50

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

8. 연속철근 콘크리트 포장설계

8.1 일반사항

(1) 연속철근콘크리트 포장은 줄눈콘크리트 포장과 달리 줄눈이 없고 일정량의 종

방향 철근을 설치한 포장 형식으로서, 승차감 및 공용 수명을 향상시킨 포장이다.

(2) 연속철근콘크리트 포장에서는 종방향 철근량은 콘크리트 단면적의 0.6~

0.85% 정도까지 사용한다.

【해 설】

연속철근콘크리트 포장은 종방향 철근을 설치하여 횡방향 줄눈을 완전히 제거한 포

장의 형태이다. 일반적으로 종방향 철근량은 콘크리트 단면적의 0.6～0.85% 정도까지

사용한다. 철근의 위치는 각 국가, 각 지역에 따라 다르지만, 대부분의 경우 포장슬래

브의 중앙에 설치하고 있다. 연속철근 콘크리트 포장은 가능한 한 온도변화 및 건조수

축에 의한 콘크리트 슬래브의 움직임을 막아야 하므로 콘크리트 슬래브와 보조기층 사

이에 분리막을 사용하지 않는다. 연속철근 콘크리트 포장은 줄눈이 없으므로 승차감이

좋고, 많은 중차량 교통량 하에서도 포장 수명이 다른 포장형태보다 연장된다.

8.2 설계 입력 변수

설계 입력 변수는 교통량, 하부구조, 콘크리트 재료물성, 철근량, 환경하중 등에 따

라 각각 적용한다.

【해 설】

연속철근콘크리트 포장을 설계하기 위한 입력 변수들로는 교통량, 하부재료, 콘크리

트 재료물성, 환경하중, 철근량 등이 있다. 각 입력 변수에 대한 세부 항목으로는 다음

과 같다.

51

8. 연속철근 콘크리트 포장설계

도로포장 구조 설계 요령

차 종

(기존 11종 차종

분류방법)

차축구성

평균 등가단축하중 변환 계수 12종

차종

아스팔트 콘크리트 구분

승용차 2A4T 0.0002 0.0001

1종

버스 소형 2A4T 0.001 0.001

2A6T 0.001 0.001

보통 2A6T 0.852 0.839 2종

트럭

소형 2A4T 0.004 0.004 3종

보통 2A6T 0.613 1.122 0.616 1.638 4종

대형 3A10T 2.047 3.417 5~7종

트렉터+

세미트레일러

4A이하 1.690

2.130

2.320

3.266

8종

5A 1.815 3.072 10종

6A이상 0.858 1.533 12종

트럭트레일러 5A이하 3.288 4.472 9종/

11종

<표 8.1> 차종에 따른 등가단축하중 변환 계수

(1) 교통량

교통량 관련 입력변수로는 교통량을 의미하는 등가단축하중(ESAL ; Equivalent

Single Axle Load)과 교통량 증가율이 있다.

등가단축하중은 다양한 축 배치와 종류에 따라 상이하게 재하되는 교통하중을 기준

단위 하중(통상 8.2톤(18,000 lbs) 단축을 기준으로 함)으로 환산하는 것이다. 포장 구

조에 미치는 영향의 상대적인 값으로 나타낸 무차원 개념의 수로서 포장 구조 설계나

유지 보수에 사용한다. 등가축하중을 이용하여 연속철근콘크리트 포장을 설계하는 방

식은 앞서 줄눈콘크리트 포장의 설계에서 살펴본 축하중 분포 및 관련 입력 변수들을

적용하는 것과 차이가 있다. 따라서 축하중과 관련된 교통량 정보를 얻을 경우, <표

8.1>과 같은 변환 계수를 이용하여 등가단축하중으로 변환할 수 있다.

교통량 증가율은 줄눈콘크리트 포장에서 살펴본 것과 동일하게 4가지 증가율을 적용

하여 설계에 반영한다.

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Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

(2) 하부재료

하부재료의 물성을 복합지지력으로 대표되며, 줄눈콘크리트 포장에서와 같은 방법으

로 산출한다. 복합 지지력 이외의 변수는 콘크리트 표층과 보조기층 사이의 마찰력이

있으며, 일반적으로 아스팔트 층 위에 슬래브가 시공된 경우는 그 범위가 27.1 ~135.7

MPa/m (100 ~ 500 psi/in)이다. 국내의 경우 경험이 없으므로 <표 8.2>와 같은 대표

적인 값을 사용할 것을 제안한다.

조건 : 기준 변위는 0.254 mm (0.01 in.)

비닐층 무 비닐층 유

린 콘크리트 층 163 (600) 54 (200)

아스팔트 층 81 (300) 27 (100)

<표 8.2> 하부층 종류에 따른 단위 면적당 마찰응력 (단위 : MPa/m (psi/in.))

(3) 콘크리트 재료

콘크리트 재료물성은 줄눈콘크리트 포장에서와 같이 골재 종류에 따른 열팽창계수,

28일 압축강도 혹은 휨강도, 28일 탄성계수 등의 변수 및 관련 수식들은 동일하다. 추

가된 재료물성은 콘크리트 세팅(Setting) 온도, 재료의 최종 건조수축(Ultimate Drying

Shrinkage)이 있다.

가. 콘크리트의 세팅 온도

콘크리트의 세팅 온도란 콘크리트 타설 후 재료들의 수화반응이 일어나면서 강도가

발현되는 시점의 온도이며, 이때부터 콘크리트와 철근이 일체거동을 한다. 강도가 발현

되면서부터 수화반응이 점점 둔화되고, 수일이 지나면 대기중의 온도 변화에 따라 콘

크리트의 온도는 변화한다. 연속철근콘크리트 포장에서 철근과 콘크리트 사이의 응력

은 콘크리트의 세팅 온도와 현재 콘크리트 슬래브의 온도 차이에 따라 변화하게 된다.

또한, 일반적으로 대기중의 온도가 높을수록 콘크리트의 세팅 온도는 높다. 국내의 경

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8. 연속철근 콘크리트 포장설계

도로포장 구조 설계 요령

우 줄눈 콘크리트 포장에서 추정되는 온도를 이용해서 예상되는 포설시기에 맞추어 적

용할 수 있다.

    ×  × ×  ×  ×   ×    

여기서,   : 콘크리트의 제로 스트레스 온도 (℉, ℉=1.8×℃+32)

CC : 시멘트 함량 (lb/yd3, lb/yd3=0.59328 kg/m3)

H : -0.0787+0.007×MMT-0.00003×MMT2

MMT : 시공한 달의 월평균 대기온도 (℉)

나. 재료의 최종 건조수축

줄눈콘크리트 포장에서는 부등건조수축으로 인해 발생한 응력을 시간에 따른 함수로

간주하고 이를 반영한다. 연속철근콘크리트 포장 구조 설계에서는 동일한 개념으로 건

조수축을 설계에 반영하지만, 시간에 따른 함수로는 간주하지 않고 일괄적으로 최종

건조수축을 온도차로 변환하여 설계에 반영한다. 국내 골재 종류에 따라 최종 건조수

축은 <표 8.2>와 같은 범위를 갖는다.

암종 형상비( mm (V/S)

22.2 40 85.7 200

화강암 669 609 526 473

석회암 590 466 359 330

사암 1003 840 588 426

편마암 894 775 548 299

안산암 895 708 472 365

<표 8.3> 각 골재 종류에 따른 최종 건조수축 (단위 : με, 2년 기준)

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Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

(4) 환경하중

환경하중은 줄눈콘크리트 포장 구조 설계에 사용하는 개념과 유사하지만, 일부 다른

부분이 있다. 매월 대기중의 평균온도를 바탕으로 줄눈 콘크리트에서는 상하향 컬링을

유발시키는 표층 상하부 온도차를 온도예측 해석 프로그램을 통하여 산정하였다. 하지

만 연속철근콘크리트 포장에서는 포장설계에서 개발한 온도예측 해석 프로그램 결과를

사용하지 않고, 상하부 온도차는 매월 동일하다고 가정하여 일괄적으로 동일한 값을

사용한다. 그리고, 앞서 콘크리트 재료물성에서 살펴본 바와 같이 콘크리트 세팅 온도

와 콘크리트 슬래브의 온도 차이가 거동에 많은 영향을 미친다. 이를 반영하기 위해

해당 월의 슬래브 평균온도를 대기의 평균온도로 가정하고 구조해석의 입력 변수로 사

용한다. 설계 해석 프로그램에 데이터 베이스화된 콘크리트 세팅 온도와 콘크리트 슬

래브의 온도차는 -27.8℃(-55℉), -13.9℃(-25℉), 2.8℃(5℉), 19.4℃(35℉), 36.1℃

(65℉), 52.8℃(95℉) 이다.

(5) 철근량

연속철근콘크리트 포장에 사용되는 종방향 철근량의 범위는 콘크리트 표층의 단면적

에 약 0.5~0.7% 정도이다. 미국의 텍사스 사례에서는 종방향 철근량이 약 0.6~0.7%

정도일 때 우수한 공용성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 종방향 철근을 산정한 후,

종방향 철근의 직경 및 설치 간격이 결정된다.

8.3 구조해석

연속철근콘크리트 포장의 구조해석은 각 입력 변수들에 대한 3차원 구조해석을 통

해 교통하중과 온도하중에 의한 응력을 산출하여 합산한다.

【해 설】

연속철근콘크리트 포장의 입력 변수인 교통량, 하부재료, 콘크리트 재료물성, 환경하

중, 철근량을 변수로 하여 구조해석을 수행하고, 응력을 계산한다. 하지만 줄눈콘크리

트 포장과 같이 구조해석 모듈이 설계 해석 프로그램상에 적용될 경우, 해석시간이 너

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8. 연속철근 콘크리트 포장설계

도로포장 구조 설계 요령

무 많이 걸리는 문제가 있어 그 결과를 데이터 베이스화 하였다. 응력 검토 지점은 콘

크리트와 철근의 경계면이며, 해석 조건에 따라 발생하는 주응력을 산출하였다. <그림

8.1>은 연속철근 콘크리트 포장의 구조해석에 사용한 모형을 나타낸 것이다.

<그림 8.1> 연속철근 콘크리트 포장의 구조해석

8.4 공용성 예측

(1) 연속철근콘크리트 포장의 공용성은 펀치아웃(Punchout)을 대상으로 한다.

(2) 역학적으로 산정한 파손률을 전이함수를 사용하여 현장의 공용성 자료와 일치

시킨다.

【해 설】

연속철근콘크리트에서의 횡방향 균열은 콘크리트에 발생하는 인장응력이 인장강도를

초과할 때 발생하는 자연적인 현상으로, 다년간에 걸친 현장공용성 조사에서 공용성과

는 관계가 거의 없는 것으로 판명되었다. 다만 이 사실은 연속철근콘크리트 포장의 설

계(슬래브 두께 및 철근량) 및 시공이 적절하다는 가정 하에 성립된다. 따라서 횡방향

균열특성은 공용성 예측에 인자로서 포함되지 않았다. 연속철근콘크리트 포장의 평탄

성은 포장설계에 좌우되기보다는, 하부 재료의 특성 및 신설포장의 평탄성에 절대적으

로 의존되기 때문에, 설계입력변수에 포함되지 않았다. 따라서, 연속철근콘크리트 포장

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Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

에서는 펀치아웃만이 공용성 기준이 된다. 포장설계에 있어서, 포장체의 역학적 거동을

분석 및 예측하는 것은 가능하나, 펀치아웃같은 포장 파손을 순수하게 역학적으로 예

측하는 것은 불가능 하다. 그 이유로는, 응력의 반복적인 작용으로 콘크리트에 손상이

발생하게 되며, 이 손상이 어느 정도 누적되면 파손으로 발현되는 것인바, 이 관계는

명확한(Determinate) 것이 아니고, 확률적(Stochastic)인 것이다. 이렇듯, 역학적 분석

에 의한 응력 및 하중 반복 회수와 파손의 발생 빈도를 연결시켜주는 관계가 필요하게

되는데, 이 관계를 전이함수라 한다. 전이함수 개발을 위한 공용성 자료가 국내에는 없

기 때문에 현 연속철근콘크리트 포장의 펀치아웃은 국외 연구결과를 바탕으로 하여 개

발된 것이다.

<그림 8.2> 펀치아웃 사례

(1) 펀치아웃

줄눈콘크리트포장의 공용성 모형이 균열과 평탄성(IRI)인 것과 달리 연속철근콘크리

트 포장은 펀치아웃을 대상으로 한다. 펀치아웃에 대해 미국의 LTPP (Long-Term

Pavement Performance) Distress Manual, NCHRP 1-37(A), TxDOT’s PMIS

Rater’s Manual 에서는 각각 다음과 같이 정의하며, <그림 8.2>는 이를 나타낸 그림

이다.

 LTPP Distress Manual ;

균열 간격이 60cm 이내인 횡방향 균열에 짧은 종방향 균열, 포장의 단부 및 종방

향 줄눈부에서 발생하는 파손이며, "Y“ 형 균열도 포함한다.

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8. 연속철근 콘크리트 포장설계

도로포장 구조 설계 요령

 NCHRP 1-37(A) ;

포장 단부를 따라 낮은 하중전달률 및 종방향 피로균열 인해 두 개의 인접한 횡방

향 균열구간에 발생한 조각의 파손이다.

 TxDOT’s PMIS Rater’s Manual ;

표층 두께 전체로 종방향 균열 및 두 개의 종방향 균열을 관통할 경우에 생성되는

포장 블록을 말하며 일반적으로 사각형 형태이지만 다른 형태를 하는 경우도 있다.

펀치아웃을 계산하기 위해 사용한 콘크리트의 피로식은 <식 8.1>과 같다.

     × 

  <식 8.1>

여기서,

  : 콘크리트 피로하중의 허용반복 회수

 : 콘크리트에 발생한 인장응력 (Pa)

MR : 콘크리트 휨강도 (Pa)

피로식을 통해 산정한 허용반복 회수와 실제 차량의 공용회수인 등가단축하중의 비

율이 파손율이 된다.

(2) 전이함수

포장설계의 펀치아웃 자료를 통해 개발된 전이함수는 <식 8.2>와 같다.

   ×  ×   <식 8.2>

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Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

여기서,

PO : 마일(mile)당 펀치아웃 개수

CD : 누적 파손률

<그림 8.3>은 전이함수를 통해 산정한 마일당 펀치아웃개수와 실제 현장의 공용성

자료를 나타낸 것이다.

<그림 8.3> 전이함수를 이용한 파손율과 펀치아웃과의 상관관계