[논문]연속철근콘크리트 포장의 횡방향 철근 설계방법 및 시공관련 이슈 검토

최판길; 원문철

doi:10.7855/ijhe.2014.16.4.001

연속철근콘크리트 포장의 횡방향 철근 설계방법 및 시공관련 이슈 검토
Construction Issues and Design Procedure for Transverse Steel in Continuously Reinforced Concrete Pavement (CRCP) 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.16 no.4 = no.66, 2014년, pp.1 - 9

최판길 (Texas Tech University) , 원문철 (Texas Tech University)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES: The objective of this study is to evaluate construction issues and design for transverse steel in continuously reinforced concrete pavement(CRCP). METHODS : The first continuously reinforced concrete pavement(CRCP) design procedure appeared in the 1972 edition of the "AASHTO Interim Guide for Design of Pavement Structures", which was published in 1981 with Chapter 3 "Guide for the Design of Rigid Pavement" revised. A theory that was accepted at that time for the analysis of steel stress in concrete pavement, called subgrade drag theory(SGDT), was utilized for the design of reinforcement of CRCP - tie bar design and transverse steel design - in the aforementioned AASHTO Interim Guide. However SGDT has severe limitations due to simple assumptions made in the development of the theory. As a result, any design procedures for reinforcement utilizing SGDT may have intrinsic flaws and limitations. In this paper, CRCP design procedure for transverse steel was introduced and the limitations of assumptions for SGDT were evaluated based on various field testing. RESULTS: Various field tests were conducted to evaluate whether the assumptions of SGDT are reasonable or not. Test results show that 1) temperature variations exist along the concrete slab depth, 2) very little stress in transverse steel, and 3) warping and curling in concrete slab from the field test results. As a result, it is clearly revealed out that the assumptions of SGDT are not valid, and transverse steel and tie bar designs should be based on more reasonable theories. CONCLUSIONS : Since longitudinal joint is provided at 4.1-m spacing in Korea, as long as joint saw-cut is made in accordance with specification requirements, the probability of full-depth longitudinal cracking is extremely small. Hence, for transverse steel, the design should be based on the premise that its function is to keep the longitudinal steel at the correct locations. If longitudinal steel can be placed at the correct locations within tolerance limits, transverse steel is no longer needed.

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문제 정의

연속철근콘크리트 포장은 초기 공사비가 다소 높기는 하지만, 줄눈이 설치되지 않으므로 승차감이 우수하고 유지보수가 줄눈콘크리트 포장에 비해 적게 소요된다는 장점이 있다. 본 논문에서는 연속철근콘크리트 포장에서 현재 적용하고 있는 횡방향 철근 설계방법에 대해 분석하고 문제점을 고찰하였다.
본 논문에서는 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철근 및 타이바 설계에 적용되는 SGDT 이론에 대해 고찰하고 이론개발에 적용된 가정의 문제점을 현장실험을 통하여 비교·검토하였다.
본 논문에서는 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철근과 타이바 설계에 사용되는 Subgrade Drag Theory (SBGT)에 대해 고찰하고, 이론 정립을 위한 가정에서 비롯된 한계점을 현장실험 및 콘크리트 포장 조사결과를 토대로 분석하였다. 본 연구에 대한 결과를 종합하면 다음과 같다.
이렇듯, 현재의 SGDT 이론이 횡방향 철근과 타이바 설계에 합리적이지 않음은 자명하다 할 수 있다. 본 연구에서는 상기와 같은 SGDT 이론의 문제점을 인식한 후, 환경하중 하에서 횡방향 철근의 거동을 보다 잘 이해할 수 있도록 현장실험을 수행하였고, 이를 통하여 보다 합리적인 횡방향 철근설계 방법을 제시하였다.

가설 설정

1) 콘크리트 온도분포는 슬래브 깊이에 따라 균일하다.
2) 콘크리트 슬래브는 일방향으로 수축하고 팽창한다.
3) 온도변화에 따른 콘크리트 응력은 슬래브 횡단면에 걸쳐 일정하다.
4) 콘크리트 슬래브 하면과 기층은 완전히 접촉되어 있다.
그림에서 볼 수 있듯이 마찰에 의한 응력은 슬래브 변위량에 비선형적으로 비례하여 변화하며, 슬래브 단부에서 최대이고 슬래브 중앙에서 최소가 된다. 그러나 계산상 편의를 위해, 일반적으로 마찰응력은 전체 위치에서 최대값으로 동일하다고 가정한다. 이런 점에서 SGDT 이론에서 마찰과 그로 인해 발생하는 콘크리트 응력이 과대평가되는 결과가 발생한다.

제안 방법

AASHO Road Test에서 공용성이 평가된 강성포장 형태는 줄눈콘크리트 포장으로, 연속 철근콘크리트 포장 설계를 위한 테스트 섹션은 건설되지 않았다. 따라서 AASHTO 가이드에서 연속철근콘크 리트 포장 설계는 줄눈콘크리트 포장에서 획득한 포장 거동 데이터를 사용하여 추정하는 방식으로 개발되었다. 줄눈콘크리트 포장 설계에서는 포장 슬래브 두께 산정이 주요 설계성과물인 반면, 연속철근콘크리트 포장 설계에서는 슬래브 두께뿐만 아니라 철근비를 포함한 철근설계 또한 주요 설계성과물이다.
최초의 연속철근콘크리트 포장 설계법은 1972년“AASHTO Interim Guide for Design of Pavement Structures,”에서 처음 논의 되었고(AASHO, 1972), 1981년 개정판 제3장“Guide for the Design of Rigid Pavement”에 출판되었다(AASHTO, 1981). 앞서 언급한 바와 같이, AASHO Road Test에서는 연속 철근콘크리트 포장이 포함되지 않았기 때문에, AASHTO 가이드에서는 당시에 공용되고 있었던 연속 철근콘크리트 포장의 공용성을 평가하여 종방향 철근비를 산정하는 방법을 선택하였다. 최소 종방향 철근비는 0.
연속철근콘크리트 포장에서 와핑(warping)과 컬링(curling)의 영향을 평가하기 위한 현장실험이 텍사스 오스틴 지부(Austin District) US 183 고속도로에서 수행되었다. Fig.
콘크리트 슬래브의 수축·팽창이 일차원적으로 이루어지는지 여부를(SGDT 이론의 두 번째 가정) 평가하기 위한 현장실험을 실시하였다.

대상 데이터

6은 포장 단면형상을 나타내며, 포장 슬래브 두께는 20cm로 시공되었다. 본 현장은 확장포장 구간으로 기존 연속철근콘크리트 포장 도로에 인접하여 3.6m 폭으로 차선을 추가로 신설하는 현장이다. 총 8개의 철근 변형률 게이지가 설치되었고, 그 중 3개는 타이바에 설치하고 나머지 5개는 횡방향 철근에 설치하였다.
이러한 과정에서 개발된 포장설계법은 역학적 경험적 설계법(MEPDG; Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide)이라 명명되었고(AASHTO, 2008), 현재까지 개발된 포장 설계법중 가장 포괄적이고 진일보된 설계법이라 할 수 있다. 설계에 사용한 모델은 환경하중(온도변화 및 습도 변화)과 차량 윤하중을 고려한 포장체의 거동을 분석하여 개발된 것으로 매우 정교한 모델이다. 전이함수 개발을 위해서는 광범위한 LTPP(Long-Term Pavement Performance) 데이터베이스가 사용되었다(FHA, 2010).
설계에 사용한 모델은 환경하중(온도변화 및 습도 변화)과 차량 윤하중을 고려한 포장체의 거동을 분석하여 개발된 것으로 매우 정교한 모델이다. 전이함수 개발을 위해서는 광범위한 LTPP(Long-Term Pavement Performance) 데이터베이스가 사용되었다(FHA, 2010).
6m 폭으로 차선을 추가로 신설하는 현장이다. 총 8개의 철근 변형률 게이지가 설치되었고, 그 중 3개는 타이바에 설치하고 나머지 5개는 횡방향 철근에 설치하였다. 그림에서 게이지에 표시된 숫자는 종방향 시공이음으로부터의 거리를 나타낸다.
서론에서 언급한 바와 같이, 현재 연속철근콘크리트 포장 설계에서 횡방향 철근 및 타이바 설계는 SGDT 이론에 근거하고 있다. 한국도로공사, 일리노이 주 도로국 및 텍사스 주 도로국에서 현재 사용 중인 횡방향 철근 및 타이바 설계를 검토하였다. 타이바와 횡방향 철근에 필요한 철근량은 SGDT 이론에 근거하여 다음 Eq.
타이바와 횡방향 철근에 발생하는 응력을 평가하기 위한 현장실험 연구가 텍사스 교통국 연구과제로 수행된 바 있다. 현장실험은 2006년 9월 19일 포트워스 지부(Fort Worth District)에 있는 SH 114B(Texan Trail) 고속도로에서 수행하였다.

이론/모형

AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials) 포장설계 법은 1956년 8월부터 1960년 11월까지 수행된 AASHO Road Test(AASHO, 1961, 1962) 자료를 토대로 수립되었다. AASHO Road Test에서 공용성이 평가된 강성포장 형태는 줄눈콘크리트 포장으로, 연속 철근콘크리트 포장 설계를 위한 테스트 섹션은 건설되지 않았다.
SGDT 이론은 1939년에 콘크리트와 철근의 응력을 분석하는데 사용되었고, 이론개발을 위해 적용된 가정은 다음과 같다.
횡방향 철근 및 타이바의 설계는 당시 콘크리트 포장에서 철근에 발생하는 응력해석을 위해 사용되고 있던 이론인 ‘Subgrade Drag Theory’ (이하 SGDT)가 사용되었다(AASHO, 1972).

성능/효과

그러나 Eq. (2)로부터 계산된 타이바에 발생하는 철근응력은 12ksi(82.7MPa)이다. 즉, 실제 측정된 철근의 응력값은 SGDT 이론에 의해 예측되는 철근응력보다 두 배 이상 높다는 것이다.
Eq. (2)의 전제는 종방향 균열이 발생하면, 철근응력이 철근의 항복강도 보다 낮은 특정 수준으로 유지되어야 한다는 것이다. 또 다른 전제는 철근응력이 특정수준 이하로 유지되기만 하면, 균열폭이 작게 유지되어 콘크리트 내부로 물이 유입되는 것을 방지하기에 충분한 수준으로 유지된다는 것이다.
그러나 횡방향 철근 및 타이바 설계에 사용된 SGDT 이론은 콘크리트 포장의 2차원적 거동에 대해 이론적 배경지식이 부족한 여건에서 개발된 이론으로서, 콘크리트 포장의 거동이 1차원적으로만 거동한다는 가정 하에 개발된 이론이다. 결과적으로 SGDT 이론의 한계로 인해, 이를 이용한 횡방향 철근 및 타이바 설계는 이론 자체의 한계로 인한 오류를 수반하는 결과를 초래하였다. 이에 대한 구체적인 내용은 본 논문의 2장에 구체적으로 기술하였다.
그래프에서 볼 수 있듯이, 콘크리트 슬래브 깊이에 따라 상당한 온도변화가 발생함을 알 수 있다. 또한 21시간 동안에 콘크리트 슬래브 상층에서는 11℃ 이상의 온도차가 발생한 반면 슬래브 하층의 온도차는 2.8℃로 측정되어 깊이별 온도변화에 매우 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. 상기 데이터는 콘크리트 슬래브의 거동이 컬링에 지배받음을 의미한다.
슬래브가 온도변화에 따라 24시간을 주기로 상하로 움직이고 있음을 알 수 있다. 본 실험결과는 SGDT 이론의 두 번째 가정, 즉 슬래브가 일차원적으로 움직인다는 것이 잘못된 가정임을 보여주는 결과이다 또한 네 번째 가정, 즉 슬래브와 기층이 완전 접착되어 있다는 가정에도 오류가 있음을 보여준다.
11은 연속철근콘크 리트 포장에서 와핑 및 컬링으로 인한 슬래브 단부의 거동변화를 나타내는 그래프이다. 콘크리트의 컬링 거동이 데이터 수집 후 3.5일과 5일 사이에 일부 온도와 다르게 움직이기는 하지만, 5일 이후부터는 직접적으로 대기온도에 관계하여 거동하는 것으로 나타났다.
현재까지 논의한 내용을 종합하면, 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철근의 역할은 종방향 철근이 정위치를 확보할 수 있도록 보조하는 것이라 할 수 있다. 즉 종방향 철근의 위치가 정확하게 확보될 수 있다면 횡방향 철근은 필요하지 않다는 것이다.

후속연구

이들 두 기관에서도 횡방향 철근이 종방향 철근을 지지하기 위한 용도로 사용되어야 함을 인지하였다고 볼 수 있다. 따라서 종방향 철근의 위치가 시방에서 규정하는 허용범위 내에 위치하는 한, 횡방향 철근을 사용하지 않는 것이 균열 폭을 보다 좁게 유지시켜 연속철근콘크리트 포장의 성능을 향상시키는 역할에 기여하게 될 것이다.
줄눈콘크리트 포장 설계에서는 포장 슬래브 두께 산정이 주요 설계성과물인 반면, 연속철근콘크리트 포장 설계에서는 슬래브 두께뿐만 아니라 철근비를 포함한 철근설계 또한 주요 설계성과물이다. 연속철근콘크리트 포장 슬래브 두께 설계는 줄눈콘크리트 포장 현장실험 데이터를 이용하여 간접적으로 추정하는 방법이 적용 가능하지만, 종방향 철근설계 항목은 AASHO Road Test 현장 실험 결과에 기초하여 결정할 수 있는 설계 요인이 아니라, 별도의 현장실험을 통한 장기공용성 평가를 통해 결정될 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	줄눈콘크리트 포장은 어떻게 수행되는가?	현재 우리나라의 콘크리트 포장 형태는 대부분이 줄눈콘크리트 포장(Jointed Concrete Pavement: JCP)형식으로, 환경하중으로 인한 슬래브 균열을 방지하기 위하여 5~6m 간격으로 줄눈을 설치하고, 줄눈부에서의 원활한 하중전달을 목적으로 다웰바가 설치되는 형태의 포장형식이다. 일반적으로 줄눈콘크리트 포장의 설계수명은 20년이지만, 우리나라에서는 스폴링 및 동결융해를 비롯한 줄눈부 파손이 설계수명이 다하기도 전에 빈번하게 발생하는 사례가 다수 보고되고 있다.
	우리나라의 콘크리트 포장 형태는 무엇인가?	현재 우리나라의 콘크리트 포장 형태는 대부분이 줄눈콘크리트 포장(Jointed Concrete Pavement: JCP)형식으로, 환경하중으로 인한 슬래브 균열을 방지하기 위하여 5~6m 간격으로 줄눈을 설치하고, 줄눈부에서의 원활한 하중전달을 목적으로 다웰바가 설치되는 형태의 포장형식이다. 일반적으로 줄눈콘크리트 포장의 설계수명은 20년이지만, 우리나라에서는 스폴링 및 동결융해를 비롯한 줄눈부 파손이 설계수명이 다하기도 전에 빈번하게 발생하는 사례가 다수 보고되고 있다.
	SGDT 이론개발을 위한 가정에 대해 서술하시오	1) 콘크리트 온도분포는 슬래브 깊이에 따라 균일하다. 2) 콘크리트 슬래브는 일방향으로 수축하고 팽창한다. 3) 온도변화에 따른 콘크리트 응력은 슬래브 횡단면에 걸쳐 일정하다. 4) 콘크리트 슬래브 하면과 기층은 완전히 접촉되어 있다.

참고문헌 (14)

AASHO Road Test (1961), History and Description of Project. Publication 816, National Research Council.
AASHO Interim Guide for the Design of Rigid Pavement Structures(1962), AASHO Committee on Design, April 1962.
American Association of State Highway Officials(1972), AASHO Interim Guide for Design of Pavement Structure, 1972. American Association of State Highway Officials, Washington, D.C.
American Association of State Highway and Transportation Officials(1981), AASHO Interim Guide for Design of Pavement Structure 1972. Chapter III Revised, AASHO, Washington, D.C.
American Association of State Highway and Transportation Officials(1993), AASHTO Guide for Design of Pavement Structures., AASHTO, Washington, D.C.
American Association of State Highway and Transportation Officials(2008), Manual of Practice for the Mechanistic?Empirical Pavement Design Guide, AASHTO, Washington, D.C.
Huang, Yang Hsien, 1993, Pavement Analysis and Design, pp. 165-167.
Japan Road Association, 2001, Pavement Design and Construction Guide (in Japanese)
Robett Otto Rasmussen, Richard Rogers and Theodore R. Ferragut(2009), Continuously Reinforced Concrete Pavement Design & Construction Guidelines, United States. Federal Highway Administration, CRSI, pp. 122-123.
Seongcheol Choi and Moon C. Won, 2007, Potential Modifications to Transverse Steel Design, Technical Memorandum, Center for Transportation Research, The University of Texas at Austin.
Seongcheol Choi and Moon C. Won, 2009, Design of Tie Bars in Portland Cement Concrete Pavement Considering Nonlinear Temperature Variations, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, pp. 24-33.
Texas Department of Transportation, 2013, Continuously Reinforced Concrete Pavement One Layer Steel Bar Placement, CRCP(1)-13 and CRCP(2)-13, http://www.dot.state.tx.us/ insdtdot/orachart/cmd/cserve/standard/rdwylse.htm
United States. Federal Highway Administration (2010), Long-Term Pavement Performance Program Accomplishments and Benefits 1989-2009, Publication No. FHWA-HRT-10-072.
U.S Department of Transportation, FHWA (1990), Technical Advisory, Continuously Reinforced Concrete Pavement, T 5080.14, http://www;fhwa.dot.gov/pavement/t508014.cfm.

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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