한국형포장설계프로그램 및 유한요소해석을 이용한 동상방지층의 구조적 성능 평가 Finite Element Analysis of Structural Performance of Anti-Freezing Layer via the Korea Pavement Research Program원문보기
PURPOSES : Nowadays, cavity phenomena occur increasingly in pavement layers of downtown areas. This leads to an increment in the number of potholes, sinkholes, and other failure on the road. A loss of earth and sand from the pavement plays a key role in the occurrence of cavities, and, hence, a stru...
PURPOSES : Nowadays, cavity phenomena occur increasingly in pavement layers of downtown areas. This leads to an increment in the number of potholes, sinkholes, and other failure on the road. A loss of earth and sand from the pavement plays a key role in the occurrence of cavities, and, hence, a structural-performance evaluation of the pavement is essential. METHODS: The structural performance was evaluated via finite-element analysis using KPRP and KICTPAVE. KPRP was developed in order to formulate a Korean pavement design guide, which is based on a mechanical-empirical pavement design guide (M-EPDG). RESULTS: Installation of the anti-freezing layer yielded a fatigue crack, permanent deformation, and international roughness index (IRI) of 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km, respectively, as determined from the performance analysis conducted via KPRP. These values satisfy the design standards (fatigue crack: 20%, permanent deformation: 1.3 cm, IRI: 3.5 m/km). The results of FEM, using KICTPAVE, are shown in Figures 8~12 and Tables 3~5. CONCLUSIONS: The results of the performance analysis (conducted via KPRP) satisfy the design standards, even if the thickness of the anti-freezing layer is not considered. The corresponding values (i.e., 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km) are obtained for all conditions under which this layer is applied. Furthermore, the stress and strain on the interlayer between the sub-grade and the anti-freezing layer decrease gradually with increasing thickness of the anti-freezing layer. In contrast, the strain on the interlayer between the sub-base and the anti-freezing layer increases gradually with this increase in thickness.
PURPOSES : Nowadays, cavity phenomena occur increasingly in pavement layers of downtown areas. This leads to an increment in the number of potholes, sinkholes, and other failure on the road. A loss of earth and sand from the pavement plays a key role in the occurrence of cavities, and, hence, a structural-performance evaluation of the pavement is essential. METHODS: The structural performance was evaluated via finite-element analysis using KPRP and KICTPAVE. KPRP was developed in order to formulate a Korean pavement design guide, which is based on a mechanical-empirical pavement design guide (M-EPDG). RESULTS: Installation of the anti-freezing layer yielded a fatigue crack, permanent deformation, and international roughness index (IRI) of 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km, respectively, as determined from the performance analysis conducted via KPRP. These values satisfy the design standards (fatigue crack: 20%, permanent deformation: 1.3 cm, IRI: 3.5 m/km). The results of FEM, using KICTPAVE, are shown in Figures 8~12 and Tables 3~5. CONCLUSIONS: The results of the performance analysis (conducted via KPRP) satisfy the design standards, even if the thickness of the anti-freezing layer is not considered. The corresponding values (i.e., 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km) are obtained for all conditions under which this layer is applied. Furthermore, the stress and strain on the interlayer between the sub-grade and the anti-freezing layer decrease gradually with increasing thickness of the anti-freezing layer. In contrast, the strain on the interlayer between the sub-base and the anti-freezing layer increases gradually with this increase in thickness.
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문제 정의
포장층은 표층과 중간층을 8cm, 기층은 18cm, 보조기층은 26cm로 총 포장두께 52cm의 횡단을 설계했다. 본 연구는 도심지 내 동공발생과 관련된 동상방지층의 역할을 조사하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 기상 관측에 대한 데이터는 서울지역으로 반영했다. 교통정보의 경우 KPRP프로그램에서 제공하는 교통량을 ‘증가율 미적용’상태로 설정했으며, 포장재료의 특성은 바인더 PG 76-22등급의 밀입도 아스팔트 포장재료를 데이터베이스기준으로 적용했다.
본 연구는 동상방지층 부재 및 위 사항과 관련하여, 동상방지층의 설치 유무에 따라 달라지는 포장의 구조적인 성능을 한국형포장설계법에 기초하여 평가하는 것에 그 목적이 있다. 포장의 구조적인 성능을 평가하기 위해 포장 횡단면 설계프로그램인 KPRP와 유한요소해석 프로그램인 KICTPAVE를 이용했다.
본 연구는 최근 발생하는 동공에 대한 문제와 관련하여 동상방지층의 구조적인 역할을 파악하는 것에 목적을 두어, KPRP와 KICTPAVE를 이용하여 각각 공용성 분석과 유한요소해석을 수행했다. 이에 대한 결론은 아래와 같다.
이와 관련하여 본 연구에서는 동공을 발생시킬 수 있는 원인 중 지하수위 변화에 중점을 두었으며, 그 중 2011년 한국형도로포장설계법이 시행됨에 따라 설치를 생략할 수 있는 동상방지층의 구조적인 성능을 평가하는 것에 그 목적을 두었다.
포장층 하부에 보조기층과 노상토층 사이에 설치되는 동상방지층은 노상토에서 발생하는 동결융해 작용에 의한 상부 포장층의 파손을 줄이고 생애주기를 연장시키기 위한 목적으로 설계 및 시공된다. 그러나 급격하게 발생하는 이상기후현상과 관련된 평균기온 상승으로 인해 최근에는 동결융해의 피해가 감소된다는 판단 하에 동상방지층을 생략하는 추세이다.
가설 설정
동상방지층을 설치하는 경우‘도로 동상방지층 설계지침(2012.08)’에 따라 SB-1 재료를 사용했다는가정 하에 최소 설치두께 15cm, SB-2 재료를 사용했다는 가정 하에 최소 설치두께 10cm로 구분해 공용성을 검토했다.
제안 방법
교통정보의 경우 KPRP프로그램에서 제공하는 교통량을 ‘증가율 미적용’상태로 설정했으며, 포장재료의 특성은 바인더 PG 76-22등급의 밀입도 아스팔트 포장재료를 데이터베이스기준으로 적용했다.
본 연구에서는 공용성 분석을 위해 동상방지층을 설정하지 않은 ‘조건 1’ 과 동상방지층을 10cm 설계한 ‘조건 2’ , 동상방지층을 15cm로 설정한 ‘조건 3’ 의 3가지 경우에 대해 해석을 실시했다.
이러한 방법으로 구해진 표층, 기층, 보조기층에 대한 전체 포장 두께를 산정한 뒤 적용동결심도보다 총 포장 두께가 낮은 경우 그 차이만큼 설치될 동상방지층의 두께를 결정한다.
본 연구에서 설계한 횡단은 설계속도 80km/h의 2등급 도시지역 고속국도로서, 공용기간은 10년으로 설정했다. 포장층은 표층과 중간층을 8cm, 기층은 18cm, 보조기층은 26cm로 총 포장두께 52cm의 횡단을 설계했다. 본 연구는 도심지 내 동공발생과 관련된 동상방지층의 역할을 조사하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 기상 관측에 대한 데이터는 서울지역으로 반영했다.
포장층의 최소두께를 설정하더라도 이 지역 내에서는 동상방지층의 설계를 필요로 하지 않지만, 본 연구의 목적인 비교 검토를 수행하기 위해 동상방지층이 설치되지 않는 경우와 설치된 경우로 나누어 공용성 분석을 실시했다. 동상방지층을 설치하는 경우‘도로 동상방지층 설계지침(2012.
대상 데이터
본 장에서는 KPRP를 이용하여 동상방지층 설치에 대한 구조적인 영향을 파악하는 것에 중점을 두고 있다. KPRP를 이용한 횡단 설계 과정은 KPRP 프로그램에서 제공하는 기본 데이터베이스를 이용했다. 본 연구에서 설계한 횡단은 설계속도 80km/h의 2등급 도시지역 고속국도로서, 공용기간은 10년으로 설정했다.
따라서 본 장에서 수행한 유한요소해석은 표층, 기층,보조기층의 두께가 KPRP 해석과 동일하게 각각 8cm,18cm, 26cm로 설정했으며, 노상토의 높이는 1m로 구성했다. 동상방지층의 경우 아래 Table 2와 같은 조건을 적용하였다.
KPRP를 이용한 횡단 설계 과정은 KPRP 프로그램에서 제공하는 기본 데이터베이스를 이용했다. 본 연구에서 설계한 횡단은 설계속도 80km/h의 2등급 도시지역 고속국도로서, 공용기간은 10년으로 설정했다. 포장층은 표층과 중간층을 8cm, 기층은 18cm, 보조기층은 26cm로 총 포장두께 52cm의 횡단을 설계했다.
이론/모형
과거 아스팔트 포장 설계를 위한 방법으로는 일본의 TA(Total thickness of Asphalt) 설계법, AASHTO Interim Guide Method(1972) 설계법, 이를 개정한 AASHTO 86 설계법이 사용됐다. 과거에 사용된 콘크리트 포장 설계법으로는 TA 설계법, P.
KICTPAVE 유한요소해석 프로그램은 점탄성 축대칭 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 기존연구에서는 하중에 의한 응력과 변형률에 기인하여 피로파괴와 소성변형에 대한 평가를 실시했다(2012, 한국 도로학회). 이 유한요소해석 프로그램은 포장층의 거동을 평가하기 위해 점탄성거동 이론 중 스프링-댐핑 효과를 병렬적으로 표현한 일반화된 맥스웰 모델(GMM,Generalized Maxwell Model)을 사용했다. 일반화된 맥스웰 모델은 아래 Fig.
본 연구는 동상방지층 부재 및 위 사항과 관련하여, 동상방지층의 설치 유무에 따라 달라지는 포장의 구조적인 성능을 한국형포장설계법에 기초하여 평가하는 것에 그 목적이 있다. 포장의 구조적인 성능을 평가하기 위해 포장 횡단면 설계프로그램인 KPRP와 유한요소해석 프로그램인 KICTPAVE를 이용했다.
성능/효과
1. 동상방지층 두께를 달리 하여 KPRP로 공용성을 분석한 결과, 동상방지층 설치 두께와 관계없이 포장의 공용성 기준을 만족하는 값으로 결정되었다.
2. KICTPAVE를 이용하여 유한요소해석을 수행한 결과, 노상토와 동상방지층 사이에서 발생하는 응력과 변형률은 동상방지층이 두꺼워질수록 점차 감소하는 현상을 보였다. 이와는 반대로 보조기층과 동상방지층 사이에서 발생하는 변형률은 동상방지층의 두께가 두꺼워질수록 증가되는 현상을 나타냈다.
셋째, 구조물의 수가 증가함에 따라 지하수위에 영향을 줄 수 있다. 넷째, 급격한 기후변화에 따라 폭우, 폭설, 지하수의 동결작용 등에 의해 지하수위가 변화할 수 있다. 이러한 지하수위의 변화는 결국 토사의 유실로 인해 동공을 발생시키는 근본적인 원인으로 작용한다.
첫째, 도심지로 발전함에 따라 불투수층이 증가해 우수가 지하로 침투하는 용량이 저하되어 지하수위에 영향을 줄 수 있다. 둘째, 도심지 내에서 지하수의 사용량이 증가하여 지하수위의 변화가 발생할 수 있다. 셋째, 구조물의 수가 증가함에 따라 지하수위에 영향을 줄 수 있다.
둘째, 도심지 내에서 지하수의 사용량이 증가하여 지하수위의 변화가 발생할 수 있다. 셋째, 구조물의 수가 증가함에 따라 지하수위에 영향을 줄 수 있다. 넷째, 급격한 기후변화에 따라 폭우, 폭설, 지하수의 동결작용 등에 의해 지하수위가 변화할 수 있다.
도심지 내에서 지하수위가 변하는 원인은 다음과 같다. 첫째, 도심지로 발전함에 따라 불투수층이 증가해 우수가 지하로 침투하는 용량이 저하되어 지하수위에 영향을 줄 수 있다. 둘째, 도심지 내에서 지하수의 사용량이 증가하여 지하수위의 변화가 발생할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한국형도로포장설계법은 무엇을 위하여 개발되었는가?
한국형도로포장설계법은 이전 AASHTO 72, 86, 93 설계법의 단점을 보완하고 국내 환경 및 기준에 적합하게 도로 포장의 횡단을 설계하기 위해 개발되었다.
도심지 내의 지하수위의 변화는 무엇을 야기하는가?
넷째, 급격한 기후변화에 따라 폭우, 폭설, 지하수의 동결작용 등에 의해 지하수위가 변화할 수 있다. 이러한 지하수위의 변화는 결국 토사의 유실로 인해 동공을 발생시키는 근본적인 원인으로 작용한다.
도심지 내에서 지하수위가 변하는 원인은?
도심지 내에서 지하수위가 변하는 원인은 다음과 같다. 첫째, 도심지로 발전함에 따라 불투수층이 증가해 우수가 지하로 침투하는 용량이 저하되어 지하수위에 영향을 줄 수 있다. 둘째, 도심지 내에서 지하수의 사용량이 증가하여 지하수위의 변화가 발생할 수 있다. 셋째, 구조물의 수가 증가함에 따라 지하수위에 영향을 줄 수 있다. 넷째, 급격한 기후변화에 따라 폭우, 폭설, 지하수의 동결작용 등에 의해 지하수위가 변화할 수 있다. 이러한 지하수위의 변화는 결국 토사의 유실로 인해 동공을 발생시키는 근본적인 원인으로 작용한다.
참고문헌 (8)
Choi, Jungho, Kweon, Kichul. (2010). "A special quality analysis about design standard of Anti-Frost layer at the inside and outside of the country", 한국도로학회 춘계학술대회 논문집, pp. 261-266.
Kim, Dowan, Han, Beomsoo, Kim, Yeonjoo, and Mun, Sungho. (2014). "A Study of Reliability of Predictive Models for Permanent Deformation and Fatigue Failure Related to Flexible Pavement Design", Journal of Highway Engineering, Vol. 16, No. 6, pp. 105-113.
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Lee, C. J., Yoo, P. J., Choi, J. and Ohm, B. (2012)". Development of Viscoelastic Finite Element Analysis Code for Pavement Structures", Journal of Highway Engineering, Vol. 14, No. 5, pp. 1-9.
Lee, Moonsup, Heo, Taeyoung, Park, Heemun, Kim, Booil. (2012). "Development of Model for Structural Evaluation of Anti-Freezing Layer", Journal of Highway Engineering, Vol. 14, No. 3, pp. 25-32.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport. (2011) "Research for Standards of utility and installation of Anti-Freezing Layer" Research Report.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport. (2012) "Design Guide for Anti-Freezing Layer".
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2015) "Standard Specification of Road Construction"
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