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역학적-경험적 콘크리트 포장 줄눈간격 설계방법 개발
Development of Mechanistic-empirical Joint Spacing Design Method for Concrete Pavements 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.13 no.4 = no.50, 2011년, pp.51 - 59  

박주영 (인하대학교 토목공학과) ,  홍동성 (인하대학교 토목공학과) ,  임진선 (인하대학교 토목공학과) ,  정진훈 (인하대학교 토목공학과)

초록
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온도와 습도 변화에 의해 수축될 경우 콘크리트 포장 슬래브에는 인장응력이 생기고 이로 인해 무작위 균열이 발생한다. 일정한 간격으로 줄눈을 설치하고 균열을 유도함으로써 슬래브에 발생하는 인장응력을 줄이고 무작위 균열을 최소화할 수 있다.줄눈간격이 너무 넓으면 무작위 균열, 줄눈부 파손, 하중전달률 저하가 일어나고, 반대로 줄눈간격이 너무 좁으면 공사비 증가와 승차감 저하가 유발된다. 본 연구에서는 콘크리트 포장의 역학적-경험적 줄눈간격 설계방법을 개발하였다. 이를 위하여 우수한 공용성을 보이는 콘크리트 포장 구간 중 구조적 및 환경적으로 가장 취약한 구간을 찾고 그 구간에 대한 유한요소해석으로 설계기준강도를 결정하였다. 기존 연구결과를 참고하여 하중전달률이 급격히 낮아질 때의 줄눈폭을 허용줄눈폭으로 결정하였다. 유한요소해석으로 계산된 설계대상구간의 최대인장응력이 설계기준강도를 초과하지 않는 최대줄눈간격을 찾아냈다. 그리고 이 줄눈간격으로 예측된 최대줄눈폭을 허용줄눈폭과 비교하였다. 본 연구에서 개발된 방법을 설계 중인 함양-울산 고속도로의 두 공구에 적용해 보았다. 기존보다 넓은 8.0m의 줄눈간격으로 시험시공된 구간과 동일한 줄눈간격이 본 연구의 설계방법으로 계산되었다. 공용 6년 후 측정된 시험시공 구간의 매우 낮은 균열률로 본 연구에서 개발된 설계방법이 검증되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Tensile stress occurs and random crack develops in concrete pavement slab when it contracts by variation of temperature and humidity. The tensile stress decreases and the random crack is minimized by sawcutting the slab and inducing the crack with regular spacing. The random crack, joint damage, dec...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 먼저, 설계기준구간을 결정하기 위해 국내 고속도로 콘크리트 포장 지역 중 환경적으로 가장 열악한 지역을 조사하였다. 일반국도 콘크리트 포장의 총 연장은 불과 수십 km에 불과하여 연구범위에서 제외하였다.
  • 본 연구에서는 상향 및 하향컬링을 유발하는 슬래브 상하부 간 온도 차이를 안덕순 외(2004)가 개발한 포장 온도 예측 프로그램으로 계산하였다. 프로그램은 각 월의 대표일에 대하여 매시간마다 슬래브의 온도를 깊이에 따라 비선형으로 예측한다.
  • 63MPa로 계산되어 이를 설계기준강도로 결정하였다. 상향컬링일 때의 인장응력이 하향컬링일 때보다 작았지만, 상향컬링일 때의 차량하중 재하 빈도가 더 많기 때문에, 본 연구에서는 두 경우 모두에 대해 검토하였다. 설계대상지역의 콘크리트 포장의 경우에도 이와 동일하게 유한요소해석을 실시하고 계산된 최대인장응력이 설계기준강도를 넘지 않을 경우에 한해서 다음 단계로서 줄눈폭을 검토하였다.

가설 설정

  • 포장 슬래브의 인장응력을 유발하는 주요한 환경인자는 온도와 습도이다. 먼저, 지역에 상관없이 슬래브 두께가 300mm로 동일하다고 가정하였다. 안덕순 외(2004)가 개발한 프로그램으로 예측된 슬래브 깊이에 따른 비선형 온도분포를 Mohamed 외(1996)의 모형에 대입하여 비선형 온도분포와 동일한 응력을 유발하는 슬래브 상하부 간 등가선형 온도차이를 구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
역학적으로 콘크리트 포장체를 설계하는 방안이 다양하게 제시된 배경은? 5m의 줄눈간격으로 시공되었으며, 그 후 슬래브 두께 300mm, 줄눈간격 6m의 획일적이고 경험적인 설계가 주로 사용되었다. 최근 콘크리트 포장의 역학적 메카니즘에 대한 이해 및 수치해석 기법의 발달로 역학적으로 콘크리트 포장체를 설계하는 방안이 다양하게 제시되고 있으며, 줄눈간격에 대해서도 보다 합리적이고 정확하게 결정되어야 할 필요성이 대두되고 있다(전범준 외, 2005; 손석철 외, 2010).
AASHTO 설계법은 어떤 시험을 통해 개발되었는가? 국내 줄눈 콘크리트 포장은 AASHO ROAD 시험을 통해 개발된 AASHTO 설계법에 따라 300mm의 두께를 주로 사용하며, 줄눈간격은 경험적으로 두께의 약 20배인 6m를 사용하고 있다. 국내 최초의 콘크리트 포장은 88 고속도로에 두께 280mm의 슬래브가 5.
본 연구에서는 88고속도로 남원 구간을 설계기준구간으로 결정하고, 이 구간에서 상향 및 하향컬링 시에 차량하중이 추가로 재하되어 발생된 최대인장응력을 설계기준강도로 결정한 이유는? 교통 및 환경하중에 의한 인장응력으로 인해 주로 발생하는 파손이 횡방향 균열이기 때문이다. 1984년 준공된 1.5km 연장의 88고속도로 남원구간은 공용된지 25년째인 2009년에 균열률 1.89%로 국토해양부(2009)가 제시한 고속도로 균열률에 의한 공용성 판정기준(표 2)의 최고등급인‘매우 우수’를 만족시켰다(국토해양부, 2009; (주)로드 코리아, 2009). 따라서 본 연구에서는 88고속도로 남원 구간을 설계기준구간으로 결정하고, 이 구간에서 상향 및 하향컬링 시에 차량하중이 추가로 재하되어 발생된 최대인장응력을 설계기준강도로 결정하였다.
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참고문헌 (27)

  1. 건설교통부 (2003) 한국형 포장설계법 개발과 포장성능 개선방안 연구 : 콘크리트 포장 설계법 개발(1단계 2차년도 최종), 건설교통부. 

  2. 건설교통부 (2004) 콘크리트 포장설계법 개발 : 한국형 포장 설계법 1단계 3차년도 최종보고서, 건설교통부. 

  3. 건설교통부 (2005) 국내 노후 콘크리트 포장의 원위치파쇄 기층화 공법 개발, 건설교통부. 

  4. 건설교통부 (2006) 교통량 조사 차종 분류 가이드, 건설교통부. 

  5. 국토해양부 (2009) 한국형 포장설계법 개발과 포장성능 개선방안 연구 : 포장 장기 공용성 연구, 국토해양부. 

  6. (주)로드코리아 (2009) 최종보고서 고속도로 포장상태 조사 및 분석 (HPMS 부문), (주)로드코리아. 

  7. 박정우, 정영도, 임진선, 정진훈 (2009) "콘크리트 슬래브 건조수축응력 감소에 관한 초기 연구", 한국도로학회 논문집, 한국도로학회, 제 11권, 제 4호, pp. 87-94. 

  8. 손석철, 임진선, 남영국, 정진훈 (2010) "국내 줄눈 콘크리트 포장의 줄눈간격 연구", 한국도로학회 2010년 봄 학술대회 논문집, 한국도로학회, pp. 89-97. 

  9. 안덕순, 박희문 (2004) "현장 계측자료를 이용한 포장체 온도예측모델 개발 연구", 한국도로학회 2004년 학술대회 논문집, 한국도로학회, 제 6권, pp. 17-20. 

  10. 양성철, 홍승호 (1999) "파괴역학을 이용한 콘크리트 포장체의 해석", 제 16회 도로기술연구성과 발표회 논문집 : 포장분야, 한국건설기술연구원. 

  11. 윤영미, 서영찬, 김형배 (2008) "콘크리트 포장의 초기 열팽창계수 및 건조수축 측정 연구", 한국도로학회 논문집, 한국도로학회, 제 10권, 제 1호, pp. 117-122. 

  12. 이승우 (2001) "콘크리트포장의 줄눈의 잠김에 대한 연구", 한국도로학회논문집, 한국도로학회, 제 3권, 제 1호, pp. 165-176. 

  13. 이승준 (2010) 삼축압축시험을 이용한 쇄석기층재료와 순환 골재의 강성도 평가, 동의대학교 석사학위 논문. 

  14. 임진선, 손석철, 유주호, 정진훈 (2010) "콘크리트 포장 슬래브와 보조기층 간 마찰특성 모형화", 한국도로학회 논문집, 한국도로학회, 제 12권, 제 4호, pp. 211-218. 

  15. 전범준, 이승우 (2005) "줄눈 콘크리트포장의 적정 줄눈간격에 대한 연구", 한국도로학회 논문집, 한국도로학회, 제 7권, 제 4호, pp. 69-77. 

  16. 정길수, 김인태, 류성우, 조윤호 (2008) "유한 요소법을 이용한 줄눈 콘크리트 포장 응력식 개발", 한국도로학회 논문집, 한국도로학회, 제 10권, 제 2호, pp. 167-181. 

  17. 한국도로공사 (2004) 콘크리트 포장 확장부의 현장조사 및 계측, 한국도로공사 도로교통 연구원. 

  18. AASHTO (1986) Guide for Design of Pavement Structures, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C. 

  19. ACI Committee 209 (1997) Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures ACI 209R-92, ACI Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI. 

  20. Darter, M. I. and Barenberg, E. J. (1977) "Design of Zero-Maintenance Plain Jointed Concrete Pavement", Report FHWA-RD-77-111, Vol. 1, Federal Highway Administration. 

  21. Darter, M. I., Owusu-Antwi, E., and Ahmad, R. (1996) "Evaluation of AASHTO rigid pavement design model using long-term pavement performance data base" Transportation Research Record : Journal of the transportation Research Board 1525, Transportation Research Board of the National Academies, Washington, D.C., pp. 57-71. 

  22. Davids, W. G. (2003) EverFE theory manual, University of Maine, Orono, pp. 1-18. 

  23. Green, R. L. and Morse, A. A. (1994) "Pavement Design and Rehabilitation", Handbook in Highway Engineering(Brockenbrugh R. L. and Boedecker K. J. (eds)), McGraw-Hill, Washington. 

  24. Jeong, J. H., Lee J. H., Suh, Y. C., and Zollinger, D. G (2006) "Effect of slab curling on movement and load transfer Capacity", Transportation Research Record : Journal of the Transportation Research Board 1947, Transportation Research Board of the National Academies, Washington, D.C., pp. 34-42. 

  25. Jeong, J. H., Lim, J. S., Sun, R. J., and Zollinger, D. G. (2012) "Modeling of Differential Shrinkage for Pavement Design" Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Transport, in press. 

  26. Mohamed, A. R. and Hansen, W. (1996) "Effect of Nonlinear Temperature Gradient on Curling stress in Concrete Pavement" Transportation Research Record : Journal of the Transportation Research Board 1568, Transportation Research Board of the National Academies, Washington, D.C., pp. 65-71. 

  27. TxDOT (2011) Pavement Design Guide, Texas Department of Transportation. 

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