포스트텐션 콘크리트 포장(PTCP: Post-Tensioned Concrete Pavement)에서 강선의 긴장 간격 설계와 더불어 주요 설계 인자로서 줄눈의 초기 설계 폭을 들 수 있다. 줄눈 폭의 결정은 소음과 승차감에 직접 영향을 미치며 초기 폭이 과도하게 크면 소음과 승차감에 악영향을 미치게 되며, 초기 폭이 지나치게 작게 되면 하절기 온도상승으로 블로우업 현상이 발생할 수 있으며 또한 과도한 압축응력에 의해 줄눈부의 파손이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구는 PTCP의 초기 줄눈 폭 설계를 최적화하고 온도변화에 따른 줄눈 폭의 거동을 분석하기 위하여 수행되었다. 시공 후 1년이 경과한 PTCP 슬래브를 대상으로 줄눈 폭에 대한 실험을 수행하였다. 콘크리트의 온도는 PTCP 슬래브에 온도측정 센서를 깊이별로 설치하여 측정하였고, 줄눈 폭의 측정은 버어니어캘리퍼스를 이용하여 하루 중 다양한 시간대에 측정하여 온도와 줄눈 폭과의 연관성을 분석하였다. 본 연구를 통해 시공초기 최적화된 줄눈 폭 설계방안을 제시하였다.
포스트텐션 콘크리트 포장(PTCP: Post-Tensioned Concrete Pavement)에서 강선의 긴장 간격 설계와 더불어 주요 설계 인자로서 줄눈의 초기 설계 폭을 들 수 있다. 줄눈 폭의 결정은 소음과 승차감에 직접 영향을 미치며 초기 폭이 과도하게 크면 소음과 승차감에 악영향을 미치게 되며, 초기 폭이 지나치게 작게 되면 하절기 온도상승으로 블로우업 현상이 발생할 수 있으며 또한 과도한 압축응력에 의해 줄눈부의 파손이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구는 PTCP의 초기 줄눈 폭 설계를 최적화하고 온도변화에 따른 줄눈 폭의 거동을 분석하기 위하여 수행되었다. 시공 후 1년이 경과한 PTCP 슬래브를 대상으로 줄눈 폭에 대한 실험을 수행하였다. 콘크리트의 온도는 PTCP 슬래브에 온도측정 센서를 깊이별로 설치하여 측정하였고, 줄눈 폭의 측정은 버어니어캘리퍼스를 이용하여 하루 중 다양한 시간대에 측정하여 온도와 줄눈 폭과의 연관성을 분석하였다. 본 연구를 통해 시공초기 최적화된 줄눈 폭 설계방안을 제시하였다.
In post-tensioned concrete pavement(PTCP), one of the most important design variables is the initial joint width, in addition to the tensioning spacing. The joint width between PTCP slabs directly affects noise and ride quality. If the joint width is too wide, noise increases and ride quality decrea...
In post-tensioned concrete pavement(PTCP), one of the most important design variables is the initial joint width, in addition to the tensioning spacing. The joint width between PTCP slabs directly affects noise and ride quality. If the joint width is too wide, noise increases and ride quality decreases. If the initial joint width is too narrow, on the other hand, under high temperature, PTCP slabs can blow up, or failures near the joint can occur due to excessive compressive stresses. This study was conducted to determine the optimal initial joint width of PTCP and to investigate the joint width behavior under temperature changes. The experiments were performed using one-year-old PTCP slabs. The concrete temperatures were measured using the temperature measurement sensors installed at various depths. The joint widths were measured using vernier-calipers at different times of a day and the relationship between the joint width and temperature was analyzed. From this study, the design methodology to determine the optimal initial joint width of PTCP could be proposed.
In post-tensioned concrete pavement(PTCP), one of the most important design variables is the initial joint width, in addition to the tensioning spacing. The joint width between PTCP slabs directly affects noise and ride quality. If the joint width is too wide, noise increases and ride quality decreases. If the initial joint width is too narrow, on the other hand, under high temperature, PTCP slabs can blow up, or failures near the joint can occur due to excessive compressive stresses. This study was conducted to determine the optimal initial joint width of PTCP and to investigate the joint width behavior under temperature changes. The experiments were performed using one-year-old PTCP slabs. The concrete temperatures were measured using the temperature measurement sensors installed at various depths. The joint widths were measured using vernier-calipers at different times of a day and the relationship between the joint width and temperature was analyzed. From this study, the design methodology to determine the optimal initial joint width of PTCP could be proposed.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 시공 초기에 줄눈부 설계 폭을 계산하고 현장에서 실측한 데이터를 분석하여 검토한 후 PTCP의 줄눈 폭에 대한 최적화된 설계방안을 제시하고자 하였다.
PTCP 슬래브의 외측은 아스팔트 노견이 시공되고 내측은 중분대 콘크리트가 포설되었다. 따라서 슬래브 측면의 마찰로 인하여 위치별 줄눈 폭의 변화가 차이를 나타내는지 분석하고자 하였다. 그림 9에서 보는 바와 같이 조인트의 위치별 줄눈 폭은 미소한 차이를 나타낸다.
본 연구에서는 온도변화에 따라서 포스트텐션 콘크리트 포장의 줄눈 폭이 변화되는 거동을 실측하여 분석하고 이론적 계산에 의한 설계요소의 검토와 향후 설계방안에 대하여 연구하였다. 본 연구를 통하여 도출된 결론을 요약하면 다음과 같다.
표 4에서 PTCP의 줄눈 폭 설계요소를 검토하여 가정한 이론적 분석에 의해 설계값을 제시하였다. 본 절에서 공용 후 1년여 시간이 경화한 시점에서 온도변화에 따라 줄눈 폭 변화를 측정하고 분석한 결과에 기초하여 당초 가정한 설계(안)에 대해 향후 줄눈 폭 설계방안을 제시하고자 한다.
가설 설정
우선 콘크리트의 온도변화와 열팽창계수는 전절에서 검토한 바와 같이 PTCP 공법이 시공되는 지역의 기후특성을 반영하여 설정하고, 콘크리트에 사용되는 굵은 골재의 종류를 고려하여 열팽창계수를 결정한다. 둘째, 콘크리트의 크리프는 설계에서 무시한다. 전술한 바와 같이 PTCP에 도입되는 프리스트레스 힘이 적고, 미국의 사례를 검토할 때 콘크리트의 크리프가 줄눈 폭에 미치는 영향은 미소하므로 고려하지 않는다.
또한, 줄눈 설치 시 시공성을 고려하여 설치여유를 두어야 하나 설치여유가 크면 소음과 승차감에 악영향을 미치기 때문에 시공이 가능한 범위에서 최소의 여유를 부여하는 것이 바람직하다. 따라서 본 설계에서는 설치여유를 10mm 이내로 가정하고 줄눈 설치 시 설계 폭이 10mm를 초과할 경우는 설치여유를 두지 않도록 하였다.
본 논문에서는 최종 건조수축 변형률을 80×10-6으로 가정하였다.
본 연구에서 PTCP 시공에 사용된 굵은골재는 화강암으로 Mehta(1993)는 8×10-6/℃의 범위를 갖는다고 연구된 바 있지만 콘크리트의 배합과 재료특성이 상이하므로 본 연구에서는 10×10-6/℃를 가정하였다.
콘크리트 슬래브는 온도변화에 따라 수축과 팽창을 반복하며 설계 시 예상되는 최대 온도와 최저 온도를 결정해야 한다. 본 연구에서는 주문진 현장을 대상으로 최대 온도는 영상 40℃, 최저 온도는 영하 -20℃로 가정하였다. 따라서 60℃의 온도 변화량(△T)을 설계에 고려한 것이다.
제안 방법
PTCP 슬래브의 온도변화를 측정하기 위해 온도측정센서인 아이버튼을 설치하였다. 15cm 두께의 포장에 3개의 아이버튼 을 상, 중, 하의 깊이에 설치하였으며, 대기온도 측정을 병행하여 대기온도와 콘크리트 온도의 변화를 비교하여 나타내었다. 콘크리트에 설치된 아이버튼의 설치깊이는 콘크리트 표면으로 부터 2cm, 7.
Chavez(2003)와 Okamoto(1991)는 PTCP 슬래브 밑면에 분리막을 단층 (single layer)으로 설치할 경우 마찰특성의 영향으로 슬래브의 수축과 팽창은 80~85%의 범위를 나타내는 것으로 제시하였다. 그러나 본 연구에서는 Chavez(2003)와 Okamoto(1991)의 연구결과를 검토하여 10%가 더 감소될 것으로 예상하고 0.7의 마찰계수를 적용하였다.
줄눈 폭 측정은 1/100mm 단위로 측정이 가능한 버어니어 캘리퍼스를 이용하였다. 동일한 위치에서의 측정이 가능하도록 조인트의 측정위치에 표점을 설정하여 반복측정에 따른 측정오차를 최소화하도록 하였다. 그림 7은 측정방법을 나타낸 것이다.
그러나 콘크리트 포장은 상당히 긴 연장을 연속적으로 포설하기 때문에 콘크리트의 초기재령에서 경화온도를 제어하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한 본 연구에서 PTCP는 Gap슬래브 시공방식이 적용되어 슬래브 시공 후 약 7일 이상 경과 후 줄눈이 설치되기 때문에 초기 줄눈 폭 설계는 시공 시 콘크리트의 평균온도를 기준으로 하였다.
그림 7은 측정방법을 나타낸 것이다. 버어니어 캘리퍼스의 움직임이 없도록 고정시키기 위하여 철재 지그를 제작하여 부착시켜 반복측정이 용이하도록 하였다.
그림에서 보는 바와 같이 콘크리트 표면에서의 온도는 변화가 가장 크다. 본 연구에서는 상, 중, 하의 온도를 평균하여 그 값을 기준으로 분석하였다.
상기 기술한 사항을 적용하여 당초 설계한 줄눈 폭 설계는 표 4와 같이 수정하여 설계안을 제시하고자 한다. 표 4는 설계 조건에 명시한 요소를 적용하여 설계 줄눈 폭을 계산한 후 콘크리트의 건조수축에 의한 감소분을 제외하여 설계적용 줄눈 폭을 계산한다.
표 4는 설계 조건에 명시한 요소를 적용하여 설계 줄눈 폭을 계산한 후 콘크리트의 건조수축에 의한 감소분을 제외하여 설계적용 줄눈 폭을 계산한다. 이 때 계산결과가 너무 작거나 음수를 나타낼 때 설치여유를 부여하는 것으로 하였으며 설계적용은 이를 고려하여 제시하였다. 표 4에서 콘크리트의 온도가 평균 35℃ 이상일 때 설계치는 0에 가깝게 된다.
줄눈 폭 측정은 콘크리트의 온도변화를 예상하여 오전 6시, 9시, 11시 오후 1시, 3시, 5시, 7시를 기준으로 총 7회를 반복 측정하였다. 그림 8은 콘크리트 온도변화에 따른 줄눈 폭 변화를 나타낸 것이다.
그림 6은 현장에서 측정한 결과이다. 측정은 2010년 8월 17일과 18일 동안 약 24시간의 변화를 측정하였다. 그림에서 보는 바와 같이 콘크리트 표면에서의 온도는 변화가 가장 크다.
15cm 두께의 포장에 3개의 아이버튼 을 상, 중, 하의 깊이에 설치하였으며, 대기온도 측정을 병행하여 대기온도와 콘크리트 온도의 변화를 비교하여 나타내었다. 콘크리트에 설치된 아이버튼의 설치깊이는 콘크리트 표면으로 부터 2cm, 7.5cm, 및 13cm에 위치하도록 하였다. 그림 6은 현장에서 측정한 결과이다.
대상 데이터
본 연구에서 PTCP 슬래브의 길이는 120m로 설계 시공되었다. 슬래브의 길이가 길면 수축과 팽창이 크게 되므로 줄눈 부에서의 소음이 크고 승차감을 저하시키며 슬래브와 기층과의 마찰이 크게 나타나기 때문에 프리스트레스의 손실이 크게 된다.
성능/효과
1. 설계가정한 콘크리트의 열팽창 특성은 실측값을 분석하여 검토할 경우 단위 온도변화에 따른 줄눈 폭의 변화를 계산할 때 평균 10.6×10 -6 /℃로 나타났다.
2. 포스트텐션 콘크리트 포장의 줄눈 부 위치별 온도에 따른 줄눈 폭 변화를 분석한 결과 내측 중분대 콘크리트와 접하는 부분과 슬래브 중앙에서의 열팽창 특성은 유사한 것으로 나타났다. 그러나 슬래브 내측 및 중앙부와 외측 아스팔트 노견과는 미소한 차이를 나타내었다.
3. 온도변화에 따라 PTCP 줄눈 폭의 변화를 측정한 결과 동일한 온도에서 슬래브가 건조한 경우와 습윤상태인 경우 0.7mm의 차이를 나타내었다. 따라서 설계 시 습윤상태의 조건을 고려한다면 약 1mm의 여유 폭을 부여할 수 있겠으나 이 값이 매우 작으므로 설계 시 배제하여도 무방할 것으로 판단된다.
4. 본 연구에서 시공 후 약 1년이 경과한 시점으로 볼 때 콘크리트 건조수축의 영향으로 슬래브가 수축된 양은 약 14.4mm로 분석되었으며 이 시점을 건조수축의 종료시점으로 가정한다면 설계 시 약 15mm 이내를 고려하면 타당할 것으로 판단된다.
5. 본 연구에서 줄눈 폭 설계요소를 검토한 결과 프리스트레스에 의해 장기적으로 발생될 것으로 예상되는 크리프 거동은 프리스트레스의 크기가 구조부재에 적용되는 크기에 비하여 매우 작은 값이므로 이에 대한 거동은 설계 시 무시하여도 무방할 것으로 판단된다.
표 3은 위치별 단위온도변화에 대한 열팽창 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 거의 모든 위치에서 큰 차이는 나타나지 않으며, 위치 1에서의 줄눈 폭 변화량이 2~5번에 비하여 다소 크게 나타났다. 1번 위치는 PTCP 슬래브의 가장 외측의 측점으로 아스팔트 노견과 인접한 부분이며 아스팔트와 콘크리트가 완전 분리되어 PTCP 슬래브가 온도변화에 따라 거동하는데 구속이 전혀 없기 때문에 미소한 차이를 나타내는 것으로 판단된다.
따라서 최종 건조 수축량은 120×10-6로 하여 15mm 이내를 건조수축에 의한 줄눈 폭의 감소분으로 설계 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 그 외 줄눈 폭 설계요소 중 콘크리트의 경화온 도는 PTCP를 시공한 후 약 7일 경과 후 조인트를 시공하기 때문에 경화온도의 영향은 배제하고 줄눈 설치 시 콘크리트의 평균온도를 기준으로 설계 폭을 결정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
넷째, 콘크리트 건조수축 영향에 대한 설계적용은 줄눈 시공이 PTCP 슬래브가 시공되고 7일 후 시공하는 것으로 가정하여 최종 건조수축 변형률을 120×10-6로 고려할 때 줄눈 폭의 수축량은 14.4로 계산된다.
7mm의 차이를 나타내었다. 따라서 설계 시 습윤상태의 조건을 고려한다면 약 1mm의 여유 폭을 부여할 수 있겠으나 이 값이 매우 작으므로 설계 시 배제하여도 무방할 것으로 판단된다.
미국의 경우 최대 360m 이상까지 시공한 경험이 있으나 이는 현실적으로 시공성이 저하되고 대략 120m의 수준에서 시공한 사례가 가장 적정한 것으로 판단된다. 따라서 시험시공의 경험과 외국의 문헌을 검토할 때 설계 슬래브 연장은 120m가 가장 적절할 것으로 판단된다.
따라서 최종 건조 수축량은 120×10-6로 하여 15mm 이내를 건조수축에 의한 줄눈 폭의 감소분으로 설계 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
이 데이터는 슬래브의 길이가 대략 90m 정도에 대한 측정결과이다. 본 연구에서 대상으로 하는 PTCP 슬래브의 길이가 120m이므로 이 값을 역산하면 초기 7일 이내의 수축량은 대략 13mm로 예상할 수 있다.
전술한 바와 같이 PTCP에 도입되는 프리스트레스 힘이 적고, 미국의 사례를 검토할 때 콘크리트의 크리프가 줄눈 폭에 미치는 영향은 미소하므로 고려하지 않는다. 셋째, 콘크리트 슬래브와 기층과의 마찰계수는 당초 설계에서 0.7로 고려하였으나 콘크리트의 평균온도를 측정한 데이터를 사용할 때 마찰계수에 대해 줄눈 폭의 변화가 크게 지배되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 분리막을 단층으로 설치할 때 마찰계수는 1.
6×10-6 /℃로 나타났다. 이 결과에 기초하여 슬래브와 기층과의 마찰을 가정한 0.7의 계수는 과다평가된 것으로 판단되며 향후 콘크리트의 평균온도를 적용한 설계에는 마찰계수를 1.0으로 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
후속연구
향후 연구에서는 계절적 온도변화에 따라 장기적으로 변화되는 PTCP의 줄눈 폭 변화를 관찰하여 거동을 분석하고, PTCP 공법과 JCP 공법이 연결되는 줄눈부의 설계에 대해서도 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 설계 및 시공되고 있는 콘크리트 포장 공법으로 무엇이 쓰이는가?
국내에서 설계 및 시공되고 있는 콘크리트 포장 공법은 초기 공사비가 저렴하고 시공성이 용이한 줄눈콘크리트 포장 (JCP:Jointed Concrete Pavement) 공법이 주로 적용되어왔으며 일부구간 연속 철근 콘크리트 포장 (CRCP:Continuously Reinforced Concrete Pavement) 공법으로 시공된 바 있다. 그러나 국내 콘크리트 포장 형식의 주종을 이루어 왔던 JCP 공법은 초기 공사비가 저렴하여 경제적인 장점이 있음에도 불구하고, 종횡방향 줄눈부에서의 스폴링과 균열 등의 파손이 발생하여 설계수명을 충족시키지 못한 채 다양한 파손으로 인한 유지보수가 빈번히 시행되고 있어 이용자의 불편과 매년 막대한 유지보수 예산이 발생되고 있는 실정이다.
콘크리트의 건조수축은 무엇에 영향을 받는가?
콘크리트의 건조수축(drying shrinkage)은 단위 시멘트량과 단위수량의 영향을 크게 받으며 골재의 종류, 골재의 치수, 시멘트 종류와 품질, 시공 중 다짐상태, 양생방법 및 부재의 치수에 영향을 받는다. 표준 습도상태에서 건조수축은 시간의 함수이며 습윤양생한 콘크리트의 임의시간 t(day)에서의 건조수축 변형률은 다음 식 (1)로 표현할 수 있다(Nawy 2000).
온도변화에 따라서 포스트텐션 콘크리트 포장의 줄눈 폭이 변화되는 거동을 실측하여 분석하고 이론적 계산에 의한 설계요소의 검토와 향후 설계방안에 대하여 연구한 결과는?
1. 설계가정한 콘크리트의 열팽창 특성은 실측값을 분석하여 검토할 경우 단위 온도변화에 따른 줄눈 폭의 변화를 계산할 때 평균 10.6×10 -6 /℃로 나타났다. 이 결과에 기초하여 슬래브와 기층과의 마찰을 가정한 0.7의 계수는 과다평가된 것으로 판단되며 향후 콘크리트의 평균온도를 적용한 설계 에는 마찰계수를 1.0으로 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
2. 포스트텐션 콘크리트 포장의 줄눈 부 위치별 온도에 따른 줄눈 폭 변화를 분석한 결과 내측 중분대 콘크리트와 접하는 부분과 슬래브 중앙에서의 열팽창 특성은 유사한 것으로 나타났다. 그러나 슬래브 내측 및 중앙부와 외측 아스팔트 노견과는 미소한 차이를 나타내었다. 이 차이는 아스팔트 노견과 PTCP 슬래브가 완전 분리되어 거동하므로 미소한 차이를 나타내는 것으로 판단되며 설계 시 위치별 특성에 대한 고려는 불필요할 것으로 판단된다.
3. 온도변화에 따라 PTCP 줄눈 폭의 변화를 측정한 결과 동일한 온도에서 슬래브가 건조한 경우와 습윤상태인 경우 0.7mm의 차이를 나타내었다. 따라서 설계 시 습윤상태의 조건을 고려한다면 약 1mm의 여유 폭을 부여할 수 있겠으나 이 값이 매우 작으므로 설계 시 배제하여도 무방할 것으로 판단된다.
4. 본 연구에서 시공 후 약 1년이 경과한 시점으로 볼 때 콘크리트 건조수축의 영향으로 슬래브가 수축된 양은 약 14.4mm로 분석되었으며 이 시점을 건조수축의 종료시점으로 가정한다면 설계 시 약 15mm 이내를 고려하면 타당할 것으로 판단된다.
5. 본 연구에서 줄눈 폭 설계요소를 검토한 결과 프리스트레스에 의해 장기적으로 발생될 것으로 예상되는 크리프 거동은 프리스트레스의 크기가 구조부재에 적용되는 크기에 비하여 매우 작은 값이므로 이에 대한 거동은 설계 시 무시하여도 무방할 것으로 판단된다.
참고문헌 (8)
김동호, 배종오, 김기헌, 이봉학, 김성민, 원문철, "외국의 프리스트레스트 콘크리트 포장 기술과 국내 적용 방안", 대한토목학회 학술발표회, 2009.
Chavez, C. M., McCullough, B. F. and Fowler, D. W., "Design of a Post-Tensioned Prestressed Concrete Pavement, Construction Guidelines, and Monitoring Plan," Report 0-4035-1, Center for Transportation Research, The University of Texas at Austin, 2003.
Choi, S. C. and Won, M. C., "Time-Dependent Behavior of Post-Tensioned Concrete Pavements under Environmental Loading," Proceedings of the 89th Annual Meeting of the Transportation Research Board, Washington, D.C., 2010.
Mehta, P. K., Concrete Structure, Properties, and Materials, Prentice Hall, Inc., 1993.
Nawy, E. G., Prestressed Concrete, Prentice Hall, Inc., 2000.
Okamoto, P. A., Tayabji S. D. and Barenberg, E. J., "Instrumentation and Evaluation of Prestressed Pavement U.S.220, Blair County, Pennsylvania," Research Report No. 87-19, Pennsylvania Department of Transportation, 1991.
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