1900년대초에 북미에서 적용되어 전세계적으로 1,000,000개소 이상 시공되어 공용중인 파형강판 (CSS: Corrugated Steel Structure)을 우리나라는 100여년이 지난 1996년부터 POSCO, 한국도로공사, 서울대학교, 한양대학교등과 전문업체의 실용화 연구를 통하여 국내시장에 적용되었습니다. 이를 기반으로 2000년대부터 도로 횡단 통로, 수로와 지방 소하천, 동물 이동 생태통로, 피암터널등에 광범위하게 적용되고 있습니다. 시공 중 기존의 차량통행의 통제를 최소화하는 장점과 경제성을 바탕으로 기존의 철근 콘크리트공법과 함께 보편적인 신규 공법으로 20년동안 국내에 약 5000개소의 파형강판 구조물이 설치 운영되고 있습니다.
그러나, 공법의 여러가지 장점과 급속도로 발생하는 수요에 대하여 초기에는 국가설계기준, 시방서에 상세한 부분의 설명이 부족하였으며, 강성 구조체에 익숙한 철근콘크리트의 역학적 거동으로 인식하여 파형강판 구조물의 연성구조체의 안정성에 가장 중요한 요소인 뒷채움 재료 및 뒷채움 다짐도에 대한 이해 부족과 전문 엔지니어링 지원 부족으로 파형강판의 변형등의 문제가 간헐적으로 발생하였습니다.
이를 개선하기 위하여 ChungAmEnC는 여러 관련기관들과의 연구개발을 통하여 관련기준을 지속적으로 개선 보완하였으며, 국내,외 실패사례를 토대로 실제 시공시 발생 가능한 문제를 사전에 최적화된 설계 솔루션을 제공합니다. 최적화된 솔루션으로는 Virtual Construction: 단계별 예상 공정에 대한 3차원 시스템 (BIM LoD: 350 / Tekla, Trimble)과 3D Scanning (Leica P30 System, Cyclone)을 통하여 시공단계별 발생할 수 있는 Error를 최소화 하였습니다. 또한, 3D FEM, 3D Printing과 경관디자인 솔루션을 제공함으로써 그동안 고객이 느꼈던 설계의 불확실성, 시공의 불안감을 넘어선 세계 최고의 솔루션을 지속적으로 개발하고 제공하는 기업이 되도록 최선을 다하겠습니다.
Histroy of CSS
1896년에 미국 토목기술자인 James. H. Watson과 Stanley Simpson의 특허로 시작하여, 북미지역에서는1930년대까지는 작은 배수로에 적용을 하였으며, 1900년대 후반까지는 최대Span을 11m까지 적용하여 소교량, 통로, 군사시설물 (탄약고)에 확대 적용하였습니다. 2000년대부터 Span을 23m까지 확장하여 생태터널, 광산 Stockpile, Reclaim Tunnel, 군사시설물 (격납고)등에 확대 적용하였습니다. 2014년~2016년 청암EnC의 초대골형 파형강판 (EXSCor) 연구개발과 상용화 성공으로 최대 Span을 40m까지 확대하였습니다. Span확대과 함께 활하중(Live Loading)에 대하여 과거에 적용하지 못하였던, 광산트럭인 CAT 797F (약 620톤), EURO LM71등의 최대하중을 충분히 만족하여, 다단계 공정의 콘크리트구조물보다 경제성, 안정성과 시공성에서 충분한 경쟁력을 갖추고 있습니다. 또한, 초대골형 파형강판(EXSCor)은 한국(KDS, KCS)은 물론, 미국 AASHTO LRFD, ASTM A796M에 설계기준에 따른 공법 및 제품으로 등재되어있습니다.
FAQ 軍방호시설물
Q.1 기존 강재로 설비된 일부 엄체호를 보면 왕왕 녹이 많이 슬어서 외관과 성능상 부정적이므로 이에 대한 대응 방안은?
A.1 기존 강재로 설비된 엄체호의 두께는 3mm내외의 아연도금강판입니다. 아연도금이 되어있으면 아연의 ‘희생부식’ 방식에 의하여 강재의 부식을 방지하는 효과가 있습니다. 하지만, 강재의 아연도금처리는 先처리아연도금, 後처리아연도금으로 구분할 수 있습니다.
첫번째로 아연도금이 先처리되어 생산된 ‘코일’ 형태의 강재 사용 시에는 엄체호에 사용되는 파형강판을 가공하기 위하여 後가공과정을 하게 됩니다. 가공과정은 곡률을 성형하며 낱장의 강판을 연결하기 위하여 ‘볼트홀’을 가공하게 됩니다. ‘볼트홀’을 가공한 이후에는 ‘볼트홀’의 구멍 난 단면은 ‘아연도금’된 상태가 아닌 일반강재로 변하게 되어, 절단부분에서 적청(녹)이 발생하여 주변으로 녹이 퍼지게 됩니다. 또한, 先처리된 ‘코일’ 형태의 아연도금강재는 아연도금량이 600g/m2(양면기준)임에 따라서 사용시간과 엄체호 내부 항공기 분출 가스의 영향으로 아연도금량은 줄어들게 되며, 엄체호의 내구성과 유지관리성에 영향이 큽니다.
두번째 방식은 생산된 강재에 아연도금을 後처리하는 방식입니다. 구조물의 내하력에 맞춘 고강도강재를 사용하여, 가공 공정(곡률성형, 볼트홀 가공)과 모든 품질검수 과정을 완료한 이후에 아연도금을 後처리하는 방식입니다. 後아연도금처리 방식은 가공전에 발생한 강재의 ‘측면부’ ‘볼트홀’ 전체를 아연도금처리가 되기 때문에 부식에 의한 적청(녹)은 발생하지 않습니다. 後처리 아연도금방식의 아연도금량은 900g~1200g/m2(양면기준)에 따라서 先처리 아연도금강재와 비교 시 내구연한이 1.5배~2배가량 증가합니다.
계획단계 및 시공 후에 아연도금처리 후에 잔존아연도금두께를 계획/측정함으로써 구조물의 잔존연한을 판단할 수 있습니다. 아연도금의 부식속도는 아래표와 같습니다.
▶︎년간 부식속도를 반영한 잔존연한 계산(例)입니다.
先처리 아연도금강재 (00공군기지) ‘21년에 측정 시에 방호벽의 잔존아연도금의 두께는 32μm이므로,
ⓔ 32μm ÷ 4μm = 8년이므로, 이후에는 모재(母材)인 강재에 적청(녹)이 발생할 수 있습니다.
後처리 아연도금강재 (중앙고속도로) ’97년에 시공완료하였으며, ’21년 잔존아연두께 측정결과는 92μm이므로,
ⓔ 92μm ÷ 4μm = 23년이므로, 계획단계의 40년 이상의 내구연한을 만족합니다.
A.1 부식(적청발생)/소결: 先처리된 아연도금강재를 사용은 구조물의 내구연한이 미검토된 사항에서 발생하는것 임에 따라서, 강재가 구조물의 주부재로 적용 시에는 後아연처리된 강재를 사용한다면 적청(녹)은 일반조건에서 40년 이상 발생하지 않습니다. 일례로 도로의 가드레일은 後처리 아연도금강재를 사용함으로써, 차량충돌 보호 요구성능에 준한 강재와 함께 내구연한을 만족합니다.
Q.2 강재가 배면 파쇄예방에 효율적이라 하는데 어차피 강재는 통으로(one piece) 제작되는 것이 아닌 조각조각 잇기 때문에, 오히려 이음 부분이 취약하진 않은지?
A.2 ‘03년 3월 육군사관학교 화랑대연구소(김운영교수) 주관으로 연천다락대에서 폭발시험에서 ‘배면파쇄’에 대한 방호충족성을 확인하였습니다. 하부기초는 철근콘크리트(RC)로 설치되었으며, 상부구조체는 파형강판으로 설치되어 TNT와 실제폭탄 155mm를 ADD와 EOD협조하에 실시하였습니다. 결과는 파형강판은 동일한 조건에서 탄성영역범위 내에서 거동이 확인되었으나, 철근콘크리트(RC)는 균열발생과 함께 파괴가 발생하여, 배면파쇄의 충족성을 만족하지 않습니다.
Q.3 일부 의견이지만 이음 체결 볼트가 오히려 파편 역할을 할 수도 있다는데?
A.3 ‘03년 원형파형강판의 한계변형상태까지 폭발시험을 수행 결과 파형강판의 좌굴이 발생 시에도, ‘이음부’에 대한 변형보다는 ‘볼트홀’ 주변의 찟김 현상이 발생함에 따라서 ‘이음부’에 대한 우려는 없습니다. 볼트’가 폭발충격에 의하여 분리되어 파편이 될 수 있는 우려는 시험결과를 통하여 ‘파편’이 될 수 없음을 확인하였으며, ‘14년에 한국강구조학회 주관으로 볼트체결의 방향성에 대한 방호성능시험을 수행함에 따라서 급격한 충격에 ‘강판’의 국부좌굴이 발생하더라도 ‘볼트’가 분리되지 않는 시험결과입니다.
A.2,3 배면파쇄, 이음부/소결: 파형강판은 낱장으로 현장에서 볼트로 조립하는 구조체입니다. 순간적인 폭발압(0.05초)에 ‘이음부’와 ‘볼트분리’ 현상은 발생하지 않으며, 강재 본연의 성질인 ‘탄성효과’와 파형 형상이 순간적인 충격압에 의한 ‘아코디언효과’로 인하여 국부좌굴이 선행됨에 따라서 이음부와 볼트분리에 따른 ‘파편’ 우려는 없습니다.
Q.4 강재 이음 부분에 대한 방수 문제가 심각할 것으로 예상되는데 해소방안은?
A.4 파형강판은 낱장의 강판을 길이방향으로 볼트로 이어지는 방식입니다. 각 낱장의 파형강판은 외측의 물의 흐름을 고려하여 상부강판이 하부강판의 윗쪽에 걸처서 조립이 되는 ‘기왓장 겹침방식’이며, 겹침부에는 불투수성재료(네오플렌, Neoprene)가스켓*Gasket을 삽입하여 밀입구조를 형성합니다. ‘볼트’의 이음부는 볼트홀에 볼트와 너트를 사용하여 체결한 이후에 외측에 각각의 볼트에 볼트고무갭(Cap)으로 쌓아주며, 볼트고무캡 안에는 우레탄실란트를 함께 넣어 사용하는 방식이 있습니다. (‘00년~’22년/현재)
’21년에 개발된 방식은 볼트체결 시 특수재질로 만들어진 필러(Filler)를 함께 체결하여, 볼트와 볼트홀의 공극을 원천적으로 차단하는 방식이 개발되어 경제성 및 시공성이 우수하여 국내 및 일본에서도 사용하고 있습니다.
A.4 방수/소결: 공장에서 제작되어 품질은 균일하나, 과거 파형강판이 軍에 도입초기에 민간방식을 적용하다 보니, 세밀한 부분에 대한 시공매뉴얼과 품질관리가 미흡함은 있었습니다. 하지만, 개발업체의 방수에 대한 기술력이 높아지고 해외건축현장에 적용한 노하우들을 바탕으로 사용자 요구성능에 대한 해소방안을 확보하였습니다.
Q.5 엄체호 방호는 어차피 방폭문과 연계해서 고민해야 하는데 이에 대한 대안은?
A.5 방폭문과 관련된 기준 및 지침의 검토 대상은 주요 군사시설 방호기준(DMFC 2-20-00), 방폭 및 방탄시설 설계기준(DMFC 2-20-10)에 준하여 설치되어야 합니다.
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방폭문과 관련된 절차는 방호수준과 폭압조건을 설정하기 위한 기준을 정하여야 하며,
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방폭문 본체에 대한 단면 검토와 방폭 및 파편 방호에 대한 검토는 방폭 및 방탄설계 기준을 참조합니다.
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방호 수준에 따라 방폭문에 요구되는 기능요구사항이 달라질 수 있습니다. 기본적인 사항은 방호수준의 정의에 따르게 되나, 방폭문이 대상으로 하는 방호대상요소와 허용수준을 고려하여 사용부대가 지정할 수 있습니다.
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설계에서 결정된 단면과 연결부, 개폐방식들이 실제 시공되어 요구되는 성능이 시스템 차원에서 발휘되는지는 성능시험과 성능인증을 통해 이루어집니다.
A.5 방폭문 연계 / 소결: 엄체호 설계 시에 ‘방폭문 설계 및 품질관리절차’와 ‘현행 관련기준 및 지침’을 준함과 동시에 사용부대의 사용성측면의 방폭문의 종류와 기능요구사항에 대한 소요제기를 통하여 엄체호와 방폭문에 대한 인터페이스를 결정하여 설계하여야 함에 따라서, 엄체호와 방폭문은 연계하여 진행하여야 함이 타당합니다.
※사용부대 기능요구사항(例): 방폭문 개폐장치의 기계식, 인력식 및 비상조건시 즉각적인 개방(요구시간)을 위한 운용장치 필요
Q.6 기타 강재의 특장점은? (상대적으로 짧은 공기, 친환경, 유지보수 용이 등)
A.6
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직접타격에 대한 방호성능 충족유연성: 가장 빈번한 위협(MCE)지역에 대하여 적 화기의 폭약증가에 따라서, 근접폭발에 의한 방호성능이기보다는 시설물 직접타격조건(상부지표)의 대응방호능력이 필수조건입니다. 이를 위하여, 지중화 또는 상부에 복토(흙을 쌓아 올림)함으로써의 직접타격에 대한 방호충족성을 확보하게 됩니다. 하지만, 철근콘크리트(RC)인 경우에는 강성구조체로서 복토의 한계가 있습니다. 반면, 파형강판 강재는 흙과 일체거동을 하는 구조체로서 성토를 추가적으로 더 확보됩니다. (63평 강재탄약고例: 현설계조건에서 추가적으로 최대 6m 추가 복토 가능)
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친환경적 요소: 국가시책이며, 전 세계적인 추세인 탄소배출량 저감을 위한 재료입니다. 적용시설물에 따라 다르지만, 63평형 탄약고 비교 시 철근콘크리트의 철근 소요량과 파형강판 강재 소요량은 거의 비슷합니다. 하지만, 콘크리트의 사용량은 308m3 대비 47m3로 강재탄약고가 15%에 불과함에 따라서 탄소배출량은 현저히 저감 됩니다. 방호벽인 경우에는 강재방호벽인 경우에는 강재 Bin 내측에 토사만 채워지며, 再배치 시에 재활용이 가능함에 따라서 콘크리트 시설물 대비 매우 친환경적인 제품입니다.
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경제성 / 시공중 보안관리 용이성: 시설물에 적용되는 파형강판 자재는 100% 공장에서 제작됨에 따라서, 품질관리가 용이한 장점과 함께 현장의 인부와 장비사용이 콘크리트 구조물과 대비하여 최소화됩니다. 이는 시설물 시공 시에 보안관리의 용이성과 매년 증가하는 인부, 장비 비용에 대한 예산할증을 최소화할 수 있음으로 국가예산절감이 가능합니다.
