- 현수교 PPWS 케이블 가설 공법 및 장비 국산화
- 현수교 케이블 건설 비용 및 공기 대폭 절감 가능
- 지속적인 R&D 투자의 성공 사례, 해외 초장대교량 시장 진출의 원동력
해외 기술 경쟁력 강화를 위한 케이블 개발 방향
최근 경제발전으로 인한 인프라 수요의 증가와 교량기술의 발달로 육지와 섬, 도서간의 연결을 위한 대형 해상교량의 건설 증가하는 추세이다. 나아가 메시나, 지브롤터 등과 같은 해협횡단 프로젝트들이 구상되고 있고 일부는 구체화하는 단계에 있다. 대형 해상교량을 대표하는 형식인 현수교는 앵커리지에 지지된 주케이블에 차량이 통과하는 부분인 보강형이 매달린 구조로. 현존 세계 최장 교량인 일본 아카시대교의 주탑과 주탑사이 중앙경간의 길이가 1991m이다.
중앙경간의 길이는 교량기술 수준을 대표하는 척도이다. 현재 중앙경간의 길이를 3km이상으로 증가시킬 수 있는 기술개발이 진행되고 있다. 중앙경간이 길어지면 바람에 저항하는 내풍안정성의 확보, 보강형 자중 증가 등의 이유로 케이블의 단면이 커질 수밖에 없다. 이로 인해 시공이 힘들어지고 건설비용이 증가와 맞물려 경제성이 떨어진다.
현대건설은 이러한 문제를 해결하기 위해 현수교용 초고강도 케이블 기술을 개발했다. 초고강도 케이블 기술은 인장강도를 극대화하여 케이블의 직경을 크게 감소시키고 주요부재의 물량을 절감하여 경제성을 향상 시킬 수 있는 매우 중요한 기술이다. 아카시대교에 사용된 케이블의 강도가 1770㎫임을 감안하면 이번에 개발된 인장강도 1960㎫급의 초고강도 케이블은 대형 해상 교량의 기술 발전사에 또 하나의 이정표가 될 수 있는 핵심 기술이라 할 수 있다. 현대건설은 초고강도 케이블을 위한 품질기준 개발하고, 품질 인증을 통한 성능 검증을 거쳐 양산시스템을 구축하는 한편, 케이블 가설공법 및 장비 개발도 함께 진행 하고 있다.
초고강도 PPWS 케이블의 품질 기준 개발
PPWS(Prefabricated Parallel Wire Strand)는 소정 지름의 고강도 강선 다수를 육각형 형태로 평행하게 집속한 스트랜드 제품과 스트랜드 단위로 케이블을 가설하는 현수교 주케이블 가설공법을 통칭한다. PPWS 공법은 기존 AS(Air Spinning) 공법과 대비하여 초장대 현수교에서 중요시되는 가설시의 고품질을 보증할 수 있고, 가설 공기를 획기적으로 단축할 수 있다는 점에서 기술적으로 진보한 공법이다.
개발 첫 단계로는 현재까지 적용 사례가 없었던 초고강도 PPWS에 대한 합리적인 품질 기준을 정립하는 것이다. 이를 위하여 국내외 기존 일반 강도 케이블의 품질 규격을 비교 분석하고, 고강도 케이블로서 요구되는 기본 특성 실험을 수행한 결과를 반영하여 초고강도 PPWS 품질 규격을 제정하였다. 케이블의 기계적 특성으로 인장강도, 항복강도 및 연신율 등을 포함하였으며 화학적 특성으로 도금량 및 도금 균일성 등의 기준을 규격화 하였다. 또한 현수교 주케이블용 PPWS의 실용 특성으로서 강선의 직선성을 향상시키기 위하여 강선 방치시의 지름을 의미하는 Free cast diameter와 강선의 들림량을 의미하는 Free lift를 상향 규격화 하였다. 인장강도 1960㎫급 초고강도 PPWS 케이블 품질 규격은 현재 시공 중인 울산대교 주케이블의 품질 규격으로 채택되었다.
고강도 강선 PPWS 품질 인증을 위한 성능 실험
1960㎫ 이상의 초고강도 케이블 제품의 시제품 개발 과정에서 고강도 강선의 품질 확인 실험, 강선 부착 성능 실험, PPWS 소켓 설계/최적화 및 PPWS 제품 제작 과정의 변수를 고려한 다양한 실험을 수행하였고, 그 결과를 성능 인증 기준에 반영하였다. 시제품 개발이 완료된 시점에는 규격화 된 초고강도 PPWS 케이블의 품질 규격 및 해외 실험 기준(PTI, FIB 및 CEB)을 근거로 개발품의 품질을 검증하기 위한 성능 인증 실험을 수행하였다. 또한, 실험의 객관성 확보를 위하여 국내 및 국외의 제3기관에서 실험체의 피로 및 인장 파단 실험을 실시하여 시제품의 성능을 검증하였다.
PPWS 케이블 양산 시스템 구축
개발된 초고강도 PPWS 제품의 안정적인 생산 및 공급을 위하여 PPWS 제품의 제작 절차를 규격화하고 양산 시스템의 체계화를 위한 연구를 수행했다. PPWS의 제작 절차는 △강선 반입 △강선 집진 △스트랜드 제작 △스트랜드 감기 △스트랜드 절단 및 포장의 단계로 구분된다.
초고강도 PPWS 양산 시스템은 현대건설 연구개발본부의 기술지원과 계열사인 현대스틸산업의 투자 협력으로 전남 광양의 율촌 공장에 구축되었다. 국내외 전문가 자문 및 지금까지의 연구 성과를 반영한 철저한 준비와 체계적인 절차를 통하여 PPWS의 양산을 위한 세부 장비 설계, 설비 점검 및 시제품 생산까지 성공적으로 완료하였으며, 현재 울산대교에 납품될 약 5300t 규모의 초고강도 PPWS 제품 양산을 준비하고 있다.
PPWS 가설공법 개발 및 장비 국산화
현대건설은 초고강도 PPWS 케이블 기술개발과 함께 현수교 주케이블용 PPWS 가설장비와 공법을 연계하여 개발함으로써, 자재공급-장비국산화-가설에 이르는 패키지화된 통합 기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있다. PPWS 공법을 적용하기 위한 케이블 가설 주요 장비로는 드라이빙윈치, 로프 언릴러 및 PPWS 언릴러가 있다. 드라이빙윈치는 케이블 가설용 로프 구동장비이며, 로프 언릴러는 케이블 가설용 로프 공급장비, PPWS 언릴러는 케이블(PPWS) 공급장비이다.
이 중 현수교 시공규모를 결정하는 핵심 구동장비는 드라이빙윈치로, 개발된 장비는 주경간장 2km급의 시공이 가능하도록 설계 및 제작된 것으로 전기 인버터 방식으로는 세계 최대의 가설용량인 37t의 성능을 보유하고 있다. 구동 방식면에서 전기 인버터 방식은 기존의 유압 방식의 단점을 모두 극복하면서도 월등한 성능을 실현한 것이다. 동등수준의 기존 해외 유압식 장비와 비교해 보면, 장비 효율면에서 30% 향상되었고 크기면에서는 50% 컴팩트화하였다.
또한, 장비 운영면에서 유압식 장비는 연속운전을 위한 고가의 냉각장치가 필요한 반면 당사의 장비는 이러한 장치가 필요없다. 특히, 수평하중 뿐만 아니라 수직하중에도 저항할 수 있는 구조로 설계되었으며 케이블 가설과 보강형 인양가설이 가능하도록 개발되어 장비의 적용성을 극대화하였다. 장비운영의 유연성을 제고하기 위해 PLC(Programmable logic controller) 프로그래밍 기법을 도입하여 현장에서 문제 발생시 유연하게 대처할 수 있도록 설계하였다.
현재 케이블 가설 주요 장비에 대한 성능시험을 완료하였으며 현장 적용성을 검증하기 위해서 케이블을 제작하여 율촌공장 및 울산대교 현장에서 시운전을 통해 실증작업을 수행할 예정이다.
개발된 장비는 케이블 가설을 위한 가시설의 설치, 주탑정부 탑정 새들의 설치 및 케이블 가설에 사용될 계획이며 보강형 인양에도 적용된다. 케이블 가설 시, 케이블 가설용 홀링로프를 인출입하는 가설시스템으로 1-Reciprocation 형식을 선정하여 가설효율을 제고하였다. 이 시스템은 일단의 앵커리지를 시점으로 하여 케이블을 인출하고 주탑을 통과하여 반대측 앵커리지에 케이블을 정착하면 다시 시점으로 회귀하는 형식으로써 울산대교 현장 여건에 맞도록 최적화하여 시공이 가능하도록 계획되었다.
초장대 교량 분야 기술 선도…2100㎫급 제품 개발 계획
초장대교량 분야의 연구개발은 현대건설 연구개발본부 초장대교량팀의 석박사급 10여명의 전문인력이 참여하여 주도적으로 개발되고 있으며, 시공현장과 관련 사업본부 및 제조부문 계열사의 연계를 통한 시너지가 발휘되어 매우 빠르고 효율적으로 개발되고 있다.
특히, 국가 R&D 사업인 초장대교량 사업단에 참여하여 초고강도 케이블 및 시공법과 해상기초 침하량 예측 기술 개발등을 2014년까지 완료 목표로 총 5년간 64억원의 예산이 투입되고 있다. 초고강도 케이블은 현재 양산 준비 중인 1960㎫급 제품의 후속으로 2100㎫급 제품도 개발하여 명실상부한 세계 최고 수준의 현수교 가설기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
초장대교량팀은 현수교, 사장교 등 케이블 지지 교량의 설계부터 유지관리에 이르는 전 부문에 걸쳐 기술지원과 연구개발을 담당하고 있다. 현재 진행 중인 현수교 PPWS 케이블 개발, 현수교 PPWS 가설장비 및 공법 개발을 외에도 케이블 교량의 가설엔지니어링, 유지관리, 내풍 및 내진 등 케이블 교량 분야의 연구개발을 지속적으로 수행하여 왔다. 또한 연구개발의 성과를 활용하여 마창대교, 제2진도대교 등 사장교의 가설엔지니어링을 자체기술력으로 완료한 바 있다.
현대건설은 세계 최고 수준의 케이블 제작 및 시공 기술을 개발하고 이를 앞세워 국내 시장에서의 점유율을 확대하고 해외 현수교 시장에도 진출할 계획이다. 현재 진행 중인 현수교 PPWS 케이블 개발과 가설장비 및 공법 개발이 완료되어 계획대로 울산대교에 적용되면 현대건설은 계열사내에 케이블 및 보강형 등 현수교 주요 구조시스템의 제작, 설계 및 가설을 자체적으로 수행 가능한 라인업을 구축하게 된다. 이는 긴밀한 협력관계를 통한 시너지효과로 해외 초장대교량 시장에서 현대건설의 기술 경쟁력을 한층 강화할 것으로 기대된다.
서주원 현대건설 연구개발본부 초장대교량팀장
