기존 생태통로에 사용되던 프리캐스트 아치 공법에 슈퍼콘크리트를 적용해 높은 강도 발현은 물론 부재 단면 축소, 우수한 내구성 등의 장점으로 유지보수 비용을 절감시킬 수 있는 ‘생태통로형 아치 모듈러 시스템’이 선보여 이목을 집중시키고 있다.
부재 단면 ‘축소’ 유지보수비 ‘절감’ 우수한 강도·내구성 ‘자랑’
최근 지자체별로 무분별한 산지 개발과 도로 건설로 인해 단절된 능선을 복원하고, 야생 생태계 보존을 위해 생태통로 조성에 노력을 기울이고 있다.
또한, 지난 2010년 전후로 시작된 정부의 ‘백두대간 생태축 복원사업’의 일환으로 생태통로에 대한 계획과 시공이 활발히 이뤄지고 있다.
이 같은 생태통로 조성을 위해 현재 현장 여건과 시공 편의성 등을 고려한 개착식 터널 공법이 주로 활용되고 있다.
기존의 개착식 터널공법은 현장에서 터널의 일정 구간에 거푸집을 설치하고, 콘크리트를 타설·양생하는 공정을 반복하는 현장타설 공법과 파형강판을 원형으로 가공하고, 현장으로 운반 후 기계식 이음으로 연결 터널구조를 형성하는 파형강판 공법이 활용되고 있다.
하지만, 현장타설 공법은 반복적인 거푸집 및 철근 작업과 일정 기간의 콘크리트 양생이 필요한 공법으로 공사 기간이 길어지는 것은 물론 현장 내 비산먼지, 소음, 폐기물 발생 등으로 인한 폐해가 많이 발생하고 있는 것으로 알려졌다.
특히, 콘크리트의 품질 저하에 대한 문제점이 지속적으로 제기되고 있는 실정이다.
소형 배수로나 암거, 터널 등에 범용적으로 사용되는 파형강판 공법은 누수, 백태, 녹 발생 등의 문제로 유지보수비용 측면에서 부정적인 시각이 많아졌으며, 최근에는 시공 중 붕괴사고도 발생하며, 현재 활용이 제한되고 있다.
이 같은 현장타설 공법의 문제점들을 극복하기 위해 공기 단축, 시공성과 품질의 향상을 목적으로 PC(프리캐스트) 공법이 확대 적용되고 있다. 개착식 터널 분야에서도 구조역학적으로 우수한 아치 구조를 활용해 외력을 아칭 효과와 축력으로 지지하는 개착식 PC 아치 공법이 활용되고 있다.
개착식 PC 아치 공법은 아치 형상의 PC 세그먼트를 공장에서 일정한 크기로 제작, 운반해 현장에서 연속적으로 가설하는 방식으로 현장타설 공법의 단점을 보완할 수 있다.
문제는 일반 콘크리트 적용으로 운반비용과 공사비가 증가하고, 내구성 저하로 인한 유지관리비용이 증가하고 있다는 점이다.
이에 이 연구에서는 기존 프리캐스트 아치 공법에 슈퍼콘크리트를 더해 높은 강도 성능과 부재 단면축소 및 우수한 내구성능으로 유지보수 비용 절감 등 충분한 경제성을 확보할 수 있는 생태통로형 아치 모듈러 시스템을 선보였다.
연구내용
연구진은 PC 아치 부재의 임시 고정장치 개발 연구와 함께 구조성능 검증, 모듈러 아치 시스템의 상세 설계와 검증 등 크게 3가지 부문에 중점을 두고 연구를 진행했다.
세부적으로 살펴보면, 예상치 못한 충격 또는 하중에 의한 PC 아치 부재의 붕괴를 사전에 방지하기 위해 PC 아치 부재들을 크라운에서 임시로 고정하는 간편한 임시 고정장치를 개발했다.
슈퍼콘크리트를 적용하는 아치 단위 모듈의 경우 기존 PC 아치 부재보다 큰 내하력을 기대할 수 있는 점을 활용해 분절 아치 단위 모듈이 연결되는 크라운도 변단면 구간 또는 단면 확대 구간을 생략하고, 심미성과 작업의 효율성을 극대화했다.
또한, 아치 모듈러 시스템의 프레임 해석을 통한 완성계 해석과 지반공학적 해석을 통한 시공 단계별 해석을 통해 도출된 부재력 검토 후 아치 단위 모듈, 단위 모듈 연결부인 크라운에 대해 각각의 최대 부재력을 적용, 철근을 부분적으로 차등 배근하는 방식을 제안했다.
특히, 슈퍼콘크리트 적용을 통해 단면 상단의 크라운부에 변단면 없는 원형 단면을 구현, 심미적 효과를 향상시켰으며, 루프철근과 갈고리철근을 배치해 아치 단위 모듈 간 강결이 가능토록 설계를 진행했다.
이후 진행한 실험 결과, 콘크리트 물량에 따라 공사비 규모가 결정되는 PC 공법의 특성상 슈퍼콘크리트는 비교 대상인 40MPa 강도 대비 콘크리트 물량과 철근량이 각각 1.4%와 21% 절감되고, 공사비 10.2% 절감되는 것으로 나타났다.
이 같은 연구를 통해 선보인 생태통로용 아치 모듈러 시스템은 기존 개착식 PC 공법을 재료적, 제작성, 심미적 측면에서 개선한 공법으로, 40MPa 강도의 콘크리트를 활용하는 기존 개착식 PC 공법은 물론 현장타설 공법과 비교해도 충분한 품질 경쟁력과 경제성 우위 효과를 거둘 것으로 전망된다.
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시공 편의성 등 현장 작업 최소화 ‘초점’
한국건설기술연구원 김경철 수석연구원은 “이번 연구에서는 효율적인 철근 배근 방식과 철근량 절감을 통해 제작 편의성을 개선했다”며, “또한, 시공 편의성 개선과 현장 작업 최소화를 위해 2분절 아치 단위 모듈 연결부의 임시 고정방식도 개선하는 성과를 거뒀다”고 소개했다.
이어 “특히, 기존 2분절 PC 아치 공법의 경우 부재 연결부인 크라운에서 변단면 구간이 적용돼 원형 본연의 형상이 구현되지 않는 문제점을 개선하기 위해 변단면 구간을 배제하고 터널 단면인 원형 그대로의 심미적 효과를 극대화시켰다”고 밝혔다.
200년 지속형 슈퍼콘크리트가 적용된 이 기술은 콘크리트와 강재 물량 저감을 통해 최대 50%의 이산화탄소 저감이 가능해 탄소 중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
2분절 아치 단위 모듈 연결부 ‘임시 고정방식 개선’ 성과
김 박사는 “또한, 현장타설 공법 대비 20%의 공사기간 단축은 물론 기존 프리캐스트 공법 대비 공사비용을 10% 감축시킬 수 있어 국가 예산 절감에도 기여할 것”이라고 강조했다.
이 기술은 현장 작업 최소화와 모듈러 기술 적용을 통한 고품질과 안전성 확보에도 많은 도움을 줄 것으로 전망된다.
이어 “현재 도시생태축 복원사업에 참여하기 위해 이번에 선보인 슈퍼콘크리트를 적용한 생태통로용 아치 모듈러 시스템은 물론 산악에 필요한 구조물 요구 수요와 용도를 분석해 다양한 분야로 슈퍼콘크리트의 적용 범위를 확대해 나갈 예정”이라고 말했다.
끝으로 김 박사는 “이번 기술의 확대 적용을 위해 국내 지자체와 협의 등을 통해 현장 적용을 확대해 나갈 예정”이라며, “특히, 험준한 산악지형이 많은 동북아시아의 해외 시장 진출을 통해 기술력 확보와 국내 인력의 해외 고용 확대도 추진할 예정”이라고 덧붙였다.
