

 

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연구내용

슈퍼콘크리트를 적용한 모듈러 해상 잔교를 현장에 설치하기 위해서는 구조성능과 다양한 제작 환경을 고려한 제작성과 현장 적용에 대한 검증이 필요하고, 상용화를 위해 경제성이 향상된 슈퍼콘크리트의 배합 기술 개발도 요구된다. 

 

이에 건설연 슈퍼콘크리트 연구팀은 포엠(주)과 함께 현장 적용을 위한 구조성능 확보를 비롯해 다양한 제작 환경을 고려한 제작성, 현장 적용에 대한 검증을 수행하는 한편, 상용화를 위해 경제성이 향상된 슈퍼콘크리트의 배합 기술 개발을 추진하고 있다. 

 

이 기술은 슈퍼콘크리트의 목표 성능인 슬럼프 플로와 압축 강도, 직접 인장강도, 염소이온통과전하량을 모두 초과 달성했으며, 제조원가는 기존 세계 최고 기술 대비 14%~21% 정도 저감돼 슈퍼콘크리트 적용 모듈러 해상 잔교의 적용성 확대가 가능하다. 

 

이와 함께 연구팀은 해양환경에서의 슈퍼콘크리트 적용성 확대를 위해 강섬유 부식 방지와 균열 치유가 가능한 염소제거 미생물을 활용한 ‘자기치유 슈퍼콘크리트 제조 기술’을 개발하고, 특허출원을 마쳤다. 

 

‘시작품 제작 및 구조성능 평가’ 부문에서는 현장 여건을 고려해 현장 타설용과 프리캐스트용으로 시작품을 제작하고, 검증을 진행한 결과 해상 모듈러 잔교의 구조성능은 설계강도를 초과하는 것으로 나타났다. 

 

공사기간도 일반 콘크리트를 적용한 현장타설 공법 대비 공사기간이 28% 단축되는 것으로  확인했다. 

 

‘상세설계’ 부문에서는 단일피어와 다중피어 형식을 개발하고, 구조계산서와 설계도면을 제작했다. 

 

이후 공사비 분석을 수행, 기존 일반 콘크리트 적용 해상 잔교 대비 19% 절감되는 것을 확인했다. 

 

한편, 이번 연구에서 건설연은 슈퍼콘크리트의 장점을 살려 ㈜포엠과 공동으로 현장에서 강관 파일 항타 시 발생할 수 있는 경사와 레벨 오차를 손쉽게 보정할 수 있는 ‘수직 오차보정 시스템’을 선보였다. 

 

이 시스템은 현장 근처 또는 공장에서 미리 제작된 프리캐스트 모듈러 교량 부재를 현장으로 운반해 빠른 시간 내에 레고 블록처럼 조립, 완성하는 교량 형식이다.

 

염해를 비롯해 철근 부식, 동결융해 등 해양환경에서 요구되는 내구성이 우수해 유지관리비용 절감은 물론 현장 작업 최소화와 시공오차 보정 기능 내재로 공사기간 단축과 안전사고 방지 효과도 탁월하다. 

 

또한, 부재 단면 축소와 보강 강재 감소로 제작비와 시공비가 절감돼 건설비용 저감이 가능하고, 콘크리트 현장타설 작업에 의한 해양오염 최소화에도 기여할 수 있다. 해양수산신기술 인증도 취득했다. 

 

기대효과

세계 최고 수준의 200년 지속형 슈퍼콘크리트 적용을 통한 해양 구조물의 수명 100% 이상 증진 효과와 함께 모듈러 해상 교량 시스템 적용으로 해양 시설물의 품질과 안전성이 향상될 것으로 기대를 모으고 있다. 

 

또한, 현장 작업 최소화와 시공오차 보정 기능을 통해 공사기간 단축과 안전사고 방지는 물론 해상 잔교 건설비용과 유지관리비용을 각각 19% 이상, 50% 이상 거둘 것으로 전망된다. 

 

 

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마이크로 등 나노 크기 재료 사용 

내염해성 우수 슈퍼콘크리트 적용

 

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▲ 김경철 수석연구원    

한국건설기술연구원 김경철 수석연구원은 “프리캐스트 콘크리트로 시공된 해상 잔교는 시공단계에서 기초 파일 항타 시 위치 또는 수직 변형으로 인한 오차가 발생할 경우 별도의 맞춤 부재 제작을 위한 설계 수정과 추가 공사 기간이 소요되는 문제점이 있다”고 밝혔다. 

 

이어 “이 같은 문제 해결을 위해 이번 연구에서는 재료적인 측면에서 마이크로와 나노 크기의 재료를 사용하고 내염해성이 우수한 슈퍼콘크리트를 적용했다”며, “기술적인 측면에서는 기존 프리캐스트 형식의 잔교 시스템의 단점을 개선하고, 현장 시공오차를 즉시 개선할 수 있는 시스템으로 구성했다”고 소개했다. 

 

이 같은 성과 도출을 위해 연구팀은 크게 해양환경 맞춤형 슈퍼콘크리트의 경제성 향상 배합 기술을 비롯해 구조성능 검증, 모듈러 해상 교량 시스템의 상세 설계와 현장 실증을 통한 검증 등 크게 4가지 부문에 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 

 

김 박사는 “경제성 향상 배합 기술 부문에서는 구성재료와 배합의 최적화를 통해 경제성을 고려한 배합 기술을 개발했다”며, “제조원가는 기존 슈퍼콘크리트 배합 대비 14% 절감이 가능하다”고 말했다. 

 

이어 “구조성능에 대한 검증 결과 일반콘크리트를 적용한 현장타설 공법 대비 공사기간을 약 28% 단축할 수 있고, 시작품의 설계강도를 초과하는 충분한 내하력을 확보하는 것을 확인했다”고 강조했다. 

 

시작품 설계강도 초과 충분한 내하력 확보 확인

 

그는 또 “모듈러 해상 교량 시스템의 상세 설계 부문에서는 보도교와 차도교 방식으로 구분하고, 현장에 즉시 적용할 수 있도록 구조해석을 통해 표준 단면을 도출했다”며, “이 기술은 일반콘크리트를 적용한 기존 해상잔교 대비 약 19%의 공사비를 절약할 수 있는 것으로 분석됐다”고 설명했다.

 

이와 함께 연구팀은 지난 8월 호수 접안 시설물 수요가 있는 지자체를 대상으로 현재 설계 도면에 맞게 각 부재별 모듈러 형식으로 제작에 들어갔다. 

 

실증 사업을 통해 기술 검증을 수행하는 한편, 해당 지자체의 랜드마크 건설로 이번 기술의 홍보와 함께 사업 확장 기반을 마련해 나갈 예정이다.   

 

이 같은 지자체 적용은 향후 국내의 낙후된 해상 시설물의 새로운 인프라 건설 관광사업으로 지역 경제 활성화에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 

 

김 박사는 “200년 지속형 슈퍼콘크리트 적용으로 콘크리트와 강재 물량 저감은 물론 이를 통한 최대 50%의 이산화탄소 저감도 가능해 탄소 중립 실현에 크게 기여할 수 있다”며, “염해, 철근 부식 등으로부터 내구성이 우수해 유지관리비용이 절감에도 도움을 줄 것”이라고 전망했다. 

 

이어 “또한, 해양 시설물의 현장 작업 최소화와 시공오차 보정 기술 적용을 통해 고품질의 안전한 시설물을 확보할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다. 

 

한편, 연구팀은 해수부와 지자체 등에서 해양 레저 시설과 해양 친수시설의 확충에 필요한 해상잔교와 해상 교량 건설사업 활용에 나설 예정이다. 

 

김 박사는 “앞으로 해상 구조물의 고내구성을 요구하는 수요와 용도를 분석해 다양한 분야로 적용 범위를 확대해 나가고, 국내 지자체와 협의를 통해 현장 적용을 확대해 나갈 예정”이라고 밝혔다. 

 

이어 “특히, 해상 건설환경 맞춤형 경제적인 배합과 공법 등을 개선해 국내 트랙 레코드를 확보하고, 해외 시장 진출에도 나설 계획”이라고 덧붙였다. 

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