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4. 구조 해석

도로포장 구조 설계 요령

4. 구조 해석

4.1 개 설

(1) 구조해석은 표층, 중간층, 기층에서의 수평방향 또는 수직방향 변형률과 보조

기층 중앙, 노상 상단의 수직방향 변형률을 역학적으로 예측하기 위하여 수행

되며, 예측된 수평방향 또는 수직방향 변형률은 공용성 해석의 주요 변수가 된다.

(2) 구조해석은 다층탄성이론에 기반한 구조해석 프로그램을 이용해서 얻어진 수

평방향 또는 수직방향 변형률을 이용한다.

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 주요 공용성 기준인 영구변형, 균열 또는 평탄성은 포장

체 내의 수직방향 및 수평방향 변형률에 큰 영향을 받는다. 포장체 내에서의 변형률은

하중의 크기, 접지면적, 단면의 두께, 재료의 물성 및 환경조건에 의하여 결정되는데,

도로포장 구조 설계에서는 아스팔트 콘크리트 포장의 변형률을 예측하기 위하여 다층

탄성해석이 사용된다. 다층탄성해석은 특정조건에서의 변형률을 비교적 정확하게 예측

하는 것으로 알려져 있으나, 다양한 조건을 고려한 장기 거동을 해석하기에는 상당한

시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 포장의 장기 공용성이 중요한 인자가 되는 아스

팔트 콘크리트 포장의 설계에서는 다층탄성 해석 프로그램을 이용하여 구해진 수평방

향 또는 수직방향 변형률을 이용한다.

70

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

4.2 다층탄성 해석 프로그램

(1) 다층탄성 해석 프로그램은 선정된 설계대안의 재료물성과 두께에 대하여 주어

진 교통하중 및 환경특성 조건에서 포장 내부의 응력, 변형률, 처짐량 등 포장

의 거동을 계산하는 프로그램이다.

(2) 다층탄성 해석 프로그램은 포장층이 탄성, 등방, 균질하다는 가정을 전제로 한

다.

(3) 다층탄성 해석 프로그램은 탄성모델의 중첩효과를 이용하여 다양한 축 종류

및 축간 거리를 고려할 수 있다.

(4) 다층탄성 해석 프로그램을 이용한 아스팔트 콘크리트 포장의 구조해석 절차는

해설을 따른다.

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 구조해석은 다층탄성 해석 프로그램을 이용하며, 설계 해

석 프로그램 내에서 교통하중에 따라 자동 수행되므로 도로포장 구조 설계 시에는 직

접적으로 요령을 참조하지 않아도 된다. 구조해석의 입력값에는 자동적으로 입력된 도

로포장을 구성하는 층의 두께와 물성, 교통하중(차간거리와 타이어 압력), 프로그램 내

자동설정 해석위치 등이 있다. 해석 프로그램 내 자동 설정된 포장 층 내의 해석위치

들에서 응력과 변형률이 산정된 후 최대응력과 최대변형률이 나타나는 한계점을 찾게

된다. 한계점에서의 응력과 변형률은 탄성계수 예측모형 및 공용성 모델의 입력변수로

사용된다. 한계점에서의 포장거동은 다음과 같다.

- 아스팔트 혼합물층에서의 수평 인장변형률 (아스팔트 혼합물의 피로균열)

- 아스팔트 혼합물층 및 포장 하부구조에서의 수직 압축변형률 (아스팔트 혼합물 및

포장 하부구조의 영구변형)

4.2.1 아스팔트 콘크리트 포장 구조해석 절차

도로포장 구조 설계에서 개발한 해석 프로그램 내 자동적으로 계산되는 다층탄성 해

석 프로그램은 탄성모델의 중첩효과를 이용하여 다양한 축 종류 및 축간 거리를 고려

할 수 있으며, 포장재료의 온도와 응력의 비선형성을 고려할 수 있다. 다층탄성 해석

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4. 구조 해석

도로포장 구조 설계 요령

프로그램을 이용한 아스팔트 콘크리트 포장 구조해석의 절차는 <그림 4.1>과 같다.

단계 1. 포장구조체의 총 층수 결정

단계 2. 층 두께 설정(표층, 중간층, 기층, 보조기층, 노상)

단계 3. 단계 2의 설정된 층으로부터 세부 분할층 결정

- 설계에서 개발한 다층탄성 해석 프로그램에서는 층 분할을 통하여 아스팔트 콘크

리트 포장 층의 온도 비선형성, 보조기층의 응력 비선형성을 모사할 수 있다. 아

스팔트 콘크리트 포장층의 아스팔트 혼합물은 온도에 민감하게 거동하는 재료이므

로 해석 시 온도에 따른 탄성계수를 보다 정확히 결정하기 위하여 여러 개의 층

으로 세분화 한다. 보조기층의 경우, 정확도에 따른 해석시간을 고려하여 최적의

보조기층 분할 개수는 2개로 한다. 노상의 경우에는 깊이에 따른 응력의 변화가

크지 않기 때문에 세부 층으로 분할하지 않고 단일 층으로 간주한다.

단계 4. 깊이별로 각 층의 물성인 탄성계수와 포아송비 입력(아스팔트 콘크리트 포장

층: 동탄성계수, 쇄석기층 및 보조기층과 노상: 회복탄성계수)

단계 5. 교통하중의 입력(축간 및 바퀴간 거리, 타이어 압력, 타이어 면적)

단계 6. 구조해석 좌표 입력

단계 7. 다층탄성 해석 프로그램 자동 반복 계산

단계 8. 단계 6의 결과로부터 한계점에서의 손상 해석좌표 결정

단계 9. 손상 해석 좌표 중 공용성 입력변수인 한계점에서의 수평 인장변형률과 수직

압축변형률 결정

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Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

<그림 4.1> 아스팔트 콘크리트 포장 구조해석 절차

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4. 구조 해석

도로포장 구조 설계 요령

4.2.2 다층탄성 구조해석결과

다층탄성 해석 프로그램으로부터 구한 포장구조 해석결과는 공용성 모형의 입력 자

료로 사용된다. 아스팔트 콘크리트 포장의 구조적인 파손은 상향균열, 하향균열, 영구

변형 등이 있으며, 이를 예측하기 위해 구조해석 결과를 사용한다.

(1) 상향균열 해석

다층탄성 해석 프로그램을 통해 아스팔트 콘크리트 포장의 표층 하단과 기층 하단의

인장변형률을 산정한다. 가장 큰 인장변형률을 보이는 한계점(Critical Location)에서

의 결과를 상향균열 예측모형에 사용하게 된다. 일반적으로 단륜일 경우 타이어 중앙

부를 한계점으로 설정하고 반응값을 산출하며, 다축·다륜을 이용할 경우 여러 지점의

인장변형률을 비교하여 가장 큰 값을 해석에 계산한다.

(2) 하향균열 해석

다층탄성 해석 프로그램을 통해 아스팔트 콘크리트 포장 표층 상단의 인장변형률을

산정한다. 가장 큰 인장변형률을 보이는 한계점(critical location)에서의 결과를 하향

균열에 예측모형에 사용하게 된다. 상향균열과는 반대로 타이어 중앙부에서 가장자리

로 이동할수록 표층 상단에서의 인장변형률은 증가한다. 하향균열 해석에서도 아스팔

트 콘크리트 포장의 표층 상단부의 여러 지점의 인장변형률을 비교하여 가장 큰 값을

해석에 사용한다.

(3) 영구변형 해석

다층탄성 구조해석을 통해 아스팔트 콘크리트 포장의 표층과 기층, 보조기층의 세부

분할층 중간 지점 및 노상상단에서의 연직변형률을 산정한다. 일반적으로 단륜인 경우

타이어 중앙지점이 한계점(Critical Location)으로서 가장 큰 연직변형률을 나타내는데

반해 다축․다륜인 경우 여러 지점에서의 연직변형률을 비교하여 가장 큰 변형률을 해석

에 사용한다.