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문제 정의
- 유한요소해석에 있어서 요소의 크기는 작을수록 정확한 해석이 가능하나 이는 총요소수의 증가를 가져오고 해석시간의 증가를 초래한다. 따라서 본 연구에서는 경제적인 해석시간과 보다 정확한 해석값을 얻기 위하여 요소의 구성 시 주 해석대상이 되는 부분을 더욱 세밀하게 설정하였다. 해석 결과 유한요소망의 너비가 6m 이상일 경우에는 해석 결과에 영향을 주지 않으므로 (이강진, 1999) 해석 시간의 경제성을 고려하여 유한요소망의 폭을 하중 중심으로부터 6m 로 구성하였다.
- 본 연구에서는 선정된 대표단면에 대해 경계면의 조건을 변화하여 포장체에 발생하는 응력 및 변형률 그리고 처짐을 비교하고, 공용성 분석을 통해 경계면 조건에 따른 포장의 수명을 예측 및 비교하여 경계면의 영향을 살펴보았다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본절에서는 연직하중만 작용하는 경우와 연직하 중과 수평하중이 동시에 작용하는 경우 포장체에 미치는 영향을 분석하고 포장구조해석시 수평하중 영향 고려의 필요성에 대한 검토를 실시하였다. 주행 차 량으로 인해 포장체에 가해지는 하중은 연직하 중과 수평 하중이 있으며, 수평 하중의 크기는 연직하중의 약 50%에 해당한다(Cardoso 등, 1995).
가설 설정
- 과거 아스팔트 포장 구조체 내의 아스팔트 층과 쇄석기층, 보조기층과 같은 일반 토체 사이에서의 관계를 단지 완전 접합이라는 가정 하에 포장설계를 하였다. 그러나 반복되는 차량 하중으로 인해 각 층에서 발생하는 변형률의 차이로 인해 완전 접합된 경계층에 균열이 발생하여 초기의 포장거동과는 다른 양상을 보이게 된다.
- (1995)가 측정한 마찰력으로부터 산정하였다. 따라서 본 연구에서 사용된 모델 하중은 axis-symmetric 모델에서는 설계 하중과 같은 반경 15cm, 접지압 5.8 kg/cm2의 원형 등분포 하중으로 가정하였으며, 3차원 모델에서는 axis-symmetric 모델의 원형 하중과 동일한 재하면적과 크기를 갖도록 하여, 재하면적 30X40cm, 접지압 3.421kg/cm3의 연직하중과 Cardoso 등 (1995)의 연구결과의 μ=0.48을 사용하여 1.71kg.cm2/cnf의 수평하중으로 가정하였다.
- 실제 포장체에 가해지는 하중은 타이어 접지압의 분포형상에 따라 달라 지나 이는 현가장치, 도로 표면 거칠기 및 타이어 종류 등 많은 변수들에 의해 다르므로 본 연구에서는 포장도로설계 시 사용되는 원형 등 분포 하중과 실제도로에서 주행 하중시험 시 페인트칠로 측정된 타이어 접지 면적을 이용하였다. 또한 수평 하중의 경우, 교량설계 시 제동 하중을 주행하중의 10%로 가정 하나 본 연구에서는 최대 하중이 가해지는 경우를 모사화하고자 Cardoso et al. (1995)가 측정한 마찰력으로부터 산정하였다. 따라서 본 연구에서 사용된 모델 하중은 axis-symmetric 모델에서는 설계 하중과 같은 반경 15cm, 접지압 5.
- 아스팔트 포장에서 포장체를 다층 구조모 델로 보는 역학적 설계법의 가장 중요한 가정사항은 각 층 사이가 완전 접합(fully bonded)된 것으로 가정한다는 것이다. 이러한 가정은 포장체의 모델링과 계산 절차를 간단하게 해준다는 장점이 있다.
- 또한 3층 해석을 위한 각 층의 탄성계수 역시 경계면 상태 변화에 따라 가장 민감한 단면으로 파악된 등가 아스팔트 층의 탄성계수를 40000kgf/cm2, 보조기층의 탄성계수는 3000kgf/cm2, 노상의 탄성계수는 1500kgf/cm2로 선정하였다. 포아송비는 아스팔트층을 0.30, 보조기층을 0.35, 노상을 0.40으로 취하였으며, 단위 중량은 각 층에 대하여 각각 0.00235 kgf/cm3, 0.00230 kgf/cm3, 0.00191kgf/crn, 로가정하였다(최준성, 1998).수치해석에사용된 모델은 그림 2와 같이 연직하 중만이 작용하는 경우는 axis-symmetric으로 모델을 구성하여 KENLAYER와 ABAQUS를 이용하였으며, 수평하 중이 작용하는 경우는 그림 3과 같이 ABAQUS를 이용하여 3차원 모델을 구성하였다.
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