[논문]서울형 포장설계식 개선 및 검증

김원재; 박창규; 트란 타이 손; 르반 푹; 이현종

doi:10.7855/ijhe.2017.19.5.049

[국내논문] 서울형 포장설계식 개선 및 검증
Improvement and Validation of an Overlay Design Equation in Seoul 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.5 = no.85, 2017년, pp.49 - 58

김원재 (세종대학교 공과대학 건설환경공학과) , 박창규 (세종대학교 공과대학 건설환경공학과) , 트란 타이 손 (세종대학교 공과대학 건설환경공학과) , 르반 푹 (세종대학교 공과대학 건설환경공학과) , 이현종 (세종대학교 공과대학 건설환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : The objective of this study is to develop a simple regression model in designing the asphalt concrete (AC) overlay thickness using the Mechanistic-empirical pavement design guide (MEPDG) program. METHODS : To establish the AC overlay design equation, multiple regression analyses were performed based on the synthetic database for AC thickness design, which was generated using the MEPDG program. The climate in Seoul city, a modified Hirsh model for determining dynamic modulus of asphalt material, and a new damaged master curve approach were used in this study. Meanwhile, the proposed rutting model developed in Seoul city was then used to calibrate the rutting model in the MEPDG program. The AC overlay design equation is a function of the total AC thickness, the ratio of AC overlay thickness and existing AC thickness, the ratio of existing AC modulus and AC overlay modulus, the subgrade condition, and the annual average daily truck traffic (AADTT). RESULTS : The regression model was verified by comparing the predicted AC thickness, the AADTT from the model and the MEPDG. The regression model shows a correlation coefficient of 0.98 in determining the AC thickness and 0.97 in determining AADTT. In addition, the data in Seoul city was used to validate the regression model. The result shows that correlation coefficient between the predicted and measured AADTT is 0.64. This indicates that the current model is more accuracy than the previous study which showed a correlation coefficient of 0.427. CONCLUSIONS:The high correlation coefficient values indicate that the regression equations can predict the AC thickness accurately.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

2014 서울형 포장설계식에서 기존 아스팔트 포장층의 동탄성계수는 FWD시험의 역해석을 통하여 산정하였으며, 33Hz의 하중주기에서 신규 아스팔트 포장대비 10~50%의 감소된 Master Curve를 산정하여 적용하였다
AADTT 자료를 MEPDG 프로그램과 기존 포장설계식(2014)에 적용하여 산정된 포장두께를 비교하였다.
MEPDG 소성변형의 신뢰성을 향상시키기 위하여 보정된 소성변형 모형의 예측 소성변형량과 MEPDG 프로그램의 예측 소성변형량을 비교한 후 MEPDG 프로그램의 소성변형 모형계수를 보정하였다. Fig.
MEPDG 프로그램에 포장두께, 재료특성, 기후조건 등을 적용하여 포장파손을 발생시키는 일 버스교통량(AADTT)을 산정하였다. 산정된 AADTT는 총 288건으로 Table 3~Table 11과 같다.
기존 서울형 포장설계식에서는 서울시와 유사한 기후 특성인 미국 뉴욕의 La Guardia 공항 지역자료를 적용하였지만, 본 연구에서는 10년(2003년~2012년)동안의 서울시 기후자료를 분석하여 MEPDG 프로그램에 적용하였다. 적용한 기후조건으로는 기온(℉), 풍속(mph), 일조량(%), 강수량(in), 습도(%)이다.
노상층의 회복탄성계수는 한국형 포장설계법 개발에 사용된 실내시험 자료(56~242MPa, 평균 119MPa) 및 현장 FWD로부터 역산정한 값(48~228MPa, 평균 108MPa)과 국외 카탈로그 설계상의 노상 분류기준을 참고하여 3가지 범위(양호(100MPa 이상), 보통(100MPa~50MPa), 불량(50MPa 이하))로 설정하였다.
CategoryⅡ와 같이 버스전용차로가 설치된 경우에도 일부버스는 일반차로로 통행을 하고 있다. 따라서 전체 버스교통량 대비 일반차로를 이용하는 버스교통량의 비율의 평균값을 적용하였다. 또한, 시간대별, 월별교통량과 교통량 증가율을 분석하여 해석을 진행하였다.
또한, MEPDG(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide) 프로그램의 소성변형 모형계수를 보정하여 적용하였으며, MEPDG 프로그램을 사용하여 포장에 파손을 일으키는 버스 및 각종 트럭의 연평균 1일 교통량(Average Annual Daily Truck Traffic, AADTT)를 산정하여 포장설계식을 보정 및 검증하였다.
또한, 서울시 현장 FWD 자료와 코어시편을 사용한 실내시험을 통하여 포장설계식으로 산정한 AADTT와 실측 AADTT를 비교하였다.
따라서 전체 버스교통량 대비 일반차로를 이용하는 버스교통량의 비율의 평균값을 적용하였다. 또한, 시간대별, 월별교통량과 교통량 증가율을 분석하여 해석을 진행하였다.
보조기층의 회복탄성계수는 실내시험을 통한 평균값(179MPa)과 현장 FWD(Falling Weight Deflectometer)로부터 역산정한 평균값(179MPa), 독일의 카탈로그 설계법에서 적용중인 대표적인 보조기층의 탄성계수 값(180MPa, 150MPa)을 참고하여 180MPa를 적용하였다.
본 연구에서 적용한 소성변형 모형은 아스팔트 혼합물 7종(총 45가지 조건)의 실내시험을 통하여 예측 모형을 개발하고 WesTrack 공용성 자료를 활용하여 모형의 보정 및 국내 공용성 자료를 활용하여 검증한 소성변형 모형으로 다음과 같다.
본 연구에서는 Mater Curve를 산정할 때 sigmoidal함수의 계수인 δ’, α’를 함께 고려하는 방법을 적용하였으며, Fig. 3과 같이 신규 아스팔트 포장 대비 50, 70, 90%의 감소된 Master Curve를 산정하였다.
본 연구에서는 기존 서울형 포장설계식에서 적용하였던 국외의 기후조건 대신 10여년 동안의 서울시 기후자료를 분석하여 포장설계식에 적용하였으며, 기존 Hirsch모형보다 실내시험과의 오차율이 감소된 수정 Hirsch모형을 적용하였다.
본 연구에서는 기존 서울형 포장설계식의 입력변수 중 기후조건, 신규 및 기존 아스팔트 포장의 동탄성계수 산정, MEPDG 소성변형 모형의 보정 등을 통하여 서울형 포장설계식의 보정을 진행하였다.
본 연구에서는 기존 포장설계식에서 적용하였던 Hirsch모형 대신 실내시험과의 오차율이 약 13% 감소된 수정 Hirsch모형의 사용을 통한 신규 포장층의 동탄성계수와 δ’, α’을 고려한 sigmoidal 함수를 통한 기존포장층의 동탄성계수, 포장의 파손을 발생시키는AADTT 산정을 진행하였다.
4% 크게 나타났다. 이는 설계식에 적용되는 서울시의 기후조건, 재료특성 등의 입력변수의 차이로 인하여 나타난 것으로 판단되며, 과대 산정된 포장두께의 오차를 감소시키기 위하여 기존 포장설계식을 보정하였다.
기존 서울형 포장설계식에서는 서울시와 유사한 기후 특성인 미국 뉴욕의 La Guardia 공항 지역자료를 적용하였지만, 본 연구에서는 10년(2003년~2012년)동안의 서울시 기후자료를 분석하여 MEPDG 프로그램에 적용하였다. 적용한 기후조건으로는 기온(℉), 풍속(mph), 일조량(%), 강수량(in), 습도(%)이다.
또한, 서울시 현장 FWD 자료와 코어시편을 사용한 실내시험을 통하여 포장설계식으로 산정한 AADTT와 실측 AADTT를 비교하였다. 포장설계식은 기존 및 보정된 포장설계식을 적용하여 정확도를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

) 비율 3종, 노상의 상태 3종, 노상두께 1종이다. 노상의 두께는 서울시에서 일반적으로 적용하는 30cm를 적용하였다.
아스팔트 포장설계식의 보정을 위하여 적용한 변수는 아스팔트 포장 전체두께(Total H_AC) 4종, 재포장 진행 시 잔존 포장두께와 신규 포장두께의 비율(H_AC-remain/H_AC-overlay) 3종, 기존 포장과 신규 포장의 동탄성계수(E^*_old/E^*_new) 비율 3종, 노상의 상태 3종, 노상두께 1종이다. 노상의 두께는 서울시에서 일반적으로 적용하는 30cm를 적용하였다.
아스팔트 포장의 거동 및 파손에 큰 영향을 미치는 기후조건의 경우 MEPDG 프로그램에 입력된 미국 기상청 자료에서 선택하여 사용하였기 때문에 서울시의 최고, 최소 및 평균 기온이 가장 유사한 미국 뉴욕의 La Guardia 공항 지역의 기후자료를 설계에 적용하였다.

데이터처리

al.(2003)이 제안한 Hirsch모형의 예측값을 아스팔스 혼합물 5종의 실내시험 실측값과 비교하였다. 비교결과, Hirsch모형이 보다 신뢰성이 높은 것으로 나타났고, 미국 아스팔트 기술연구센터(National Center for Asphalt Technology, NCAT)에서 수행한 연구(Richard Willis et al.
보정된 포장설계식의 검증을 위하여 Fig. 9와 같이 MEPDG의 AADTT와 비교하였다. 비교결과, 두 가지 방법으로 산정된 AADTT의 상관관계는 0.

이론/모형

기존 포장설계식에서는 Hirsch모형을 사용하여 신규아스팔트 포장의 동탄성계수를 예측하였다.
본 연구에서는 수정 Hirsch모형(정재훈, 2016)을 적용하여 신규 포장층의 동탄성계수를 예측하였다. 이 연구에 의하면 국내에서 많이 사용되고 있는 10종류의 아스팔트 혼합물의 실내시험을 통하여 동탄성계수를 실측하고 기존 Hirsch모형을 비교한 결과, 오차가 약 33.
본 연구에서는 실내시험과 공용성 자료를 활용하여 보정된 소성변형 모형(김원재, 2016)을 사용하여 MEPDG소성변형 모형의 계수를 보정하였다.
(2003)이 제안한 Hirsch모형의 예측값을 아스팔스 혼합물 5종의 실내시험 실측값과 비교하였다. 비교결과, Hirsch모형이 보다 신뢰성이 높은 것으로 나타났고, 미국 아스팔트 기술연구센터(National Center for Asphalt Technology, NCAT)에서 수행한 연구(Richard Willis et al., 2009)에서도 비슷한 결과가 나타나 다음과 같은 Hirsch모형을 통해 예측한 동탄성계수를 MEPDG 해석에 적용하였다.
차종별 교통비율은 국토교통부(2013)의 ‘국가지원 지방도의 차종별 분포비율’과 ‘한국형 도로포장 설계법 기준에 의한 차종별 분포비율’을 적용하여 산정하였다.

성능/효과

AASHTO 포장설계법은 과거 40여년간 포장설계에 많이 이용되었고, 포장설계법의 발전에 많은 기여를 한 것은 사실이나 새로운 포장재료에 대한 공용성을 고려하기는 어렵고, 여러 가지 도로포장설계 대안들에 대한 비교분석 및 상대적인 비교가 어려운점, 35×106 18-kips ESAL까지만 적용이 가능한 점 등의 한계가 있는 것으로 나타났다.
기존 포장설계식으로 산정한 포장두께는 MEPDG 프로그램으로 산정한 포장두께보다 약 9.7% 과대산정되는 것으로 나타났으며, 보정된 포장설계식으로 산정한 포장두께와 MEPDG 프로그램으로 산정한 포장두께의 상관계수는 0.98로 나타나 상당한 신뢰성을 확보한 것으로 판단된다.
97로 나타나 상당히 높은 신뢰성이 있는 것으로 나타났다. 또한 기존 포장설계식과 보정된 포장설계식으로 산정한 AADTT를 실측 AADTT와 비교한 결과 보정된 포장설계식의 비교값은 기존 포장설계식보다 상관계수는 0.21 증가, RSME는 0.08 감소하는 것으로 나타나 보다 신뢰성이 향상된 것으로 판단된다.
보정된 포장설계식으로부터 산정한 포장두께와MEPDG 프로그램으로 산정된 포장두께를 비교하면 앞의 Fig. 8과 같으며, 평균 상관관계(R²)는 0.98, RMSE(Root Mean Square Error)는 0.94로 나타나 보정된 포장설계식은 신뢰성이 높은 것으로 판단된다.
보정된 포장설계식의 검증을 위하여 MEPDG 프로그램으로 산정한 AADTT와 보정된 포장설계식으로 산정한 AADTT의 비교를 진행하였으며, 상관계수는 0.97로 나타나 상당히 높은 신뢰성이 있는 것으로 나타났다. 또한 기존 포장설계식과 보정된 포장설계식으로 산정한 AADTT를 실측 AADTT와 비교한 결과 보정된 포장설계식의 비교값은 기존 포장설계식보다 상관계수는 0.
11은 보정된 포장설계식의 AADTT 결과와 실측 AADTT를 비교한 것이다. 비교결과, 보정된 포장설계식은 기존 포장설계식보다상관계수는 0.21 증가, RSME는 0.08 감소하여 신뢰성이 향상된 것으로 판단된다.
본 연구에서는 수정 Hirsch모형(정재훈, 2016)을 적용하여 신규 포장층의 동탄성계수를 예측하였다. 이 연구에 의하면 국내에서 많이 사용되고 있는 10종류의 아스팔트 혼합물의 실내시험을 통하여 동탄성계수를 실측하고 기존 Hirsch모형을 비교한 결과, 오차가 약 33.5% 발생하였지만 수정 Hirsch모형 예측값의 경우 실내시험 실측값과의 오차가 20.8%로 기존 모형에 비하여 약 13%의 오차를 줄여 예측의 신뢰성을 개선시킨 모형이다. Eq.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서울시에서 운영하는 포장유지관리시스템의 문제점은?	서울시에서는 2002년부터 포장유지관리시스템(Pavement Management System, PMS)을 도입하여 운영하고 있지만 대부분 Network Level 수준의 PMS를 진행하고 있으며 극히 적은 구간에 대해서만 Project Level의 PMS를 진행하고 있다. 또한, 표면조사를 통한 PMS 결과를 활용하여 대부분의 유지보수공법을 결정하고 있기 때문에 포장층의 상태 및 교통량을 고려한 유지보수를 시행하기에는 어려움이 따른다.
	2016년 서울시 자동차 등록대수는 몇 대인가?	2016년 서울시 자동차 등록대수(3,056,588대)는 1980년(206,778대)보다 약 15배 증가하였고, 차량의 대형화, 개인 활동을 위한 교통수요 등으로 교통량, 교통하중이 급증하여 과거의 설계기준으로 건설된 도로포장은 현재의 교통특성을 반영하기에는 어려움이 있다. 특히, 포장층의 구조적 개량없이 버스전용차로로 지정된 일반 포장구간의 경우 버스하중으로 인하여 포장파손이 집중적으로 발생하고 있다.
	서울형 포장설계식을 개발한 목적은?	서울시와 같은 도심지 도로를 국도 및 고속도로와 비교하였을 때 조건(교통량, 교통속도, 하부 시설물로 인한 잦은 굴착복구 등)이 상이하기 때문에 도심지 특성이 반영된 설계방법이 필요하다. 서울시에서는 도로포장 하부층의 노후화해소 및 표층의 잦은 파손해소, 도로포장의 수명증진을 위하여 교통량, 도로포장 하부의 지지력 등을 고려한 서울형 포장설계식(2014)을 개발하였다. 하지만 2017년까지의 적용율이 서울시 특별시도 차도 전체면적의 약 0.

참고문헌 (16)

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Le, V. P., Lee, H. J., Flores, J. M., Kim, W. J., & Baek, J. (2016). "New Approach to Construct Master Curve of Damaged Asphalt Concrete Based on Falling Weight Deflectometer Back-Calculated Moduli." Journal of Transportation Engineering, 142(11), 04016048.

상세보기
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Willis, R. et al. (2009). Phase III NCAT Test Track Findings. National Center for Asphalt Technology, Alabama, USA.

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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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