[논문]아스팔트 포장구조체에 대한 중차량 제한하중 평가

박성완; 황정준

doi:10.12652/ksce.2010.30.1d.053

아스팔트 포장구조체에 대한 중차량 제한하중 평가
Evaluating a Load Limit on Heavy Vehicles in Flexible Pavements 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, D. 교통공학, 도로공학, 시공관리, 정보기술, 지역 및 도시계획, 철도공학, 측량 및 지형공간정보공학, v.30 no.1D, 2010년, pp.53 - 60

박성완 (단국대학교 토목환경공학과) , 황정준 (단국대학교 토목환경공학과)

초록
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본 논문은 포장 공용성에 근거하여 연성포장체를 주된 대상으로 트럭의 하중제한을 하기 위한 방법을 평가하였다. 이러한 방법론의 적용을 위하여 연성포장에 대한 장기공용성은 VESYS 형태의 소성변형 모형과 Miner 이론을 적용한 피로균열을 각각 활용하여 예측하였다. 소성변형은 Alpha와 Gnu와 같은 소성변형 모형상수를, 그리고 피로균열은 $k_1$과 $k_2$를 피로균열 모형 상수를 각각 적용하였고 기존 국내문헌에서 활용 가능한 범위에서 연성포장에 대한 하중제한 평가를 위한 공용성 예측 및 민감도 분석에 필요한 자료를 적절하게 활용하였다. 이에 본 연구 결과에서는 공용성에 근거한 하중제한방법과 하중제한을 위한 간편한 제한하중법을 평가하여 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this paper is to evaluate a performance-based load zoning procedure in flexible pavements. Long-term performance in flexible pavements will be evaluated using VESYS type rutting model and Miner s theory on fatigue cracking. Permanent deformation properties such as alpha and gnu, and fatigue cracking properties such as k1 and k2 in asphalt concrete were used respectively. The data from the literatures were also used in predicting performance in flexible pavements for evaluating load restrictions as well as parametric study. Finally, a performance-based load zoning procedure and a simple load limit procedure for load zoning were assessed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3. 도로포장 파손은 소성변형과 피로균열에 의한 파손이 대부분으로, 이 두 가지 공용성에 근거하여 평가되는 하중 제한 기준의 재정립이 필요하기 때문에 본 연구에서는 중차량의 축하중 분포와 축거, 타이어 압에 대한 정밀한 조사를 바탕으로 소성변형과 피로균열에 근거한 하중제한 기준 정립을 위한 해석절차를 제안하였다.
AI-equation)에적용하여 주어진 축하중에 의해 파괴되는 시간을 예측하는데 사용된다. 그러나 이러한 다양한 하중특성의 적용이 용이 하지 못한 국내 여건을 고려하여 본 연구에서는 유한요소 프로그램(FLEXPASS)을 이용하여 각 축하중에 의해 발생되는 소성변형 깊이와 피로균열을 예측하였으며 이 값을 이용하여 공용수명에 근거한 축하중 제한 기준을 제시하고자 한다.
7kN으로 국내의 하중제한 기준보다 현실적으로 적용하고 있으며, 포장구조체의 공용성에 따라 그 운행제한이 이루어지고 있다(건설교통부, 2005). 따라서 본 연구에서는 포장구조체의 공용성에 근거한 중차량 하중제한 기법 개발을 목적으로 연구하였다.
본 연구는 역학적이고 경험적인 설계를 바탕으로 효율적인 하중제한을 위해, 중차량 하중 제한 기준 정립을 위한 절차를 제안하였으며, 현재 공용중인 포장구조체의 물성을 이용 함으로써 일괄적으로 적용되고 있는 현재 축하중 기준에 비해 공학적 근거에 부합되는 합리적인 중차량 하중제한 기준이 정립될 것이다.

가설 설정

본 연구에서는 선형탄성의 조건으로 포장의 중요 공용성인 소성변형과 피로균열 해석을 실시하였으며, 하중은 건설교통부(2004)에서 조사한 축하중과 타이어 접지압을 이용하여 실제에 가깝도록 적용하였다. 또한 포장체 물성은 2005년 PMS 자료를 근거로 적용하였으며 포장체는 모든 층이 완전 부착된 것으로 가정하여 해석을 실시하였다. 해석 결과는 소성변형(Rut Depth)과 피로균열(Fatigue Crack)이 계산되며, 피로 균열의 경우 93m² (1000ft² )의 기준으로 면적비율로 계산된다.

제안 방법

8가지 포장구조체 조건(표 9)에 대하여 표 6의 단축하중을각 조건별 피로변형해석을 수행하였다. 해석 결과는 그림 3~ 그림 18과 같으며 환경하중의 영향을 배제하기 위해 동일한 함수비와 온도 조건값을 이용하였다.
본 연구에서는 도로 포장구조체의 공용성 평가를 위해 유한요소 프로그램인 FLEXPASS(Fernando et al., 1989)를이용하였으며, 이 프로그램은 ILLIPAVE 프로그램을 수정한 것으로 공용성 모형을 활용하여 수명을 예측할 수 있는 해석이 가능한 장점이 있다.
본 연구에서는 선형탄성의 조건으로 포장의 중요 공용성인 소성변형과 피로균열 해석을 실시하였으며, 하중은 건설교통부(2004)에서 조사한 축하중과 타이어 접지압을 이용하여 실제에 가깝도록 적용하였다. 또한 포장체 물성은 2005년 PMS 자료를 근거로 적용하였으며 포장체는 모든 층이 완전 부착된 것으로 가정하여 해석을 실시하였다.
유한 요소 해석에 적용된 유한 요소망은 재하 하중 면적의 크기와 포장 두께 구조에 따라 다르게 적용하였으며, 아스팔트층의 하중 재하지점에서의 요소망은 조밀하고 하중 재하지점으로부터 멀수록 요소망의 간격을 넓게 설정하여 해석하였다.
타이어 접지 면적은 등가원으로 가정하여 그 크기를 결정 하였으며, 트래드 면적을 제외한 실제 접지 면적이고, 1개의 단축하중을 4개의 단륜에 고르게 분포시켜 적용하였다.
피로 균열은 Miner's 모델을 이용한 누적 손상비와 피로균열 모델 상수(표 4), k1과 k2 의 표준편차 0.2와 0.04의 값을 이용하여 기준 면적 93m 2 (1000ft 2 )에 대하여 피로 균열의 크기를 계산하였으며, 누적 손상비는 식 (3)으로 계산하였다.
하중제한 기법 개발에 적용된 축하중 조건은 건설교통부 (2005)의 조사 자료를 바탕으로 단축하중 분포를 고려하여현 축하중 제한 기준인 98.1kN과 78.5, 117.7kN(표 6)을 대상으로 적용하였으며, 타이어 접지압은 중차량이 가장 많이 사용하는 타이어인 12R22.5 16PR의 자료를 이용하여, 복륜의 면적과 접지압(표 7)을 계산하여 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에 적용한 피로 변형 모델은 식 (1), 소성변형 모형은 식 (2)와 같으며 표 4, 5는 피로균열 모델상수와 소성변형 모델 상수를 나타낸 값이다. 아스팔트 재료는 19mm 혼합물, PG64-22이며, 보조기층과 노상층 재료는 중부 내륙 고속도로에 위치한 시험도로의 입상 재료를 이용하였고 OMC, 밀도 100%의 피로변형 물성이다. 피로 균열은 Miner's 모델을 이용한 누적 손상비와 피로균열 모델 상수(표 4), k₁과 k₂ 의 표준편차 0.
표 2와 표 3은 본 연구에 적용된 포장구조체의 두께 및탄성계수의 조건으로 건설교통부(2005) PMS 자료를 바탕으로 가장 많이 분포하는 포장 구조 중 얇은 포장 구조체와 평균 포장 구조체를 대상으로 그에 따른 강성도 변화시켰다.

성능/효과

1. 현재 대부분의 광역 도시에서 적용하고 있는 축하중 기준 98.1kN은 부착된 타이어와 축의 구조적 지지 능력을 기준으로 설정된 것이므로, 실제 포장구조 설계시 80.4 kN 하중을 적용하는 것과 비교하여 볼 때 이 법적 제한하중 크기는 비합리적이라 판단된다.
2. 국외 하중제한 기준과 비교하여 국내에서 적용되는 하중 제한 기준은 외국의 경우를 원용하여 적용하는 기준으로 국내 실정에 맞는 축 구조, 축 형식, 타이어 압 등을 고려한 하중제한 기준 정립이 필요하다.
4. 비파괴 시험 장비인 FWD의 측정값을 이용한 상태 평가후 각각의 포장체에 대한 하중제한 기준 정립이 가능하다.
5. 포장구조 해석결과, 아스팔트층 두께가 증가할수록 소성 변형에 비해 피로균열에 대한 저항성이 크게 증가함을 알수 있다.
기존의 축하중 제한기준 98.1kN은 타이어 허용하중 24.5kN 을 기준으로 계산된 값이며, 이를 FWD 하중 재하판의 반경 15cm에 대한 접지압으로 계산하면 693kPa로 본 연구에서 산정한 접지압이 더 크며 이는 보다 더 현실적인 적용이라 판단된다.

후속연구

FLEXPASS 프로그램은 주어진 하중 조건과 포장구조 조건에 대해 유한요소해석을 통해 포장구조체의 변형거동 특성을 획득한 후 공용모델을 통해 장기 거동성을 예측하도록 되어 있다. 따라서 본 해석을 수행하기 위해서는 회복탄성계수, 소성변형과 피로파괴에 대한 역학적인 물성이 반드시 필요하다.
4mm 이내로 만족하기 때문에 아스팔트 포장 덧씌우기 기준인 피로 균열 5% 발생량을 기준으로 하중 제한 곡선을 작성하면 그림 19~그림 26으로, 각각의 포장구조체를 대상으로 설계 수명 동안의 중차량 하중 제한 값이 다름을 알 수 있다. 따라서 이를 활용하면 보다 합리적인 중차량 운행이 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하중 제한이란?	하중 제한이란 도로구조물을 보전하고 운행의 위험을 방지 하기 위해 각 도로나 도로구조물에 공고하는 운행제한 기준 으로 차량의 총중량이나 축하중을 제한하는 제도의 기준이다. 중차량은 운행 제한 기준을 초과한 차량으로 그 발생과 정에서 과하중으로 인하여 중차량이 되는 경우와 부득한 과중으로(차량 자체만으로) 제한기준을 초과하게 되는 2가지 종류로 나눌 수 있다.
	과적차량이란?	중차량은 운행 제한 기준을 초과한 차량으로 그 발생과 정에서 과하중으로 인하여 중차량이 되는 경우와 부득한 과중으로(차량 자체만으로) 제한기준을 초과하게 되는 2가지 종류로 나눌 수 있다. 과적차량은 규정된 화물의 적재정량을 초과하여 운행하는 차량으로 도로교통법에서는 적재정량의 11할 이상이 되는 차량을 과적 차량으로 정의하고 있다.
	본 연구에서 하중 해석을 수행하기 위해서는 회복탄성계수, 소성변형과 피로파괴에 대한 역학적인 물성이 반드시 필요한 이유는?	FLEXPASS 프로그램은 주어진 하중 조건과 포장구조 조건에 대해 유한요소해석을 통해 포장구조체의 변형거동 특성을 획득한 후 공용모델을 통해 장기 거동성을 예측하도록 되어 있다. 따라서 본 해석을 수행하기 위해서는 회복탄성계수, 소성변형과 피로파괴에 대한 역학적인 물성이 반드시 필요하다.

참고문헌 (5)

건설교통부(2004) 한국형 포장설계법 개발과 포장성능 개선방안연구, 1단계 3차년도 최종보고서.
건설교통부(2005) 아스팔트 포장체의 구조적 적정성 및 상태평가 시스템 개발, 건설기술혁신사업 최종보고서.
박희문, 최지영, 박성완(2005) 19mm 밀입도 아스팔트 혼합물의 소성변형 예측 모델 개발, 한국도로학회 논문집, 한국도로학회, 제7권, 제4호, pp. 1-8.

원문보기 상세보기
Park, S.W. (2000) Evaluation of accelerated rut development in unbound pavement foundations and load limits on load-zoned pavements, Doctoral Dissertation, Texas A&M University.
Fernando, E.G., Tseng, K.H., and Lytton, R.L. (1989) Flexible Pavement Analysis Structural System User Guide., Texas Transportation Institute, Texas A&M University.

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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