국내·외 연안 및 항만기술을 선도하는 혁신의 수혈처

- 오픈 셀 케이슨과 제1호 연구소기업 설립 -

우리나라는 국토의 삼면이 바다와 접해 있기 때문에 조금만 이동하면 방파제를 볼 수 있다. 방파제는 태풍이 동반하는 높은 파도를 막아 항만을 보호한다. 하지만 2003년 순간최대풍속 60m/s의 속도로 이상파랑을 동반한 태풍 매미로 인해 국가 기반시설이 유실 및 파괴된 바 있다. 특히 국내에 상륙하는 태풍에 영향을 미치는 북서태평양지역의 열대성저기압이 늘어날 것이라는 전망에 따라 기반시설 보호를 위한 방파제의 안정성 확보가 더욱 중요해지고 있다.

2009년부터 국내·외 연구 사례 검토 및 연구 용역 수행
대수심에 적용 가능한 장대형 항만구조물 건설 기술 연구

태풍의 영향으로 파괴된 방파제를 보면 전체가 아니라 특정 부분이 피해를 입는다는 것을 알 수 있다. 이는 10~20cm의 간격을 두고 독립적으로 위치한 케이슨이 평소에는 자중으로 파력을 견디지만 설계파보다 파고가 높은 이상파랑이 내습할 때는 미끄러지거나 회전하면서 피해를 입기 때문이다. 그러나 파력 집중을 상정해 방파제를 설계하면 케이슨의 자중이 커질 수밖에 없으며, 이는 비용 증가와 시공성의 악화로 이어진다. 인터로킹 케이슨은 이 같은 문제점을 해결하기 위해 독립된 케이슨의 전 구간을 일체형이 되도록 설계함으로써 방파제에 가해지는 파력을 분산시키고 안정성을 제고하는 장대형 항만구조물 건설 기술이다.

사진 1. ‘오픈 셀 케이슨’에 대해서 설명하는 KIOST 연안공학연구본부 박우선 본부장

그림 1. 기존의 인터로킹 방법.
(a) 케이슨 측면에 굴곡 또는 요철을 두어 연결하는 형태, (b) 크로스 케이블로 결속한 형태, (c) 케이슨 사이에 블록을 밀어 넣은 형태

측벽을 없앤 ‘오픈 셀 케이슨’ 개념 수립
항만공사에 사용되는 사석을 이용해 케이슨 연결

케이슨 사이에 사석을 투입하자는 아이디어는 R&BD의 수요기업으로 인터로킹 기술을 사업화하려던 이도건설(현 코이도) 이오진 대표의 한마디에서 시작됐다. 방파제의 수리성능평가 의뢰를 계기로 KIOST와 10여 년 동안 인연을 맺은 그가 사석을 이용한 인터로킹 방안을 제시한 것이다. 이는 케이슨이 밀려나는 상황에서도 내부의 사석들이 먼저 변형을 일으켜 응력을 감소시킴으로써 특정 부분에 집중된 파력을 방파제 전체로 분산시킬 수 있었다. 이에 KIOST는 케이슨의 측벽을 개방한 ‘오픈 셀 케이슨’ 개념을 수립, 측면이 두꺼운 벽으로 마감된 기존의 케이슨과 달리 개방된 양쪽 끝이 이웃한 케이슨과 만나 형성된 인터 셀 공간에 사석을 채우고, 사석의 마찰력으로 효과 구조물의 안정성을 향상시키는 장대형 항만구조물 건설 기술 개발에 돌입했다.

그림 2. 측벽을 개방한 공간에 생긴 인터 셀에 사석을 투입한 모습

대형구조 실험, 수리모형 실험 등
항만구조물 장대화를 위한 설계 기술 확립

단면설계가 가능했던 기존의 케이슨과 달리 오픈 셀 케이슨은 이상파랑 대응 기능을 추가로 수행하기 때문에 안정성 극대화를 위한 3D 개념의 설계가 필요했다. 이에 KIOST는 파력에 대한 저항성능 평가를 시작으로 대형구조실험, 3차원 수리모형실험 등을 진행하며 오픈 셀 케이슨의 성능을 테스트했다. 특히 구조실험은 세계적으로 미흡한 상태였는데, 케이슨을 강체의 단일구조라고 생각했기 때문에 실험할 필요를 느끼지 않았기 때문이다.

사진 2. 대형구조실험 과정을 설명하는 KIOST 연안방재연구센터 원덕희 선임연구원

상단 사진 3. 일반 케이슨과 오픈 셀 케이슨 구조실험
하단(좌) 사진 4. 움직임을 측정을 위한 변위계 설치 모습
하단(우) 사진 5. 사석의 전단특성 비교 실험

이 외에도 파력의 분산에 중점을 두고 일반 케이슨과 오픈 셀 케이슨의 효과를 정량적으로 살핀 3차원 수리모형실험에서는 파향의 입사각을 바꿔가며 데이터를 비교, 계측되는 변위가 크게 발생하는 경우를 구조물의 파괴로 판단하고 실험을 진행한 결과 오픈 셀 케이슨이 10%~40% 이상의 파력을 더 견디는 것을 확인, 안전율과 설계 저항력을 크게 높이는 것으로 분석됐다.

사진 6. 일반 케이슨과 오픈 셀 케이슨 방파제의 안정성 평가결과

구조물의 활동저항력 증대 및 부등침하 현상 방지
시공 과정에서도 경제성·안정성 확보

일반 케이슨 방파제는 지반을 보강하고 사석 마운트를 설치 후 제작된 케이슨을 이송·거치한다. 이때 오픈 셀 케이슨은 접속부에 미리 사석을 투입함으로써 시공 중 케이슨이 틀어지는 것을 방지한다. 기존 방파제와 동일한 시공 과정을 거치기 때문에 인터로킹을 위한 추가 비용이 거의 들지 않으며, 측벽과 저판을 제거함으로써 콘크리트와 철근 등의 재료가 적게 사용돼 3x3 케이슨의 경우 10%의 비용 절감 효과가 있다. 또한 셀에 투입한 사석이 지반 보강 후 설치한 사석마운드와 접촉하면서 탁월한 활동저항력 증대 효과를 불러오며, 접합부 부근에서 세굴이 발생할 때도 자동으로 스며들어 부등침하 현상을 방지하는 등 구조물의 안정성을 확보할 수 있다.

사진 7, 8. 오픈 셀 케이슨의 설계방법에 대해 토의하는 연구팀의 모습

그림 3. 일반 케이슨과 오픈 셀 케이슨의 방파제 적용 비교

그림 4. 일반 케이슨과 오픈 셀 케이슨의 안벽 적용 비교

KIOST 제1호 연구소기업 ‘코이도’ 개소
책임 있는 주주로서 기술사업화 과정에 더 적극적으로 참여

이러한 성과를 바탕으로 3종의 국내특허와 1종의 PCT 특허를 출원한 KIOST는 공공연구기관의 역할 변화라는 정부 정책에 맞춰 연구기관의 기술력과 기업의 자본 및 경영 노하우를 결합시키기 위해 기술수요 기업인 이도건설과 2017년 11월 전북연구개발특구에 ‘코이도’를 개소했다. 공공연구기관과 기업가 정신을 가진 연구자 모두를 만족시키는 전략의 시발점을 확보한 것이다. 지난 1월에는 항만 분야 최초로 ‘해양수산 신기술(NET)’ 인증을 획득하며 기술의 신뢰성을 제고하고 시장 진출 토대를 조성에 박차를 가했다.

특히 국토교통부의 승인·고시를 목전에 두고 있는 ‘거제 해양플랜트 국가산업단지’의 안벽 실시 설계에 반영한 ‘오픈 셀 케이슨을 활용한 항만 구조물 건설 기술’은 오랜 연구 결과가 현장에 성공적으로 적용되는 첫 사례로, KIOST의 항만 구조물 건설 기술이 본격적인 사업화 궤도에 진입하는 계기가 될 것으로 기대된다.

<표 1. KIOST 제1호 연구소기업 ‘코이도’ 개소 과정>

기술 수요-공급의 새로운 패러다임 항만기술을 선도하는 혁신의 수혈처로 거듭나길

구전에 의하면 바빌론의 왕 솔로몬은 한 석공에게 성전을 짓는 일에 보람을 느끼는지 물었다고 한다. 석공은 성전의 완성을 생각하면 감격에 차 가슴이 두근거린다고 답했다. 이런 생각이 있었기에 훌륭한 해양과학기술이 후대에까지 이어지고 발전할 수 있던 것이다. 금번 연구도 잠시만 살펴본다면 연구·개발 분야에서 최고 수준의 전문성을 갖춘 KIOST가 지식 창출 및 공급자라는 전통적인 역할에서 벗어나 국내·외 연안 및 항만기술의 수혈처로 거듭나기 위한 도전임을 알 수 있지 않을까. KIOST의 본 연구가 기존의 문제점을 개선하고, 다음 세대를 위한 새로운 기준을 제시해 미래세대로 전해질 해양과학기술의 혁신을 이어나가길 바란다.