요지
최근 몇 년간 국내·외에서는 연평균 10건 이상의 항공기 과주사고가 발생하고 있으며, 이러한 사고를 방지하고자 활주로 종단안 전구역 기준을 설정하였다. 그러나 대부분의 공항은 종단안전구역 기준을 설정하기 전에 시공되어 기존 활주로의 경우 대부분이 활주 로 종단안전구역 기준을 만족하지 못하고 있는 실정이며 자연장애물, 환경, 지역개발 등으로 활주로 종단안전구역의 기준에 부합하도 록 활주로 종단을 확장하기 곤란한 경우가 많다. 이러한 이유로 미연방항공청은 활주로 종단에 항공기 과주방지 포장시스템을 설치하 도록 권고하고 있으며, 현재 많은 미국 공항에서 설치완료 하였거나 설치 중에 있다. 이에 따라 본 논문에서는 국내 기술을 이용하여 항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 재료를 개발하기 위하여 저강도 펄라이트 콘크리트의 기초적인 연구를 수행하였다. 저강도 펄 라이트 콘크리트의 단위중량은 배합조건에 따라 4.5~6.4kN/m
3의 범위를 나타내었으며, 일축압축강도는 400~1,470kN/m
2의 강 도 범위를 가지고 있었다. CBR 시험기를 이용하여 관입압축강도시험을 수행한 결과 전체 높이에서 관입량이 약 60% 이후부터 강도 가 증가하기 시작하였으며, 덤프트럭을 이용하여 관입시험을 수행한 결과 약 40%의 관입량이 측정되었다.
핵심용어
항공기 과주, 활주로 종단안전구역, 항공기 과주방지 시스템, 저강도 펄라이트 콘크리트, 관입량
항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 저강도 펄라이트 콘크리트의 개발 및 적합성 연구
A Suitability Study and Development of Low Strength Perlite Concrete as Aircraft Rapid Arresting System
김 춘 선 Kim, Choon Seon 정회원·정인기술단 전무·연구책임자 (E-mail : [email protected]) 이 영 수 Lee, Young Soo 정회원·정인기술단 전무·박사수료 (E-mail : [email protected]) 하 욱 재 Ha, Wook Jai 비회원·정인기술단 부장·공학석사 (E-mail : [email protected]) 한 재 현 Han, Jae Hyun 비회원·한국교통연구원 책임연구원·공학박사 (E-mail : [email protected])
ABSTRACT
More than 10 different cases of airline overrun accidents happened annually home and abroad in recent years. So the government put the guidelines to protect that kinds of accidents, which is named ‘Runway End Safety Area’. However, the great part of airports are far from the standards, because most of the airports have been built before the guidelines. Moreover, in many cases natural obstacles, ambiance, and local area developments obstruct the extension of the runway to meet the criteria. For these reasons, the Federal Aviation Administration (FAA) recommends that the aviation fields construct ‘Aircraft Rapid Arresting System(ARAS)’at the end of the runway. Many airdromes have been constructing the system and some airports have already completed the construction. In this research, our team performed a basic study about low strength perlite concrete to provide the proper material with ‘ARAS’ . As a result, the unit weight of the low strength perlite concrete was 4.5~6.4kN/m
3and uni- axial compressive strength was measured in the range of 400~1,470kN/m
2. In addition, we tested penetration compressive strength by using CBR tester, and we observed that the strength was increased after around 60% of penetration rate. Also, 40% of penetration rate was measured through the penetration test with dump trucks.
KEYWORDS
aircraft over-run, runway end safety area, aircraft rapid arresting system, low strength perlite concrete, penetration rate 한국도로학회 논문집
제12권 제3호 2010년 9월
pp. 59 ~ 70
1. 서론
오늘날 항공기 기술 개발 및 항공 종사자의 노력으로 인하여 사고율은 감소하였으나 활주로 주변에서 지속적으로 사고가 발 생되고 있는 실정이다. 국내₩외에서는 연평균 10건 이상의 과 주(over-run) 사고 발생으로 고가의 항공기 손상 및 귀중한 인 명피해가 발생되고 있다. 활주로 조건이 완벽하여도 기상조건 및 조종사 과실 등에 의해 활주로에서의 사고는 지속적으로 발 생되나 대부분 활주로는 현행의 활주로 종단안전구역(RESA, Runway End Safety Area)기준을 설정하기 이전에 건설되어 시설기준에 미흡한 실정이다. 국제민간항공기구(ICAO, International Civil Aviation Organization), 미연방항공청 (FAA, Federal Aviation Administration)에는 과주사고에 대비하여 300m(1,000ft) 기준의 활주로 종단안전구역을 설정 하였으며, 국내 항공법에도 300m를 권고하고 있다. 그러나 표 준안전구역으로 확장할 경우 자연장애물, 환경, 지역개발 등으 로 활주로 종단안전구역을 연장하기 위한 공간 확보가 곤란하 여 지형적, 환경적, 경제적 영향으로 활주로 종단 안전구역확 장보다는 과주하는 항공기를 안전하게 정지시키기 위한 수단인 과주방지 포장재의 개발 필요성이 증대되었으며, 우리나라는 ICAO 안전평가 최우수 회원국으로서 국제기준에 부합하는 항 공안전시스템의 지속적인 개발이 필요한 실정이다(건설교통 부, 2009).
공항의 과주방지포장은 활주로 시단(runway threshold)을 이탈하는 항공기를 제동시킬 목적으로 항공기 하중이 작용할 때 확실히 깨진다는 것을 예측할 수 있는 강도를 가지면서 높 은 에너지를 흡수할 수 있는 공학적인 재료로 과주로에 설치하 는 수동적인 급제동시설을 가리킨다. 민간 항공기에 대한 급제 동장치는 국내에서 연구되어진 바가 없는 실정이다.
본 논문은 과주방지포장재에 적합한 재료를 개발하기 위하여 다수의 공극을 포함하는 저강도의 펄라이트 콘크리트를 제작하 였으며 일축압축강도실험을 통하여 과주방지포장재로서의 적 합성을 평가하였다.
2. 항공기 과주방지 포장시스템(ARAS, Aircraft Rapid Arresting System)
2.1. 항공기 과주방지 포장시스템의 개요
항공기 과주방지 포장시스템이란 그림 1과 같이 활주로의 시 단을 이탈하여 과주하는 항공기를 제동시킬 목적으로 항공기 하중이 작용할 때 확실히 깨진다는 것을 예측할 수 있는 강도 를 가지면서 높은 에너지를 흡수₩병합할 수 있는 공학적인 재 료를 활주로 종단안전구역에 설치하는 방식이다.
해외 기술개발 현황은 영국의 왕립항공(RAE, Royal Aircraft Establishment)에서 1960~1970년도에 약한 지반 재료에 의한 급제동시설 연구를 시작으로 1974년도에 왕립항
공에서 우레아 포름알데히드(urea formaldehyde) 폼 재료를 개발하여 코멧 38 항공기로 홍콩 카이탁 공항에 실물크기의 현 장시험 실시하였다.
미국에서는 뉴욕과 뉴저지 공항공단(PANY&NJ)에서 1984년 2월 28일에 발생된 JFK 국제공항에서의 과주사고를 계기로 1986년 공항공단과 ESCO社는 안전한 과주지역을 개 발하는 연구를 시작으로 1993년도에 실물크기의 페놀 품으로 93km/h(50knot)와 111km/h(60knot)로 주행하는 보잉 727항공기를 안전하게 제동시킨 바 있으며, 미연방항공청은 1995~96년도의 추가적인 시험으로 경량기포콘크리트를 선 택하여 시험을 성공한 후에 미연방항공청은 항공기의 과주에 대한 공학적인 재료(EMAS, Engineered Materials Arresting Systems,)를 이용한 과주방지 포장시스템의 설계 기 준 으 로 AC 150/5220-22 기 준 서 를 발 행 하 였 다 (Heymsfield, 2009).
2.2. 항공기 과주방지 시스템의 국·내외 기준
국내 항공법 및 ICAO의 착륙대(strip)의 설치기준은 분류번 호 3,4(계기비행)일 때 폭은 300m, 길이는 60m를 확보하도 록 명시하고 있으며, 활주로 종단안전구역의 길이는 최소한 90m 이상이어야 하고, 분류번호가 3 및 4인 경우는 240m까 지, 분류번호가 1 및 2인 경우는 120m까지 연장되도록 권장하 고 있다(국토해양부, 2009). 미국 미연방항공청에서는 활주로 종단안전구역의 접근등급 C, D의 활주로 종단안전구역의 폭은 150m(500ft)이며, 길이는 300m(1,000ft)을 확보토록 규정
그림 1. 항공기 과주방지 포장시스템의 개념 (a) 항공기 과주방지 포장시스템
(b) 항공기 과주방지 포장시스템 개요
300m 300m 300m
240m 60m150m 150m 60m 120m 180m
105m 105m
300m 150m 75m 150m 300m
하고 있으며, 활주로 종단안전구역에 과주방지 포장시스템을 180m 길이로 설치할 경우 300m의 활주로 종단안전구역 길이 에 상응하는 것으로 간주하고 있고 AC 5220-22a에 과주방지 포장의 계획, 설계, 유지관리를 기준서에 명시하고 있다(FAA, 2002, 2005).
국내 항공안전본부, ICAO, FAA의 활주로 종단안전구역을 비교하면 다음 표 1과 같다. 또한 표준 활주로 종단안전구역 과 과주방지 포장시스템 단면을 비교하면, 그림 2와 그림 3과 같다.
2.3. 항공기 과주방지 포장시스템의 상용화 현황 급제동포장은 현재 미국에서만 상용화되어 사용하고 있으며, 2009년까지 32개공항 48개 종단안전구역에 설치하였다. 과주 방지 포장을 설치한 공항은 표 2와 같으며, 설치된 공항을 분석 한 결과 대부분 지형적인 제한으로 확장이 불가능한 곳에 적용 되었으며, 일부 활주로 종단안전구역 길이를 만족하나 하천과 접해 있어 안전을 고려하여 설치한 공항도 있다.
현 미연방항공청에서는 활주로 종단안전구역이 기준에 적합 하더라도 항공기와 탑승객의 안전을 위한 설치를 권장하는 추세 이다. 설치공항은 대부분이 미국 내 공항에 설치하였으며, 유럽 공항은 2007년 스페인 마드리드 공항에 2개소, 아시아 지역에 는 중국 사천성의 Jiuzhai-Huanglong 공항에 2006년도에 2개 소를 설치하였다(건설교통기술평가원, 2009, FAA, 2006).
표 1. 활주로 종단안전구역 기준 (ICAO CODE 3, 4, 계기비행) 비교 (건설교통기술평가원, 2009)
구 분
ICAO (Runway End
Safety Area)
FAA (Runway End Safety Area)
항공안전본부 FAA표준 FAA (EMAS)
RESA 길이 (일방향)
의무 : 90m 권고 : 240m
300m (1,000ft)
180m (600ft)
의무 : 90m 권고 : 240m
RESA 폭 150m 150m 착륙대폭 이상 150m
그림 2. 표준 RESA와 EMAS 비교(FAA, 2005)
그림 3. 표준 EMAS 표준 단면도(FAA, 2005)
표 2. 과주방지 포장시설 설치공항 (건설교통기술평가원, 2009, FAA, 2006)
공 항 위치`-`설치방향 설치 활주로수 설치년도
JFK International Jamaica, NY -4R/22L 2 1996/2007 Minneapolis St. Paul Minneapolis, MN -12R 1 1999
Little Rock Little Rock, AR -4R/22R 2 2000/2003 Rochester International Rochester, NY -28 1 2001
Burbank Burbank, CA -8 1 2002
Baton Rouge Metropolitan Baton Rouge, LA-13 1 2002 Greater Binghamton Binghamton, NY-16/34 2 2002 Greenville Downtown Greenville, SC-1 1 2003 Barnstable Municipal Hyannis, MA-24 1 2003 Roanoke Regional Roanoke, VA-33 1 2004 Fort Lauderdale International Fort Lauderdale, FL-27R/9L 2 2004 Dutchess County Poughkeepsie, NY-6 1 2004 LaGuardia Flushing, NY-22/13 2 2005 Boston Logan Boston, MA-4R/15R 2 2005/2006 Laredo International Laredo, TX-17R 1 2006 San Diego International San Diego, CA-27 1 2006 Teterboro Airport Teterboro, NJ-6 1 2006 Jiuzhai-Huanglong Sichuan Province, PRC-2/22 2 2006
Midway Chicago, IL-31C/4R/22L/13C 4 2006/2007 Charleston Charleston, WV-23 1 2007
Cordova Cordova, AK-27 1 2007
Madrid-Barajas Intl. Madrid, Spain-33L/33R 2 2007 Manchester Manchester, NH-6 1 2007 Wilkes-Barre/Scranton Intl. Wilkes-Barre, PA-4 2 2008 San Luis Obispo San Luis Obispo, CA-11 2 2008 Chicago-O’ Hare Intl. Chicago, IL-4R, 22L 2 2008 Newark International Newark, NJ-29 1 2008 Charlotte Douglas Intl. Charlotte, NC 36R 1 2008 St. Paul Downtown St. Paul, MN-14/32 2 2008 Worcester Regional Worcester, MA-11 2 2008/2009 Reading City Downtown Reading, PA-31 1 2009
Kansas City Downtown Kansas, MO-19 1 2009
계 32항 48
RUNWAY SAFETY AREA LENGTH RUNWAY
RUNWAY END
EMAS BED
LEAD-IN RAMP
EMAS BED SET BACK BASE
(VARIES)
RUNWAY WIDTH
SIDE SLOPES/STEPS FOR ARFF ACCESS AND PASSENGER EGRESS
2.4. 항공기 과주방지 포장시스템의 특징
항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 재료란 항공기 하중이 작용할 때까지는 포장강도를 예측하여 과주하는 항공기의 높은 에너지를 흡수할 수 있도록 저밀도, 저강도, 다공성의 포장 재 료를 의미하며, 항공기가 활주로 시단을 넘어서 과주하였을 때 활주로 종단안전구역 내에 설치한 과주방지 포장시설에 진입하 게 되면 항공기 바퀴가 포장 속으로 관입되어 항공기 속력에 대한 저항력을 가지게 되면서 항공기를 안전하게 정지시키는 저밀도의 낮은 강도를 갖는 포장시설이다.
과주방지 포장은 설계목적에 적합하도록 적용대상 항공기의 하중이 작용하면 포장이 부서지면서 항공기 바퀴가 관입되도록 많은 공극과 저밀도의 재료로 만들어져 강수나 결빙 등의 기상 작용에 대한 소요의 내구성을 갖추어야 한다. 또한 과주사고 발생 시 포장시설의 파괴로 인하여 파괴된 재료의 엔진 관입으 로 인한 외부물체의 영향을 최소화하도록 고안되어야 한다. 포 장 재료는 구조₩소방차량이 포장재 내로 이동하여 바퀴가 관입 되었을 경우 이들 차량의 진₩출입이 가능해야 하며, 과주방지 포장시설은 예상되는 항공기 후류(jet blast)로 인하여 손상되 지 않도록 설치하고, 이로 인한 손상이 일어나지 않는 재료를 사용하여야 한다. 그리고 재료는 낮은 강도와 저밀도의 재료가 강우나 동결의 기상작용에 대한 내구성과 포장표면의 방수능력 을 갖추어야 한다(FAA, 2005).
과주방지 포장재료는 아래와 같은 영향을 고려하여야 한다.
(1) 강우로 인하여 과주방지 포장의 기능과 운영 효율에 영 향을 끼치지 않을 정도의 내수성이어야 한다.
(2) 해충, 조류, 야생 생물이나 다른 동물 등을 유인하지 않 아야 한다.
(3) 섬광이나 반사가 없어 조종사의 비행에 혼란을 주어서는 안 된다.
(4) 가연성이 아니어야 한다.
(5) 연소를 촉진하지 않아야 하며 설치 후 연소 환경에서 유독 하거나 고약한 냄새가 나는 연무를 방사하지 않아야 한다.
(7）식물성장이 불가능해야 한다.
(8）지역적인 온도특성 범위 내에서 일정한 포장강도와 밀도 특성을 갖추어야 한다.
(9）아래의 항목에 대한 열화의 저항성이 갖추어야 한다.
① 소금 및 염기에 대한 저항성.
② 승인된 항공기와 활주로의 결빙.
③ 항공기 연료, 물의 흐름, 기름.
④ 자외선(ultra violet)의 저항.
⑤ 물.
⑥ 빙결과 해빙.
⑦ 모래와 눈보라.
⑧ 도색.
3. 항공기 과주방지 포장재료 개발 3.1. 펄라이트 특성
3.1.1. 개요
펄라이트는 천연유리이며 진주암이라고도 한다. 펄라이트는 점성의 용암(화산용암)이나 마그마가 지표의 호수로 흘러들어 급격한 냉각에 의해 형성되며, 진주처럼 납빛을 가지며 보통 회색 혹은 푸르스름하나 갈색이나 청색 혹은 적색도 있다. 천 연유리는 본래 다공질 경석과 화산암재, 화산회도 함유하고 있다.
크게 펄라이트라고 하는 광물에는 흑요석(Obsidian), 진주 암(Perlite), 송지암(Pitch stone)등이 있으며, 이런 구분은 화 학성분, 외관 및 함유 휘발분의 양에 의해 구분되어진다. 이러 한 모두를‘펄라이트’라고 칭하기도 한다. 또한 일정온도 이상 으로 가열하여 팽창시킨 팽창 펄라이트도 펄라이트라고 하며 통칭 펄라이트란 이러한 팽창 펄라이트를 말한다(여인동, 2008). 표 3에 펄라이트 구분을 나타내었다.
표 3에 나타낸 펄라이트 원석은 호수의 침전시 연속적인 응고와 함께 휘발분이 유입되어 일반적으로 2~6% 정도의 휘발성분을 함유하고 있다. 원석을 2~3mm 이하로 분쇄하 여 1,000℃ 이상의 고열을 급격히 가하면 함유한 휘발성분 이 가스화하여 연화된 입자의 내부에서 팽창하여 내부기공이 형성된다. 입자의 표면에 형성된 것은 밖으로 분출되면서 펄 라이트는 본래 부피의 10~20배 정도로 물보다 가벼운 초경 량 백색 분체로 팽창하게 되는데 이것을 팽창펄라이트라고 한다.
3.1.2. 구성성분
펄라이트의 구성성분 및 세부구조를 확인하기 위하여 스펙트 럼 성분분석 및 전자현미경 촬영을 수행하였다. 그림 4는 펄라 이트를 2,000배 확대하여 전자현미경으로 촬영한 것이다. 이 는 펄라이트가 가벼운 비중을 가질 수 있음을 보여준다.
펄라이트의 구성성분을 확인하기 위하여 스펙트럼 성분분 석을 수행하였다. 그림 5와 표 4에서 알 수 있듯이 펄라이트 의 대부분은 규소(Si)와 산소(O)가 차지하고 있었으며 표 5 와 표 6에 펄라이트의 화학적 성분과 물리적 성분을 나타내었 다.
표 3. 펄라이트의 구분
구 분 휘발성분 광 택 색상
Obsidian 2％ 이하 glass 흑색, 회색
Perlite 2~5％ 진 주 은회색
Pitch stone 5％ 이상 수지상 흑색, 녹색
3.2. 제작 및 실험방법 3.2.1. 배합비
항공기 과주방지 포장재에 적합한 저강도 콘크리트를 제작하 기 위하여 시멘트와 펄라이트의 체적비를 변화시켜 저강도 펄 라이트 콘크리트를 제작하였다. 시멘트 체적을 기준으로 펄라 이트의 체적을 1:5, 1:6, 1:7, 1:8의 4가지 경우로 구분하였 으며 시멘트 및 펄라이트의 단위중량을 곱하여 1m3제작에 필 요한 배합비를 도출하였다. 이때 물/시멘트비(w/c, %)는 100%로 고정하였다. 일반적인 콘크리트 배합 시보다 물/시멘 트비가 큰 이유는 펄라이트의 흡수율이 크기 때문이다. 펄라이 트 콘크리트 제작에 적용한 물성치는 표 7~8과 같다.
3.2.2. 제작방법
펄라이트를 이용한 저강도 펄라이트 콘크리트의 배합은 그림 6과 같이 펄라이트와 시멘트를 약 30초간 건비빔한 후 계량된 물을 투입하여 5분간 혼합 후 공시체를 제작하였다. 공시체 제 작은 KS F 2403(콘크리트의 강도시험용 공시체 제작 방법)에 의거하여 압축강도용 공시체(Ø10×20cm)를 제작하고 24시 간 탈형 후 기중양생하였다.
3.2.3. 실험 항목
항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 저강도 펄라이트 콘크 리트의 적합성을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하 였다.
(1) 단위용적질량 측정
본 연구에 사용된 펄라이트 골재뿐만 아니라 다른 경량골재 를 이용한 경량 콘크리트 제작에 있어서 시멘트 함유량 및 다 짐횟수는 공시체의 단위중량의 변화에 크게 작용하며, 단위중 량은 공시체의 강도에 큰 영향을 미친다. 이에 따라 굳기전 콘 크리트의 단위용적질량을 측정함으로써 일정한 강도를 가지는
표 4. 펄라이트 구성원소
그림 4. 펄라이트 세부구조(×2,000, 전자현미경 촬영)
구성성분 Si O Na Al K total
중량비(%) 41.63 42.73 1.84 6.89 6.91 100.0
그림 5. 펄라이트 스펙트럼 분석 결과
표 5. 펄라이트 구성 산화물(경동세라텍, 파라셀 기술자료) 성 분 SiO
2AlO
3K
2O Na
2O Fe
2O
3CaO MgO 함유율(%) 70~75 12~16 1.0~4.0 2.5~5.0 0.15~1.5 0.1~2.0 0.2~0.5
표 6. 펄라이트 물리적 성질(경동세라텍, 파라셀 기술자료)
밀 도 공극률
(%)
열전도율 (kcal/mh℃)
사용가능
온도 pH 조립율 색상
0.15 90 내외 0.03~0.05 -250~1,000 6.5~7.5 2.94 백색, 회백색
표 7. 시멘트/펄라이트 체적비
구 분 시멘트/
펄라이트 시멘트
(m
3)
펄라이트 (m
3)
펄라이트 단위중량 (kN/m
3)
시멘트 단위중량 (kN/m
3)
case1 1:5 0.2 1 2 15
case2 1:6 0.17 1 2 15
case3 1:7 0.14 1 2 15
case4 1:8 0.13 1 2 15
표 8. 1m
3제작에 필요한 배합비
구 분 시멘트/
펄라이트
시멘 (kg)
펄라이트 (kg)
물 (kg)
물/시멘트비 (%)
case1 1:5 215 143 215 100
case2 1:6 188 150 188 100
case3 1:7 167 156 167 100
case4 1:8 150 160 150 100
공시체의 제작이 가능하다. 단위용적질량 측정시험은 KS F 2534(굳지 않은 콘크리트의 단위용적질량 측정 및 공기량 시 험방법)에 준하였다.
(2) 일축압축강도 시험
압축강도 시험은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방 법)에 따라 시험용 공시체 높이의 중앙에서 서로 직교하는 두 방향의 지름을 0.05mm의 정밀도로 측정하여 그 평균값을 계 산하고 공시체의 단면적을 구하였으며 높이의 측정도 같은 방
법으로 계산하였다. 재령 7일, 14일, 28일 강도측정을 하기 위 하여 그림 7과 같이 각 재령일에 따라 각각 4개씩 제작하였다.
(3) 관입강도시험
본 연구에서 개발한 저강도 펄라이트 콘크리트가 항공기 과 주방지 포장재료에 적합한지 평가하기 위하여 재료의 관입시 파괴되는 형상 및 관입량에 따른 압축강도를 평가하였다. 관입 실험을 하기 위하여 KS F 2320을 참고하여 CBR 시험기를 이 용하였다. 공시체 제작은 그림 8과 같이 직경 15cm, 높이
그림 6. 펄라이트 콘크리트 제작 순서
(a) 재료 계량 (b) 시멘트+펄라이트 혼합 (c) 물 혼합 후 5분간 믹싱
(d) 혼합 완료 (e) 공시체 제작 (f) 몰드 제거 후 기중양생
(a) 1:5 공시체 제작 (b) 1:6 공시체 제작 (c) 물1:7 공시체 제작 (d)1:8 공시체 제작
그림 7. 일축압축강도시험을 위한 공시체 제작
17.2cm인 CBR몰드에 표 8의 배합비를 이용하여 제작하였으 며, 1mm/min의 속도로 공시체 높이의 80%까지 관입시키면 서 관입비에 따른 강도를 측정하였다.
3.3. 실험 결과
3.3.1. 굳지않은 펄라이트 콘크리트의 단위용적질량 측정 결과 공시체 제작 시 굳지않은 펄라이트 콘크리트의 단위용적질량 을 측정하여 재령일에 따른 일축압축강도와의 상관관계를 분석 하였다. 이러한 과정을 통하여 공시체의 일정한 강도를 확보할 수 있어 일축압축강도 측정시 정확도를 가질 수 있다. 항공기 과주방지 포장용 저강도 펄라이트 콘크리트의 굳기 전 단위용 적질량은 KS F 2534에 의하여 시험하였으며, 3회 측정하여 그 평균값을 적용하였다. 배합비의 변화에 따른 단위용적질량 을 측정한 결과 그림 9에서처럼 시멘트:펄라이트의 체적비가 증가할수록 굳지않은 저강도 펄라이트 콘크리트의 단위용적질 량은 감소하였으며 4.5~6.0 kN/m3의 범위를 나타내었다.
3.3.2. 일축압축강도 시험 결과
항공기 과주방지 포장용 저강도 펄라이트 콘크리트의 일축압 축 강도특성을 평가하기 위하여 표 8 의 배합비를 이용하여 공 시체를 제작하였다. 각 재령일에 따라 공시체 4개를 제작하여 그 평균값을 적용하였으며, 일축압축강도 측정 결과는 표 9 및 그림 10~11과 같다. 그림 10에서 case1, 2의 경우 시멘트 함 유량이 case3, 4에 비해 상대적으로 많이 포함되어 있어 항복 파괴 이후 강도가 감소하는 경향을 나타내고 있으나 case3, 4 인 경우 항복파괴 이후에도 일정한 강도를 유지하였다. 이러한 파괴 양상은 항공기 타이어 관입에 의한 파괴에도 일정한 강도 를 확보할 수 있어 과주하는 항공기의 제동에 적합할 것으로 판단된다.
그림 8. 관입강도시험용 공시체 제작
그림 9. 배합비에 따른 저강도 펄라이트 콘크리트의 굳기전 단위용적 질량
표 9. 배합비에 따른 일축압축강도 측정 결과
구 분
7일 14일 28일
일축압축 강도 (kN/m
2)
단위중량 (kN/m
3)
일축압축 강도 (kN/m
2)
단위중량 (kN/m
3)
일축압축 강도 (kN/m
2)
단위중량 (kN/m
3) case1 1120.45 6.15 1290.21 6.10 1472.71 5.88 case2 1044.05 5.64 1130.00 5.29 1241.41 5.29 case3 539.00 4.57 630.25 4.23 741.66 4.16 case4 308.76 4.09 343.77 3.79 404.25 3.79
(a) case 1 펄라이트 콘크리트 일축압축강도
(b) case 2 펄라이트 콘크리트 일축압축강도
<그림 계속>
배합비
굳기전단위용적질량(kN/m3)변형률(%)
응력(kN/m2)변형률(%)
응력(kN/m2)그림 11(a)와 같이 기중양생한 결과 재령 초기에 수분증발로 인한 단위중량이 감소하였다가 시간경과 후 일정한 단위중량을 나타내고 있다. 그러나 case1인 경우 시멘트와 반응하는 물의 양이 많아서 재령 초기에도 단위중량 감소가 거의 발생하지 않 았다. 그림 11(b)와 같이 case1의 경우 재령 경과에 따른 강도 증가가 크게 발생하였으나 case4의 경우 시멘트량이 상대적으 로 적게 포함되어 있어 재령 경과에 따른 강도증가가 거의 발 생하지 않았다.
공시체의 파괴 형상을 보면 그림 12에서처럼 공시체가 공극 을 많이 포함하고 있어서 상부 압축파괴가 발생한 후 변형률이 증가함에 따라 수직으로 쪼개지는 할렬파괴가 발생하였다.
(c) case3 펄라이트 콘크리트 일축압축강도
(d) case4 펄라이트 콘크리트 일축압축강도
그림 10. 저강도 펄라이트 콘크리트의 일축압축 강도
(a) 재령일에 따른 단위중량 변화
<그림 계속>
(b) 재령일에 따른 압축강도 변화
그림 11. 저강도 펄라이트 콘크리트의 단위중량 및 일축압축강도 변화
(a) 일축압축강도시험 전경
(b) 일축압축강도시험 완료
<그림 계속>
변형률(%)
응력(kN/m2)변형률(%)
응력(kN/m2)재령(일)
단위중량(kN/m3)재령(일)
일축압축강도(kN/m2)3.3.3. 단위중량과 일축압축강도 비교
배합비의 변화에 따라 굳지않은 저강도 펄라이트 콘크리트의 단위용적질량과 28일 기중양생하였을 경우의 공시체의 단위중 량의 변화를 비교하였으며, 그에 따른 일축압축강도의 변화를 비교하였다. 그 결과 표 10 및 그림 13에서처럼 기중양생에 따 른 단위중량의 감소는 시멘트:펄라이트의 체적비가 증가할수 록 단위중량의 감소가 크게 발생하였다. 이러한 이유는 펄라이 트의 양이 증가할수록 펄라이트가 흡수하는 물의 양이 증가하 고, 이에 따라 시멘트와 반응하는 물의 양은 감소하였다. 기중 양생 기간동안 펄라이트가 흡수한 물이 배출됨에 따라 단위중 량이 감소하였으며, 펄라이트가 흡수한 물의 양이 많을수록 단 위중량 감소율은 더욱 증가한 것으로 판단된다. 또한 굳지 않 은 저강도 펄라이트 콘크리트의 단위용적질량과 28일 양생 후 일축압축강도를 비교한 결과 표 10 및 그림 14에서와 같이 시 멘트:펄라이트의 체적비가 1:6 이후 단위용적질량의 감소폭에 비해 일축압축강도의 감소폭이 증가하였다. 이러한 이유는 위 에서 언급하였듯이 펄라이트 양이 증가함에 따라 흡수량이 증 가하여 시멘트와 반응하는 물의 양이 감소하였기 때문인 것으 로 판단된다.
3.3.4. 관입강도실험 결과
본 연구에서 개발한 저강도 펄라이트 콘크리트의 관입비에 따른 하중강도를 측정하기 위하여 그림 16과 같이 기존 CBR 시험장비를 이용하여 직경 5cm의 관입봉을 1mm/min의 속도 로 일정 하중이 증가할때 까지 관입하였다. 시험에 사용된 배 합비는 표 8에서 일축압축강도 및 단위중량이 적게 측정된 case3, 4를 표 8의 배합비를 이용하여 제작하였다. 그 결과 그
(c) 공시체 파괴 형상
그림 12. 저강도 펄라이트 콘크리트의 일축압축 강도시험 및 파괴 형상
표 10. 굳기전 단위용적 질량과 28일 양생 후 단위용적 질량 및 일축압축강도 변화 비교
구 분
굳기전 단위용적 질량
28일 양생 후
단위용적 질량 단위
중량 변화율
28일 양생 후 일축압축 강도 단위중량
(kN/m
3) 감소비 단위중량
(kN/m
3) 감소비 일축압축강도 (kN/m
2) 감소비 case1 6.37 0 5.88 0 7.69 % 1472.71 0 case2 5.88 0.08 5.29 0.1 10.03 % 1241.41 0.16 case3 4.90 0.23 4.16 0.29 15.10 % 741.66 0.50 case4 4.51 0.29 3.79 0.36 15.93 % 404.25 0.73
그림 13. 28일 양생 후 단위용적질량 변화그래프
그림 14. 굳기 전 단위용적 질량과 28일 양생 후 일축압축강도 비교
그림 15. 관입비에 따른 응력 증가 그래프 배합비
단위용적질량kN/m3)
배합비
굳기전단위용적질량(kN/m3) 일축압축강도(kN/m2)
관입비
응력(kN/m2)림 15과 같이 약 20% 관입시까지 응력은 급격히 증가하다가 20~60%의 범위에서는 응력 증가없이 관입비가 증가하였다.
그리고 관입비 60% 이후에는 재료의 압축에 따른 응력이 서서
히 증가하여 80% 이내까지 관입되는 것으로 나타났다. 관입파 괴시 공시체 주변에 균열 및 변위가 발생하지 않고 관입봉에 의해 관입되는 부분만 파괴되었다. 이러한 실험결과는 항공기 가 과주방지 포장시설에 진입하였을 경우 항공기 바퀴가 포장 깊이의 최대 60%까지 관입하여 제동될 것으로 판단되며, 항공 기 바퀴가 관입 후 주변 마찰력의 증가로 인하여 제동거리를 더욱 짧게 줄일 수 있을 것이라고 판단된다.
3.3.5. 차량하중실험 결과
저강도 펄라이트 콘크리트를 활주로 시단에 설치하였을 때 항 공기 하중에 의하여 항공기 타이어가 포장재에 관입되는 형상을 확인하기 위하여 24.5ton 덤프트럭을 이용하여 시험하였다. 시 험에 필요한 포장재를 제작하기 위하여 펄라이트 콘크리트 베드 를 제작하였으며, 저강도 펄라이트 콘크리트 베드 제작에 적용한 배합비는 case3과 case4를 이용하였다. 저강도 펄라이트 콘크리 트 제작을 위한 형틀은 1×1.5×0.3m의 아크릴로 제작하였으 며, 시험을 위한 포장재 베드의 높이는 0.2m로 제작하였다.
차량하중 시험을 위해 그림 17과 같이 부산 ○○○ 해수욕장 공사현장에 case3과 case4로 제작한 저강도 펄라이트 콘크리 트 베드를 설치하였다.
그림 16. case3, 4 관입시험 결과 (a) 관입시험
(b) case3 관입시험 결과
(c) case4 관입시험 결과
(a) 펄라이트 콘크리트 case3
(b) 펄라이트 콘크리트 case4
<그림 계속>
시험에 이용된 덤프트럭은 24.5ton으로 차량무게를 포함한 적 재 하중은 37.8ton이다. 타이어에 걸리는 하중은 표 11과 같다.
덤프트럭 타이어의 접지면적은 실제 현장에서 측정한 결과와
‘타이어의 접지 면적과 비선형 접지압력을 고려한 연성포장내 의 거동분석’(조명환 외, 2006)의 논문을 참고하여 시험에 적 용된 덤프트럭 타이어의 접지면적은 1200cm2으로 결정하였으 며 접지면적을 고려한 타이어 1개에 걸리는 응력은 다음 표 12 와 같다.
저강도 펄라이트 콘크리트의 일축압축강도는 case3은 741.66kN/m2, case4는 404.25kN/m2이었다. 덤프트럭 재하실 험 결과 그림 18에서처럼 case3인 경우는 덤프트럭이 지나가도 균열만 발생하였고 완전 파괴는 발생하지 않았다. 그러나 case4
(c) 포장재 설치
그림 17. 항공기 과주방지 포장 시험 베드의 현장 설치
표 11. 덤프트럭의 축별 하중분포(건설교통부, 2005)
규 격 제1축 제2축 제3축 제4축 계
25.5톤 (4축)
적차시 9,319 (24.1%)
9,457 (24.5%)
9,840 (25.4%)
9,983 (25.8%)
38,599 (100%) 공차시 3,510
(26.8%) 4,590 (35.0%)
2,500 (19.1%)
2,480 (18.9%)
13,080 (100%) 하중 5,809
(22.7%) 4,867 (19.1%)
7,340 (28.8%)
7,503 (29.4%)
25,519 (100%)
24.5톤 (4축)
적차시 8,978 (23.7%)
8,975 (23.7%)
9,899 (26.1%)
9,956 (26.3%)
37,808 (100%) 공차시 3,894
(29.6%) 4,635 (35.2%)
2,315 (17.6%)
2,305 (17.5%)
13,149 (100%) 하중 5,084
(20.6%) 4,340 (17.6%)
7,584 (30.8%)
7,651 (31.0%)
24,659 (100%)
18.0톤 (3축)
적차시 8,985 (31.1%)
9,983 (34.5%)
9,919
(34.3%) - 28,887 (100%) 공차시 5,486
(51.0%) 2,689 (25.0%)
2,569
(23.9%) - 10,744 (100%) 하중 3,499
(19.3%) 7,294 (40.2%)
7,350
(40.5%) - 18,143 (100%)
표 12. 타이어 1개에 걸리는 접지응력
구 분 제1축 제2축 제3축 제4축
적차시 366.60kN/m
2366.48kN/m
2202.10kN/m
2203.27kN/m
2공차시 159.01kN/m
2189.26kN/m
247.26 kN/m
247.06 kN/m
2하중 207.60kN/m
2177.22kN/m
2154.8 kN/m
2156.21kN/m
2(a) 트럭하중 재하
(b) case3 포장재 파손
(c) case4 포장재 파손
그림 18. 덤프트럭 하중재하 실험 및 결과
인 경우는 첫 번째 바퀴에 의해 관입 파괴가 발생하기 시작하여 두 번째 바퀴에 의해 저강도 펄라이트 콘크리트 베드가 완전히 파괴되었다. case4의 관입 깊이는 약 8cm가 발생하였으며, 이는 시험 베드의 높이(20cm)의 40%에 해당하는 관입량이다. 따라 서 항공기 타이어의 접지압력은 약 1,000kN/m2 이상(Boeing, 2005)이므로 일정하중에서 관입비가 60% 이상 관입되는 본 재 료의 특성상 충분한 관입량이 발생할 것으로 예상된다.
4. 결론
본 연구에서는 매년 발생하는 항공기의 활주로 과주사고로 인해 발생하는 피해를 최소화 하고자 국제적으로 활주로 종단 안전구역에 항공기 과주방지 포장시스템 도입의 필요성이 대두 되고 있다. 이러한 국제적 흐름에 따라 항공기 과주방지 포장 시스템에 적합한 재료로 저강도 펄라이트 콘크리트를 연구하였 다. 저강도 펄라이트 콘크리트의 일축압축강도, 굳기전 단위중 량, 재료의 관입시험 및 덤프트럭을 이용한 차량하중 재하실험 을 통하여 항공기 과주방지 포장시스템의 적합성을 평가하였 다. 이와 같은 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 저강도 펄라이트 콘크리트의 굳기전 단위용적 질량을 측정 한 결과 시멘트의 체적에 대한 펄라이트의 체적비에 따라 4.5~6.4kN/m3의 범위를 나타내었으며, 펄라이트의 체적 비가 감소할수록 단위중량은 크게 측정되었으며, 펄라이트 의 체적비가 증가할수록 단위중량은 감소하였다.
2. 재령일에 따라 재료의 저강도 펄라이트 콘크리트의 단위중량 이 감소하였으며, 단위중량의 감소비는 약 7.7~16%의 범 위를 나타내었다. 이는 초기에 펄라이트가 흡수한 물이 시간 이 경과함에 따라 증발하기 때문인 것으로 판단되며, 펄라이 트의 체적비가 증가할수록 펄라이트에 의해 흡수되는 물의 양이 증가함을 알 수 있다.
3. 저강도 펄라이트 콘크리트의 배합조건에 따라 28일 강도는 약 400~1,470kN/m2의 범위를 나타냈으며, case3의 배합 비인 경우 case2에 비해 강도가 크게 감소하였음을 알 수 있다. 이는 펄라이트의 체적비가 증가할수록 펄라이트에 의 해 흡수되는 물의 양이 증가하여 시멘트와 반응하는 물의 양 이 감소하였기 때문인 것으로 판단된다.
4. CBR 몰드에 case3과 case4의 배합비로 시편을 제작한 후 CBR 시험기를 이용하여 관입시험을 수행한 결과 모두 관입 비 20~60%까지 관입응력이 일정하다가 60% 이후부터 관 입강도가 급격히 증가하였다. 이러한 결과는 항공기 접지압 이 과주방지 포장재 관입비의 약 20% 이상의 응력인 경우 포장재의 60%까지 관입될 수 있음을 알 수 있다.
5. 덤프트럭 하중에 의해 파괴되는 형상 및 관입깊이를 관찰하 기 위하여 24.5ton의 덤프트럭을 이용하였다. 덤프트럭의 최대 적재시 하중은 37.8ton으로 앞바퀴 타이어에 걸리는
접지압은 366.6kN/m2이다. 실험결과 case3의 경우 크랙만 발생하였으며, 관입은 거의 발생하지 않았다. 반면 case4의 경우 약 8cm의 관입이 측정되었으며 이는 전체 높이의 약 40%의 관입량이다. 실제 항공기 타이어에 걸리는 접지압은 약 1,000kN/m2 이상으로 일정하중에서 관입비가 60% 이 상 관입되는 본 재료의 특성상 충분한 관입이 발생할 것으로 예상된다.
6. 현재 미연방항공청(FAA)에 과주방지 포장시스템 및 재료 의 적합성을 인정할 수 있는 기준이 마련되어 있다. 그러나 국내에는 과주방지 포장시스템의 도입 및 인증기준이 마련 되어 있지 않은 현실이다. 지속적인 연구와 재료개발을 통하 여 독자적인 과주방지 포장재료 및 국내 기준을 확립하여 항 공선진국의 위상을 높여야 할 것이다.
감사의 글
본 논문은 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원에서 위탁시행한 2007년도 항공선진화사업 (과제명 : 항공기 이탈/손상 방지 시스템 개발. 과제번호 : 36-2007-C-공항)에 의한 것임을 밝 히며 지면을 통해 감사의 말씀을 드립니다.
참고 문헌
건설교통기술평가원(2009), “항공기 이탈/손상방지 시스템 개발연 구 ” , 항공선진화사업 제2차년도 중간보고서.
건설교통부(2005), “건설기계의 시공안전기준(지침) 제정에 관한 연구 ” , 최종보고서
국토해양부(2008), “비행장시설 설치기준 ”, 국토해양부고시 제 2009-346호, pp. 2-15~2-16.
여인동(2008), “펄라이트를 사용한 경량골재콘크리트의 제조 및 VOCs 제거 특성 ” , 석사학위논문. 계명대학교.
조명환, 김낙석, 정진훈, 서영국(2006), “타이어의 접지면적과 비 선형 접지압력을 고려한 연성포장내의 거동분석” , 대한토목학회 논문집, Vol. 26, No.4D, pp. 601~608.
Boeing(2005), “737 Airplane Characteristics for Airport Planning”, 737/BBJ Document D6-58325-6.
Ernie Heymsfield(2009), “Performance Prediction of the Strong Company's Soft Ground Arrestor System Using a Numerical Analysis”, University of Arkansas Department of Civil Engineering.
FAA(2002) “FAA Advisory Circular 150/5300-13; Airport Design”U.S.
Department of Transportation.
FAA(2005), “FAA Advisory Circular 150/5220-22A; Airport Design”U.S.
Department of Transportation.
FAA(2006), “National Plan of Integrated Airport Systems”, Secretary of Transportation, Pursuant to Section 47103 of Title 49.
접 수 일 : 2010. 5. 11 심 사 일 : 2010. 5. 11 심사완료일 : 2010. 8. 19
