사다리꼴 형상 그루빙의 공항 활주로 적용성 평가 연구

그루빙의 설치 규격과 배치에 대한 기준은 ICAO와 FAA에서 다소 다른 값을 제시하고 있으나, 본 연구에서는 인천국제공항에서 적용하고 있는 FAA(1997)에 근거하였다. 회전형 saw-cut 장비를 이용해 설치되는 활주로 그루빙은 1960년대 초 영국에서 처음 적용되었으며, NASA는 1960년대 중반 수막현상 최소화에 가장 효과적인 구성을 결정하기 위한 대규모 시험을 실시하였다. 그 결과 그루빙의 폭과 깊이는 6.35mm이며, 홈의 중심 간격이 25.4mm로 배치되었을 때 최상의 성능을 제공하는 것으로 확인되었다(Yager, 1968). 그루빙의 간격이 작을수록 배수능력이 더 커지고 활주로 포장을 빠르게 건조시킬 수 있으나 경제성을 고려할 때 38mm의 간격이 거의 모든 강우조건에서 배수에 적합하고 경제성이 가장 큰 것으로 분석되었다(Agrawal, 1983; Agrawal et. al., 1981). 이에 FAA(1997)는 Table 3과 같이 그루빙 중심 간격이 38mm로 배치된 6.35mm의 폭과 깊이가 6.35mm인 정사각형 그루빙을 표준으로 채택했다. 시공허용 오차범위는 폭과 깊이 +1.6mm, 설치간격 -3∼0mm로 규정하고 있다.

설치의 범위는 대표적으로 두 가지 형태로 적용되고 있다. 활주로의 전체길이가 설치 범위가 되거나, 활주로 종방향 중심에서 양끝으로 450m 구간을 제외한 구간이 설치 범위가 되는 형태이다. 이는 공항별로 취항 항공기의 기종 및 운항특성에 따라 공항별로 선택하도록 하고 있다. 활주로 갓길은 특별한 경우를 제외하고는 그루빙을 설치하지 않는다.

그루빙은 아스팔트 및 콘크리트 포장에 적용가능하며, 활주로 표면의 거칠기를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 일반적으로 그루빙이 없는 아스팔트 포장의 macrotexture는 0.5∼0.8mm 범위에 있으며, SMA (Stone Mastic Asphalt)의 경우 약간 더 높다. 그루빙의 형상 및 표면 macrotexture에 근거하여 그루빙의 설치된 포장표면의 경우 식(2)로 계산할 수 있다(ICAO, 2012).

여기서, M_g : grooved macrotexture, mm

W : groove width, mm

D : groove depth, mm

M_u : ungrooved macrotexture, mm

S : groove spacing, mm

사다리꼴 그루빙의 적용 시 발생되는 장점에 대해서는 FAA 연구진에 의해 매우 면밀히 검토되었다. 사다리꼴 그루빙은 항공기 착륙지역에서 기존 그루빙 대비 고무 퇴적, 그로 인한 그루빙의 폐쇄 및 붕괴에 더 잘 저항함을 확인하였다. 해당 연구에서 제시한 사다리꼴 그루빙의 규격은 Table 4와 같이 홈 상부의 폭은 12.7mm, 하부 폭은 6.35mm를 갖으며, 깊이는 기존 그루빙과 동일한 6.35mm이며, 설치간격은 57mm로 제시하였다. 본 연구에서도 이와 동일한 사다리꼴 그루빙을 적용하여 평가하고자 하였다.

Marine Corps Air Facility Quantico, Chicago O’Hare International Airport에 사다리꼴 그루빙의 시험구간을 설치하여, 다양한 조건에서 배수, 고무 퇴적, 표면 마찰 시험을 실시하여 그 결과를 기존 그루빙과 비교하였다. 그 결과 사다리꼴 그루빙이 배수 기능, 고무 퇴적에 대한 내성, 형상 유지성, 수명 측면에서 기존 그루빙에 비해 개선됨을 확인하였으며, 마찰 값은 기존 그루빙과 유사한 결과 값을 얻었다. 이 평가 동안에 수집된 데이터의 분석은 사다리꼴 그루빙이 공항 포장에 적용 가능한 대안으로 고려될 수 있음을 보여주었다(James, 2012).

항공기 착륙 시 발생하는 고무 퇴적물은 그루빙 내부에 쌓여 단면을 줄일 수 있으며, 항공기의 착륙 하중은 단면 붕괴를 일으켜 단면을 폐쇄시킬 수도 있다. 반면 사다리꼴 그루빙은 설계상 기존 그루빙이 제공하는 6.35mm의 폭과는 달리 상부가 12.7mm 폭을 갖기 때문에 고무퇴적 및 붕괴로 인한 폐쇄에 더 잘 저항할 수 있다. 또한 117°의 경사각을 갖는 사다리꼴 그루빙 벽은 90°의 경사각을 갖는 기존 그루빙의 수직 벽보다 구조적으로 더 견고해지기 때문에 붕괴를 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 이는 또한 항공기 착륙 시 타이어에 작용하는 손상 저감 및 고무퇴적물 감소로 이어질 수 있다. 이는 FAA National Airport Pavement Test Facility를 이용한 하중시험을 통해 검증되었다. 시험 결과 휠 하중 34ton이 10,362회 반복 적용 후에 심각한 변형과 폐쇄를 보였던 기존 그루빙과는 달리 사다리꼴 그루빙은 본 형상을 유지하고 있는 것으로 나타났다(James, 2012).

사다리꼴 그루빙의 경우, 활주로 표면에 강제적으로 물이 빠져나갈 수 있는 동일한 배수 면적을 제공함과 동시에 오리피스 둘레(orifice perimeter)를 28% 감소시켜 배수 시 발생하는 저항력을 줄일 수 있다. 이를 통해 사다리꼴 그루빙은 기존 그루빙과 거의 동일한 수막현상 감소를 제공할 것으로 예상된다.

FAA는 기존 정사각형 그루빙이 적용되더라도 최대 76.2mm 간격 및 그 이상의 간격으로 수막현상에 대한 저항성을 얻을 수 있음을 확인하였다(Agrawal et al., 1981). 더욱이 NASA에서는 50.8mm 간격의 기존 그루빙과 38.1mm 간격의 기존 그루빙이 거의 동일한 성능임을 확인하였다(Yager, 1968). 특히 강우 시 기존 그루빙 포장은 100km/h 미만의 속도에서는 사다리꼴 그루빙보다 약간 더 높은 미끄럼 저항을 갖으나, 100km/h 이상에서는 사다리꼴 그루빙이 설치된 포장이 더 나은 배수 용량으로 인해 향상된 성능을 보였다(Pasindu and Fwa, 2015).

기존 연구와 사다리꼴 그루빙에 대한 이론적 분석 결과 다양한 측면에서 기존 정사각형 그루빙 대비 우수한 성능이 확보될 것으로 예상된다. 수막현상 감소 성능, 고무 퇴적물로 인한 단면 폐쇄에 대한 저항성, 성능이 향상될 수 있으며 항공기 적재량이 많아 붕괴 및 고장에 대한 내성이 더 좋을 수 있다는 점도 지적됐다. 예방 분야에서 기존 정사각형 그루빙과 동등 이상의 성능을 발휘할 수 있다는 것을 보여주었다.

그루빙 시공결과를 육안으로 확인한 결과 Fig. 8과 같이 형상별로 시공됨이 가능함을 확인하였다.

Fig. 8. Cross-section comparison by groove

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또한 그루빙 형상별 설치 규격 만족 여부를 확인하기 위해, 시험시공 후 20개 위치에서 3개 지점에 대한 평균값을 Table 3, 4의 기준 값과 비교하였다. 그 결과, Table 7과 같이 폭, 깊이 모두 목표치인 ±1.6 mm의 시공오차를 만족하고, 설치간격 역시 0∼-3mm를 만족함에 따라 사다리꼴 그루빙이 규격에 따라 실제 시공이 가능한 것으로 확인되었다.

사다리꼴 하부 폭이 기준 대비 약 1mm 더 큰 것은 블레이드 제작 오차에 의해 발생한 것으로 실제 시공 시 블레이드 규격 조정으로 해소 가능할 것으로 판단된다.

항공기가 고속이동에 영향을 주는 macrotexture의 증가정도를 확인하기 위해 측정된 그루빙 수치값과 기존 연구결과(Kim et al., 2016)에 따른 그루빙이 시공되지 않은 인천국제공항 아스팔트 포장의 평균 macrotexture(0.52mm)에 근거하여 그루빙이 설치된 포장표면의 macrotexture를 식(2)로 계산하였다. 그 결과, Table 8과 같이 사다리꼴 그루빙의 경우 1.95mm로 1.56mm인 정사각형 그루빙 대비 25% 정도 향상됨을 확인하였다. 이는 고속이동하는 항공기에 향상된 마찰 저항력을 제공하여 항공기 운항 안전에 기여할 것으로 판단된다.

활주로의 배수성능은 항공기 타이어와 활주로 표면간이 수막형상 발생 잠재성에 크게 영향을 미친다. 이에 표면 배수 성능 평가를 위해 그루빙 형식별 시험구간(길이 18m × 폭 6m) 내에 살수를 통한 표면 전체에 균질한 수막형성 후 수막제거까지의 시간 측정하여 개선정도를 비교 평가하였다. 이때, 시험구간의 균질한 수막형성을 위해 폭 6m로 살수 가능한 차량을 이용하여 32km/h(9.0m/sec) 속도로 이동하면서 0.27ℓ/m²(15ℓ/sec)를 살수하였다.

이는 육안으로 수막형성 확인이 가능한 수준인 0.25mm보다 조금 많은 양이다. 수막의 제거정도는 Fig. 9와 같이 육안으로 확인하였으며 시험구간에 전체에 형성된 수막이 완전히 사라진 상태(표면건조상태)로 정의하였다. 총 시험은 시험구간별로 3회 실시하였으며 그 결과는 Table 9와 같이 사다리꼴 그루빙이 정사각형 그루빙 대비 평균 5초 정도 배수가 빨라 배수성이 7∼9% 이상 우수한 것으로 분석되어 강우 시 수막현상 감소로 항공기 운항 안전성 증대에 기여할 것으로 예상된다.

Fig. 9. Comparison square & trapezoidal groove with hydroplaning status

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그루빙 형상 별 표면 미끄럼 저항성을 확인하기 위해 Fig. 3의 마찰 측정 장비(Skiddometer)를 활용해 시험시공구간의 포장 표면 상태별 마찰계수 측정 시험을 실사하였다. 그 결과 Fig. 10과 같이 고속조건에서 사다리꼴 그루빙 설치구간이 표면 상태에 상관없이 높은 마찰계수를 보였다.

Fig. 10. Friction test results for each

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표면건조상태, 시험 속도 85km/h 이상에서 사다리꼴 그루빙이 설치된 콘크리트 포장의 마찰계수는 각각 0.76과 0.69로 기존 그루빙 마찰계수인 0.7, 0.66 대비 각각 8.5, 4.5% 향상되었으며, 아스팔트 포장의 경우 각각 0.94와 0.87로 8.0% 향상되었다. 이를 통해 고속주행 시 표면건조상태에서 사다리꼴 그루빙의 마찰계수가 기존 그루빙 대비 평균 7.0% 향상된 것으로 확인되었다.

표면습윤상태, 측정 속도 85km/h 이상에서 사다리꼴 그루빙이 설치된 콘크리트 포장의 마찰계수는 0.70로 기존 그루빙의 마찰계수 0.52 대비 34.6% 향상되었으며, 아스팔트 포장의 경우 각각 0.84와 0.76으로 10.5% 향상되었다. 이를 통해 표면습윤상태에서 85km/h 이상의 고속 이동시 사다리꼴 그루빙의 마찰계수가 기존 그루빙 대비 평균 22.6% 향상된 것으로 확인되었다.

표면건조 상태에서 시험 속도가 증가하고, 포장표면이 습윤상태일수록 사다리꼴 그루빙이 기존 그루빙 대비 미끄럼 저항성이 향상되는 경향을 보였다. 이를 통해 항공기 제동능력 향상에 따른 운항 안전성 증대가 예상되며, 특히 항공기 착륙속도가 200km/h 이상인 점을 고려 시 사다리꼴 그루빙의 미끄럼 저항효과가 훨씬 클 것으로 예상된다.