줄눈 콘크리트 포장에 있어 줄눈부의 하중전달은 다웰바, 골재맞물림, 하부지반의 강성에 의해 발현된다. 콘크리트 포장의 합리적인 역학적 해석을 위해서는 이러한 사항을 적절하게 모델링할 필요가 있다. 줄눈부 하중전달율은 일반적으로 줄눈부에 전단스프링으로 모델링 할 수 있다. 하지만 줄눈부 하중전달이 포장 공용성에 지대한 영향을 미치고 있음에도 위 세가지 모두를 고려한 줄눈부의 줄눈강성(Joint Stiffness)에 대한 연구가 이루어 지지 않아 콘크리트 포장 설계시 적정 줄눈강성값을 적용시키지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내 콘크리트 포장 여건에 적합한 줄눈부 전단 스프링의 입력요소인 줄눈강성(다웰바, 하부지반, 골재맞물림 고려)을 산정하고자 한다. 이를 위해 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 이용하여 구한 하중전달율(LTE)에 대해 하부지반 및 다웰바 설치유무에 따른 국내 주요 고속도로 및 시험도로의 데이터를 수집하였다. 또한 국내 포장조건을 고려한 구조해석자료를 통해 하부 지반 조건 및 다웰바 유무에 따른 줄눈부의 줄눈강성을 산정하였다. 이 두 가지를 통해 현장의 하중전달율 데이터와 비교분석하여 다웰바 유무, 하부지반 조건별 영향인자에 대해 온도 및 재령을 고려한 국내 조건에 적합한 줄눈강성 산정식을 제시하였다.
줄눈 콘크리트 포장에 있어 줄눈부의 하중전달은 다웰바, 골재맞물림, 하부지반의 강성에 의해 발현된다. 콘크리트 포장의 합리적인 역학적 해석을 위해서는 이러한 사항을 적절하게 모델링할 필요가 있다. 줄눈부 하중전달율은 일반적으로 줄눈부에 전단스프링으로 모델링 할 수 있다. 하지만 줄눈부 하중전달이 포장 공용성에 지대한 영향을 미치고 있음에도 위 세가지 모두를 고려한 줄눈부의 줄눈강성(Joint Stiffness)에 대한 연구가 이루어 지지 않아 콘크리트 포장 설계시 적정 줄눈강성값을 적용시키지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내 콘크리트 포장 여건에 적합한 줄눈부 전단 스프링의 입력요소인 줄눈강성(다웰바, 하부지반, 골재맞물림 고려)을 산정하고자 한다. 이를 위해 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 이용하여 구한 하중전달율(LTE)에 대해 하부지반 및 다웰바 설치유무에 따른 국내 주요 고속도로 및 시험도로의 데이터를 수집하였다. 또한 국내 포장조건을 고려한 구조해석자료를 통해 하부 지반 조건 및 다웰바 유무에 따른 줄눈부의 줄눈강성을 산정하였다. 이 두 가지를 통해 현장의 하중전달율 데이터와 비교분석하여 다웰바 유무, 하부지반 조건별 영향인자에 대해 온도 및 재령을 고려한 국내 조건에 적합한 줄눈강성 산정식을 제시하였다.
The excellent load transfer at transverse joints ensures the high performance of jointed plane concrete pavements(JPCP). Load transfer efficiency(LTE) is affected by dowel-bars, aggregate interlock and types of underlying layers, and these factors have to be modelled adequately for a reasonable anal...
The excellent load transfer at transverse joints ensures the high performance of jointed plane concrete pavements(JPCP). Load transfer efficiency(LTE) is affected by dowel-bars, aggregate interlock and types of underlying layers, and these factors have to be modelled adequately for a reasonable analysis of JPCP. Generally, the joint stiffness has been represented by a spring model for the shear transfer by aggregate interlock or dowels. However dowel-bars, aggregate interlock and types of underlying layers have not been considered together in the design of joints. In this study, the joint stiffness that considered those factors was presented by comparing LTE obtained using FWD(Falling Weight Deflectometer) with theoretical results obtained using the finite element analysis. In addition, the effects of temperature and concrete age, on the joint stiffness were investigated.
The excellent load transfer at transverse joints ensures the high performance of jointed plane concrete pavements(JPCP). Load transfer efficiency(LTE) is affected by dowel-bars, aggregate interlock and types of underlying layers, and these factors have to be modelled adequately for a reasonable analysis of JPCP. Generally, the joint stiffness has been represented by a spring model for the shear transfer by aggregate interlock or dowels. However dowel-bars, aggregate interlock and types of underlying layers have not been considered together in the design of joints. In this study, the joint stiffness that considered those factors was presented by comparing LTE obtained using FWD(Falling Weight Deflectometer) with theoretical results obtained using the finite element analysis. In addition, the effects of temperature and concrete age, on the joint stiffness were investigated.
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문제 정의
줄눈강성의 경우 줄눈부의 다웰바 설치 여부에 의해 큰 차이를 보이게 되며, 하부지반의 종류에 따라 지지력의 영향을 받게 된다. 따라서 다웰바 설치여부와 하부지반 종류를 고려한 모델을 개발하고자 한다. 우선 국내 줄눈콘크리트 포장에 대한 구조해석을 통해 보조기층별 하중전달율에 따른 줄눈강성 산정 모델을 개발하고 이렇게 개발한 모델의 하중 전달율적용에 있어 국내 및 국외의 하중전달율 데이터를 수집하고 콘크리트 포장의 공용년수에 따라 줄눈강성의 변화와 온도 영향에 따른 줄눈부 거동 영향을 고려할 수 있는 줄눈강성 산정 모델을 제시하였다.
본 연구를 통해 최종적으로 국내 조건에 적합한 강성계수(Kj)를 설계법 프로그램에 적용하고자 한다. 줄눈부 강성계수(K)는 전단스프링계수 Kw와 모멘트스프링계수 Kθ로 이루어진다.
이러한 불연속면(줄눈부)의 합리적 설계를 위해 줄눈간격, 줄눈채움재, 타이바, 하중전달장치 등의 합리적 설계가 필요하다. 이 중 본 연구에서는 한국형 포장 설계법에서 줄눈부의 다웰바에 대한 정량화를 통해 설계 프로그램에 적용할 수 있는 입력변수로 줄눈강성(Joint StiffnessKj)에 대한 모델을 개발 하고자 한다. 지금까지 국내 콘크리트 포장 줄눈부 설계에 있어 하중전달계수(J-Factor)에 대한 연구는 이루어진바 있으나, 줄눈강성에 대한 국내에서의 체계적 연구를 통한 제안이 이루어진 적이 없다.
지금까지 국내 콘크리트 포장 줄눈부 설계에 있어 하중전달계수(J-Factor)에 대한 연구는 이루어진바 있으나, 줄눈강성에 대한 국내에서의 체계적 연구를 통한 제안이 이루어진 적이 없다. 이에 국내 콘크리트 포장의 상태평가에 가장 널리 쓰이고 있는 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 이용한 처짐시험으로 얻어지는 하중전달율(LTE-Load Transfer Efficiency) 자료를 수집하여 분석하고 국내 콘크리트 포장조건을 고려한 구조해석을 통해 줄눈강성을 산정 한 후 줄눈부 하중전달에 대한 다웰바 유무, 하부지반 종류에 대한 조건별 줄눈강성 값을 산정하고자 한다.
다웰바의 줄눈강성을 산정하는 방법은 실험을 통해 구하는 방법과 해석 자료를 바탕으로 구하는 방법이 있다. 이중 본 연구에서는 해석을 통해 얻어진 줄눈강성 Kj와 현재 가장 널리 사용되고 있는 포장상태 평가방법인 FWD를 이용해 손쉽게 획득할 수 있는 하중전달율(%) 자료의 분석을 통해 줄눈강성 Kj 모델을 개발하고자 한다. 이렇게 산정한 줄눈부강성은 그림 2를 보면 FWD를 통해 줄눈부 처짐을 측정하여 하중전달율값을 얻을 수 있고, 구조해석을 통해 줄눈강성을 구할 수 있다.
제안 방법
1. 국내 콘크리트 포장에 대한 구조해석을 통해 줄눈부 줄눈강성과 하중전달율의 관계를 하부조건에 따라 다음과 같이 도출할 수 있었다.
2. 다웰바를 설치할 경우 결과(1)의 각 보조기층별로 적용하여 온도와 재령에 대한 영향을 고려하여 결과를 도출하였다.
슬래브와 하부 지반이 서로 상이함에 따라 린기층과 쇄석기층을 비교하여 보면 쇄석기층의 온도에 대한 하중전달율 증가율이 완만하고 적은 것을 알 수 있다. 린 보조기층과 마찬가지로 구조 해석을 통해 줄눈강성(Kj)와 하중전달율(%) 관계 식 (3)에 그림 10의 온도영향에 대해 하중전달율(%) 관계식을 나타내면 식 (6)과 같으며, 린기층의 최소 하중전달율(%) 값과 마찬가지로 쇄석기층의 경우 최소값을 20% 이상으로 정하였다(AASHTO 2002 Design Guide).
그러므로 인접한 두 슬래브 사이의 변형과 하중에 의한 다웰바 전단변형을 고려한 Kw만을 고려한다. 본 연구에서는 골재 맞물림과 다웰바에서의 처짐량을 통해 표현하고 있는 Kw에 그림 1에서와 같이 하부지반의 영향까지 고려한 줄눈강성 Kj 모델을 제시 하였다.
따라서 다웰바 설치여부와 하부지반 종류를 고려한 모델을 개발하고자 한다. 우선 국내 줄눈콘크리트 포장에 대한 구조해석을 통해 보조기층별 하중전달율에 따른 줄눈강성 산정 모델을 개발하고 이렇게 개발한 모델의 하중 전달율적용에 있어 국내 및 국외의 하중전달율 데이터를 수집하고 콘크리트 포장의 공용년수에 따라 줄눈강성의 변화와 온도 영향에 따른 줄눈부 거동 영향을 고려할 수 있는 줄눈강성 산정 모델을 제시하였다.
그리고 식 (5)의 하중전달율(%)의 경우 온도가 계속 저하될 경우 하중전달값이 음의 값을 가지게 된다. 이에 미국의 AASHTO 2002 Design Guide에서 린기층의 경우 최소 40% 이상의 하중전달율(%) 값을 갖는다는 연구 내용에 근거하여 최소값을 40%로 정하였다(AASHTO 2002 Design Guide).
대상 데이터
데이터 베이스 구축의 편의를 위해 다웰바의 유무와 기층의 종류에 따라서 D-L(Doweled 구간-Lean Subbase), DA(Doweled 구간-Aggregate Subbase), U-L(Undoweled 구간-Lean Subbase), U-A(Undoweled 구간-Aggregate Subbase)로 구분지었으며 중부, 호남, 88고속도로, 중부내륙시험도로 및 고창-담양간 신설도로의 시험시공 데이터를 통해 표 2와 같이 정리하였다.
성능/효과
그림 3과 같이 하중을 재하하여 표 1에 보이는 바와 같이 하부지반 조건에 따라 각각 값을 달리 하였으며, 줄눈부 강성계수를 변화시키며 각 하중전달율에 따른 줄눈강성을 산정하였다. 구조해석을 통해 하부합성지지력 쇄석기층(500pci), 린 기층(1000pci)별 하중 전달율 vs 줄눈강성는 그림 4와 같으며, 하부지반의 지지력 계수가 큰 경우 줄눈강성도 큰 값을 보임을 알 수 있다.
그리고 식 (1)의 하중전달율(%)의 경우 현장 데이터인 중부내륙시험도로, 중부고속도로, 호남고속도로의 하중전달율(%) 자료를 분석한 결과 그림 5와 같이 슬래브 내의 온도가 20℃ 이하일 때는 온도의 증가에 따라 하중전달율이 증가하며 약 20℃의 기점 이후의 온도증가에선 하중전달율의 영향이 없음을 알 수 있다. 다웰구간중 린보조기층의 하중전달율 데이터 수집에 있어 더 많은 데이터의 확보가 어려웠지만 재령에 따라 하중전달율이 변화하는 양상은 확인할 수 있었다. 그림 6은 줄눈 콘크리트 포장의 공용 20년 이후에 하중전달이 약 11% 감소함을 보여주고 있다.
다웰바 미설치 구간의 경우 재령에 대한 영향은 찾기가 힘든 반면, 온도에 의한 영향은 뚜렷이 나타났다. 온도에 따른 콘크리트 슬래브의 수축,팽창으로 줄눈부의 골재 맞물림에 영향을 주게되어 온도가 증가할 수록 줄눈부의 골재 맞물림 효과가 증대되어 그림 9와 같이 하중전달율(%)이 증가함을 볼 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 무다웰 구간에서의 데이타 수집에 있어 다 웰구간의 데이타에 비하여 자료의 양이 적고 또한 쇄석기층의 경우 한 곳의 데이타만을 수집할 수 있었다. 향후 무다웰 구간의 하중전달율 데이타를 더 확보하여 본 연구에서 제시한 모델들에 대한 추가 검증 연구가 이루어 져야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
각 보조기층별 온도영향에 대한 줄눈강성을 약 8℃ 근처에서 각각 줄눈강성이 변화없이 값이 유지 되는것을 볼 수 있었던 이유는?
각 보조기층별 온도영향에 대한 줄눈강성을 그림 11에서 살펴보면 약 8℃ 근처에서 각각 줄눈강성(Kj)가 변화없이 값이 유지 되는것을 볼 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 각 보조기층별 최소 하중전달율을 지정하였기 때문이다.
줄눈 콘크리트 포장에 있어 줄눈부의 하중전달은 무엇의 강성에 의해 발현되는가?
줄눈 콘크리트 포장에 있어 줄눈부의 하중전달은 다웰바, 골재맞물림, 하부지반의 강성에 의해 발현된다. 콘크리트 포장의 합리적인 역학적 해석을 위해서는 이러한 사항을 적절하게 모델링할 필요가 있다.
줄눈부 하중전달율은 일반적으로 무엇으로 모델링 할 수 있는가?
콘크리트 포장의 합리적인 역학적 해석을 위해서는 이러한 사항을 적절하게 모델링할 필요가 있다. 줄눈부 하중전달율은 일반적으로 줄눈부에 전단스프링으로 모델링 할 수 있다. 하지만 줄눈부 하중전달이 포장 공용성에 지대한 영향을 미치고 있음에도 위 세가지 모두를 고려한 줄눈부의 줄눈강성(Joint Stiffness)에 대한 연구가 이루어 지지 않아 콘크리트 포장 설계시 적정 줄눈강성값을 적용시키지 못하고 있는 실정이다.
참고문헌 (6)
김현욱, 조윤호, 권수안(2002) 줄눈 콘코리트 포장에서 하중전달계수에 관한 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제22권,제1-D호 pp. 37-44.
이승우(2002) 고속국도 제45호선 여주-양평간 건설공사 포장 구조 해석 및 검증 연구, 연구보고서.
한국도로공사(1998) 줄눈콘크리트포장의 줄눈손상 해석 및 대책연구, 연구보고서.
Yang H. Huang (1993) Pavement Analysis and Desing, Prentice-Hall Inc.
NCHRP (2003) 2002 Design Guide : Design of New and Rehabilitated Pavement Structures.
Ruiz, Rasmessen, Faridazar (2003) Evaluation of Load Transfer Efficiency for SMP Sections in the LTPP Database, Transportation Research Board (2003).
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