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가설 설정
- 바닥에서는 힌지지지 (hinge support)로 하여 x,y축 모두 변위가 없는 것으로 가정하여 분석하였다. 유한요소해석은 엘리먼트 크기와 개수에 따라 많은 영향을 받기 때문에 하중을 직접적으로 받게 되는 표층에 크기가 작은 엘리먼트를 촘촘히 사용하였고 깊이가 증가할수록 점차적으로 크기가 큰 엘리먼트를 사용하였다.
- 본 연구에서는 표층에만 점탄성 물성을 적용하였으며, 나머지 포장단면 기층, 보조기층, 노상의 물성은 선형 탄성, 등방성 그리고 균질하다고 가정하였다. 유한요소해석에 사용되어진 아스팔트 혼합물의aT 와 마스터 완화탄성계수(relaxation modulus)는그림 1과 같으며 이 값들은 기존에 발표된 자료를 이용하였다(Kim et al.
- 아스팔트 포장에 지오그리드를 보강하고 포장의 기하구조 및 윤하중을 축대칭으로 가정하여 분석을 실시하였다. 지오그리드 보강 아스팔트에 다음과 같은 요소들을 적용하였다.
제안 방법
- 이에 지오그리드의 설치 위치를 표층뿐만 아니라 기층, 보조기층 등에 보강하여 위치에 따른 영향을 분석하였다. 그리고 표층의 두께 및 그에 따른 포장단면의 탄성계수를 조합하여 민감도 분석을 수행하였으며 그 결과로 종합적인 지오 그리드의 최적 설치위치에 대해 판단하였다.
- 따라서 본 연구에서는 포장체를 2차원 축대칭(axisymmetry) 유한요소모형으로 모델링하여 지오그리드 보강재의 위치에 따른 영향과 포장단면의 탄성계수 변화에 따른 효과를 구조적으로 판단하였다. 이때 분석에 영향을 미치거나 문제를 일으킬 수 있는 균열을 내포하고 있는 불연속적인 포장은 분석에서 제외시켰다.
- 이용하여 해석하였다. 보강재의 설치 위치 , 단면의 두께, 표층의 온도분포 그리고 층별 탄성계수 값을 변화시켜 아스팔트의 응력변화 및 거동을 분석한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구는 토목섬유의 일종인 지오그리드로 보강된 아스팔트 포장체를 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해석하였다. 보강재의 설치 위치 , 단면의 두께, 표층의 온도분포 그리고 층별 탄성계수 값을 변화시켜 아스팔트의 응력변화 및 거동을 분석한 결과는 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 인천 국제 공항 시 험 포장 종합보고서(신공항건설공단 , 1998)를 참고로 하여 탄성계수 범위를 설정하였고,이 탄성계수는 Multi-Depth Deflectometer(MDD)로부터 측정된 깊이별 처짐을 이용하여 역산 추정된 값이다. 설정된 탄성계수 범위를 가지고 발생 가능한 경우의 수(case)들로 조합하여 포장단면의 탄성계수 값 변화에 따른 민감도 분석을 수행하였다. 표층 두께 및 표층과 아스팔트 안정처리 기층의 탄성계수 범위를 가지고서 조합된 Case는 표 3과 같다.
- 아스팔트 포장에 가해지는 동적하중을 모사하기위해 30millisec 동안의 Falling Weighted Deflectometer(FWD)하중을 여러 단계 (step)로 나누어서 적용하였다. 또한, FWD pulse는 기존에 발표된 자료를 이용하였다(Uddin, 1998).
- 바닥에서는 힌지지지 (hinge support)로 하여 x,y축 모두 변위가 없는 것으로 가정하여 분석하였다. 유한요소해석은 엘리먼트 크기와 개수에 따라 많은 영향을 받기 때문에 하중을 직접적으로 받게 되는 표층에 크기가 작은 엘리먼트를 촘촘히 사용하였고 깊이가 증가할수록 점차적으로 크기가 큰 엘리먼트를 사용하였다. 또한, 하중의 영 향범위를 고려하여 하중의 영향이 미치는 범위 내에서는 가로, 세로 1cm 크기인 4절점의 정사각형 엘리먼트를 사용하였으며,해석단면의 크기(가로 4m, 세로 4.
- 이에 본 연구는 아스팔트 포장 표층의 거동을 점 탄성으로 분석하였으며 포장체에 삽입된 지오그리드의 설치위치와 포장단면의 두께를 조합하여 지오 그리드의 최적 설치위치를 알아보고 포장단면의 물성에 따른 민감도 분석을 수행하였다.
- 또한 시공조건에 따라서도 탄성계수 값이 달라질 수 있는 가능성을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 인천 국제 공항 시 험 포장 종합보고서(신공항건설공단 , 1998)를 참고로 하여 탄성계수 범위를 설정하였고,이 탄성계수는 Multi-Depth Deflectometer(MDD)로부터 측정된 깊이별 처짐을 이용하여 역산 추정된 값이다. 설정된 탄성계수 범위를 가지고 발생 가능한 경우의 수(case)들로 조합하여 포장단면의 탄성계수 값 변화에 따른 민감도 분석을 수행하였다.
- 또한 표층과 기층에서 발생하는 수직방향의 압축응력/변형률과 전단응력/변형률이 소성변형(rutting)과 연관된다. 이에 지오그리드를 보강했을 때에 포장체에 발생 되는 응력/변형률에 대해 중점적으로 분석하였다.
- 또한, 아스팔트층 내에 설치된 섬유보강재가 포장체에 미치는 영향에 관한 연구는 드물었다. 이에 지오그리드의 설치 위치를 표층뿐만 아니라 기층, 보조기층 등에 보강하여 위치에 따른 영향을 분석하였다. 그리고 표층의 두께 및 그에 따른 포장단면의 탄성계수를 조합하여 민감도 분석을 수행하였으며 그 결과로 종합적인 지오 그리드의 최적 설치위치에 대해 판단하였다.
- 점탄성 해석시 아스팔트 표층의 온도분포를 고려하였다. 아스팔트 표층의 깊이에 대한 온도분포를 모사하기 위하여 각 절점 (node)에 온도 값을 정의한다.
- 포장단면의 표층두께와 표층과 기층의 탄성계수 범위를 가지고서 경우의 수(case)들을 조합하여 민감도 분석을 수행한 후 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 데이터
- 여러 단계 (step)로 나누어서 적용하였다. 또한, FWD pulse는 기존에 발표된 자료를 이용하였다(Uddin, 1998). 하중의 크기는 각 단계에서시간 동안의 하중을 선형적으로 증감시켰다.
- 각 절점에 정의된 온도는 깊이에 따른 변화만 고려하고 시간의 간격 이 짧기 때문에 시간에 따른 변화는 고려하지 않았다. 아스팔트 표층에 정의된 온도분포는 현장에서 얻어진 데이터를 이용하였다(Park,2000).
- 유한요소해석에 사용되어진 아스팔트 혼합물의aT 와 마스터 완화탄성계수(relaxation modulus)는그림 1과 같으며 이 값들은 기존에 발표된 자료를 이용하였다(Kim et al., 1996).
- 유한요소해석에서 지오그리드는 선형 탄성 쉘요소(shell element) 를 사용하였으며 아스팔트 포장과 지오 그리드는 완전 접착된(perfect bond)상태로.가정하였다.
데이터처리
- 지오그리드로 보강된 아스팔트 포장의 거동을 유한요소해석 (Finite Element Analysis) 프로그램인ABAQUS를 사용하여 분석하였다. 유한요소 해석에서는 유한요소모형의 선택이 무엇보다도 중요하다.
성능/효과
- 1. 지오그리드를 기층과 보조기층 사이(보강위치 ④)에 설치할 때 아스팔트 안정처 리 기층 아래에서 발생하는 횡방향 인장응력을 큰 폭으로 감소 시켜 아스팔트 포장 하부에서의 균열 발생을 상당히 억제하는 것으로 분석되었다.
- 2. 지오그리드를 기층과 보조기층 사이에 설치함으로서 기존의 표층두께보다 얇은 표층으로 같은 정도의 균열 저항성을 확보하는 것으로 분석되었다.
- 3. 온도분포에 대한 영향을 분석하기 위해 아스팔트 표층에 낮시간, 밤시간, 25°C균일한 온도 조건을 적용하여 분석한 결과, 지오그리드의 최적 설치 위치를 판단하는데 뚜렷한 영향이 없었다. 다만, 표층 온도분포의 변화로 인한 아스팔트의 점탄성적인 거동을 확인할 수 있었다.
- 했을 때 , 인장응력을 낮시간, 밤시간, 25 °C 균일온도에서 각각 34〜42%, 27%〜38%, 29〜39%씩감소시켰다. 또한, 각기 다른 표층두께에서도 보강 위치 ④에 설치했을 때 가장 큰 보강효과를 보였다. 이는 보강위치 ④가 온도분포와 표층두께에 상관없이 인장 보강재로서 가장 큰 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 유한요소해석은 엘리먼트 크기와 개수에 따라 많은 영향을 받기 때문에 하중을 직접적으로 받게 되는 표층에 크기가 작은 엘리먼트를 촘촘히 사용하였고 깊이가 증가할수록 점차적으로 크기가 큰 엘리먼트를 사용하였다. 또한, 하중의 영 향범위를 고려하여 하중의 영향이 미치는 범위 내에서는 가로, 세로 1cm 크기인 4절점의 정사각형 엘리먼트를 사용하였으며,해석단면의 크기(가로 4m, 세로 4.3〜5.0m)를 충분히 크게 하였다. 그리고 하중 재하시간이30millisec로 매우 짧아 포아슨비 (poisson's ratio)의 변화가 미세하므로 시간에 관계없이 일정한 포아슨비의 값을 사용했다.
- 표층의 온도분포는 지오그리드의 보강효과에 크게 영향을 미치지 못하였고, 그림 9에서처럼 보강위치 ④에서 31〜33%정도의 수직 변형률 감소 효과가 있었다. 민감도 분석을 통해 나온 그림 10에서 보강위치 ④가 공히 가장 효과적이었고, 보강 효과는 28〜41%정도이 었다.
- 일반적으로 아스팔트 층에서의 최대 전단변형률과 노상에서의 수직변형률로 소성변형 발생 가능성을 예측하게 된다. 본 연구에서 표층의 두께 및 층별 탄성계수를 조합하여 민감도 분석을 수행한 결과 Case에 따라 보강효과가 민감하게 변하여 단정할 순 없지만, 최대 전단변형률과 수직변형률에 대한 감소율을 볼 때 기층과 보조기층 사이 (보강 위치 ④)가 가장 효과적인 것으로 분석된다.
- 지오그리드를 기층과 보조기층사이 (보강위치 ④)에 설치했을 때, 기층아래에서 발생하는 횡방향 인장응력을 가장 크게 감소시켜 균열발생을 억제하고 있으며 , 소성변형과 관계되는 수직변형률과 최대 전단변형률을 살펴볼 때 소성변형 억제 효과도 있는 것으로 판단된다. 다만 표층의 두께와 탄성 계수 값의 조합에 따른 최대 전단변형률의 보강효과가 민감하게 변화하여 소성변형 저항성에 대한 최적 설치위치를 단정할 수 없었으며 , 표층과 기층사이 (보강위치 ①) 또는 보강 위치 ④에 지오그리드를 보강했을 때 어느 정도의 소성변형 저항성을 확보할 수 있으리라 기대된다.
- 얻었다. 표층의 온도분포는 지오그리드의 보강효과에 크게 영향을 미치지 못하였고, 그림 9에서처럼 보강위치 ④에서 31〜33%정도의 수직 변형률 감소 효과가 있었다. 민감도 분석을 통해 나온 그림 10에서 보강위치 ④가 공히 가장 효과적이었고, 보강 효과는 28〜41%정도이 었다.
후속연구
- 5. 본 연구에서는 아스팔트 표층에만 점탄성 물성을 적용하였지만 기층에 대한 점탄성 물성의 적용이 필요하고, 향후 시험포장이나 포장가속시험기(APT: Accelerated Pavement Tester)를 이용하여 아스팔트 포장에 삽입된 토목섬유의 효과를 검증하는 단계가 필요하다.
- 다만 표층의 두께와 탄성 계수 값의 조합에 따른 최대 전단변형률의 보강효과가 민감하게 변화하여 소성변형 저항성에 대한 최적 설치위치를 단정할 수 없었으며 , 표층과 기층사이 (보강위치 ①) 또는 보강 위치 ④에 지오그리드를 보강했을 때 어느 정도의 소성변형 저항성을 확보할 수 있으리라 기대된다.
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