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[특허기업] 더 이상의 교량 新기술은 없다
세계최초 경간거리 120m 현실화 한 ‘SI 합성거더교’ 특허공법
특허뉴스 박진석 기자 기사입력  2018/03/06 [01:15]



 
세계 최고의 교량 특허공법 기술을 보유한 ‘한국교량개발연구소’

한반도는 더 이상 지진으로 안전지대가 아니다.
2016년 경주에 이어 지난해 포항지진까지...
전문가들은 1년 새 연달아 일어난 경주·포항 지진과 관련해 건물뿐 아니라 교량, 도로 등 사회간접자본(SOC)으로 확대해 토목시설에 대한 예방적이고 선제적 대응책이 필요하다고 지적한다.

포항지진으로 교량과 도로 등의 피해규모는 건축물보다 작아 보이지만 49명의 사상자를 낸 1994년 성수대교 붕괴사고에서 보듯 대형 참사로 이어질 수 있기 때문이다.

해를 거듭할수록 심각해지는 이상기후로 인한 태풍, 대설, 폭우로 인한 홍수 등 자연재해는 교량의 안전에 치명적으로 작용할 수 있다. 또한 급격한 풍하중은 예상치 못한 교량의 붕괴를 일으킬 수 있으며 교량 사용자들의 안전사고를 유발할 수 있다.

국내 교량의 경우 1970년대 경제개발과 동시에 많이 건설되어 그 내용 수명이 다해가고 있다. 국내에서 사용되고 있는 교량의 경우 크게 강교와 콘크리트교 등으로 구분할 수 있는데, 강교의 경우 도장 등 유지관리를 통해 약 100년 정도 사용이 가능하고 콘크리트교의 경우 균열 보수 등 유지관리를 통해 약 50년간 사용이 가능하다.

 
▲ 구조공학 전문가 심준기 박사     © 특허뉴스

구조공학 전문가인 심준기 박사는 “일반적으로 교량 설계 시 확률론적 방법을 이용해 특정 지역의 기후변화를 일부 반영하고 있지만 대부분 과거의 설계기준을 그대로 가져온 것이기에 자연재해에 대한 저항은 크게 미흡한 수준이다”며 “지금과 같은 자연재해가 빈번히 지속적으로 발생되고 있는 상황에서 교량의 안전을 확보하기 위해서는 노후된 교량을 자연재해에 저항이 큰 교량으로 사전교체하고 당국이 나서 기후변화를 고려한 설계 기준을 연구, 마련하는 것이 시급하다”고 강조했다.  
 
이처럼 이상기후에 따른 자연재해가 심각해지는 상황에서 지난 27년간 교량 개발 분야에만 연구개발한 (주)한국교량개발연구소(대표이사 심태영/ 이하 한국교량개발연구소)가 주목받고 있다.
한국교량개발연구소는 교량개발 분야 ‘애플’이라는 닉네임이 붙을 정도로 교량 특허 신기술을 보유하고 있고, 현재 이 특허공법은 국내외 교량설계 시 안전하고 경제적인 거더 공법으로 각광을 받고 있다.
 
‘대게’ 다리에서 원리 찾은 강-콘크리트 합성거더교 특허공법 기술... SCP 합성거더
 
  “아빠, 대게 다리가 부러지지 않아서 먹지 못하겠어요.”
 
1997년 가족들과 대게를 먹다 발견한 합성거더교 특허공법 기술이 널리 국내 교량에 적용되고 있다.
심태영 한국교량개발연구소 대표는 대게 다리 안쪽에 살이 꽉 차있는 다리가 비어있는 다리보다 부러뜨리려고 할 때 더 단단하다는 사실을 발견하고 이 원리를 합성거더교에 접목한 결과, 획기적인 성능향상이 있는 것을 발견하였다. 당시에 합성거더교로 널리 쓰이는 프리플렉스 합성거더는 강재가 내부에 있고 콘크리트가 외부 있는 구조형식이었는데 이와는 반대로 강재가 외부에 있고 콘크리트가 내부에 충전된 폐합구조의 발명이었다.

심 대표는 “이러한 구성 원리를 실제 합성거더교에 적용하면 거더 단면구조 구성상 거더 외부 표면은 인장력에 강한 강판을 이용되고, 강판상자 내부 속은 콘크리트로 충전되어 외부 표면이 인장력이 강한 강판으로 구성됨으로써 콘크리트가 강판 외부에 있는 합성거더 구조형식에서 발생되는 콘크리트의 균열을 원천적으로 차단할 수 있다”고 밝혔다.

균열 하자에 대한 기술적인 측면을 볼 때 프리플렉스 합성거더교 공법의 원리상 강판이 내부에 있고, 외부 표면이 콘크리트로 구성되어 있기 때문에 재료의 특성상 신축률이 서로 달라 대기 온도 변화가 급변하면 당연히 인장력에 취약한 외부 표면 콘크리트에 균열이 발생되기 때문이다.

한국교량개발연구소는 프리플렉스 합성거더교의 콘크리트의 표면 균열 단점과 적용 가능 경간거리 50m이내인 단점을 보강해 경간거리 70m까지 시공이 가능한 SCP 합성거더 공법(특허 0370939) 2001년 특허출원을 시작해 2003년 5월 실용화를 위해 한국건설기술연구원에서 거더 경간 50m 실험을 수행하여 공법의 우수성을 평가받았다.

심태영 대표는 “하지만 그 당시 합성거더교로서 가장 장경간 시공 가능한 공법은 일반 강상자형교로 50m 내·외에 적용되었기 때문에 기존 강상자형교보다 경제적이고 장경간인 70m까지 시공이 가능하도록 SCP 합성거더 공법의 연구개발을 하였으나 발주처 및 설계 용역사들이 70m는 최초이고 처음이라 새로운 것에 대한 두려움에 설계반영을 기피할 수밖에 없었다”며 당시 안타까움을 토로했다.

그러나 그도 잠시, SCP 합성거더 공법의 우수성을 인정한 도로공사에서 발주한 현장에 경간 70m 설계반영 및 심의가 통과되면서 국내 최초 50m를 넘어선 70m의 시공을 하게 됐다.
현재 SCP 합성거더 특허공법 전용실시권자인 SG신성건설은 국내 건설시장에서 2천억 원 정도 현장 시공완료 및 설계반영을 하고 있다.

심태영 한국교량개발연구소 대표는 “최초로 개발한 SCP 합성거더의 경우 건설회사를 살리기까지 한 사회적 공헌도 이룬 남다른 특허공법 기술이다”며 특별한 의미를 두고 있다고 전했다.
 
▲      © 특허뉴스

 
세계최초, 경간거리 100m 120m 현실화되다... 안전성은 물론 기능까지 UP
 
SCP 합성거더 특허공법을 성공한 한국교량개발연구소의 도전은 계속됐다.

세계최초 경간거리 100m, 120m …
 
한국교량개발연구소는 2006년 경간거리 100m까지 시공이 가능한 합성거더 공법인 SB 합성거더(특허 10-0729370)를 연구개발해 2011년 현장적용 실용화를 성공했다. 현재 SB 합성거더는 대림 C&S(주)에 시공전용실시권을 부여해 건설시장에서 5백억 원 정도 시공완료 및 설계반영을 하고 있으며, 장대화를 위해 개발된 만큼 현재 교량 경간거리 80m에 설계 반영까지 되었다.

한국교량개발연구소는 그동안 시공 및 설계에서 도출된 노하우와 축척된 기술을 바탕으로 2013년 경간거리 120m까지 시공이 가능한 연구개발의 최종 결정체인 SI 합성거더(특허10-141480)를 선보였다.
SI 합성거더는 특수교(현수교, 사장교, 강트러교 등)를 제외한 합성거더교 형식의 교량으로서 120m까지 장대화가 가능한 세계최초 공법이다.

SI 합성거더 특허공법의 연구개발을 주도한 심준기 한국교량개발연구소 상임이사(구조공학 박사)는 “안전성을 확보하면서 경간거리 120m까지 시공이 가능한 것은 발명의 아이디어와 공법의 구조적 원리가 핵심”이라며 “SI합성거더에 사용되는 재료는 강재(강판)와 콘크리트이다. 재료적인 특성을 보면 강재는 인장력이 우수하고 압축좌굴에 취약한 것이 단점이고, 콘크리트는 압축력저항에는 우수하지만 인장 균열에 취약하다”고 설명했다.
그는 이어 “SI 합성거더의 상부 압축부 단면구조가 외부강판이 내부콘크리트를 둘러싸는 단면으로 구성되어 있어, 극한 하중이 교량에 작용하여도 거더 외부강판이 내부콘크리트를 구속시키는 구속효과 및 바닥판에 거더가 매립되어 합성력을 증대시키는 매립효과가 있어서 압축휨좌굴을 근본적으로 방지하기 때문”이라며 타 공법에 비교하여 자연재해와 같은 극한상태에서 구조적으로 안전성이 높아 장경간화가 가능하다고 설명했다.
▲      © 특허뉴스

 
SI 합성거더는 경제적인 측면에서도 남달랐다. 우수 압축부에 강판사용량을 줄이고 원가가 저렴한 콘크리트로 대체함으로써 강재소요량이 감소되어 경제성도 확보된 점이 특징이다. 즉 강상자형교과 대비하면 경간거리 50m에서는 30% 정도 비용절감효과가 있지만 120m 이상일 경우는 약 45%까지 비용절감효과가 있는 공법이다.
또한 한국교량개발연구소는 인장부 콘크리트 균열발생 문제의 경우, 인장부의 콘크리트를 배제하고, 강재로만 구성함으로써 인장력에 취약한 콘크리트의 균열을 원천적으로 차단시키는데 성공했다.
이러한 횡단면을 구성함으로써 합성거더의 강성을 높여 거더의 처짐 및 진동을 감소시켜 안전성, 경제성 및 장경간(120m) 시공이 가능하므로 사용되는 교각의 수량도 줄일 수 있어 경제적이며 친환경적인 공법으로 손꼽히고 있다.

현재 한국교량개발연구소는 처음 개발 동기를 뛰어넘어 경간거리 120m~200m 시공이 가능한 공법을 2021년까지 연구개발을 수행할 계획으로 끊임없는 도전을 하고 있다.

심준기 한국교량개발연구소 상임이사는 “SI 합성거더 특허공법 기술은 이미 다수의 합성거더교 특허공법을 실용화한 노하우를 바탕으로 심혈을 기울여 나온 결정체라고 할 수 있다”며 “특히, SI 합성거더 특허공법은 디자인특허도 보유하고 있을 만큼 미적부분도 고려했다. 이렇게 안전하고 경제적인 공법을 널리 제공함으로써 사용자들에게 ‘행복’을 선사하고 싶다”고 말했다.

현재 SI 합성거더 특허공법은 한국도로공사, 한국철도시설공단 등 공공기관뿐만 아니라 강원도, 경상도 등 지방자치단체 및 민간자본투자사업 등 국내 적용이 가능하고, KOICA, ODA 및 PPC 등 해외 적용도 가능하다.
 
차별화만이 경쟁력이다 ‘SI 합성거더’ 특허공법
 
SI 합성거더 공법은 기존 플레이트 거더의 일환인 소수주형 공법의 단점을 보강한 것으로 강재를 이용하여 단면을 I-형상으로 구성하고 강재와 콘크리트로 합성된 압축부가 바닥판에 매립되도록 구성하고, 하부 플랜지에 삼각형 보강재를 구성함으로써 연속교 50~120m 경간장 적용시 가장 적합하게 개발된 공법이다.
▲      © 특허뉴스

 
특히, 상부 압축부는 구속효과에 의해 극한하중 작용시 압축부 좌굴의 저항을 크게 향상시키고 하부 인장부는 삼각형 보강재에 의해 하부 플랜지 폭 조절을 용이하게 할 수 있는 기술적 특징으로 장경간 시공시 안전성을 확보하고 압축부가 바닥판에 매립되는 구조적 특징상 형고를 낮출 수 있기 때문에 하천 및 도심교량 등 형고 제약이 있는 현장에 유용한 공법이다.

연속교 시공시 아치 형상의 변단면과 수직보강재의 굴곡된 형상의 조화로 미적효과가 있어 도심지, 관광지 지역 주변 교량 등 미관이 중요시 되는 현장 적용에도 효과적이다.
또한, 유지관리시 압축부에 구속된 고강도 콘크리트의 경우 강재로 둘러싸여 있어 염해, 대기중 유해요소로부터 안전하며 콘크리트의 알카리성을 유지해 반영구적으로 사용되기 때문에 유지보수가 필요없다.

남다른 차별화를 선보인 SI 합성거더는 첫째, 시공성에서 뛰어나다. SI 합성거더 단면구조(플레이트 형상)으로 간단하게 제작이 간편하며 대량 생산시 전자동 용접이 가능해 원가 절감이 가능하고, 거더 압축부 내부 콘크리트를 강구조 거더 가설 후 공중에서 타설함으로써 대형 크레인이 필요치 않고 산악지역 또는 고공 가설시 강구조물 자중이 작아 가설이 용이하고 곡선교 시공이 용이하다.
둘째, 안전하다. SI 합성거더 압축부 외부강재가 내부 콘크리트를 구속시키는 구속효과에 의해 극한하중 작용시 좌굴 및 비틀림을 효과적으로 방지하고 외부 강재가 항복응력까지 저항하기 때문에 교량붕괴에 대한 안전성이 확보된 공법이다. 또한, 처짐과 진동을 효과적으로 감소시켰다.
셋째, 경제성이다. 거더 압축부 구성에서 사용되는 강재를 원가가 저렴한 콘크리트로 대체하여 공사비 절감은 물론 연속교 형식의 강상자형교 대비 30~40% 절감효과가 있다.
넷째, 유지관리가 용이하다. 외부 강재가 내부 콘크리트를 둘러싸고 보호하고 있어 염해 및 중성화 피해방지가 있어 콘크리트의 내용연수가 증가됨과 동시에 별도의 콘크리트에 대한 유지관리가 필요하지 않다.
다섯째, 적용성이 유리하다. 거더 압축부 슬래브에 매립, 하부 플랜지 폭 및 거더 수를 자유롭게 조정할 수 있어 타형식 교량보다 형고를 낮출 수 있다. 또한, 현장 적용시 유리해 하천 및 도심지 교량 등 형고제약이 있는 현장적용에도 유리하다.  
 
경간거리 120m 현실화 시킨 ‘SI 합성거더 특허공법’ 연구개발 주도한 심준기 박사는...
 
세계최초 교량 경간거리 120m를 현실화 시킨 심준기 박사는 ▲고려대학교 학사/석사/박사(구조공학 전공) ▲해양수산부 기술자문위원회 기술자문위원 ▲(사)한국교량 및 구조공학회 편찬위원 ▲중소기업기술정보진흥원 평가위원 ▲한국산업기술평가관리원 평가위원 ▲해양수산과학기술진흥원 전문평가단 위원 ▲국토교통과학기술진흥원 평가/자문위원 ▲경기도 한국구조물진단유지관리공학회 싱크홀25지킴이 위원 ▲한국가설협회 기술연구위원으로 활동하고 있다.
또한 심 박사는 ▲2018년 마퀴스 후즈 후(2018 Marquis Who's Who in The World) 세계인명록 등재 ▲2017 대한민국 특허발명대전 한국특허정보원장상 수상, “바닥판에 매립된 콘크리트 충전 강상자 보강 플레이트 합성거더교(SI 합성거더교)” ▲2013년 제1회 구조실험 공모전 아이디어상 수상, “콘크리트 충전된 강구조물의 소음(진동) 및 휨파괴 실험” 등 수상한 바 있다.
특히, 심준기 박사는 전공분야인 구조공학 분야에서 남다른 연구 성과를 가지고 있다.
다음은 심 박사의 연구 분야다. ▲강-콘크리트 합성 구조물의 설계 및 해석 연구 ▲토목구조물의 열화상 카메라를 이용한 비파괴검사 연구 ▲항만시설물 유지관리체계 개선 연구 ▲해상교량 유지관리체계 개선 연구 ▲사회간접자본 시설물 선진 유지관리 성능평가 개선 연구 ▲스마트 센서를 이용한 교량 유지관리 시스템 개발 연구 ▲FRP 시트, 바닥판, 보강근 개발 연구 ▲강재 부식 및 발청 열화모델 개발 연구 등
 
특허 집약기업, 한국교량개발연구소는...
 
한국교량개발연구소는 2003년 12월 24일 주식회사 한국교량개발연구소 법인 설립 이후, 해외진출을 위해 ▲강-콘크리트 합성 PSC거더 형식(SCP합성거더교) 특허 200480034856P PCT(중국) ▲강-콘크리트 합성 플레이트 거더 형식(SB합성거더교) 특허 1-2008-02384 PCT(베트남) 등 꾸준하게 연구개발을 진행했다.
국내에서는 ▲강-콘크리트 합성 PSC거더 형식(SCP합성거더교) 특허 0370939 및 연속화 형식(SCP합성거더교) 특허 10-0554408 ▲CFT합성 케이블 특수교(사장교, 현수교) 형식(CFT합성 케이블교) 특허 10-0792660 ▲강-콘크리트 합성 플레이트 거더 형식(SB합성거더교) 특허 10-0729370 ▲교차 프리스트레싱을 이용한 합성거더 형석(크로스PSC거더교) 특허 10-1244219 ▲강-콘크리트 합성 바닥판 매립 플레이트거더 형식(SI합성거더교) 특허 10-1414801, ▲강-콘크리트 합성 바닥판 매립 플레이트거더의 곡선 웨브 디자인특허 30-0790969 등의 연구개발로 약 16년 이상 교량 합성거더 분야만 연구개발한 교량 전문기업이다. 이러한 전문성을 바탕으로 2016년 12월 27일부터는 한국산업기술진흥협회 인정, 연구개발전담부서를 설립 및 운영을 하고 있다.

현재 신기교, 문송9교 및 진정교 등에 SI 합성거더 특허공법이 적용되었으며, 한국교량개발연구소는 향후 3,000억 이상의 매출을 목표로 하고 있다.   
 
인터뷰를 마치며 심준기 한국교량개발연구소 이사는 “교량의 경우 사회간접자본 시설물로서 많은 사람들이 이용하는 중요한 구조물로 무엇보다 높은 안전성이 요구되기 때문에 이러한 요구를 만족시키기 위해 SI 합성거더를 개발하게 되었다”며 “건설시장 및 사회적인 요구는 안전성이 담보된 다양한(미적효과) 교량형식을 요구하며, 특히 경제성이 있으면서 시공성이 용이하고 장경간 시공이 가능한 공법을 필요로 하고 있다”고 강조했다.

교량들은 그동안 산업발전으로 인한 급격한 이동물류의 대형화 및 교통량 증가로 내구성 저하가 발생하고 있으며 기후변화로 인한 자연재해 등과 같은 열악한 환경에 노출되어 있다.
이와 관련 심 이사는 “SI 합성거더는 이러한 건설시장 및 사회적 요구를 충족시켜 여러 사람들을 이롭게 하고 공법 특성상 교량의 갑작스런 붕괴를 근본적으로 방지할 수 있어 안전성이 뛰어난 것이 특징이므로 교량을 이용하는 사람들에게 교량 붕괴사고로 인해 안전 불감증을 해소할 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.
그는 이어 “발주처(국가공공기관)에서 SI 합성거더 특허공법을 사용하면, 사회기반시설물인 교량건설 비용 절감으로 이어지며 절약된 정부예산은 기타 공익사업 및 복지정책에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다”며 현 정부의 정책방향에 SI 합성거더 특허공법의 의미를 전했다.
 

기사입력: 2018/03/06 [01:15]  최종편집: ⓒ 특허뉴스
 
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