Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 목적
2. 연구 방법
Ⅱ. 선행연구 조사
1. 포장표면 특성
Ⅲ. 본론
1. 3D-TD 측정 방법
2. 측정 방법의 신뢰성 확보
3. 활주로 포장 표면 Texture Depth 측정
Ⅳ. 결론
Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 목적
항공기 착륙 시 활주로 표면의 마찰 특성은 항공기 운항 안전성과 직결되는 핵심 요소이며, 포장이 젖은 상태에서도 충분한 마찰 성능을 확보할 수 있도록 설계·시공되어야 한다[1]. 특히 습윤 조건에서는 항공기의 제동거리가 증가하여 안전에 위험을 초래할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 활주로 표면에는 일정 간격으로 그루빙(grooving)을 시공하는 것이 일반적이다[2]. 그루빙은 수막현상을 억제하고 배수 성능을 향상해 제동력을 증대시키는 역할을 한다. 그러나 항공기 착륙 시 발생하는 고무 퇴적물(rubber deposit)과 표면 마모 등으로 인해 그루빙의 기능이 저하될 수 있으며, 이에 따라 활주로 포장 표면 거칠기 깊이(texture depth)에 대한 과학적이고 정량적인 평가와 지속적인 모니터링이 필요하다.
현재 국내외에서 널리 사용되는 포장 표면 texture depth 측정 방법은 ASTM E965-15에서 규정한 Sand Patch Test와 NASA에서 제안한 Grease Smear Method가 대표적이다(Fig. 1)[2,3]. 두 방법 모두 일정 체적의 모래 또는 그리스(grease)를 표면에 고르게 분포시킨 후, 해당 면적을 측정하여 MTD (Mean Texture Depth)를 산출하는 체적법(volumetric method)이다. 그러나 Fig. 2와 같이 그루빙이 적용된 활주로의 경우 시험 재료가 홈을 따라 흘러 유실되어 정확한 측정이 어렵고, 표면 특성의 공간적 분포나 국부적 이상 부위를 파악하기 힘들며, 반복 측정 시 시간과 인력이 많이 소요되는 한계가 있다[4].
이러한 한계를 극복하기 위해 최근에는 3D (차원) 스캐닝(scanning) 기술을 활용한 비접촉식 측정 방법이 주목받고 있다. 3D 스캐너(scanner) 는 포장 표면의 입체 형상을 고정밀로 측정하여 mm 단위의 microtexture 뿐만 아니라 macrotexture까지 분석할 수 있다[4]. 특히 구조광(structured light)과 라인 레이저 삼각측량(line laser triangulation) 기반 장비는 포장 표면의 실제 형상을 포인트 클라우드(point cloud)나 메시(mesh) 형태로 디지털화할 수 있으며, 이를 통해 texture depth를 정밀하게 계산할 수 있다. 이 방식은 기존 MTD 측정법의 제약을 해소함과 동시에, 그루빙 단면 형상 변화나 고무 퇴적에 따른 texture 감소량 등 공간적·정량적 정보를 효과적으로 제공할 수 있다[5]. 국내에서도 일부 포장 기술 분야에서 3D 스캐너를 활용한 표면 특성 평가 연구가 수행된 바 있으나, 주로 일반 도로용 아스팔트 또는 콘크리트 포장을 대상으로 하고 있어 공항 활주로와 같은 특수 목적 포장에 관한 연구는 매우 제한적이다[6]. 또한, 3D 데이터를 이용해 texture depth를 정량화할 수 있는 체계적인 알고리즘과 분석 기준도 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 3D 스캐너를 활용하여 활주로 표면을 정밀 측정하고, 체적 기반의 texture depth (이하 3D-TD) 산정 기법을 제안하며, 실제 그루빙이 시공된 활주로 포장에서 적용성을 검증하고자 한다.
2. 연구 방법
본 연구에서는 일반 산업용 3D 스캐너와 상용 3D 모델링(modeling) 소프트웨어를 활용하여 포장 표면의 texture depth를 정밀하게 측정하는 기법을 제안하였다. 사용된 3D 스캐너는 LED 기반 백색 구조광을 이용하여 대상 물체 표면의 3차원 형상을 고해상도로 캡처하는 장비이다. 제안한 기법의 신뢰성을 확보하기 위해 동일 구간에 대해 ASTM E965-15 시험방법을 적용하여 측정 결과를 비교·분석하였다(Fig. 3)[6]. 이를 통해 두 방법 간의 상관관계를 검토하고, 제안 기법의 정량적 신뢰도를 평가하였다.
또한, 현장 적용 가능성을 검증하기 위해 실제 활주로에서 고무 퇴적물 제거 전·후의 포장 표면을 각각 3D 스캐너로 측정하였다. 이를 통해 고무 제거에 따른 texture depth 변화량을 정량적으로 산출하고, 본 기법이 활주로 유지관리 작업의 효과 평가에 활용될 가능성을 확인하였다.
Ⅱ. 선행연구 조사
1. 포장표면 특성
활주로 포장 표면의 마찰 성능은 표면의 microtexture와 macrotexture 특성과 밀접한 관련이 있다. 두 요소 모두 포장의 미끄럼 저항성에 중요한 인자로 작용하지만, 영향 범위와 대상은 서로 다르다. Microtexture는 굵은 골재 입자의 표면 거칠기를 의미하며, 항공기가 저속으로 주행할 때 미끄럼 저항성에 주로 영향을 미친다. 반면, macrotexture는 포장 전체의 표면 거칠기를 나타내며, 굵은 골재의 분포, 입형, 크기 등에 의해 결정되며 특히 항공기가 고속으로 이동할 때 미끄럼 저항성에 큰 영향을 준다[7].
활주로에서 착륙한 항공기는 약 260 km/h에서 100 km/h까지 감속하며 고속탈출유도로로 진입하기 때문에, 활주로가 젖은 상태에서도 높은 수준의 마찰력과 균일한 마찰 특성을 제공하고, 수막현상(hydroplaning)에 따른 잠재 위험을 최소화하기 위해 적정 macrotexture 확보가 필수적이다[8]. 이를 위해 대부분의 공항에서는 우천 시 활주로 배수를 원활히 하여 타이어와 표면 사이의 수막 발생을 억제하기 위해 완만한 종·횡단 경사를 적용하거나[7], 표면의 macrotexture를 향상하기 위해 그루빙을 시공하고 있다[9].
그루빙은 표면의 자연배수 능력을 향상시켜 강우 조건에서 항공기 이착륙 시 수막현상을 줄이고 마찰력을 증대시키는 과학적으로 검증된 기술로, 현재까지 활발히 활용되고 있다. 그러나 그루빙은 항공기 착륙 시 발생하는 고무 퇴적물의 축적량을 증가시키며, 반복적인 고무 제거 작업과 제설 작업 등 유지 보수 과정에서 재료 유실이 발생할 수 있다[10]. 이에 따라 그루빙 형상 유지와 성능 저하 방지를 위한 지속적인 관리와 정밀 모니터링이 요구된다. 이에 본 연구에서는 3D 스캐너를 활용하여 그루빙이 포함된 활주로 표면의 상태를 정량적이고 효율적으로 모니터링할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
2. Texture Depth 측정
활주로 표면의 texture 측정은 활주로의 안전 상태를 정량적으로 평가하는 핵심 수단으로, 그간 다양한 기법이 활용되고 있다. 대표적인 방법은 ASTM E965-15에서 제시한 체적법으로, 일정량의 표준 재료(예: 표준사)를 포장 표면에 고르게 분포시킨 후, 그 면적을 측정하여 MTD를 산정한다. 이 방법은 표면 공극에 채워지는 재료의 부피와 분포 면적의 비를 통해 texture depth를 계산하며, 절차가 간단하고 반복성이 높다는 장점이 있다. 그러나 그루빙이 존재하는 활주로 표면에서는 시험 재료가 홈을 따라 유실되어 정확한 측정이 어렵다. ASTM E965-15에서도 이러한 이유로 그루빙이 설치된 구간에서는 측정을 지양하도록 권고하고 있으며, 이에 따라 인접한 횡방향 이음부, 항공등화 주변 등 에서 대체 측정이 이루어지고 있다. 그러나 이러한 방식은 실제 주행 궤적과 다른 결과를 산출할 가능성이 있다.
NASA에서 제안한 Grease Smear Method 역시 존재하지만, 일정한 환경 조건이 요구되며 그루빙이 있는 포장에서는 물리적 제약이 따른다. 또한 British Pendulum Number (BPN) 시험법은 포장 마찰 특성을 간접적으로 평가할 수 있으나[11], texture 자체를 정량화하는 방법은 아니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 최근에는 비접촉식 광학 장비, 특히 3D 스캐너를 활용한 측정 방법이 주목받고 있다. 이는 레이저 또는 구조광을 이용해 포장 표면의 입체 형상을 정밀하게 재현할 수 있으며, 고해상도 mesh 데이터를 기반으로 기준면과의 부피 차이를 분석함으로써 그루빙 설치 영역을 포함한 전 구간에 대해 texture depth를 정량적으로 산출할 수 있다.
해외 연구 사례로, Hui 등[12]은 line-laser 기반 3D 스캐너를 활용하여 그루빙 및 절삭(milling) 표면의 단면 형상을 분석하고, 그루빙의 깊이·간격·균일성을 정량적으로 평가하였다. 실험 결과, 3D 레이저 기반 측정값과 sand patch 시험법 간의 상관성이 높게 나타나, 그루빙 표면에도 3D 기반 기법이 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. Wang 등[13]은 간섭 프린지 기반의 고정밀 3D 재구성 기법을 제안하였으며, 후처리 최적화를 통해 측정 오차를 약 74% 감소시켜 활주로나 도로와 같은 microtexture 변화 측정에 효과적임을 입증하였다.
국내에서는 일반 포장면을 대상으로 3D 스캐너 기반의 체적법이 제안된 바 있다[6]. 그러나 그루빙 구조를 포함한 활주로 포장에 직접 적용하여 측정 정밀도를 체계적으로 검증한 사례는 매우 제한적이다.
따라서 본 연구에서는 3D 스캐너 기반 측정 기술을 실제 그루빙이 시공된 활주로 표면에 적용하여 texture depth를 정량적으로 분석하고, 이를 위한 체계적인 분석 방법론을 구축하고자 한다.
Ⅲ. 본론
안전한 항공기 착륙을 위해 활주로 표면의 마찰저항 상태를 정기적으로 점검하고 있으며, 현재는 항공기 착륙 횟수에 따라 주기적인 마찰력 측정을 시행하고 있다. 그러나 이러한 측정 주기는 항공기 운항 횟수에 의존하기 때문에, 활주로 표면 texture의 변화와 이에 따른 마찰력 변화를 실시간에 가깝게 정량적으로 파악하기에는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 그루빙이 있는 활주로 포장 표면의 texture 변화를 정밀하게 측정하기 위해 3D 스캐너를 활용한 3D-TD 산정 기법을 제안 하였다. 더불어, 제안한 방법의 신뢰성을 검증하고, 실제 공항 활주로 포장 표면에 적용하여 현장 활용 가능성을 평가하고자 하였다.
1. 3D-TD 측정 방법
본 연구에서는 기존 측정 방법의 적용이 어려운 그루빙이 있는 활주로 표면의 texture depth를 정밀하게 측정하기 위해, 대상 표면의 좌표 정보를 획득하여 형상을 데이터화하는 3D 스캔 방식을 적용하였다. 이 방법은 3D 스캐너로 취득한 표면 정보를 기반으로 디지털 3D 모델을 생성하고, 좌표 데이터를 활용해 가상의 체적을 산정함으로써 해당 면적의 texture depth를 계산하는 방식이다. 이를 통해 표준사나 grease를 사용하는 체적법에서 발생하는 재료 유실이나 그루빙 홈 채움 불가 등의 한계를 가상의 체적 모델링을 통해 보완할 수 있다.
본 연구에서는 Artec Eva (LED 기반 구조광 방식) 3D 스캐너를 사용하였으며[14], 표면 체적 산정에는 Geomagic Design X 상용 소프트웨어를 활용하였다[15].
Texture depth 측정 절차는 Fig. 4와 같다[6].
1) 데이터 수집 : 3D 스캐너를 이용하여 측정 대상 표면의 좌표 정보를 수집하고, 이를 통해 3D 디지털 모델을 생성한다.
2) 측정 영역 정의 : 생성된 모델에서 체적 산정 대상 영역을 지정하고, 해당 영역을 분리한다.
3) 기준 평면 설정 : 지정된 영역의 표면 좌표 중 상위 10% 평균 높이를 기준으로, 동일 크기의 가상 기준 평면을 형성한다.
4) 체적 산정 및 3D-TD 계산 : 기준 평면과 원래 표면 사이에 형성되는 가상의 3차원 공간의 체적을 산출하고, 이를 면적으로 나누어 texture depth (3D-TD)를 계산한다(식 (1)).
이 기법은 그루빙이 포함된 활주로 표면에서도 위치 제약 없이 반복 측정이 가능하며, 기존 체적법 대비 정량적·공간적 분석이 용이하다는 장점이 있다.
여기서, 은 기준 평면과 포장 표면 사이의 3차원 부피, 는 기준 평면의 면적이다.
이때 정의된 영역 표면 좌표의 상위 10% 평균 높이의 경우 다양한 측정 대상을 기준으로 사전시험을 통해 도출된 최적값이다. 이는 동일한 대상 표면을 대상으로 3D-TD와 ASTM E965-15로 측정된 MTD와 비교를 통해 도출되었다.
2. 측정 방법의 신뢰성 확보
제안한 3D 스캐너 기반 texture depth 측정 기법의 신뢰성을 확보하기 위해, Fig. 5와 같이 동일 구간을 대상으로 ASTM E965-15 방법과 병행 측정을 수행하였다. 측정 결과(Table 1, Fig. 6), 3D-TD 값은 0.361–1.565 mm 범위로 나타나, 두 방법 간의 결과가 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 이때 3D-TD결과의 신뢰도를 확보하기 위해 실제 ASTM 측정 범위를 포함하여 평균 1.5배 수준의 넓이로 측정하였다.
또한, 두 측정값에 대한 선형회귀분석 결과(식 (2)) 결정계수(R2)는 0.9711로 높은 상관성을 보였다. 이는 제안된 3D-TD 기법이 기존 체적법과 동등하거나 그 이상의 정밀도를 확보하고 있음을 의미한다.
여기서, 는 3D 스캐너 기반 texture depth, 는 ASTM E965-15의 Mean Texture Depth이다.
이러한 결과는 그루빙이 시공된 활주로를 포함하여 다양한 포장 유형에서도 본 기법이 신뢰성 높은 대안으로 활용될 수 있음을 시사한다. 특히 반복 측정에 용이하고 위치 특이성에 덜 민감하다는 장점으로 인해, 활주로 유지관리 및 고무 제거 효과 평가 등 실무 적용 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.
Table 1.
Comparison of Texture Depth Measurements Using 3D Scanning and ASTM E965-15 Method
3. 활주로 포장 표면 Texture Depth 측정
현장 적용성을 검증하기 위하여 Fig. 7과 같이 인천국제공항 제2활주로(아스팔트 포장)와 제3활주로(콘크리트 포장)에서 현장 측정을 수행하였다. 측정 구간은 항공기 타이어 고무가 집중적으로 퇴적되는 터치다운 구역을 대상으로 하였으며, 종방향 활주로 중심선을 기준으로 두 구간으로 구분하였다. 각 구간에서 0.5 m × 0.5 m 크기의 측정 지점을 16개씩(활주로별 32개 지점) 선정하여 총 64개 지점에 대해 측정을 실시하였다.
각 측정 지점은 고압살수(water jet) 장비를 이용해 고무 퇴적물 제거 전·후로 구분하여 3D 스캐닝을 수행하였으며, 제안한 3D-TD 산정 기법을 적용하여 texture depth를 계산하였다. 이를 통해 고무 퇴적물 제거 전후의 texture 변화를 정량적으로 분석하고, 본 기법의 현장 적용 가능성을 검증하였다.
측정 결과(Table 2), 고무 퇴적물 제거 전·후의 texture depth 변화량은 0.915–1.428 mm 범위로 나타났으며, 아스팔트 포장보다 콘크리트 포장에서 변화 폭이 더 크게 관찰되었다. 또한, Fig. 8에 제시된 바와 같이 3D 스캐너로 획득한 표면 모델에서도 고무 퇴적물 제거 전후의 형상 차이가 뚜렷하게 확인되었다.
이 결과를 통해 본 연구에서 제안한 3D-DT 산정 기법은 그루빙이 포함된 활주로 포장을 포함하여 전 표면에 대해 정량적이고 재현성 있는 측정이 가능함을 입증하였다. 나아가, 본 방법은 활주로 표면 특성 변화를 과학적으로 검증할 수 있는 유효한 도구로서, 향후 다양한 포장 유형과 특정 조건에서의 적용성 검토를 통해 보편성을 확보할 필요가 있다.
Table 2.
3D Scanner-Based Texture Depth Measurement Results for Incheon Airport Runway
Ⅳ. 결론
본 연구에서는 3D 스캐너를 활용한 활주로 포장 표면 texture depth (3D-TD) 산정 기법을 제안하고, 그루빙이 존재하는 실제 활주로 포장에 적용하여 현장 적용성을 검증하였다. 제안된 방법은 ASTM E965-15 체적법과의 비교를 통해 그루빙이 없은 일반 아스팔트 포장 표면에서 높은 상관성(R2 = 0.9711)을 보였다. 이는 일반 아스팔트 포장 표면의 측정결과를 비교한 결과로 실제 그루빙를 포함한 포장면에서의 직접 비교가 어려워 높은 상관성을 토대로 그루빙 구조를 포함한 포장 유형에서의 측정 적용성을 실험하고자 하였다. 이를 위해 인천국제공항 활주로를 대상으로, 고무 퇴적물 제거 전·후의 분석하였으며, 그 결과 texture depth 변화량은 0.915–1.428 mm 수준이었으며, 아스팔트보다 콘크리트 포장에서 변화 폭이 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 제안된 기법이 활주로 유지관리, 고무제거 효과 평가 등 실무에서 유효하게 활용될 수 있음을 시사한다. 향후 다양한 기상·계절 조건과 포장 재질을 고려한 추가 검증을 통해 본 기법의 보편성과 적용성을 확대할 필요가 있다.
