[논문]차량의 이동하중과 하중형태가 연성 포장의 거동 특성에 미치는 영향 평가

조명환; 김낙석; 남영오; 임종혁

차량의 이동하중과 하중형태가 연성 포장의 거동 특성에 미치는 영향 평가
Effects of Moving Dynamic Vehicle Loads on Flexible Pavement Response 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.8 no.1, 2008년, pp.39 - 45

조명환 (경기대학교 토목환경공학부) , 김낙석 (경기대학교 토목환경공학부) , 남영오 (경기대학교 토목환경공학부) , 임종혁 (경기대학교 토목환경공학부)

초록
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일반적으로 아스팔트 콘크리트 포장의 수치해석은 순간적으로 최대 하중이 재하 되는 크리프 컴플라이언스(creep compliance) 개념을 가지고 수행되지만 실제 차량의 하중은 시간에 따라 크기가 변화하게 된다. 따라서 본 연구에서 차량의 이동 속도를 변화(25km/hr, 50km/hr, 80km/hr)시키며 현장의 포장 거동을 측정하고, 비선형 접지압력과 차량의 이동속도를 고려한 3차원 유한요소해석으로부터 얻어진 포장의 예측 거동을 비교 분석하였다. 현장거동에서 차량의 중간바퀴와 뒷바퀴에서 발생하는 횡방향 변형률과 종방향 변형률이 아스팔트 콘크리트 기층 하부에서 약 40%정도 차이가 나는 것으로 나타났으며 예측거동에서도 유사한 경향을 보여주었다. 그러나 예측거동의 경우 재료의 점탄성을 고려하지 못하고, 실제 하중의 이동을 완벽하게 고려하지 못했기 때문에 임계지점으로 차량이 접근하는 경우와 접근후에 대해서 정확한 설명이 힘든 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The most important elements in flexible pavement design criteria are stress and strain distributions. To obtain reasonable stress and strain distributions in pavements, moving wheel loads must be applied to analyze the pavement responses. In this study, finite element analysis was used to identify the three-dimensional states using the vehicle load into a constant-position / time-variable load (25, 50 and 80km/hr). In an elastic system, the strain is the same in both longitudinal and transverse directions under a single wheel. However, the same is not necessary in a viscoelastic system. Test results showed that the maximum values between transverse and longitudinal strains the bottom of asphalt concrete base layers under 25km/hr were were about 40 percent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

않았다. 따라서 본 연구에서는 차량의 이동 속도를 변화시키며 현장의 포장 거동을 측정하고, 비선형 접지압력과 차량의 이동속도를 고려한 하중재하방법으로 얻어진 포장의 예측 거동을 비교 분석하고자 한다.
본 연구는 차량의 이동 속도가 포장의 거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 3가지 이동 속도에 대한 현장의 포장 거동을 측정하고, 각 속도를 3차원 유한요소해석에 모델화 하여 얻어진 예측 거동에 대하여 비교하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
차량의 이동하중이 연성포장의 거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 한국도로공사에서 운영하고 있는 중부내륙고속도로 여주 JCT에 위치하고 있는 시험도로의 A5단면에 대하여 동적하중 재하시험을 수행하고자 한다. 시험도로 A5 단면은 7개 층으로 구성되어 있으며, 아스팔트 콘크리트 층은 아스팔트 표층, 아스팔트 중간층, 그리고 아스팔트 기층으로 구성되어 있고 각 층의 두께는 표 1과 같다.

제안 방법

3차원 유한요소모델에 대한 선형탄성해석을 수행하였으며, 차량의 이동 속도별 아스팔트 콘크리트 포장의 예측 거동을 아스팔트 콘크리트 표층 하부(표층 표면으로부터 3cm 지점) 와 아스팔트 기층 하부(표충 표면으로부터 27cm 지점)로 구분하여 그림 9에 25km/hr와 80km/hr의 속도로 예측된 거동을 나타내었다. 그림 9를 살펴보면 선형탄성해석조건으로 인하여 차량의 이동 속도는 표층 하부 및 기층 하부에서 발생하는 최대 변형률에 영향을 미치지 않고 단지 변형률의 주기 또는 폭에만 영향을 주고 있기 때문에 50km/hr의 경우는 생략하였다.
5톤 3축 덤프트럭을 사용하였으며, A5 단면의 ASG 103 변위계와 ASG 106 변위계를 기준으로 표면에 차량 진행 방향으로 그린 유도선을 사용하였다. 차량의 속도는 차량의 운전자 측 타이어가 ASG103 변형률 게이지 위를 통과할 때의 평균속도를 측정하였으며, 변형률 게이지로 부터 이격거리와 평균 통과속도는 피에조 센서 (piezo sensor)를 사용하여 그림 2와 같이 즉정하였다. 이때 차량의 운행 속도는 저속(30km/hr), 중속(50kmhr), 그리고 고속(80km/hr)으로 구분하여 수행하고자 하며, 본 연구에서 사용하는 피에조 센서측정방식에 관련된 사항은 김낙석 등 (2006)의 문헌에 나타나 있다.
하중의 크기는 그림 8과 같이 타이어의 접지면적을 원형이나 직사각형이 아닌 동적하중 재하시험에 사용된 타이어의 형태를 고려하였으며, 하중의 크기도 비선형 접지압력을 사용하고자 한다. 타이어의 접지면적과 접지압력은 조명환 등 (2006)의 논문을 참조하였으며, 하중재하 속도는 식 (1)을 사용하여 계산된 하중속도를 사용하였으며 계산된 하 중재 하주기를 표 3에 나타내었다.

대상 데이터

(2003)이 제시한 25℃의 탄성계수와 포아송비를 사용하였다. 단위중량의 경우는 일괄적으로 한국형 포장설계법 S차년도 보고서(건설교통부, 2004)에서 사용된 물성을 사용하였다.
동적하중 재하시험은 1.5톤 3축 덤프트럭을 사용하였으며, A5 단면의 ASG 103 변위계와 ASG 106 변위계를 기준으로 표면에 차량 진행 방향으로 그린 유도선을 사용하였다. 차량의 속도는 차량의 운전자 측 타이어가 ASG103 변형률 게이지 위를 통과할 때의 평균속도를 측정하였으며, 변형률 게이지로 부터 이격거리와 평균 통과속도는 피에조 센서 (piezo sensor)를 사용하여 그림 2와 같이 즉정하였다.
또한 너무 조밀한 요소 크기를 사용할 경우 유한요소해석을 위하여 64bit의 하드웨어가 필요하지만 본 연구에서는 32bit의 컴퓨터에서 해석이 수행되어 요소크기 선정에 제한이 따른다. 따라서 본 연구에서는 시험도로 A5 단면의 해석 크기를 4m X4mX3m로 결정하고 해석 위치의 중요도에 따라 가장 조밀한 부분은 하중이 재하되는 부분으로 1cm의 요소 크기를 사용하였고 하중이 재하되는 부분에서 멀어질수록 3cm-10cm 의 요소 크기를 사용하였다.
동적하중 재하시험을 수행하고자 한다. 시험도로 A5 단면은 7개 층으로 구성되어 있으며, 아스팔트 콘크리트 층은 아스팔트 표층, 아스팔트 중간층, 그리고 아스팔트 기층으로 구성되어 있고 각 층의 두께는 표 1과 같다. 표 1에 아스팔트콘크리트 층 두께와 함께 각 층의 탄성계수도 나타냈으며, 탄성계수의 경우 한국형 포장설계법 3차년도 보고서(건설교통부, 2004)를 참조하였다.

이론/모형

한다. 타이어의 접지면적과 접지압력은 조명환 등 (2006)의 논문을 참조하였으며, 하중재하 속도는 식 (1)을 사용하여 계산된 하중속도를 사용하였으며 계산된 하 중재 하주기를 표 3에 나타내었다.
시험도로 A5 단면은 7개 층으로 구성되어 있으며, 아스팔트 콘크리트 층은 아스팔트 표층, 아스팔트 중간층, 그리고 아스팔트 기층으로 구성되어 있고 각 층의 두께는 표 1과 같다. 표 1에 아스팔트콘크리트 층 두께와 함께 각 층의 탄성계수도 나타냈으며, 탄성계수의 경우 한국형 포장설계법 3차년도 보고서(건설교통부, 2004)를 참조하였다.

성능/효과

(1) 횡방향 변형률의 경우 바퀴하중이 변형률계로 접근함에 따라서 변형률의 크기가 점진적으로 증가하며 최대압축변형률이 발생한 이후 점진적으로 감소하는 형태를 보여주었다. 그러나 종방향 변형률의 경우는 차량이 접근함에 따라서 인장변형률이 발생한 후 점진적으로 최대압축변형률이 발생하는 형태를 보여주었다.
(2) 아스팔트 콘크리트 층 하부에서 차량의 중간바퀴에 의하여발생흐}는 변형률의 크기를 각 속도별로 비교하였으며, 비교 결과 차량의 운행속도에 상관없이 횡방향 변형률이 종방향 변형률 보다 약 40% 정도 작은 값을 보여주었으며, 이러한 경향은 예측거동에서도 동일하게 나타나는 것을 확인하였다.
그리고 차량의 진행방향으로부터 구분되는 횡방향 변형률 (lateral strain, Ell)과 종방향 변형률(longitudinal strain, E33)의 경우 1축에서는 최대값에 큰 차이를 보여주지 않아 방향성에 대한 영향이 적은 것으로 나타났다. 그러나 기층 하부의 예측 거동을 나타낸 그림 9(b)와 9(d)의 경우 2축과 3축에서 횡방향 변형률이 종방향 변형률보다 약 40% 정도 작게 예측되었으며, 이러한 두 변형률 사이의 차이는 실제 기층 하부에서 측정된 현장의 차이와 유사한 경향을 보여주고 있다.
타이어 접지면적과 차량의 이격거리의 영향에 관한 조명환 등(2006)의 논문을 살펴보면 차량 앞바퀴의 이격거리가 10cm 전후인 경우 표층은 타이어 접지면적의 영향으로 변형률 값의 변동폭이 크며, 기층 하부는 표층보다 변동폭은 작은 것으로 보고하였다. 따라서 본 연구에서 사용된 차량의 이격거리 영향으로 실제 얻어진 앞바퀴 최대 변형률의 경우는 이격거리에 대한 영향으로 직접적인 비교가 힘들지만, 그림 6과 그림 7을 살펴보면 중간바퀴와 뒷바퀴의 경우 변형률 최대값의 변동폭이 작게 나타났다. 따라서 중간바퀴의 경우 속도별 최대 변형률의 크기 비교가 앞바퀴에 비하여 상대적으로 가능할 것으로 사료되며, 비교결과 횡방향 변형률의 최대값이 종방향 변형률 보다 약 40%정도 작은 것으로 측정되었다.
따라서 본 연구에서 사용된 차량의 이격거리 영향으로 실제 얻어진 앞바퀴 최대 변형률의 경우는 이격거리에 대한 영향으로 직접적인 비교가 힘들지만, 그림 6과 그림 7을 살펴보면 중간바퀴와 뒷바퀴의 경우 변형률 최대값의 변동폭이 작게 나타났다. 따라서 중간바퀴의 경우 속도별 최대 변형률의 크기 비교가 앞바퀴에 비하여 상대적으로 가능할 것으로 사료되며, 비교결과 횡방향 변형률의 최대값이 종방향 변형률 보다 약 40%정도 작은 것으로 측정되었다.
아스팔트 콘크리트 포장의 거동을 예측할 때, 식 (1)과 같은 이동 하중 고려 방법은 기존의 크리프 컴플라이언스 개념의 하중보다 주기 개념을 도입함으로써 보다 현실적인 거동을 고려할 수 있지만, 그림 9와 그림 10에서 보여주는 바와 같이 차량의 이동하중을 완벽하게 모사하지는 못하는 것으로 나타났다. 이러한 현장 거동과 예측거동의 차이는 아스팔트 콘크리트 포장의 전통적인 피로균열(균열이 하부에서 발생하여 상부로 진행하는 경우)에 대한 설계수명이나 잔류수명 예측에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다.

후속연구

(3) 예측거동의 경우 재료의 점탄성을 고려하지 못하고, 실제 하중의 이동을 완벽하게 고려하지 못했기 때문에 임계지점으로 차량이 접근하는 경우와 접근후에 대해서 정확한 설명이 힘든 것으로 나타났으며, 피로균열의 파손 형태나 균열 진전 모델 등의 개발을 위해서는 보다 정확한 경계조건을 사용해야 할 것으로 사료된다.

참고문헌 (8)

건설교통부 (2004). 한국형 포장설계법 개발과 포장성능 개선방안 연구-아스팔트 포장 설계법 개발(1단계 3차년도 최종보고서). 연구보고서, KPRP-G-04, 한국도로학회
김낙석, 정진훈, 이재훈, 박창우 (2006). 원더링 장비 적용을 통한 아스팔트 포장 거동 특성 연구. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제26권, 제1D호, pp. 89-94
조명환, 김낙석, 정진훈, 서영국 (2006). 타이어 접지 면적과 비선형 접지압력을 고려한 연성포장내의 거동 분석, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제26권, 제4D호, pp. 601-608
Holewinski, J.M., S. Soon, A. Drescher, and H.K. Stolarski (2003). Investigation of Factors Related to Surface-initiated Cracks in Flexible Pavements(Final Report). University of Minnesota Department of Civil Engineering, Minesota Department of Transportation
Huang, Y.H. (2004). Pavement Analysis and Design, 2nd Edition. Prentice Hall, New Jersey
Park, D., A.E. Martin, E. Masad (2005). Effects of Nonuniform Tire Contact Stresses on Pavement Response. Journal of Transportation Engineering, Vol. 131, No. 11, pp. 873-879

상세보기
Westergaard, H.M. (1925). Stresses in Concrete Pavement Computed by Theoretical Analysis. Public Raods, Vol. 7, pp. 25-35
Zaghloul, S.M. and T.D. White (1993). Use of a Three Dimensional Dynamic Finite Element Program for Analysis of Flexible Pavement. Transportation Research Record 1388, TRB, National Research Council, Washinton, D.C., ppo. 60-69

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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