16

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

3. 설계입력변수

3.1 개 설

(1) 설계입력 변수는 포장의 최적 두께 산정을 위한 기초자료이다.

(2) 설계입력변수는 설계등급 1, 설계등급 2 또는 설계등급 3으로 구분하여 적용한

다. 단, 설계입력변수 중 교통특성 및 환경특성은 설계등급에 상관없이 동일하

게 결정한다.

(3) 설계입력변수는 교통량, 환경특성, 하부구조 재료물성 및 시멘트 콘크리트 재

료물성으로 구성된다.

【해 설】

설계입력변수는 공용기간 동안 예비 포장단면의 역학적 거동 및 공용성을 예측하는

데 이용되며, 설계등급에 의하여 그 정밀도가 변화한다. 교통량과 재료의 물성은 설계

등급에 따라 주어진 데이터베이스를 이용하거나 실제 실측 및 실험을 통하여 결정되지

만, 환경변수는 대상 구간의 기상관측소 데이터베이스를 이용하여 결정되므로 설계등

급과 무관하게 동일한 방법으로 적용한다.

3.2 설계등급 1

(1) 고속국도(설계AADT 150,000대 이상 또는 AADT 중 5종 이상의 중차량 대

수가 50,000대 이상) 및 일반국도(설계AADT 35,000대 이상 또는 AADT 중

5종 이상의 중차량 대수가 12,000대 이상)에 적용된다.

(1) 교통량은 현장 교통량 조사를 통하여 차종별 축하중 분포를 측정하여 사용한다.

(2) 하부구조 및 시멘트 콘크리트 재료 물성은 실내시험을 통하여 결정하는 것이

원칙이나, 본 에 제시되어 있는 포장 재료에 한하여 도로포장 구조 설계 해석

프로그램에 포함되어 있는 물성을 활용할 수 있다.

17

3. 설계입력변수

도로포장 구조 설계 요령

3.2.1 교통량

(1) 도로포장 구조 설계에서는 교통량 산정을 위하여 차종별 축하중 분포를 이용

한다.

(2) 설계등급 1에서는 원칙적으로 현장 조사를 통하여 차종별 축하중 분포를 결정

하기 위한 입력값들을 결정한다.

(3) 차종별 축하중 분포에 따른 교통량을 결정하기 위한 입력값에는 초기년도 연

평균일교통량(AADT), 차종별 구성비율, 방향분배계수, 차로분배계수, 시간별

교통량변동률, 월별교통량변동률, 차종별 축하중 분포, 교통량증가율이 포함된다.

(4) 초기년도 연평균일교통량(AADT)과 차종별 구성비율은 설계구간에 대한 교통

수요 예측자료를 사용한다.

(5) 방향분배계수, 차로분배계수, 월별교통량변동률, 시간별교통량변동률은 인접지

역 교통량 통계자료를 이용한다.

(6) 교통량증가율은 장래교통량 예측 증가율이나 각 연도별 예측값을 사용할 수

있다.

【해 설】

교통량 산정에 관한 설명은 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령 3.2.1

교통량」의 해설편을 참조한다.

18

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

3.2.2 환경특성

(1) 환경특성은 설계등급에 관계없이 동일하게 적용한다.

(2) 환경특성은 시멘트 콘크리트 포장층 내부온도와 노상 함수량 그리고 동결지수

를 포함한다.

(3) 시멘트 콘크리트 포장층 내부온도는 대기온도를 기초로 하여 도로포장 구조

설계의 온도예측모형을 통해 깊이별 분포 형태로 결정한다.

(4) 보조기층 및 노상 함수량은 월평균 대기온도, 월평균누적강수량 및 노상 재료

의 입도특성을 이용하여 도로포장 구조 설계의 함수비 예측모형을 통해 결정

한다.

(5) 환경특성을 결정하기 위한 대기온도 및 강수량 자료는 도로포장 구조 설계 해석

프로그램에 저장되어 있는 기상관측소 기상자료 데이터베이스를 이용하여 가장

인접한 1개 기상관측소 자료 또는 인접한 3개 기상관측소의 평균값을 사용한다.

【해 설】

환경특성에 관한 설명은 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령 3.2.2 환

경특성」의 해설편을 참조한다.

19

3. 설계입력변수

도로포장 구조 설계 요령

3.2.3 하부구조(입상) 재료물성

(1) 포장 하부구조(노상, 보조기층 및 쇄석기층)의 재료물성은 탄성계수와 포아송

비로 한다.

(2) 설계등급 1에서는 하부구조 재료의 탄성계수를 반복 삼축 압축시험을 수행하

여 구한다. 반복 삼축 압축시험에 대한 자세한 시험절차는 <부록 3>의 “포

장 하부구조 재료의 설계입력변수 평가 시험법”을 참조한다.

(3) 하부구조 재료의 품질기준은 국토교통부의「도로공사표준시방서」를 따른다.

(4) 도로포장 구조 설계에서는 동상방지층의 두께를 노상 동결관입 허용법을 사용

하여 결정하며, 성토고가 노상 최종면을 기준으로 2m 이상인 성토구간에서는

노상토의 품질기준 중 #200체 통과량이 25% 이하이고 소성지수가 10 이하

인 경우 동상방지층을 생략할 수 있다. 다만 이외 적용대상 구분은 다음 해설

을 따른다.

(5) 설계등급 1에서 사용하는 포아송비는 본 요령에서 제시한 대표값을 선택하여

사용한다.

【해 설】

하부구조 재료물성에 관한 설명은 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령

3.2.3 하부구조(입상) 재료물성」의 해설편을 참조한다.

3.2.4 시멘트 콘크리트 포장 재료물성

(1) 시멘트 콘크리트 포장 슬래브의 재료물성으로 탄성계수, 압축강도, 휨강도, 포

아송비, 열팽창 계수, 건조수축, 단위중량을 사용한다.

(2) 설계등급 1의 재료 물성은 원칙적으로 모두 시험을 통하여 결정해야 한다.

【해 설】

시멘트 콘크리트 포장 슬래브의 재료물성으로 탄성계수와 포아송비를 사용한다.

설계등급 1로 시멘트 콘크리트 포장을 설계 할 경우, 다음 <표 3.3>의 각 항목에

대하여 제시되어진 시험방법으로 물성을 측정한 후, 그 결과를 이용하여 설계한다. 열

20

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

팽창계수는 “시멘트 콘크리트 열팽창계수 측정 방법(안)”을 이용하여 도출 된 콘크리트

열팽창계수를 설계 해석 프로그램에 입력한다(부록 8 참조). 그리고 건조수축은 “시멘

트 콘크리트 건조수축 측정 방법(안)”을 이용하여 종결시간 이후 시간에 따라서 시멘

트 콘크리트 공시체의 건조수축 변형율을 측정하고 결과 분석 후, 3.3.4에 제시된 건조

수축 모형의 매개변수를 도출하여 설계 해석 프로그램에 입력한다(부록 9 참조).

구분 설계등급 1

탄성계수 KS F 2438

압축강도 KS F 2405

휨강도 KS F 2407

할렬인장강도 KS F 2423

포아송비 KS F 2438

열팽창계수 <부록 3>

건조수축 <부록 4>

단위중량 KS F 2409

<표 3.3> 설계등급에 따른 시멘트 콘크리트 슬래브 물성 측정항목 및 방법

3.3 설계등급 2

(1) 고속국도(AADT 150,000대 미만), 일반국도(AADT 7,000대 이상 50,000대

미만), 및 지방도/국가지원지방도/기타도로(AADT 7,000대 이상)에 적용된다.

여기서 기타도로라 함은 도로법에 명시된 특별시도, 광역시도, 시도, 군도 및

구도를 의미한다.

(2) 교통량은 본 요령에서 제시한 값을 이용하여 차종별 축하중 분포를 결정한다.

(3) 하부구조 및 시멘트 콘크리트 혼합물 재료 물성은 간단한 실내실험을 통해 재

료의 기본적인 물성을 구하고, 이 값들을 설계 프로그램에 입력하여 설계 해

석 프로그램에 포함되어 있는 예측식으로부터 결정한다.

21

3. 설계입력변수

도로포장 구조 설계 요령

3.3.1 교통량

(1) 본 설계에서는 교통량 산정을 위하여 차종별 축하중 분포를 이용한다.

(2) 차종별 축하중 분포별 교통량을 결정하기 위한 입력값의 종류는 본 요령

「시멘트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.1에 (3)항」과 동일하다.

(3) 초기년도 연평균일교통량 및 차종별비율은 인접지역 교통량 통계자료를 사용

한다.

(4) 방향분배계수 및 차로분배계수는 국내 평균값을 사용한다.

(5) 차종별축하중, 차량속도, 시간별교통량변동률 및 월별교통량 변동률는 도로

등급별로 본 요령에서 제시한 값을 적용한다.

(6) 교통량증가율은 장래교통량 예측 증가율이나 각 년도별 예측값을 사용할 수

있다. 또한 본 요령에서 제안하는 교통량 증가계수를 이용할 수도 있다.

(7) 원더링분포, 축간격 및 타이어간격, 타이어압력은 설계등급과 관계없이 본

요령에서 제시한 값을 사용한다.

【해 설】

교통량 산정에 관한 설명은 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령 3.3.1

교통량」의 해설편을 참조한다.

3.3.2 환 경

본 요령「시멘트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.2」와 동일하게 적용한다.

3.3.3 하부구조 재료물성

(1) 본 요령「시멘트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.3」과 동일하게 적용한다. 다

만, 설계등급 2에서는 하부구조(입상) 재료의 탄성계수를 기본 물성시험과 설

계 해석 프로그램에 포함되어 있는 상관모형을 통해 결정한다.

【해 설】

22

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

하부구조 재료물성에 관한 설명은 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령

3.3.3 하부구조 재료물성」의 해설편을 참조한다.

3.3.4 시멘트 콘크리트 포장 재료물성

(1) 본 요령「시멘트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.4에 (1)항과 동일하게 적용

한다.

(2) 설계등급 2에서 탄성계수, 휨인장강도, 건조수축은 시멘트 콘크리트 재료 중

굵은 골재의 종류에 따라 본 요령에서 제공하는 예측 방정식을 통해 설계 해

석 프로그램에서 입력되어 결정된다.

(3) 설계등급 2에서 포아송비, 열팽창 계수, 단위중량은 시멘트 콘크리트 재료 중

굵은 골재의 종류에 따라 설계 해석 프로그램에 입력되어 결정된다.

(4) 여기에서 정의되지 않은 새로운 시멘트 콘크리트 포장 재료는 기존 시멘트 콘

크리트 포장 구조 설계 입력변수와 비교하여 유사하면 설계등급 1에 해당하는

시험만 수행하고 현 설계 해석 프로그램에 도입한다.

(5) 여기에서 정의되지 않는 새로운 시멘트 콘크리트 포장 재료는 기존 시멘트 콘

크리트 포장 구조 설계 입력변수와 비교하여 상이하면 설계등급 1에 해당하는

시험을 수행할 뿐만 아니라, 모형 제안 보고서를 제출, 설계를 운영하는 기관

의 검증을 통해 설계 해석 프로그램에 모형추가 작업을 거쳐서 도입한다.

【해 설】

(1) 강도 및 탄성계수

설계등급 2로 시멘트 콘크리트 포장을 설계할 경우, 강도 및 탄성계수에 대한 재료

물성은 <식 3.4>와 <표 3.5> 및 <표 3.6>을 이용하여 원하는 재령에서의 각 물성

을 추정한다.

fck(t) = fck,28 × {t / (a + b × t)} <식 3.4>

여기서,

23

3. 설계입력변수

도로포장 구조 설계 요령

fck(t) = 재령 t에서의 강도 (강도, 및 탄성계수) (MPa)

fck,28 = 재령 28일 설계강도 (MPa) ; 탄성계수는 압축강도 기준

t = 재령 (일)

a, b = 상수

물성 굵은 골재 종류 강도 예측상수

a b

휨강도

화강암 0.81 1.00

석회암 1.72 0.91

사암 1.42 0.93

일반 1.32 0.95

할렬인장강도

화강암 1.33 0.96

석회암 2.39 0.89

사암 1.86 0.93

일반 1.88 0.95

탄성계수

화강암 0.93 0.97

석회암 1.32 0.95

사암 0.95 0.97

일반 1.07 0.96

<표 3.5> 굵은 골재별 시멘트 콘크리트 슬래브의 강도 및 탄성계수 예측상수

할렬인장강도를 추정하기 어려운 수준 2의 경우, <표 3.14>에 보인 각 물성간의 상

관관계식을 이용하여, 측정되지 않은 항목의 물성을 추정한다.

항목 상관관계식

압축강도 → 휨인장강도 휨인장강도=0.7851×(압축강도)0.5

압축강도 → 할렬인장강도 인장강도=0.5932×(압축강도)0.5

압축강도 → 탄성계수 탄성계수=4968×(압축강도)0.5

휨인장강도 → 할렬인장강도 할렬인장강도=0.757×(휨인장강도)

<표 3.6> 강도관련 물성간의 상관관계식 (기본 단위: MPa)

24

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

(2) 포아송비와 단위중량

설계등급 2로 시멘트 콘크리트 포장을 설계할 경우, <표 3.7>에 제시된 포아송비

및 단위 중량을 사용한다.

물성 골재 종류 제안값 범위

포아송비

화강암 0.182

석회암 0.176 0.176~0.182

사암 0.178

일반 0.18０

단위중량

( ）

화강암 22.526

석회암 21.918 21.918~23.252

사암 23.252

일반 22.570

<표 3.7> 굵은 골재별 시멘트 콘크리트 슬래브의 일반적 포아송비와 단위중량

(3) 열팽창계수

설계등급 2로 시멘트 콘크리트 포장을 설계할 경우, 열팽창계수는 <표 3.8>과 같

이 골재별로 제안된 값을 사용한다.

굵은 골재 종류 열팽창계수 (μ/℃)

범위 제안값(실험값)

화강암 8.6~12.3 10.7

석회암 7.2~11.3 9.3

사암 11.0~14.3 11.0

일반 8.3~12.6 10.4

<표 3.8> 굵은 골재별 시멘트 콘크리트 슬래브의 일반적 열팽창계수

(4) 시멘트 콘크리트 슬래브의 건조수축

설계등급 2로 시멘트 콘크리트 포장을 설계할 경우, 건조수축은 형상비 및 골재 종

25

3. 설계입력변수

도로포장 구조 설계 요령

류에 따라서 <식 3.5>와 <표 3.9>를 이용하여 원하는 재령에서의 건조수축 변형률을

예측하여 설계에 사용한다.

      



×  ×     × exp  ×     <식 3.5>

여기서,

   : 건조수축 변형률(μstrains)

 : 재령 (일)

    : 건조수축 예측상수

  : 형상비 (mm)

골재    

석회암 362.9 36.71 1.613 0.0372

사암 431 33.3 2.204 0.0194

화강암 397 35 1.2 0.0194

일반 388.5 30 1.908 0.0251

<표 3.9> 굵은 골재별 시멘트 콘크리트 슬래브의 건조수축 예측상수

(5) 새로운 콘크리트 포장 재료 도입절차

도로포장 구조 설계 해석 프로그램 중 콘크리트 포장의 경우 국내에서 사용되는 골

재별로 일반적으로 사용되는 포장재료와 배합을 이용하여 포장의 표층두께 설계를 하

도록 되어있다. 그러나 새로운 시멘트 콘크리트 포장 재료가 도입될 경우 재료물성입

력 값을 그대로 사용하기는 어렵다. 그러므로 이에 대한 절차가 필요한 실정이다.

새로운 시멘트 콘크리트 포장 재료의 도입방법은 크게 2가지로 구분하였다.

첫째, 기존포장과 유사한 재료인 경우와 둘째, 완전히 새로운 포장재료인 경우로 나

26

Ⅱ. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

누었다.

유사한 재료와 완전히 새로운 재료의 구분은 기존 포장설계 해석 프로그램중 시멘트

콘크리트 포장 재료의 입력변수 기본값을 기준으로 설정하였다.

시멘트 콘크리트 슬래브 응력 산정시 교통하중과 온도하중에 의해 각 입력 변수별

민감도 분석을 통하여 민감도 정도에 따른 입력변수 오차범위를 제시하고 이 범위를

벗어나는 경우 완전히 새로운 재료로 구분하도록 하였다.

물론 가장 좋은 방법은 모든 재료에 대해서 물성 시험을 실시하는 것이 좋으나, 시

간과 비용이 들고 향후 어떠한 재료가 도입될지 모르기 때문이다. 그러므로 1차적으로

새로이 도입되는 재료에 대해서 기본 물성값 정보를 통해 유사한 재료인지 새로운 재

료인지 구분을 하고, 유사한 재료인 경우 측정한 물성값을 사용하고 새로운 재료일 경

우 설계수준 1의 시험항목과 공용성 평가를 하는 절차를 마련하였다.

<그림 3.3> 새로운 시멘트 콘크리트 재료의 도입절차

(6) 기존 시멘트 콘크리트 슬래브와 유사한 시멘트 콘크리트 슬래브 재료

기존 포장과 유사한 포장재료의 입력변수 적용법위를 산정하기 위하여 현재 포장 구

조 설계에서 사용되는 변수들의 상,하한 값의 회귀식 반응을 통하여 시멘트 콘크리트

슬래브 응력값의 변화를 이용하여 민감도를 분석하였다. 시멘트 콘크리트 슬래브의 응

력 산정식은 상향컬링과 하향컬링의 경우에 대해서 교통하중과 온도하중으로 나누었

다. 그 결과, 포장 구조 설계 해석 프로그램에서 외부 하중으로 작용하는 교통하중과

온도차는 높은 민감도를 가지는 인자로 나타났으며, 재료의 입력변수로 사용되는 항목

27

3. 설계입력변수

도로포장 구조 설계 요령

인 열팽창계수, 탄성계수는 중간정도의 민감도를 가지는 것으로 확인되었다.

강도는 가장 민감한 항목이나 시멘트 콘크리트 슬래브 설계시 설계강도 이상을 만족

해야 하므로, 배합설계에서는 설계강도를 만족하는 배합설계를 해야 한다.

열팽창계수와 탄성계수는 민감도 분석 결과 중간정도의 민감도를 가짐으로 오차범위

를 ±5%로 설정하였다, 나머지 해당사항이 없는 입력변수는 오차범위를 설정하지 않았

다.

설계입력변수 민감도 설정 오차범위

단위중량 해당사항 없음 -

α(열팽창계수) 중간 ±5%

포아송비 해당사항 없음 -

건조수축계수 해당사항 없음 -

P(하중, 강도) 높음 설계강도 이상

E(탄성계수) 중간 ±5%

<표 3.8> 시멘트 콘크리트 슬래브 입력변수 오차 범위

(7) 완전히 새로운 시멘트 콘크리트 슬래브

새로운 시멘트 콘크리트 슬래브 재료가 기존 시멘트 콘크리트 슬래브 재료 입력변수

와 매우 다를 경우 환경하중과 교통하중에 의한 콘크리트의 반응이 크게 달라질 수 있

기 때문에 기존의 모형과 다른 결과를 가져올 수 있다. 이러한 경우에는 설계등급 1에

해당되는 시멘트 콘크리트 슬래브 물성 시험뿐만 아니라 피로모형을 구하는 공용성 평

가 시험을 해야 한다. 또한 가속포장시험 및 2~3년간의 장기공용성 데이터 산출 등을

통해 공용성 보형을 제안하는 보고서를 제출하고 포장설계 운영기관에서 인증받은 후

기존 설계 해석 프로그램에 모형을 추가하는 작업을 거침으로써 도로포장 구조 설계에

도입할 수 있는 새로운 시멘트 콘크리트 슬래브 재료가 된다.