34

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

5. 공용성 해석

5.1 일반사항

(1) 공용성 해석은 선정된 설계대안 포장체가 교통, 환경특성 등 주어진 조건

하에서 시간에 따라 공용성이 저하되는 정도를 예측하는 단계이다.

(2) 도로포장 구조 설계에서 시멘트 콘크리트 포장의 공용성은 피로균열과 평탄

성을 대상으로 한다.

【해 설】

시멘트 콘크리트 포장의 공용성 해석은 포장체의 구조해석으로부터 얻어진 응력을

공용성 모델에 입력하여 상하향 피로균열, 포장 평탄성의 저하 정도를 예측하는 과정

이다. 피로균열의 경우, 구조해석에서 구한 인장응력을 입력값으로 하여 공용성을 예

측한다. 누적된 피로균열, 예측된 스폴링, 시멘트 콘크리트 포장 재령(Age)에 근거하

여 포장 평탄성을 예측한다. 공용기간동안 산정한 누적피로균열, 누적영구변형 및 평

탄성을 예측하여 설계기준보다 작을 때까지 재료물성이나 포장단면을 변화하여 반복

설계를 수행한다.

5.2 공용성 예측

(1) 시멘트 콘크리트 포장의 공용성 예측은 상향균열, 하향균열, 스폴링 및 평탄성

예측모델을 이용하여 설계 해석 프로그램에서 자동으로 수행된다.

【해 설】

시멘트 콘크리트 포장의 공용성 예측모델은 실내 피로균열 시험으로 도출한 피로모

형식을 사용하며, 실내시험에서 구한 피로모형식과 현장에서 측정한 상하향 피로균열

공용성을 비교 분석하여 전이함수를 도출한다. 도출된 전이함수를 고려한 예측식을 이

용하여 시멘트 콘크리트 포장의 공용성을 예측한다. 누적 상하향 피로균열율이 설계기

준을 초과할 경우에는 포장단면과 재료물성을 변화하여 설계기준을 만족시킬 때까지

35

5. 공용성 해석

도로포장 구조 설계 요령

계산을 반복 수행한다. 마지막으로, 산정된 누적 상하향 피로균열율 설계기준 내에 있

을 때, 피로균열 결정하며, 이때의 공용수명을 결정한다.

시멘트 콘크리트 포장의 표면 평탄성은 국제평탄성지수(IRI, International

Roughness Index, m/km)로 나타내며, 포장재령, 피로균열율, 스폴링을 변수로 하는

경험식을 통해 계산된다. 설계기준보다 작은 국제평탄성지수(IRI) 값이 산출되어야 타

당한 설계가 된다.

시멘트 콘크리트 포장 공용성은 설계 해석 프로그램 내에서 자동으로 수행된다.

5.3 피로균열

(1) 피로균열은 환경하중이 가해진 포장에 반복되는 교통하중에 의해 시멘트 콘크

리트 표층에 손상이 누적되어 발생하며, 시멘트 콘크리트 포장의 공용성에 영

향을 주는 주요한 파손 형태이다.

(2) 시멘트 콘크리트 포장의 피로균열 설계기준은 피로균열률(%)로 나타내며, 피

로균열은 해석기간 동안 전체 슬래브 중 피로균열이 발생한 슬래브의 백분율

로 나타낸다. 시멘트 콘크리트 포장의 피로균열은 설계등급 1의 경우 15% 이

하, 설계등급 2의 경우 20% 이하를 설계기준으로 한다

【해 설】

피로균열이 발생하는 위치에 따라 상향균열(Bottom-up Crack)과 하향균열

(Top-down Crack)로 나누며, 상향균열은 콘크리트 슬래브 하부에서 발생하여 상부로

전이하고 하향균열은 콘크리트 슬래브 상부에서 발생하여 하부로 전이한다.

피로균열은 반복하중에 의해 생성되는 최대인장응력 발생하는 곳에서 나타나게 된

다. 피로균열은 콘크리트 슬래브의 강성과 교통하중 배열에 의해 크게 영향을 받으며,

누적된 손상에 의하여 콘크리트 슬래브에 횡방향 균열이 발생한다.

시멘트 콘크리트 포장의 피로균열은 마이너의 법칙(Miner's law) 근거하여 누적피로

균열 손상도를 계산한다. 계산된 누적손상도를 이용하여 예측 피로균열율 계산하고 현

장의 피로균열과 비교하여 전이함수를 도출한다. 전이함수를 고려한 피로균열 예측식을

이용하여 피로균열율을 재 산정하고 설계기준을 만족할 때까지 설계를 재 수행한다.

36

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

시멘트 콘크리트 포장의 피로균열은 시멘트 콘크리트 슬래브의 횡방향 균열을 말한다.

시멘트 콘크리트 포장의 피로균열 설계기준은 피로균열율(%)로 나타내며, 피로균열

율은 공용성 해석기간 동안 전체 포장 단면적 중 피로균열이 발생한 부분의 백분율을

나타낸다. 피로균열 설계기준은 설계등급 1의 경우 전체 포장면적의 15%이하이며, 설

계등급 2의 경우 20%이하이다.

피로균열률의 예측 절차는 다음과 같다.

 단계 1. 구조해석으로 환경하중에 의한 최소인장응력과 환경하중과 교통하중에

의한 최대인장응력을 구한다.

 단계 2. 구조해석으로 계산된 최대인장응력과 휨인장강도의 비를 계산한다.

 단계 3. 최대인장응력과 휨인장강도의 비(S)와 최소인장응력과 최대인장응력의

비(R)를 피로파손 모형에 대입하여 피로파손에 이르는 하중재하수

( )를 결정한다.

 단계 4. 공용기간 동안 발생한 시멘트 콘크리트 슬래브의 누적손상도를 계산한다.

 단계 5. 계산된 누적손상도를 전이함수를 이용하여 피로균열율을 구한다.

5.4 스폴링 모형

(1) 스폴링(Spalling)은 시멘트 콘크리트 포장에서 줄눈 또는 균열 부근에서 시

멘트 콘크리트 슬래브 조각이 떨어져 나가는 파손이다.

(2) 스폴링은 해석기간 동안 전체 줄눈 중 스폴링이 발생한 줄눈의 백분율로 나타

낸다.

【해 설】

스폴링 모형은 국내 시멘트 콘크리트 포장 장기 공용성 관찰구간에서 스폴링 파손 및

관련 인자들을 자료를 수집하고 비선형 회귀분석을 통해 개발되었고, 시멘트 콘크리트

포장의 재령, 연평균강수량, 수정동결지수, 쪼갬인장강도, 슬래브 두께, 중차량 비율을

모형의 인자로 가진다. 예측된 스폴링은 평탄성 지수인 국제평탄성지수(IRI)를 예측할

때 사용된다.

37

5. 공용성 해석

도로포장 구조 설계 요령

(0.04 0.217 1.6791 0.757)

0.004 1

0.957 × − − + 









+

= FI P S D

AGE

SP AGE < 식

5.1>

여기서,

SP : 스폴링(%)

  : 재령(년)

FI : 수정동결지수(°Cday)

P : 연평균강우량(m)

S : 콘크리트쪼갬인장강도(MPa)

D : 슬래브두께(m)

5.5 국제평탄성지수(IRI) 모형

(1) 평탄성은 단위거리에 대한 포장 표면 단차의 누적 길이로 나타내며, 단위는

m/km이다.

(2) 평탄성의 설계기준은 설계등급 1의 경우 3.5m/km 이하이며, 설계등급 2의 경

우 4.0m/km 이하이다.

【해 설】

시멘트 콘크리트 포장의 평탄성은 포장의 기능을 나타내는 중요한 변수이며, 평탄성

이 좋지 않은 포장은 이용자의 안정감을 해칠 뿐만 아니라 차량 운행비도 증가시키며.

포장의 공용성 및 포장 수명에 큰 영향을 미친다. 평탄성은 차량 운행 거리에 대한 포

장 표면 단차의 변화로 정의한다. 평탄성에 영향을 주는 인자로는 파손조건(가로줄눈

단차, 가로줄눈, 누적줄눈단차, 스폴링, 균열), 하중조건 및 개방조건(재령, 등가단축하

중), 기후 조건(연평균동결융해주기, 연평균강수량, 연평균 습합날의 수, 기후특성, 동

결지수), 기층조건(가로줄눈간격, 시멘트 콘크리트 포장 슬래브 두께, 시멘트 콘크리트

포장 탄성계수, 기층형태, 노상지지력계수, 노상형태, 길어깨와 결속여부, 다웰직경)

등 국가별 특성에 따라 서로 다른 평탄성 영향 인자를 선정한다. 국내의 경우 스폴링,

38

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

균열, 재령, 기층형태가 평탄성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 이를 평탄성

예측 모형에 반영하였다. 도로포장 구조 설계에서의 공용성 모형은 초기 평탄성 및 공

용 개시후의 평탄성 증가 경향이 나타난다. 이는 국내 고속도로 시멘트 콘크리트 포장

총 연장의 16%인 281km를 일정기준으로 나누어 분석한 결과를 토대로 나타낸 것이며,

본 장에서는 시멘트 콘크리트 포장의 데이터베이스 구축 및 다중 회귀 분석을 통하여

줄눈 시멘트 콘크리트 포장의 평탄성을 예측할 수 있는 모형을 제시한다. 도로의 평탄

성은 국제평탄성지수(IRI, International Roughness Index)로 나타내며. 국내 도로포

장의 시공년도 평탄성을 분석한 결과 초기 평탄성값을 1.41m/km로 정립한다. 포장의

재령, 피로균열율, 스폴링을 이용하여 평탄성을 나타내는 국제평탄성지수(IRI)의 변화

량을 <식 5.2>와 같이 구한다.

                <식 5.2>

여기서,

 : 피로균열 발생비율

  : 시멘트 콘크리트 재령 (년)

Base : 기층조건 (린기층 : 0, 쇄석기층 : 1)

  : 스폴링 발생비율

  : 교통개방 전 초기 IRI (1.41m/km)

분석결과 국제평탄성지수(IRI)는 시멘트 콘크리트 포장의 재령, 피로균열, 스폴링, 기

층과 밀접한 관계가 있으며, 평탄성의 설계기준은 공용성 해석기간의 허용 평탄성지수

(IRI)로 표시하며, 설계등급 1의 경우 3.5m/km 이하이며, 설계등급 2의 경우 4.0m/km

이하이다.

39

5. 공용성 해석

도로포장 구조 설계 요령

(1) 평탄성 영향인자 기준

균열(횡방향균열) 및 스폴링의 경우 휠패스에 영향이 있는 부분을 선정한다. 균열은

균열 발생 슬래브 개소를 기준으로 선정한다. 균열 발생비율은 (손상발생슬래브개소/

분석구간 슬래브 수)으로 나타낸다. 스폴링은 스폴링 발생 줄눈 개소를 기준으로 선정

한다. 스폴링 발생비율은 (손상발생줄눈개소/분석구간 줄눈 수)으로 나타낸다. 단면보

수의 경우 시멘트 콘크리트 슬래브 중앙에 위치할 경우 균열로 간주하며, 줄눈부에 인

접할 경우 스폴링으로 간주하여 설계에 반영한다. 재령 산정 기준은 준공년도를 기준

으로 산정한다. 기층의 형태의 경우는 쇄석 기층일 경우와 린기층의 경우에 따라 두

가지의 기준에 따라 선정한다.

(2) 국제평탄성지수(IRI)의 적용

시멘트 콘크리트 포장의 초기 평탄성은 다중회귀분석을 통하여 산정되었으며, 초기

평탄성은 1.41m/km로 나타낸다. 이는 신뢰도를 나타내는 결정계수 R2가 68.8%,

P-Value가 0으로 통계적으로 유의하며, 높은 상관관계를 나타낸다.