370 ❙ 포장공

64

포 장 공

콘크리트 포장 최소두께 설계기준 개선 도로연구실-746

(2014.07.08)

1 추진 배경

□ 콘크리트 포장 설계를 기존 AASHTO설계법에서 한국형포장설계법으로 변경

○ 한국형포장설계법의 개발 : 2001~2011

○ 한국형포장설계법 도로포장 구조설계 요령 제정 : 2011.11

○ 고속도로 적용을 위한 세부 방안의 수립 필요

□ 콘크리트 포장 최소두께 기준 재 산정 필요

○ 과거 AASHTO설계법 적용 시 고속도로 최소두께 기준은 28cm 적용

○ 현재 한국형포장설계법 적용시 최소두께 기준이 없으며, 건설 중이거나

신설 구간의 두께산정결과가 상대적으로 얇은 두께(최소 21cm)로 도출됨

○ 건설 중이거나 신설 구간의 교통량과 중차량 비율은 과거에 비해 낮음

○ 포장 두께설계 이외에 줄눈 간격 및 보강재 설계 시 최소한의 포장 두께 필요

○ 한국형포장설계법으로 콘크리트 포장 두께설계 시 최소두께 기준의 부재로

얇은 두께 파손우려

2 현황 및 문제점

□ 기존 AASHTO설계법과 한국형포장설계법 비교

○ 고속도로 설계변경 대상구간(42개소)에서 동일 입력변수로 설계한 포장두께 비교

○ 대상구간에 대한 한국형포장설계법으로 포장두께 설계 시 줄눈콘크리트포장

(JCP) 평균 24cm, 연속철근콘크리트포장(CRCP) 평균 23cm로 산정됨

○ 과거 사용되던 기존의 AASHTO설계법에서는 두께산정 후 고속도로 서비스수

준과 시공성 등을 고려하여 최소두께 기준인 28cm를 반영하여 실제 설계됨

포장공 ❙ 371

포장공

그림 47. 줄눈콘크리트 포장설계산정두께

비교

그림 48. 줄눈콘크리트 포장 설계두께

비교

□ 설계구간 교통특성 변화

○ 건설 중이거나 신설 구간의 교통량과 중차량 비율은 과거에 비해 낮음

그림 49. 교통량 빈도 비교 그림 50. 중차량 비율 비교

□ 문제점

○ 기존 AASHTO설계 두께와 한국형포장설계 두께 차이가 큼

○ 설계된 두께 22~24cm를 기준으로 두껍게 설계된 구간에서는

한국형포장설계법의 설계 두께가 기존 AASHTO설계법보다 얇게 산정됨

○ 한국형포장설계법으로 콘크리트 포장 두께설계 시 최소두께 기준의 부재로

얇은 두께에 대한 파손우려

372 ❙ 포장공

3 검토 내용

□ 고속도로 특성을 반영한 최소두께 산정방법

○ 최대 하중에 의한 콘크리트 포장의 최대 발생응력 산정

○ 최대 하중은 차량(축)하중과 환경(온도)하중의 합

○ 최소두께는 콘크리트 포장의 발생응력의 총합계가 휨강도 기준인 4.5MPa 이하

를 만족하는 두께로 선정

∙ 차량하중에 대한 응력(Edge Loading Stress)

- Westergaard Equation 사용

∙ 환경하중에 대한 응력(Curling Stress)

- Bradbury Equation 사용

∙ 응력산정 입력변수

- 차량 축하중 : 11ton(차륜 5.5ton)

- 상하부 온도차 : 15℃(시험도로 5, 8, 9월 포장 상하부온도차 측정결과)

※참고문헌 : 안지환 외, 한국도로학회 학술발표, 2002

- 골재의 열팽창계수와 탄성계수는 한국형포장설계법의 사암골재 기준

- 슬래브 두께가 줄어듬에 따라 환경하중에 대한 응력이 커지므로 줄눈간격

을 5m, 4m로 축소하여 검토

- 한국형포장설계법의 줄눈간격은 지역에 따라 7~8m 확대되므로 슬래브 두

께에 따른 응력 검토

포장공 ❙ 373

포장공

구 분

콘크리트

탄성계수

(E)

포아송비

(ν)

열팽창계수

(αt)

노상합성

반력계수

(k)

슬래브

길이

(Lx)

슬래브

폭

(Ly)

적용값 27.6 GPa 0.15 9.0×10-6/℃

300,

700pci

4, 5,

6, 7, 8m

4.1m

□ 고속도로 특성을 반영한 최소두께 산정결과

○ 최대 하중에 대한 포장 두께별 발생 응력 산정

∙ 슬래브길이 : 6m

그림 51. 포장 두께별 발생응력 산정 그림 52. 포장 두께별 발생응력 산정

f_curling : 환경하중에 대한 응력 f_edgeload : 차량하중에 대한 응력

응력(MPa) K=300pci K=700pci

두께(inch) 컬링응력 차륜응력 총합계 컬링응력 차륜응력 총 합계

6 2.54 4.87 7.41 2.58 4.16 6.74

8 2.58 3.07 5.66 2.54 2.68 5.22

9 2.55 2.54 5.10 2.58 2.23 4.80

10 2.48 2.14 4.62 2.58 1.89 4.47

11 2.38 1.83 4.21 2.58 1.62 4.20

12 2.26 1.59 3.85 2.55 1.41 3.96

13 2.13 1.39 3.52 2.50 1.24 3.74

14 1.99 1.23 3.23 2.43 1.10 3.53

16 1.73 0.99 2.72 2.25 0.89 3.14

374 ❙ 포장공

∙ 슬래브길이 : 5m

그림 53. 포장 두께별 발생응력 산정 그림 54. 포장 두께별 발생응력 산정

응력(MPa) K=300pci K=700pci

두께(inch) 컬링응력 차륜응력 총합계 컬링응력 차륜응력 총 합계

6 2.58 4.87 7.45 2.58 4.16 6.74

8 2.46 3.07 5.54 2.58 2.68 5.26

9 2.32 2.54 4.87 2.57 2.23 4.80

10 2.17 2.14 4.31 2.51 1.89 4.40

11 1.99 1.83 3.82 2.42 1.62 4.05

12 1.82 1.59 3.41 2.32 1.41 3.73

13 1.65 1.39 3.05 2.20 1.24 3.44

14 1.48 1.23 2.71 2.07 1.10 3.17

16 1.17 0.99 2.16 1.81 0.89 2.69

∙ 슬래브길이 : 4m

그림 55. 포장 두께별 발생응력 산정 그림 56. 포장 두께별 발생응력 산정

포장공 ❙ 375

포장공

응력(MPa) K=300pci K=700pci

두께(inch) 컬링응력 차륜응력 총합계 컬링응력 차륜응력 총 합계

6 2.48 4.87 7.35 2.58 4.16 6.74

8 2.09 3.07 5.16 2.48 2.68 5.15

9 1.86 2.54 4.41 2.35 2.23 4.57

10 1.65 2.14 3.79 2.20 1.89 4.08

11 1.43 1.83 3.26 2.02 1.62 3.64

12 1.23 1.59 2.82 1.85 1.41 3.27

13 1.05 1.39 2.44 1.69 1.24 2.94

14 0.89 1.23 2.12 1.52 1.10 2.62

16 0.63 0.99 1.62 1.21 0.89 2.10

∙ 슬래브길이 : 7m

그림 57. 포장 두께별 발생응력 산정 그림 58. 포장 두께별 발생응력 산정

응력(MPa) K=300pci K=700pci

두께(inch) 컬링응력 차륜응력 총합계 컬링응력 차륜응력 총 합계

6 2.49 4.87 7.36 2.58 4.16 6.74

8 2.57 3.07 5.64 2.49 2.68 5.16

9 2.58 2.54 5.13 2.51 2.23 4.73

10 2.58 2.14 4.72 2.55 1.89 4.44

11 2.56 1.83 4.39 2.58 1.62 4.20

12 2.50 1.59 4.09 2.58 1.41 4.00

13 2.42 1.39 3.82 2.58 1.24 3.83

14 2.33 1.23 3.57 2.57 1.10 3.68

16 2.13 0.99 3.11 2.50 0.89 3.38

376 ❙ 포장공

∙ 슬래브길이 : 8m

그림 59. 포장 두께별 발생응력 산정 그림 60. 포장 두께별 발생응력 산정

응력(MPa) K=300pci K=700pci

두께(inch) 컬링응력 차륜응력 총합계 컬링응력 차륜응력 총 합계

6 2.48 4.87 7.35 2.58 4.16 6.74

8 2.50 3.07 5.58 2.49 2.68 5.16

9 2.55 2.54 5.09 2.49 2.23 4.72

10 2.58 2.14 4.72 2.49 1.89 4.38

11 2.58 1.83 4.42 2.51 1.62 4.14

12 2.58 1.59 4.17 2.55 1.41 3.96

13 2.56 1.39 3.95 2.57 1.24 3.82

14 2.52 1.23 3.75 2.58 1.10 3.69

16 2.39 0.99 3.37 2.58 0.89 3.47

○ 슬래브 길이를 8~4m로 다양하게 검토한 결과, 린콘크리트 기층을 고려한

합성반력계수(K=700pci)의 경우 포장 두께 26cm(10in)까지 적용 가능함

□ 과적을 고려한 차량 축하중 검토

∙ 응력산정 입력변수

- 차량 축종 및 하중 : Dual Tandem, 15ton/축(150% 초과하중)

- 접지반경 : 19in (기존 6in) (PCA 1996 & Yang H. Huang 1993)

포장공 ❙ 377

포장공

그림 61. Dual Tandem 하중 접지면적

∙최대 하중에 대한 포장 두께별 발생 응력 산정(k=700pci)

두께(inch) 두께(cm) 환경응력

(MPa)

차륜응력

(MPa)

응력합계

(MPa)

6 15 2.49 3.79 6.28

8 20 2.56 2.63 5.19

9 23 2.58 2.27 4.86

10 25 2.61 2.00 4.60

11 28 2.58 1.77 4.36

12 30 2.56 1.59 4.15

13 33 2.49 1.44 3.92

14 36 2.39 1.30 3.70

16 41 2.25 1.09 3.34

그림 62. 포장 두께별 발생응력 산정(k=700pci)

○ 과적을 고려하기 위한 Dual Tandem 축에 150% 초과하중을 재하한 결과 크게

두께변화가 없는 것으로 나타났고 초과하중에 따른 하중재하 면적이

증가하였기 때문으로 판단됨

378 ❙ 포장공

□ 최대 하중에 의한 최소두께 산정 시 응력증가 고려 불가

○ 최대하중 산정시 슬래브 하부와 린 기층의 비부착(Non-Contact) 조건은 고려 안됨

○ 컬링에 의한 콘크리트 포장의 하부지지조건이 비부착 조건으로 변화

○ 비부착 조건이 모사되는 경우 합성된 응력증가는 매우 큼

○ 슬래브 두께가 작을수록 비부착 면적이 커져 응력증가 가중

○ 고려되지 않은 응력증가로 보수적인 최소두께 필요

그림 63. 슬래브 두께에 따른 단부에서의 비부착 길이

□ 고속도로 WIM 측정 결과와 한국형포장설계법 축하중 비교

○ 한국형포장설계법(KPRP) 축하중이 실제 고속도로보다 적게 평가됨

- 축하중 빈도가 상대적으로 낮은 하중에 치중

그림 64. 1축-1바퀴 축하중 분포(Class 6) 그림 65. 3축-2바퀴 축하중 분포(Class 12)

포장공 ❙ 379

포장공

○ 실제 고속도로 축하중 분포를 반영한 공용성 변화

- 한국형포장설계법의 축하중 빈도가 낮음으로 인한 공용성과 실제 고속도로에

서 측정된 축하중의 공용성의 차이가 큼

그림 66. 축하중 차이에 의한 균열율 변화 그림 67. 축하중 차이에 의한 평탄성 변화

○ 상대적으로 얇은 두께에서 공용성 변화폭이 큼

- 한국형포장설계법에서 설계된 얇은 두께의 포장은 축하중의 분포로 발생하는

공용성 차이가 가중됨

그림 68. 26cm 두께에서의 공용성 변화 그림 69. 28cm 두께에서의 공용성 변화

※참고문헌 : 이경배 외, 한국도로학회 논문집, 2014

○ 실제 측정된 고속도로 축하중 분포와 한국형포장설계법에서 사용되는 축하중

차이로 인해 한국형포장설계법에서 설계된 포장두께는 얇게 설계됨

○ 고속도로에 적용할 경우 안전성을 확보하기위한 보수적인 설계두께가 필요

380 ❙ 포장공

□ 최소 포장두께와 유지보수

○ 고속도로 콘크리트포장 줄눈 보수

∙ 제설염에 의한 스폴링 발생시 단면 파단 발생 가능성 높음

- 줄눈부 스폴링 파손 두께 : 5~15cm

그림 70. 줄눈부 파손에 따른 최소 포장두께별 잔여두께

○ 표면 기능성 향상을 위한 다이아몬드 그라인딩

∙ 일반적인 1회 다이아몬드 그라인딩의 최대 절삭 깊이 9mm

∙ 30년 수명일 경우 2~3회 그라인딩 수행시 18~27mm 여유 깊이 필요

□ 최소두께에 따른 줄눈부 검토

○ 줄눈보강재

- 다웰바의 직경은 일반적으로 포장 두께의 1/8을 추천하나 미국의 경우 포장

최소두께 18cm 이상에서는 최소 32mm 직경을 유지함

- 이와 같이 다웰바와 타이바의 설계 및 시공은 기존 방식 준수

※참고문헌 : FHWA, A State of the Practice Manual, 2006

○ 다웰바 시공

- 포장 두께 26cm의 경우 시공시 다웰바 자동삽입기(DBI) 시공을 권장하며 다

웰바 어셈블리 시공시 페이버 다짐봉 깊이 5cm 이하 조정

○ 줄눈간격

- 미국에서 최소두께 26cm를 사용하는 주의 줄눈간격은 4.6~6.1m(15ft~20ft)를

사용하고 있음(ACPA, Agency Practices Explorer, 2014)

- 포장두께가 감소함에 따라 환경하중에 대한 응력(Curling Stress)이 증가하지

만 최소두께 산정시 줄눈간격을 고려하였으므로 기존 줄눈간격 6m를 유지

포장공 ❙ 381

포장공

○ 줄눈 표준도

- 줄눈절삭 깊이 및 다웰바 시공위치 기존과 동일

그림 71. 포장 최소두께 26cm에 대한 가로수축줄눈 표준도(괄호 : 28cm기준, 단위 : mm)

그림 72. 포장 최소두께 26cm에 대한 세로줄눈 표준도(괄호 : 28cm기준, 단위 : mm)

4 개선 방향 및 제안

□ 고속도로 콘크리트 포장(JCP, CRCP)에 있어 최소두께의 합리적인 기준을 제시함

○ 최대 차량하중에 대한 발생응력을 고려한 최소두께의 분석결과를 반영코자 함

○ 컬링에 의한 포장의 하부지지 조건 변화로 추가 응력증가는 고려되지 않음

○ 고속도로의 중차량 및 축하중의 특수성을 반영함

○ 최소두께와 포장 유지보수(줄눈 파손 및 표면 그라인딩)를 고려함

○ 최소두께와 줄눈부 설계 및 시공, 표준도 제시

□ 한국형포장설계법의 적용에 있어 최소 포장두께 반영

○ 현재 설계 및 건설 중인 고속도로 공사에 콘크리트 포장 최소두께 적용

○ 한국형포장설계법을 적용한 포장의 공용자료 부재에 대한 우려 대응

382 ❙ 포장공

□ 고속도로 콘크리트 포장(JCP, CRCP)에 대한 최소두께 기준 변경

구 분 기존 개선

최소두께기준

▪과거 AASHTO-86/93 적용 : 28cm

▪현재 한국형포장설계법 적용 : 없음

26cm

※ 단, 설계자가 필요하다고 판단되는 경우에는 상기값과 계산 두께에 다이아몬

드 그라인딩을 고려하여 2cm를 더한 값 중에 큰 것을 설계두께로 할 수 있음

5 기대 효과

□ 합리적인 최소두께 기준 제시를 통해서 내실 있는 포장두께 설계 및 시공

□ 최소의 두께 설계로 인한 고속도로 포장의 서비스 수준 유지

□ 예측 교통량의 변동 가능성에 대한 구조적 안전율 확보

포장공 ❙ 383

포장공

6 참고 문헌

1. 국토해양부, 2011 도로포장 구조 설계 요령, 2011.11.

2. 안지환, 권수안, 김현욱, 김연복, 하중전달계수 산정과정에서 온도보정모형 개발,

한국도로학회, 학술발표논문집 제4권 1호, pp.177-184, 2002.

3. 이경배, 권순민, 이재훈, 손덕수, 축하중 분포 변화가 콘크리트 포장의 공용성

예측결과에 미치는 영향 연구, 한국도로학회 논문집 Vol.16, No.1, pp.11-19,

2014.02.

4. 한국도로공사, 고속도로공사 전문시방서 - 총칙편/토목편, 한국도로공사, 2012.

5. 한국도로공사, 도로설계요령 -포장편-, 2009.

6. 한국도로공사 도로교통연구원, 콘크리트 포장 하중전달계수 개선 설계심의, 한국

도로공사, 2009.04.

7. AASHTO, AASHTO Interim Guide for the Design of Pavement Structures,

1981.

8. AASHTO, AASHTO Guide for the Design of Pavement Structures, 1986.

9. ACPA(American Concrete Pavement Association), Agency Practices

Explorer, http://apps.acpa.org/apps/APD.aspx, 2014.

10. Kathleen Hall, Long-Life Concrete Pavements in Europe and Canada, FHWA,

PL-07-027, 2007.

11. Peter C. et al., Integrated Materials and Construction Practices for Concrete

Pavement : A State of the Practice Manual, FHWA HIF-07-004, 2006.12.

12. Yang H. Huang, Pavement Analysis and Design, PEARSON Second Edition,

2004.

384 ❙ 포장공