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1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

1. 총 칙

1.1 적용범위

(1) 본 요령은 도로법에 규정된 각종 아스팔트 콘크리트 포장(고속국도, 일반국도,

특별시도, 광역시도, 지방도, 시·군·구도)과 기타 일반 공중에 이용되는 아스팔

트 콘크리트 포장의 단면 설계에 대한 것이다.

(2) 본 요령은 아스팔트 콘크리트 포장의 단면 설계 적용하는데 있어 필요한 사항

에 대하여 규정한다.

(3) 본 요령에 따른 포장 단면설계는 해석 프로그램을 이용하여 시행한다.

【해 설】

도로포장 단면 설계는 역학적-경험적 설계 개념으로 신설 및 덧씌우기 포장 단면

설계를 수행할 수 있다. 현장 조건의 정량적 결정(교통조건, 환경조건, 재료물성 등)

이후에 설계 해석 프로그램을 이용하여 설계업무를 수행하도록 한다. 역학적-경험적

설계방식과 기존의 경험적 설계 방식과의 차이는 일련의 설계과정이 아니라, 엄격한

의미에서의 해석 프로그램 사용이라는데 있다. 즉, 설계 과정에서 주어진 포장단면에

대해 해석을 수행하여 장기 공용성을 예측하는 방식이다.

아스팔트 콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계과정을 <그림 1.1>에 나타내었고, 설

계과정은 다음과 같다.

(1) 시공 대상지역의 조건에 적합한 포장단면을 가정하여 선정한 다음, 예비설계

(Trial Design)를 다음과 같이 실시한다.

(2) 교통량, 환경조건 및 재료물성과 관련된 입력 변수들을 입력한다.

(3) 설계 해석 프로그램 내의 구조해석 프로그램 모듈에 의해 포장 단면의 구조적

거동(Structural Responses)을 계산한다.

(4) 설계기간 동안 유지되어야 할 공용성 기준을 설정한다. 즉, 아스팔트 콘크리트

포장의 피로균열, 영구변형 및 국제평탄성지수(IRI, International Roughness

Index)의 허용기준을 설정한다.

(5) 설계 해석 프로그램 내의 공용성 해석 프로그램 모듈을 이용하여 포장 손상을 계

산하고, 전체 설계기간에 대하여 누적된 손상도를 계산한다.

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Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

(6) 예비설계의 결과가 공용성(피로균열, 영구변형, 국제평탄성지수) 기준에 적합한지

를 평가한다.

(7) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 예비설계의 단면을 변경한 후 다

시 위의 (2)항부터 (6)항까지의 과정을 반복하여 해당 설계단면이 공용성 기준

을 만족할 때까지 수행한다.

(8) 설정한 공용성 기준을 만족시키는 설계단면은 구조적 및 기능적 측면에서 시공

가능한 시스템이어야 하고, 다른 대안단면들에 대한 추가적인 예비설계를 수행한다.

이러한 설계 대안들에 대해 생애주기비용분석을 의한 경제성 평가를 실시하여

최적 대안을 선정한다.

(9) 예비설계가 공용성 기준을 만족하면 대안단면의 하나로 선정하고, 추가적인 재

료 및 대안 단면에 대하여 (2)항부터 (6)항까지의 과정을 반복한다.

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1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

<그림 1.1> 아스팔트 콘크리트 포장의 역학적-경험적 설계 절차

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Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

1.2 관련규정의 적용

본 요령에 규정되어 있지 않은 사항은 국토교통부의「국도건설공사설계실무요령」,

「도로설계편람」의 관련 규정을 따른다.

1.3 용어의 정의

본 요령에 사용한 다음의 용어는 문맥상으로 보아 다른 의미로 해석되지 않는

한 다음과 같이 정의된다.

 「강성(Rigidity, Stiffness)」이라 함은 하중을 받는 구조물이나 부재의 변형에

저항하는 성질, 또는 물질의 단단한 성질을 말한다.

 「공용성(Performance)」이라 함은 포장의 구조적인 능력과 기능적인 상태를

종합적으로 나타내는 것으로, 이용자 측면에서는 포장도로를 통행하는 차량에

주는 쾌적성 또는 서비스 능력을 의미하기도 한다.

 「국제평탄성지수(IRI, International Roughness Index)」라 함은 국제적으로

통용되는 포장의 평탄성을 나타내는 값으로, 차량의 단위 주행 거리에 대한 차축

의 연직방향 진폭의 누적값을 나타내는 지수를 말한다.

 「노상(Subgrade)」이라 함은 포장을 지지하고 있는 지반 중에서 포장의 밑면으

로부터 약 1m 깊이부분을 말하며, 노체 위에 축조되는 것으로 노면의 교통하중을

널리 분산시켜 노체에 하중의 영향을 작게 하고 안전하게 전달하는 역할을 한다.

 「단축(Single Axle)」이라 함은 일반승용차와 같이 바퀴축이 인접되어 있지 않

은 차축 혹은 자동차의 차축이 횡방향으로 하나로만 구성된 축형태를 말한다.

 「덧씌우기(Overlay)」라 함은 기존 포장을 절삭 또는 표면처리 후 정해진 두

께로 재포장하는 것을 말한다.

 「변환계수(Shift Factor)」라 함은 마스터곡선을 작성하기 위하여 개별온도에서

계산된 동탄성계수를 기준온도로 변환하는데 사용되는 계수를 말한다.

 「변환함수(Shift Function)」라 함은 변환계수와 실험온도와의 관계를 나타내는

함수를 말한다.

 「복축(Tandem Axle)」이라 함은 탄뎀축이라고도 하며, 자동차의 차축이 연속적

으로 2개로 구성된 축형태를 말한다.(일반적으로 축간격은 1.3m이내)

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1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

 「사용자비용」이라 함은 도로 이용자가 도로의 보수작업으로 인하여 정상적으로

통행을 하지 못하게 되는 경우 주기적으로 지불하는 비용의 합으로, 차량운행비

용, 운행지연비용, 교통사고비용 등이 포함된다.

 「삼축(Tridem Axle)」이라 함은 자동차의 차축이 연속적으로 3개로 구성된 축형

태를 말한다.

 「상대강도계수」이라 함은 AASHTO 도로시험에서 포장의 두께지수(SN)를 산출

하기 위하여 도입된 것으로, 포장 각층을 구성하고 있는 재료와 강도를 나타내는

계수를 말한다.

 「생애주기비용(LCC, Life-Cycle Cost)」이라 함은 일반적으로 제품의 생산, 사

용, 폐기, 처분 등의 각 단계에서 발생하는 비용을 모두 합한 총비용을 말하며,

건설구조물에서 생애주기비용은 기획, 설계비, 건설비. 운용관리비, 폐기처분비

등에 걸쳐 건설구조물의 수명에 필요한 모든 비용을 의미한다.

 「성토고」라 함은 흙쌓기 층의 수직높이 즉, 비탈어깨에서 비탈 끝까지의 수직높

이를 말한다.

 「쇄석기층」이라 함은 쇄석을 이용한 도로포장 기층을 말한다.

 「원더링(Wandering) 효과」라 함은 포장체 위를 지나는 차량의 바퀴는 일정한

지점이 아니라 횡방향으로 분포하여 (일반적으로 정규분포로 가정) 주행하게 되

며, 이에 따라 포장체에 미치는 응력이나 변형률도 달라지는 것을 의미한다.

 「입상층」이라 함은 잔골재 또는 굵은 골재만을 이용한 포장 층을 말한다.

 「입상보조기층」이라 함은 잔골재 또는 굵은 골재만을 이용한 기층 아래에 위치

한 포장 층을 말한다.

 「잔존가치」라 함은 어떤 자산이 다른 목적에 전혀 사용되어질 수 없을 때 자산

을 처분함으로써 취득할 수 있는 가치를 폐물가치 또는 잔존가치라 한다. 포장에

서의 잔존가치는 분석기간의 마지막 단계에서 투자대안의 가치로 나타내어지며

잔존가치와 관련된 두 가지 기본 구성요소는 잔류가치 (Residual value, 포장 재

생에 관련된 순가치)와 공용수명(Serviceable Life)이다.

 「전이함수」라 함은 현장공용성과 이론에 근거한 공용성의 차이를 보정하기 위

한 함수를 말한다.

 「차종분류」라 함은 다양한 형태의 차량을 도로의 계획과 건설, 유지관리 등에

기본자료로 활용하기위해 분류하며, 이러한 분류는 활용목적에 부합되도록 한다.

현재 도로포장관련 차종분류는 2006년 개정된 12종 분류방법을 이용한다.

 「축하중(Axial Load)」이라 함은 포장 단면의 축방향으로 작용하는 차량의 축당

하중을 나타낸다.

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Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

 「축차응력(Deviatoric Stress)」이라 함은 [3축압축시험]에서 축방향응력과 구속

응력과의 차를 말한다.

 「축하중분포」라 함은 축하중 크기와 빈도를 이용하여 도시화한 분포를 말한다.

일반적으로 역학적-경험적 설계에서 교통하중 정량화를 위해 사용된다.

 「평탄성(Smoothness, Ride Quality)」이라 함은 포장의 평탄한 정도를 말하며

승차감을 표현하는 척도이다. 도로포장의 공용성을 나타내는 중요한 항목으로 사

용된다.

 「포아송비(Poisson's Ratio)」라 함은 ①세로변형률에 대한 가로변형률의 비를

말한다. ②재료의 비례한계 내에서 균일하게 분포된 축응력으로 인하여 생긴 직각

방향의 변형도와 축방향 변형도의 비의 절대치를 말한다.

 「피로균열(Fatigue Cracking)」이라 함은 반복적인 차량 하중에 의해 포장 층에

피로가 누적되어 발생한 균열로서 도로포장의 중요한 파손형태로서 공용성을 나

타내는 중요한 항목이다.

 「하부구조(substructure)」라 함은 입상재료로 구성된 쇄석기층, 보조기층 및 노

상을 의미한다.

 「AASHTO(American Association of State Highway and Transportation

Officials)」라 함은 미국 각 주(州)의 도로 및 교통 공무원 협회의 약자로, 1914

년에 도로에 관한 각종연구와 기술기준을 작성할 목적으로 미국 각주와 연방정부

의 도로국에 의해서 설립된 AASHO가 1973년에 도로교통 전반을 취급하게 되면

서 AASHTO로 개칭된다.

 「AADTT(Annual Average Daily Truck Traffic)」라 함은 설계기간 동안의 연

평균일트럭교통량을 말한다.

 「AADT(Annual Average Daily Traffic)」이라 함은 설계기간 동안의 연평균일

교통량을 말한다.

 「ADT(Average Daily Traffic)」라 함은 평균일교통량을 말하며, 이는 어느 기간

내의 전체 교통량을 그 기간의 일수로 나누어 얻어진 값을 나타낸다.

 「생애주기비용 분석(LCCA, Life-Cycle Cost Analysis)」라 함은 도로포장설계

에 있어서 경쟁관계에 있는 여러 대안 투자방안들 중에서 장기간에 걸친 경제효

과를 평가하기 위한 경제성분석을 목적으로 구축된 분석기법을 말하며, 여기에는

초기투자와 장래의 기능저하, 사용자 그리고 대안투자의 전 기간에 걸친 관련비용

등을 포괄하고 있다. 또한, 생애주기비용 분석은 투자비용에 대한 최적가치를 확

인 하고자 하는 시도로 정의될 수 있다.

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1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

 「공용성 등급(Performance Grade)」이라 함은 포장용 아스팔트를 포장이 공용

될 지역의 최고 온도와 최저온도를 구분하여 나타내는 등급체계를 말한다. 예를

들어 PG 64-22로 분류된 아스팔트는 공용 가능한 최고 온도는 64℃이며, 최저온

도는 -22℃임을 나타낸다. 미국의 전략적 도로 재료 연구 사업(SHRP)에서 공용

성에 근거한 아스팔트의 물성을 파악하기 위한 시험법과 아스팔트 등급 기준을

개발하였으며, 이를 공용성 등급체계라고 한다.

 「다층탄성이론(Multi Layer Elastic Theory」이라 함은 연속된 층들의 재료거동

이 탄성거동을 한다는 가정을 이용한 구조해석이론을 말한다.

 「동탄성계수(Dynamic Modulus)」라 함은 사인파형의 하중에서 최대응력을 최

대변형률로 나누어 계산하며 복합계수의 절대값(|E*|)을 말한다.

 「복합계수(Complex Modulus)」이라 함은 선형 점탄성 재료에 있어 응력과 변형

률의 관계를 정의하는 복소수 E*를 나타낸다.

 「아스팔트 기층」이라 함은 아스팔트를 사용한 표층 또는 중간층과 보조기층 사

이에 위치하며, 표층에 가해지는 교통하중을 지지하는 역할을 한다. 변형에 대해

큰 저항을 가진 재료를 사용한다.

 「아스팔트 표층」이라 함은 아스팔트를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장의 최상

위층을 말하며, 교통하중을 지지하고 평탄성과 안전성 등을 제공하는 역할을 한

다. 일반적으로 가장 양질의 재료를 사용한다.

 「영구변형(Rutting)」이라 함은 외력을 제거한 후에 남아있는 변형을 말한다. 아

스팔트 콘크리트 포장에서의 영구변형은 반복되는 차량하중에 의한 노상, 보조기

층, 기층 및 표층의 구조적 결함에 의한 변형 또는 반복되는 차량하중에 의하여

아스팔트 혼합물이 전단변형 함으로써 발생된다. 소성변형, 영구변형, 바퀴자국패

임 등 다양한 표현이 사용된다.

 「유효아스팔트함량」이라 함은 총 아스팔트량 중에서 골재에 흡수된 아스팔트량

을 제외한 아스팔트의 함량을 나타낸다.

 「하중주파수」라 함은 점탄성재료의 동탄성계수를 결정하는 변수로서 포장체의

깊이와 차량의 이동속도에 따라 변화한다.

 「회복탄성계수」라 함은 반복적으로 제시된 응력을 재료에 가하여 얻어진 회복

되는 변형률로 나눈 값으로서 재료의 탄성적 특성을 나타내는 계수를 말하며, 반

복 재하식 표준 MR시험(AASHTO T274-82)으로 구한다.

 「Full Depth」라 함은 포장 층의 구성이 보조기층, 기층을 포함하여 아스팔트

콘크리트 전층으로 이뤄진 포장 층을 말한다.

8

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

 「SMA(Stone Mastic Asphalt)」라 함은 1968년 독일에서 골재입도를 기존의 밀

입도에서 개립도로 바꾸고 아스팔트 바인더의 흐름을 막기 위해 섬유질 안정화첨

가제를 투입한 포장형식을 말하며, SMA혼합물의 기본개념은 아스팔트바인더의

접착력은 골재의 탈리를 방지하는 역할만 하고 압축력과 전단력에 저항하는 힘은

골재의 맞물림에 의해서 발생한다는 것이다.

1.4 포장 설계 시스템

포장이란 그 자체로써 의미가 성립하는 단순한 토목 구조물이 아니다. 주위의 여러

환경과 포장 상태, 하중, 노상 조건, 포장 상태 등에 따라 매우 다양하게 변화할 수 있

으므로 각 요소들 간에 복잡한 관계를 맺고 있는 포장 설계 시스템을 이해해야 할 것

이다.

1.4.1 포장 설계 시스템 처리 과정

포장 설계 시스템은 크게 계획, 설계 입력 변수, 구조해석, 공용성 분석, 대안 선정과

같이 크게 다섯 부분으로 구분할 수 있다. 먼저 포장 형식 및 설계 조건에 맞는 입력

변수의 실험값, 예측값 등을 산출한다. 설계 입력값들을 사용하여 구조해석 모형을 통

해 응력, 변형률 및 처짐 등과 같은 구조적 거동을 예측한다. 포장체의 구조적 거동에

근거하여 포장체가 받는 손상을 계산하고, 설계기간 동안 누적된 손상으로 포장체에

발생할 파손을 예측한다. 공용성의 기준이 모두 만족될 때까지 피트백 과정을 통해 반

복계산 한다. 공용성 기준이 만족되는 설계단면과 재료기준이 결정되면 구조적 및 기

능적 측면에서 실행 가능하다는 판단이 내려지며, 생애주기비용분석을 수행하고 최적

의 포장 시스템을 선정하게 된다.

<그림 1.2>는 포장 설계의 설계 시스템을 요약한 그림이다. 포장 설계 시스템에 과

정을 보다 더 자세히 살펴보자.

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1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

<그림 1.2> 역학적-경험적 설계 기본모형

1) 계획한 대상 지역에 적합한 포장 형식이 시멘트 콘크리트 포장인지 아스팔트 콘크

리트 포장인지를 선택한다. 설계 대상 지역의 교통 조건, 설계할 도로가 고속도로인

지 일반국도인지 등의 구분을 고려하여 설계 등급을 결정한다.

2) 포장 설계하는 지역의 상태에 적합한 시험 설계(trial design)을 개발한다. 지역의

상태에 적합한 조건이란 교통량, 기후조건, 토질조건, 포장층의 조합, 포장재료물

성, 그리고 설계 및 시공 조건 등을 고려하는 것을 말한다.

3) 설계 시 목표한 공용 기간 동안 유지되어야 할 공용성에 대한 기준을 정한다. 즉,

스폴링, 균열, IRI, 영구변형(러팅), 등의 허용기준을 선정한다.

4) 공용성 인자에 대한 신뢰 수준를 결정한다.

5) 전체 설계기간에 대한 해석에 필요한 교통량, 재료 및 기후입력 인자들의 단위 기

간에 해당하는 값을 얻기 위하여 주어진 입력값들을 산정한다.

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Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

6) 정해, 수치해석, 유한요소법 등과 같은 방법을 이용하여 포장의 구조적 거동(structural

responses)을 계산한다. 이 계산은 전체의 설계기간에 대하여 교통 및 환경 하중에 따

른 각각의 손상을 누적하도록 한다.

7) 전체의 설계기간에 대하여 일정 시간간격으로 누적된 손상을 계산한다.

8) 실내시험 및 현장실험, 역학적인 방법 등으로 개발된 공용성 모형을 이용하여 설계

기간 동안의 포장 파손을 예측한다.

9) 예비설계의 기대 공용성을 주어진 신뢰도 수준에서 적합한지를 평가한다.

10) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 설계를 변경한 후 다시 위의 5) 부터

9)까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지 수행한다.

11) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능한

것으로 인정된다. 대안이 선정이 되면 추가 대안들을 작성하여 여러 대안들을 도

출한다.

12) 생애주기비용분석과 같은 경제성 분석과 현장 적용성과 같은 문제를 고려하여 최

적 대안을 선정한다.

1.4.2 포장 시스템의 주요 인자

(1) 포장 형식 및 설계 수준 결정

설계 대상 지역에 적합할 것으로 판단되는 형식을 선정하기 위해서는 그 지역의 기

후, 차량, 재료의 특성, 지역 여론, 정책 선호도 등이 있다. 신설 포장의 경우는 중차량

이 많고 여름철 온도가 높은 지역, 고성토 지역에서는 아스팔트 콘크리트 보다는 시멘

트 콘크리트 포장 형식이 더 유리할 것이다. 반면 사용자들의 주행성, 도심부 도로 등

에는 아스팔트 콘크리트 포장 형식이 보다 적합하다. 또한 환경친화적인 포장 및 심미

적인 포장을 만들기 위해서는 배수성 혹은 블록 포장을 선정한다. 덧씌우기 포장의 경

우는 파손 특성 및 원인을 고려하여 아스팔트 콘크리트 및 시멘트 콘크리트 포장의 형

식을 결정해야 한다. 이와 같이 지역의 특성을 고려한 포장 형식을 결정한다.

포장 형식과 함께 중요한 것이 설계 수준의 결정이다. 도로 포장을 설계할 때 시골

의 농로를 입력 변수 하나하나를 실험하고 통행하는 자동차 및 농업용 동력기들이 몇

11

1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

대 지나가는지를 조사하여 설계하는 것은 비경제적이다. 반대로 왕복 8차로의 대교통

량이 운행할 것으로 예상되는 도로를 현장 조사나 실험 없이 기존 자료를 이용하여 설

계한다면 공용수명이 예상과 많이 달라질 수 있다. 이러한 것을 예방하기 위해 해당

지역에 설계할 도로의 등급을 정의하고 설계를 실시하도록 한다.

(2) 문제 정량화 및 입력 변수

포장체의 입력 변수는 크게 교통하중, 환경하중, 재료 물성, 불연속면(시멘트 콘크리

트 포장) 등으로 나뉜다. 정확한 포장의 거동을 분석하기 위해서 이들을 정량적으로

나타내고 설계에 반영해야 한다. 포장 설계시 필요한 입력 변수의 값을 얻기 위해서

경우에 따라 매번 실험을 하는 경우도 있지만 효율성, 경제성 등이 낮기 때문에 간단

한 모형에서부터 복잡한 수식을 사용한 모형 등을 개발하여 사용하는 경우가 많다. 모

형은 많은 회수의 실험을 하지 않고도 기본 실험을 통해서 필요한 데이터를 획득할 수

있는 장점이 있다. 하지만 모형자체가 실제와 상이한 결과를 보인다면 포장 설계에 사

용하기는 불가능할 것이다.

가. 교통하중

교통하중은 포장 설계 및 해석에 가장 민감한 영향을 주는 입력 변수로서 포장 파손

의 주요 원인이 된다. 교통하중을 정량화하는 방법에는 등가단축하중(Equivalent

Single Axle Load : ESAL)을 이용하는 것과 실제 축하중을 포장 해석에 사용하는 방

법이 있다. 기존의 경험적인 설계에서는 등가단축하중은 일반 승용차의 복륜의 단축에

80 kN(18,000 lb)의 축하중이 재하될 때를 기준으로 하여 축하중 및 축 종류에 따른

상대적인 포장의 영향 정도를 나타내었다. 이는 AASHO Road Test 에서 만들어진 경

험적인 방법으로써, 국한된 재료와 환경 조건에서 이뤄진 실험의 결과를 다른 환경과

조건의 포장체에 적용시 예상하지 못한 결과를 유발할 수 있다. 최근에는 도로를 주행

하는 차량의 축하중을 직접 측정하여 설계에 이용하고 있다. 이와 같은 방법은 많은

인력을 투입하여 실제 현장에서 축하중을 조사하고, 이를 DB화 작업이 필요하다. 현재

진행중인 포장 설계 개발에서도 이와 같은 방법을 채택하여 연구를 수행하였으며 많은

자료를 축적하였다. 교통하중은 직접 조사 혹은 누적된 데이터를 사용하고 있기 때문

에 관련 모형식은 개발하지 않고 있다.

12

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

나. 환경하중

환경하중은 온도와 함수비 변화에 따라 포장체 거동에 영향을 미치는 중요한 요소이

다. 온도 변화는 아스팔트 콘크리트 포장에서 표층 및 기층의 물성 변화에 영향을 주

며, 시멘트 콘크리트 포장에서는 슬래브의 수평 및 수직 방향의 거동에 영향을 미친다.

또한 하부 구조의 동결에도 영향을 준다. 온도 변화를 예측하기 위해서 다양한 방법들

이 제안되었는데 중요 인자를 선정하여 요인 설계를 통해 회귀식을 만들어내는 경험적

인 방법과 열전달 이론을 이용하여 대기 온도를 포장체의 온도 변화에 직접 적용하는

모형도 있다. 함수비 변화는 표층 및 기층의 함수비 변화에 따른 물성 변화를 일으키

며 잠재적인 포장 파손의 원인이 된다. 계절에 따른 하부 구조의 함수비 변화에 따라

포장의 지지력이 달라지는 특성이 있으며, 특히 봄철 융해기나 여름철 장마기에는 하

부층의 지지력 약화로 인해 포장 파손이 다른 기간에 비해 더 많이 발생할 가능성이

높다. 이러한 함수비 변화는 실제 계측기를 매립하고 시간에 따른 변화 추이를 관찰하

여 모형을 개발하는 것이 일반적인 방법이다.

환경 하중 모형을 개발하는 방법은 경험적인 것과 이론적인 것으로 구분할 수 있다.

경험적인 방법은 위도, 경도, 포장형식, 하부 조건, 기상 조건 등을 고려하여 실제 계측

기(온도계, 함수량계)를 매립하고 1년 혹은 그 이상을 모니터링 한다. 계측 데이터를

각 인자들로 구분하고 회귀분석을 통해 하나의 온도 및 함수량 변화 예측 모형을 개발

한다. 이러한 방법으로 개발한 예측 모형은 개발 방법 자체는 쉽지만 다른 접근 방법

이 제안되었을 경우 수정을 하기가 어렵다. 이러한 경험적인 모형의 단점을 개선하기

위해 열전달 및 열평형 이론을 이용하여 포장체의 온도를 예측하기도 한다. 역학적 이

론에 근거한 모형은 새로운 이론이나 개선된 사항이 있을 시 이를 반영할 수 있는 장

점이 있다. 하지만 실제와의 거동 차이가 있을 경우 항상 현장 데이터를 이용한 보정

이 필요하다.

다. 재료 물성

포장재료 물성은 포장의 구조해석에 필요한 입력변수로서 모형에서 포장 층의 거동

을 분석하기 위해 사용된다. 기존에는 포장층에 따라, 포장 형식에 따라 각각 다른 값

을 사용하였다. 흙이나 입상 재료들은 기존의 CBR, MR, R 값, N 값 등 다양한 물성으

로 정량화하였다. 기존 설계(’93 AASHTO GUIDE)에서 아스팔트 포장에서는 MR 값

13

1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

을 사용하여 물성을 정의한 반면 콘크리트 포장에서는 MR 값을 근거로 복합 지지력

계수를 산정하여 설계에 사용하였다. 최근의 하부구조의 물성을 MR과 포아송 비로 정

의하여 설계에 적용하는 추세이다.

아스팔트 혼합물의 경우 일반적으로 사용되는 물성은 동탄성계수이며, 이는 혼합물,

온도와 하중재하속도 등의 함수이므로 이에 대한 고려가 필요하다. 동탄성계수시험으

로는 일축인장/압축시험, 간접인장시험 등이 있으며 이론적으로 한 종류의 혼합물에 대

해 어떤 방식을 통해 산정하여도 동일한 동탄성계수 값을 얻을 수 있다. 시멘트 콘크

리트 포장의 경우는 슬래브의 강도, 탄성계수, 건조수축, 열팽창 계수 등이 있다. 슬래

브의 강도는 교통 개방 및 피로식에 사용되며 일반적으로 공시체의 일축압축 강도 시

험을 통해 얻을 수 있다. 탄성계수는 구조해석에 사용되며 변형률과 하중과의 관계로

구하거나 비파괴 시험을 통해서 구할 수 있다. 건조수축이나 열팽창 계수는 콘크리트

포장의 초기 거동이나 온도에 의한 슬래브의 거동을 추정하기 위한 물성값이다. 아스

팔트나 콘크리트의 재료 물성을 예측하기 위한 모형은 탄성 모형, 점성 모형, 점탄성

모형, 점소성 모형으로 세분화된다. 이러한 구분은 시간 의존 및 과거 이력의 영향 여

부에 따라 각각 달라진다.

줄눈 및 연속 철근 콘크리트 포장에서는 하중 전달 장치 및 철근을 사용하는데 이는

일반적으로 탄성계수와 포아송 비로 그 물성을 정의한다.

라. 불연속면

불연속면은 줄눈 콘크리트 포장에 있는 것으로 콘크리트 포장이 건설초기 수화 반응

이 진행됨에 따라 슬래브가 수축되고 이로 인해 무작위 균열이 발생한다. 이러한 균열

들은 포장 수명을 단축시키는 주요 원인이 되므로 이를 최소화하기 위해서 슬래브의

소요 강도가 발현이 되고 수축이 시작되기 직전에 인위적인 줄눈을 만들어 균열을 유

도하는 것이 불연속면이다. 불연속면은 줄눈 절삭 깊이, 하중전달 장치 관련 설치 기

준, 줄눈 간격 등에 대한 고려가 필요하다. 불연속면은 경험적이거나 역학적으로 해석

하여 관련 물성을 제안하거나 카달로그 식으로 간격이나 설계 단면을 제시하는 방법을

사용하고 있다.

14

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

(3) 포장체 거동 분석

앞에서 살펴본 것은 포장을 해석하기 위한 변수들의 정의하는 단계이며 이를 바탕으

로 포장체가 어떻게 거동할 것인가를 분석하는 것이 본 단계이다. 포장체는 포장형식,

사용재료, 하중 조건 등에 따라 거동(응력, 변형률, 처짐량)이 다양하게 변화한다. 이러

한 거동을 재료역학 측면에서 단순 가정하에 접근하는 정해 방법(closed form

solution)에서부터 수치해석적인 기법, FEM을 이용하는 방법 등이 있으며다. 해석 결

과를 공용성 예측 모형에 직접 입력하여 포장의 수명을 예측한다.

아스팔트 콘크리트 포장의 경우 처음 Boussinesq 이론을 이용하여 포장의 깊이에 따

른 응력을 해석하였다. 하지만 포장은 1층 구조가 아니라 다층 구조이기 때문에 더 복

잡한 거동을 한다. 이를 개선하기 위해서 Burmister의 다층탄성론이 개발되었다. 다층

구조해석은 포장 각 충의 물성을 대입하여 포장체의 각 층의 거동을 살펴볼 수 있으며

컴퓨터의 발달과 함께 ELSYM5, BISAR, DAMA, KENLAYER와 점탄성해석 프로그램

인 VESYS, KENLAYER과 같은 다양한 프로그램들이 개발되었다. FEM 이 보편화 되

면서부터 아스팔트 콘크리트 포장 해석도 관련 프로그램들을 사용하여 보다 정확하게

거동을 예측할 수 있게 되었다.

시멘트 콘크리트 포장의 경우 처음에는 아스팔트에 사용한 Boussinesq 이론을 적용

하였으나 문제점을 인식하면서 Goldbeck, Burmister, Pickett, Spangler 등에 의해서

포장을 좀 더 정확하게 해석하는 방법을 찾아갔다. 하지만 이러한 것은 경험에 근거하

여 개발한 것이기 때문에 한계가 있었다. 마찬가지로 FEM 이론이 정립되면서 판요소

와 스프링 요소로 포장을 단순화 하여 해석하는 기법이 연구되었다. 이는 기존의 방법

보다 더 정확하며 컴퓨터에서 빠른 시간안에 알아볼 수 있는 장점이 있다. 그러나 이

론상의 단순화 과정에서 실제 포장의 거동과의 차이가 발생하여 지금은 3차원 요소를

이용하는 경우가 많다. 3차원 요소를 이용한 포장 해석은 2차원 요소에 비해 정확하지

만 시간이 오래 소요된다는 단점이 있어 2차원 요소를 이용하여 해석한 결과를 3차원

해석 결과로 보정하는 경우가 많다.

15

1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

(4) 공용성 예측

가. 공용성 기준

공용성 예측 모형은 포장의 거동 분석을 통해 나온 결과(응력, 변형률, 처짐량)를 바

탕으로, 혹은 실제 공용중인 포장의 상태 조사를 통해 향후 포장이 어떠한 상태로 변

화해 갈 것인가를 예측하는 것이다. 포장의 공용성은 크게 구조적인 공용성과 기능적

인 공용성으로 나눈다.

구조적인 공용성은 포장의 물리적인 파손과 관계가 있다. 피로 균열, 스폴링, 단차,

저온 균열, 러팅 등 다양한 파손들이 있으며, 실제 설계자는 다양한 파손에 대하여 제

어할 파손 형태를 규정해야 한다. 파손 형태 전부를 고려하는 것은 고비용이 들며 비

효율적, 비경제적이기 때문이다. 기능적인 공용성은 도로 이용자들의 입장에서 포장을

평가한 것이다. 대표적인 것으로 PSI(Present Serviceability Index), IRI(International

Roughness Index), 미끄럼 저항, 소음 등이 있다. PSI 는 도로 포장의 물리적 상태와

이용자들의 평가를 조합하여 하나의 지수로 만든 것이다. IRI는 포장의 프로파일을 자

동측정 장비로 조사하여 각 파손들과의 포장 상태를 회귀식으로 만든 것이다. 미끄럼

저항이나 소음 등은 도로 이용자들 측면에서 안전성 및 도로 환경을 평가한 것이다.

기존의 설계에서는 고려되지 않았으나, 최근 도로 포장에서 큰 이슈로 떠오르고 있는

인자이다.

나. 공용성 예측 및 평가

포장에서 발생하는 파손의 형태를 정량화를 바탕으로 공용성의 기준(균열, 스폴링,

IRI)을 정립한다. 설계 과정에 따라 시험 단면을 설계하고, 설계기간에 대하여 포장의

공용성을 예측하여 이미 정립된 설계기준과 비교한다. 설계기준에 맞으면 다음 단계로

진행되지만 그렇지 않을 경우 시험설계를 개정하여 다시 공용성을 예측하고 설계기준

이 모두 만족될 때까지 반복해야 할 것이다.

16

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

포장 형식 종류

시멘트 콘크리

트 포장 피로 파손, 스폴링, 단차, IRI, 펀치 아웃, 소음, 미끄럼 저항 등

아스팔트 콘크

리트 포장

피로 파손, 저온 균열, 러팅, 블리딩, 코루게이션, 포트홀, IRI, 소음,

미끄럼 저항 등

<표 1.1> 포장 형식별 공용성 모형 종류

다. 설계 신뢰도

도로포장의 설계는 크게 설계입력변수 결정과 공용성 예측 모형의 적용으로 나뉜다.

전자는 재료물성, 교통하중 및 환경인자 등이고, 후자는 구조해석 모형, 파손예측 모형

등이다. 이들 모두 정확히 예측되는 것이 아니기 때문에 상당한 불확실성과 가변성이

존재한다. 따라서 이러한 점을 고려하여 신뢰 수준은 안전계수의 개념으로써 교통량이

많거나 기능적 분류상 중요도가 큰 시설물 설계에 있어서 높은 신뢰도를 적용하는 반

면, 상반된 경우에는 상대적으로 낮은 신뢰도를 적용한다.

(5) 대안 평가

가. 생애주기비용분석(LCCA:Life Cycle Cost Analysis)

예비설계가 구조적, 기능적 기준을 만족시키면 그 설계는 기술적으로 실행 가능한

설계가 된다. 하지만 포장 설계는 다양한 방법이 있으므로, 이에 대해 LCCA 분석을

통하여 보다 경제적이고 타당한 대안을 선정하여 포장 설계에 사용하기 위한 기초 자

료를 제공한다.

나. 의사 결정 기준

의사 결정 기준은 다양한 포장 형식 및 경제성 분석에 근거하여 최적의 공법을 선택

하는 잣대이다. 일반적으로 포장의 구조해석을 통해 포장의 파손을 예측하고 이에 따

른 유지보수 비용을 산정하여 설계 기간 동안의 전체 소요 비용을 산정한다. 그 결과

최소의 비용이 소요되는 공법을 선택하는 기준이 된다. 하지만 기존의 건설측면에서는

17

1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

경제성 논리가 지배하여 저렴한 공법을 채택하였지만 요즘은 비록 건설 비용은 고가이

지만 사용자들에게 쾌적한 환경을 조성해 줄 수 있는 공법을 선호하고 있다. 따라서

의사 결정 기준은 그 사회가 포장에 대해 요구하는 기능이 무엇에 따라 달라질 수 있

다.

다. 비교 및 최적화

앞에서 살펴본 전 과정을 통해서 설계 대상에 가장 적합한 최적 대안을 선택하는 것

이다. 이 과정에서 최적 대안의 취약점에 대한 보완책을 찾을 수 있으며 현장 적용을

위한 최종 마무리 단계에 해당한다.

라. 적용

실제 현장에 도로의 포장을 건설하는 것으로 최적의 공법으로 선정한 것이 설계한

재료, 구조, 비용 등이 계획대로 작업되는지를 검토하고 현장에서 발생하는 문제들을

해결하는 것이다. 이때 예상치 못했던 현장의 문제점으로 설계변경 등의 상황이 발생

할 수 있으므로 면밀한 시공 검토가 필요하다.

1.4.3 도로포장 구조 설계의 전체 흐름도

본장은 도로포장 구조 설계의 전체로직을 아스팔트 콘크리트와 시멘트 콘크리트 포

장의 설계로 나누어 간략히 설명하고자 한다.

1.4.4 아스팔트 콘크리트 포장의 전반적인 설계로직

아스팔트 콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계로직은 <그림 1.3>에 나타나 있으며,

설계과정은 다음과 같다.

(1) 시공 대상지역과 해당 지역 조건에 적합한 포장단면을 선정한다. 이때 포장층의 수

및 각 층의 두께를 입력한다. 그리고 설계한 포장의 설계 공용년수를 입력한다. 설

계기간 동안 유지되어야 할 공용성 기준을 설정한다. 즉, 아스팔트 포장의 피로균

18

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

열, 영구변형 및 국제평탄성지수(IRI)의 허용기준을 설정한다.

(2) 교통량, 환경조건 및 재료물성과 관련된 입력 변수들을 선정한다. 기본 입력 변수

들을 이용하여 설계에 필요한 각 교통 정보, 온도 정보, 각 층의 재료 물성을 계산

한다.

(3) 각 입력 변수들을 바탕으로 설계프로그램 내 구조해석프로그램에 의해 포장의 구

조적 거동(Structural Responses)을 계산한다.

(4) 설계프로그램 내 공용성 모델을 이용하여 포장 손상을 계산하고, 전체 설계기간에

대하여 누적된 손상을 계산한다.

(5) 예비설계의 결과가 공용성(피로균열, 영구변형, IRI) 기준에 적합한지를 평가한다.

(6) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 포장단면을 변경한 후 다시 위의 (2)

항부터 (5)항까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지 수행

한다.

(7) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능하여

야 하며, 다른 대안단면들을 추가로 작성한다. 이 대안들에 대한 생애주기비용분석

을 통한 경제성 평가를 실시하여 최적 대안을 선정한다.

층분할은 포장의 공용성 해석을 위해 좌표를 결정하는 과정으로, 포장 층수와 각 층

의 포장 두께를 입력하면 <그림 1.4>에서 보는 바와 같이 포장 표면으로부터 표층과

기층의 하단 깊이, 각 세부층의 중간 깊이를 로 정의하고 위치를 계산한다. 이는

아스팔트층 혼합물이 온도에 민감하게 거동하는 재료이므로 해석시 온도에 따른 탄성

계수를 보다 정확히 결정하기 위함이다. 아스팔트 포장의 표면으로부터 10cm 정도의

깊이까지는 포장의 온도 변화가 크기 때문에 2~3cm 정도의 두께로, 기층은 3~5cm

정도의 간격으로 분할한다. 여기서, 아스팔트 중간층은 표층으로 간주하여 층을 분할한

다. 보조기층의 경우에는 2개의 세부층으로, 노상은 단일 층으로 간주한다.

19

1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

<그림 1.3> 아스팔트 포장 설계 로직

20

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

<그림 1.4> 각 층의 분할

1.4.5 콘크리트 포장의 전반적인 설계로직

콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계과정은 다음과 같다.

(1) 시공 대상지역과 해당 지역 조건에 적합한 포장단면을 선정한다. 이때 교통량, 기

후조건, 토질조건, 포장층의 조합, 콘크리트 및 다른 재료물성, 그리고 설계 및 시

공 조건 등을 고려한다. 그리고 설계한 포장의 설계 공용년수를 입력한다. 설계기

간 동안 유지되어야 할 공용성 기준을 설정한다. 즉, 콘크리트 포장의 피로균열 및

국제평탄성지수(IRI)의 허용기준을 설정한다.

(2) 교통량, 환경조건 및 재료물성과 관련된 입력 변수들을 선정한다. 기본 입력 변수

21

1. 총 칙

도로포장 구조 설계 요령

들을 이용하여 설계에 필요한 각 교통 정보, 온도 정보, 각 층의 재료 물성을 계산

한다.

(3) 불연속면 설계를 수행한다. 줄눈간격, 타이바/다웰바, 줄눈채움재 설계를 진행하고

초기 단면설계 시 가정한 불연속면 설계와 허용 범위 내에 있을 시 다음 단계로

진행한다. 반면 범위 외에 있을 경우에는 다시 줄눈 설계로 되돌아가서 (2)항, (3)

항을 반복 수행한다.

(4) 구조해석을 통해 제안한 응력 예측식을 통해 포장의 구조적 거동(Structural Responses)

을 계산한다. 전체의 설계기간에 대하여 각 축 형태 및 하중에 따른 각각의 한계응력을

반복 계산한다.

(5) 설계프로그램 내 공용성 모형을 이용하여 포장 손상을 계산하고, 전체 설계기간에

대하여 누적된 손상을 계산한다.

(6) 예비설계의 결과가 공용성(피로균열, IRI) 기준에 적합한지를 평가한다.

(7) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 포장단면을 변경한 후 다시 위의 (2)

항부터 (6)항까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지 수행

한다.

(8) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능하여

야 하며, 다른 대안단면들을 추가로 작성한다. 이 대안들에 대한 생애주기비용분석

을 통한 경제성 평가를 실시하여 최적 대안을 선정한다.