기준 201512_도로포장 구조 설계 요령_제 2장_시멘트 콘크리트 포장 구조 설계
2020.03.11 10:44
도로포장 구조 설계 요령 Ⅱ편
시멘트 콘크리트 포장
구조 설계
목 차
1. 총 칙 ········································································································································ 1
1.1 적용범위 ······························································· 1
1.2 관련규정의 적용 ························································ 4
1.3 용어의 정의 ···························································· 4
2. 사전 설계절차 ·························································································································· 5
2.1 적용범위 ······························································· 5
2.2 설계구간 길이 결정 ····················································· 5
2.3 포장형식 결정 ·························································· 9
2.4 설계등급 결정 ·························································· 9
2.5 설계대안 단면 결정 ···················································· 10
3. 설계입력변수 ·························································································································· 16
3.1 개 설 ································································· 16
3.2 설계등급 1 ···························································· 16
3.2.1 교통량 ···························································· 17
3.2.2 환경특성 ·························································· 18
3.2.3 하부구조 재료물성 ··················································19
3.2.4 시멘트 콘크리트 포장 재료물성 ····································· 19
3.3 설계등급 2 ···························································· 20
3.3.1 교통량 ···························································· 21
3.3.2 환 경 ····························································· 21
3.3.3 하부구조 재료물성 ················································· 21
3.3.4 시멘트 콘크리트 포장 재료물성 ····································· 22
4. 구조 해석 ···························································································································· 28
4.1 개 설 ································································· 28
4.2 유한요소해석 ·························································· 29
4.3 회귀분석식 ··························································· 31
5. 공용성 해석 ···························································································································· 34
5.1 일반사항 ······························································ 34
5.2 공용성 예측 ·························································· 34
5.3 피로균열 ······························································ 35
5.4 스폴링 모형 ····························································36
5.5 국제평탄성지수(IRI) 모형 ···············································37
6. 경제성 분석 ·························································································································· 40
6.1 일반사항 ······························································ 40
6.2 생애주기비용 분석 ····················································· 40
6.3 경제성 분석 방법 ······················································ 42
7. 설계등급 3 ····························································································································· 44
7.1 일반사항 ······························································ 44
7.2 교통조건 ······························································ 44
7.3 노상조건 ······························································ 45
7.4 설계단면 ······························································ 46
8. 연속철근 콘크리트 포장설계 ······························································································ 50
8.1 일반사항 ······························································ 50
8.2 설계 입력 변수 ························································ 50
8.3 구조해석 ······························································ 54
8.4 공용성 예측 ··························································· 55
1. 총 칙
1.1 적용범위
(1) 본 요령은 도로법에 규정된 각종 시멘트 콘크리트 포장도로(고속국도, 일반국
도, 특별시도, 광역시도, 지방도, 시·군·구도)와 기타 일반 공중에 이용되는 중
요 시멘트 콘크리트 포장도로의 단면 설계에 대한 것이다.
(2) 본 요령은 시멘트 콘크리트 포장의 단면 설계에 적용하는데 있어 필요한 사항에
대하여 규정한다.
(3) 본 요령에 따른 포장 단면설계는 해석 프로그램을 이용하여 시행한다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 역학적-경험적 설계 방식은 기존의 경험적 설계와 달리 정
량화된 입력변수와 해석 모형을 바탕으로 포장 거동을 추정하고 경험적인 파손예측 모
형을 통해 공용성을 예측하는 과정을 따른다.
설계 입력변수에 대한 값들을 현장조건에 맞게 결정한 후(예비설계단계), 구조해석모
형을 통해 응력 및 처짐 등과 같은 구조적 거동을 예측한다. 구조적 해석 결과를 이용
하여 균열 및 국제평탄성지수(IRI)를 예측한다. 평탄성의 예측은 초기 건설될 당시의
평탄성과 추정된 균열과 스폴링 등에 의해 결정된다. 설계 신뢰도는 입력변수로서 포
장 파손과 평탄성을 산정하는데 고려된다.
시멘트 콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계과정을 <그림 1.1>에 나타내었고, 중요
한 내용은 다음과 같다.
(1) 포장 구조 설계하는 지역의 상태에 적합한 초기 단면 설계(Trial Design)를 한
다. 교통량, 기후조건, 토질조건, 포장층의 조합, 시멘트 콘크리트 및 다른 재료
물성, 그리고 설계 및 시공 조건 등을 고려한다.
(2) 해석에 필요한 교통량, 재료, 기후 등의 인자들에 대한 월별 입력값을 산정한다.
(3) 설계 종료 시 유지되어야 할 균열 및 국제평탄성지수(IRI)에 대한 허용기준을
선정한다.
(4) 불연속면 설계를 수행한다. 줄눈간격, 타이바/다웰바, 줄눈채움재 설계를 진행하
고 초기 단면설계 시 가정한 불연속면 설계와 허용 범위 내에 있을 시 다음 단
계로 진행되는 반면 범위 외에 있을 경우, 다시 줄눈 설계로 되돌아가서 (2)항,
(4)항을 반복 수행한다.
(5) 본 설계에서 제시된 회귀분석식을 이용하여 포장의 구조적 거동(Structural
Responses)을 계산한다. 전체의 설계기간에 대하여 각 축 형태 및 하중에 따른
각각의 한계응력을 반복 계산한다.
(6) 개발한 피로손상(Fatigue Damage)모형을 이용하여 매월별로 포장의 손상을 예
측한다.
(7) 전체의 설계기간에 대하여 매월별로 누적된 손상을 계산한다.
(8) 누적 손상을 이용하여 시멘트 콘크리트 포장의 균열율을 계산한다. 더불어 추정
된 스폴링과 균열율을 이용하여 해당 년도의 평탄성을 계산한다.
(9) 예비설계의 기대 공용성을 주어진 신뢰도 수준에서 적합한지를 평가한다.
(10) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 설계를 변경한 후 다시 위의 (3)
항부터 (9)항까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지
수행한다.
(11) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능
하여야 한다. 다른 대안단면들을 추가로 작성한 후, 각 대안단면들의 생애주기
비용분석 및 경제성 분석을 수행하여 최적 대안을 선정한다.
<그림 1.1> 시멘트 콘크리트 포장의 역학적-경험적 설계 절차
1.2 관련규정의 적용
본 요령에 규정되어 있지 않은 사항은 국토교통부의「「국도건설공사설계실무요
령」, 한국도로공사의「고속도로설계실무지침서」중 시멘트 콘크리트 포장 도로
설계관련 규정에 따른다.
1.3 용어의 정의
「구속응력」이라함은 일반적으로 물체의 변형이나 운동을 구속하여 생기는 응력
을 말한다.
「다웰바(Dowel Bar)」라 함은 시멘트 콘크리트 포장에서 두 콘크리트 슬래브
이음부(줄눈)의 전단 및 휨 보강을 위해 설치하는 강봉을 말한다. 하중전달장치의
역할을 하며 수축 팽창을 원활하게 하기위해 한쪽을 미끄러질 수 있도록 매설한다.
「린콘크리트(빈배합콘크리트)」라 함은 단위시멘트량이 140 ~ 230kg/㎥으로 비
교적 시멘트 사용량이 적은 배합의 콘크리트을 말하며, 7일 압축강도가 5MPa 정
도이다.
「복합지지력계수」라 함은 슬래브 바로 아래에 가상의 재하판이 놓였다고 가정하고
이 가상의 재하판으로 부터 얻게 되는 슬래브 하부의 전체적인 지지력을 말한다.
「쇄석기층」이라 함은 쇄석을 이용한 도로포장 기층을 말한다.
「스폴링(Spalling)」이라 함은 스폴링은 시멘트 콘크리트 포장의 가로줄눈 및 세
로줄눈과 무작위 임의균열에 발생하기 쉬운 파손의 한 형태를 말한다.
「열팽창계수」라 함은 온도변화에의 한 재료길이의 변화를 나타내는 양으로서,
단위온도가 상승하였을 때 단위길이의 재료가 늘어나는 길이로 표시하며, 각 재료
마다 고유의 열팽창계수를 가진다.
「열화현상(Deterioration)」라 함은 재료의 능력이 떨어지는 현상으로, 콘크리트
의 경우 균열이 생기거나 철근이 녹스는 현상을 말한다.
2. 사전 설계절차
2.1 적용범위
(1) 도로포장의 설계구간 연장 결정에 적용한다.
(2) 도로포장의 형식 결정에 적용한다.
(3) 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계등급 결정에 적용한다.
(4) 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계대안 단면결정에 적용한다.
2.2 설계구간 길이 결정
(1) 설계구간 길이는 교통량을 우선으로 결정, 동일 교통량 구간 내에는 노상재료
의 탄성계수에 기초하여 결정한다.
(2) 최소 포장설계구간 길이는 750m로 한다. 최소 포장설계구간은 성토부를 기준
으로 한다. 단, 절토부는 성토부의 포장단면을 연장하는 것을 원칙으로 한다.
(3) 포장설계구간 길이 결정을 위해서는 포장두께 결정이 선행되어야 하며, 포장
두께 결정은 설계등급에 따라 이루어진다.
【해 설】
일정두께의 포장단면을 유지하는데 필요한 포장설계구간 연장을 결정한다. 포장단
면은 교통량 또는 하부구조의 탄성계수가 급격히 변하지 않는 한 동일단면을 유지한
다. 포장단면을 짧은 구간에서 여러 번 변화시키는 것은 시공을 번잡하게 하고 시공단
가를 상승시키며 시공불량을 초래할 수 있다. 포장설계구간 연장은 교통량을 우선으로
결정하며, 동일 교통량 구간내에서는 설계입력물성치인 노상재료의 탄성계수에 기초하
여 결정한다. 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료는 선별된 재료원으로부터 획
득함으로 동일 생산된 재료의 탄성계수 차이가 크지 않다.
단면두께를 일정하게 유지하는 최소 포장설계구간 연장(기본구간)은 750m로 한다.
최소 포장설계구간은 성토부를 기준으로 하며, 절토부는 성토부의 포장단면을 적용하
는 것을 원칙으로 한다.
포장설계구간 연장 결정을 위해서는 포장두께 결정을 위한 절차가 선행되어야 한다.
포장두께 결정은 설계입력값으로서 노상과 입상보조기층 및 입도조정 쇄석재료에 대한
탄성계수 결정(설계등급 1 및 설계등급 2만 해당)을 통해 이루어진다. 여기에서 노상
의 탄성계수 결정을 위해 예상 도로선형 통과구간 지역 또는 토취장에서 노상재료로
사용할 수 있는 흙 시료를 필요한 수량만큼 채취하여야 한다. 노상재료를 사용하여 탄
성계수를 결정하기 위해서는 시험굴(Test Pit)조사를 통해 충분한 양의 교란된 흙 시
료를 확보하고, 탄성계수 결정에 필요한 시험을 부록 2. 「포장 하부구조 재료의 설계
입력변수 평가 시험법」에 따라 계획적으로 실시하여야 한다. 시험굴 조사는 예정 토
취장에서 최소 5개소 또는 예상 도로선형 통과구간 지역의 절토부에서 250m 간격으로
실시한다. 시험굴 조사에 대한 상세한 내용은 「도로공사 지반조사 기준」을 참조한다.
설계등급 1에서는 시험굴 당 최소 6개의 삼축압축시험을 위한 시편을 제작할 수 있
는 양의 흙 시료를 확보하여야 하며, 설계등급 2에서는 탄성계수 결정을 위한 기초물
성시험에 사용할 충분한 양의 흙 시료를 채취하여야 한다. 충분한 양의 흙 시료를 확
보하지 못할 경우 시편수의 감소에 따라 단면의 증가를 초래하여 비경제적인 도로설계
를 초래할 수 있음에 유의하여야 한다. 시험용 흙 재료로부터 시험굴 당 1개씩의 평균
설계 탄성계수(Eavg)가 확보되면 서로 인접한 시험굴 위치에서의 평균 설계 탄성계수를
비교하여 단면변화 여부를 결정한다.
설계등급 1에서는 아래의 절차에 따라 포장설계단면과 포장단면연장을 결정한다.
1) 하부구조 설계입력 물성 평가
① 설계대상 구간에서 선정 채취된 노상토 및 예상 재료원으로부터 획득된 입상 보조
기층, 입도조정기층인 쇄석기층 재료에 대하여 삼축압축시험을 실시한다.
② 삼축압축시험 결과를 이용하여 하부구조 구성재료의 탄성계수를 결정한다.
2) 포장설계구간 연장 결정
① 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 대표탄성계수를 이용하
여 해당 기본구간(750m)에서의 포장단면을 결정한다.
② 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 탄성계수 변화를 검토하
여 하나의 포장단면으로 설계하는 구간 연장을 아래의 순서에 따라 결정한다.
- 연접 설계구간과 해당 설계구간 사이 노상의 평균 탄성계수비가 세 배 미만
이면 탄성계수가 작은 구간의 포장 단면을 연접구간까지 연장한다.
- 만일 연접 두 구간에서의 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하면 두
구간의 평균 탄성계수를 이용하여 포장단면을 각각 달리 설계한다.
- 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하는 경우라도 하나의 구간 연장이
750m 이하이면 별도의 설계구간으로 구분하지 않는다.
③ 예외조항
- 구조물과 토공 구간의 접속부 또는 흙쌓기와 흙깎기 경계 구간 등은 시공성
을 고려하여 단면두께를 달리할 수 있다.
- 불연속구간에 대한 포장단면 결정은 별도로 규정한다 (「노면 불연속구간 설
계지침」 참조).
- 터널구간의 포장단면 결정은 별도로 규정한다(「터널내 포장설계지침」참조).
설계등급 2에서는 아래의 절차를 이용하여 포장설계 단면과 포장단면 연장을 결정한다.
1) 하부구조 설계입력 물성 평가
① 설계대상 구간에서 선정 채취된 노상토 및 예상 재료원으로부터 획득된 입상 보조
기층, 입도조정 쇄석기층 재료에 대하여 다짐시험과 체가름 시험 등 기초 물성시
험을 수행한다.
② 기초 물성시험 결과를 이용하여 하부구조의 모델계수 k1, k2, k3를 결정한다.
③ 하부구조 모델계수와 20개의 응력조합(부록 2.「포장 하부구조 재료의 설계입력변
수 평가 시험법」참조)을 이용하여 평균 설계 탄성계수를 결정한다.
2) 포장단면 연장 결정
① 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 평균 설계 탄성계수를
이용하여 해당 기본 구간(750m)에서의 포장단면을 결정한다.
② 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 탄성계수 변화를 검토하
여 하나의 포장단면으로 설계하는 구간 연장을 아래의 순서에 따라 결정한다.
- 연접 설계구간과 해당 설계구간 사이의 평균 탄성계수비가 세 배 미만이면
탄성계수가 작은 구간의 포장단면을 연접구간까지 적용한다.
- 만일 연접 두 구간에서의 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하면 두
구간의 대표 탄성계수를 이용하여 포장단면을 각각 달리 설계한다.
- 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하는 경우라도 하나의 구간 연장이
750m 이하이면 별도의 설계구간으로 구분하지 않는다.
③ 예외조항
- 구조물과 토공 구간의 접속부 또는 흙쌓기와 흙깎기 경계 구간 등은 시공성
을 고려하여 단면두께를 달리할 수 있다.
- 불연속구간에 대한 포장단면 결정은 별도로 규정한다 (「노면 불연속구간 설
계지침」참조)
- 터널구간의 포장단면 결정은 별도로 규정한다(「터널내 포장설계지침」참조).
<그림 2.1> 포장설계구간 연장 결정 절차
2.3 포장형식 결정
도로포장 구조 설계 초기에 적합한 포장 형식(아스팔트 콘크리트 포장 또는 시멘
트 콘크리트 포장)을 선정하도록 한다. 포장 형식 선정을 위해 공용성을 고려한
생애주기비용분석을 통해 비용 효율적인 포장형식을 결정한다.
【해 설】
포장형식 결정에 관한 설명은 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령 2.3
포장형식결정」의 해설편을 참조한다.
2.4 설계등급 결정
(1) 도로포장 구조 설계에서는 도로의 중요도와 교통량 등에 따라 설계등급을 결
정한다.
(2) 설계등급은 설계등급 1, 설계등급 2 및 설계등급 3으로 구분하여 각각의 설계
등급에 따라 재료물성 및 교통량을 결정한다.
(3) 필요에 따라 설계입력변수 중 일부를 상위등급의 방법으로 결정하여 사용할
수 있다.
【해 설】
설계등급 결정에 관한 본 요령 「Ⅰ편 아스팔트 콘크리트 구조 설계요령 2.4 설계등
급 결정」의 해설편을 참조한다.
2.5 설계대안 단면 결정
(1) 포장형식 선정 후 각 포장의 기본설계 단면으로부터 설계대안 단면을 최소 3
개 이상 결정한다.
(2) 기본단면은 고속국도, 일반국도, 지방도로 구분하여 <그림 2.1>과 같이 적용한다.
(3) 설계대안 중 표층 재료는 시멘트 콘크리트 혼합물을 사용한다. 표층에 사용되
는 시멘트 콘크리트 혼합물용 골재는 40mm 또는 32mm를 사용할 수 있으며
포틀랜드 시멘트(1종~5종), 특수시멘트, 혼합시멘트를 사용할 수 있다.
(4) 설계대안 중 기층 재료는 빈배합 콘크리트 골재의 표준입도를 사용한다.
(5) 설계대안 중 보조기층 재료는 입도번호 SB-1, SB-2를 사용할 수 있다.
(6) 포장재료 물성과 교통량은 “제3장 설계입력변수”에 의해 결정한다.
(7) 설계대안 단면에 대한 구조해석(제4장)과 공용성해석(제5장)을 통해 기준에
적합한 설계대안 단면들을 선정한다.
(8) 선정된 설계대안 단면들의 경제성 분석(제6장)을 통해 최적의 단면을 결정한다.
【해 설】
가. 기본단면 설정
포장형식이 선정되면 각 형식의 기본 단면으로부터 설계대안 단면을 결정한다. 각각
의 기본단면은 <그림 2.1>과 같다. 기본단면으로부터 각 포장형식별 대안설계 방법을
통해 다양한 대안을 수립할 수 있다.
<그림 2.2> 시멘트 콘크리트 포장의 기본 설계 단면
나. 대안단면 결정
임의로 결정한 기본단면의 두께를 <그림 2.3>에서 나타난 절차에 따라 포장층 두께
를 변화시켜 대안을 결정한다. 이 때 각 층의 기본 물성을 설계 해석 프로그램에 입력
한 결과로 얻어진 공용성 데이터를 바탕으로 대안을 작성한다.
<그림 2.3> 대안 단면에 대한 해석 절차
앞 절의 포장형식선정 논리를 통하여 포장의 형식이 시멘트 콘크리트 포장으로 선정
되었을 경우, 주어진 예비단면에 대한 구조해석과 공용성 해석을 반복적으로 수행하면
서 최적의 단면을 찾는 과정을 거치게 된다.
1) Step 0. 시멘트 콘크리트 구조해석 및 공용성 평가를 통한 수명산정
① 초기 설계단면을 이용하여 각 층의 두께, 물성 등을 산정한다.
② 산정된 두께와 물성을 이용하여 시멘트 콘크리트 포장설계 해석 프로그램을 이
용하여 공용성을 평가한다.
③ 공용성 평가결과에 따라 합리적인 시멘트 콘크리트 포장 구조체 설계단면을 산정한다.
③-1 <그림 2.4>의 왼쪽 그림과 같이 공용성 평가결과로부터 산정된 수명이 실제
설계수명보다 클 경우, Step 1.로 이동하여 단면을 감소시킨다.
③-2 공용성 평가결과로부터 산정된 수명과 실제 설계수명이 20% 이내의 차이를
보일 경우, Step 3.으로 이동하여 경제성 분석을 위한 대안단면으로 선정한다.
③-3 <그림 2.4>의 오른쪽 그림과 같이 공용성 평가결과로부터 산정된 수명이
실제 설계수명보다 작을 경우, Step 2.로 이동하여 단면을 증가시킨다.
공용성 공용성
설기계준 설기계준
설계년 수공용
공년용수 설계년 수공용 공년용수
<그림 2.4> 과소 설계 및 과다 설계 예시
2) Step 1. 과다설계
① 상황에 맞는 설계자의 판단에 의하여, 표층을 변경하고자 할 경우 2번 단계로
이동하고, 기층을 변경하고자 할 때는 3번 단계로, 보조기층을 변경하고자 할
때는 4번 단계로, 줄눈 간격을 변경하고자 할 경우는 5번 단계로 이동한다.
② 표층의 재료를 하향시킬 수 있을 경우, 하향시키고자 하다면 ②-1번 단계로 이동한
다. 표층의 재료를 하향시킬 수 없는 경우, 혹은 하향하고 싶지 않을 경우에는 ②
-2번 단계로 이동한다.
②-1 표층의 재료를 하향시켜 변경한 후 Step 0. 으로 이동하여 구조해석 및 공
용성 재평가를 실시한다.
②-2 표층의 두께를 3cm 감소시킨다. 감소된 두께가 시멘트 콘크리트 포장구조체
설계기준에 제시된 표층의 최소두께보다 클 경우에는 Step 0. 으로 이동하여
구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 감소시킨 표층의 두께가 최소두
께보다 작을 경우 표층의 두께는 원래의 두께로 되돌린 후 2번 단계로 이동하
여 재료를 하향시키거나, 1번 단계로 이동하여 다른 층의 변경을 모색한다.
③ 기층의 재료를 하향시킬 수 있을 경우, 하향시키고자 하다면 ③-1번 단계로 이
동한다. 기층의 재료를 하향시킬 수 없는 경우, 혹은 하향하고 싶지 않을 경우에
는 ③-2번 단계로 이동한다.
③-1 기층의 재료를 하향시켜 변경한 후 Step 0. 으로 이동하여 구조해석 및 공
용성 재평가를 실시한다.
③-2 기층의 두께를 5cm 감소시킨다. 감소된 두께가 시멘트 콘크리트 포장구조체
설계기준에 제시된 기층의 최소두께보다 클 경우에는 Step 0. 으로 이동하여
구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 감소시킨 기층의 두께가 최소두
께보다 작을 경우 기층의 두께는 원래의 두께로 되돌린 후 3번 단계로 이동하
여 재료를 하향시키거나, 1번 단계로 이동하여 다른 층의 변경을 모색한다.
④ 보조기층의 두께를 10cm 감소시킨다. 감소된 두께가 시멘트 콘크리트 포장 구조
체 설계기준에 제시된 보조기층의 최소두께보다 클 경우에는 Step 0. 으로 이동
하여 구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 감소시킨 보조기층의 두께가
최소두께보다 작을 경우 보조기층의 두께는 원래의 두께로 되돌린 후 1번 단계
로 이동하여 다른 층의 변경을 모색한다.
⑤ 줄눈 간격을 50cm 증가시킨다. 증가된 줄눈 간격이 시멘트 콘크리트 포장 구조
체 설계기준에서 제시된 줄눈 최대 간격보다 작을 경우에는 Step 0. 으로 이동
하여 구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 증가시킨 줄눈 간격이 최대
간격보다 클 경우 줄눈을 원래의 간격으로 되돌린 후 1번 단계로 이동하여 포장
층 두께의 변경을 모색한다.
3) Step 2. 과소설계
① 상황에 맞는 설계자의 판단에 의하여, 표층을 변경하고자 할 경우 2번 단계로
이동하고, 기층을 변경하고자 할 때는 3번 단계로, 보조기층을 변경하고자 할
때는 4번 단계로, 줄눈 간격을 변경하고자 할 경우는 5번 단계로 이동한다.
② 표층의 재료를 상향시킬 수 있을 경우, 상향시키고자 한다면 2-1번 단계로 이동
한다. 표층의 재료를 상향시킬 수 없는 경우, 혹은 상향하고 싶지 않을 경우에는
2-2번 단계로 이동한다.
②-1 표층의 재료를 상향시켜 변경한 후 Step 0. 으로 이동하여 구조해석 및 공
용성 재평가를 실시한다.
②-2 표층의 두께를 3cm 증가시킨다. 증가된 두께가 시멘트 콘크리트 포장 구조
체 설계기준에 제시된 표층의 최대두께보다 작을 경우에는 Step 0. 으로 이
동하여 구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 증가시킨 표층의 두께
가 최대두께보다 클 경우 표층의 두께는 원래의 두께로 되돌린 후 2번 단계
로 이동하여 재료를 상향시키거나, 1번 단계로 이동하여 다른 층의 변경을
모색한다.
③ 기층의 재료를 상향시킬 수 있을 경우, 상향시키고자 하다면 ③-1번 단계로 이동
한다. 기층의 재료를 상향시킬 수 없는 경우, 혹은 상향하고 싶지 않을 경우에는 ③
-2번 단계로 이동한다.
③-1 기층의 재료를 상향시켜 변경한 후 Step 0. 으로 이동하여 구조해석 및 공
용성 재평가를 실시한다.
③-2 기층의 두께를 5cm 증가시킨다. 증가된 두께가 시멘트 콘크리트 포장 구조체
설계기준에 제시된 기층의 최대두께보다 작을 경우에는 Step 0. 으로 이동하
여 구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 증가시킨 기층의 두께가 최
대두께보다 클 경우 기층의 두께는 원래의 두께로 되돌린 후 3번 단계로 이동
하여 재료를 상향시키거나, 1번 단계로 이동하여 다른 층의 변경을 모색한다.
④ 보조기층의 두께를 10cm 증가시킨다. 증가된 두께가 시멘트 콘크리트 포장구조
체 설계기준에 제시된 보조기층의 최대두께보다 작을 경우에는 Step 0. 으로 이
동하여 구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 증가시킨 보조기층의 두께
가 최대두께보다 클 경우 보조기층의 두께는 원래의 두께로 되돌린 후 1번 단계
로 이동하여 다른 층의 변경을 모색한다.
⑤ 줄눈 간격을 50cm 감소시킨다. 감소된 줄눈 간격이 시멘트 콘크리트 포장 구조
체 설계기준에서 제시된 줄눈 최소 간격보다 클 경우에는 Step 0. 으로 이동하
여 구조해석 및 공용성 재평가를 실시한다. 만일 감소시킨 줄눈 간격이 최소 간
격보다 작을 경우 줄눈을 원래의 간격으로 되돌린 후 1번 단계로 이동하여 포장
층 두께의 변경을 모색한다.
4) Step 3. 여러 대안단면의 경제성 분석을 통한 최적단면의 선정
① Step 0에서 Step 2 의 과정에 의하여 산정된 적절한 대안단면들을 생애주기비용
(LCC, Life Cycle Cost) 기법에 의한 경제성 분석을 실시한다.
② 경제성 분석을 통하여 최적의 단면을 선정한다.
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 재료물성으로 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.
3.2.1 교통량
(1) 도로포장 구조 설계에서는 교통량 산정을 위하여 차종별 축하중 분포를 이용한다.
(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.
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.
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
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.
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】
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,
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)
(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
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 나누었다.
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
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 않았다.
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.
4.1 일반사항
(1) 구조해석은 선정된 설계대안 단면에 대하여 교통 및 환경특성에 따른 포장체
의 거동(변형과 응력)을 분석하는 것으로, 설계입력변수와 공용성을 연결하는
고리 역할을 한다.
(2) 구조해석은 스프링위에 놓인 평면쉘(Plane Shell on Spring)이론을 사용한
유한요소해석 결과로부터 얻어진 회귀분석식을 이용한다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 주요 공용성 기준인 균열과 평탄성은 포장체 내부에 발생하
는 응력에 큰 영향을 받는다. 포장체 내에서의 응력은 콘크리트 슬래브의 두께, 하중
의 크기, 접지면적, 재료의 물성 및 환경조건 등에 의하여 결정되는데, 도로포장 구조
설계의 시멘트 콘크리트 포장에서는 이들 응력을 계산하기 위해서 스프링위에 놓인 평
면 쉘 이론을 바탕으로 한 유한요소해석을 이용한다. 유한요소 해석은 특정조건에서의
응력을 비교적 정확하게 계산하는 것으로 알려져 있으나, 다양한 조건을 고려한 장기
거동을 해석하기에는 상당한 시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 포장의 장기 공용
성이 중요한 인자가 되는 시멘트 콘크리트 포장의 설계에서는 유한요소해석 프로그램
을 이용한 결과를 이용하여 구축된 회귀분석식을 이용한다.
4.2 유한요소해석
(1) 유한요소해석은 포장 체가 수많은 요소로 구성되었다고 가정한 후 절점을 이
용하여 요소들을 상호 연결하고 이들 절점이 갖고 있는 물리량에 대한 연립방
정식을 작성하여 중첩함으로써 시멘트 콘크리트 포장 전체에 대한 해를 찾는
방법을 말한다.
(2) 유한요소해석 모형으로 스프링위에 놓여 있는 평면쉘을 사용하여, 시멘트 콘
크리트 포장 층은 평면쉘로, 하부구조는 스프링으로 모델한다.
(3) 시멘트 콘크리트 포장 층은 선형탄성, 등방, 균질하다는 가정을 전제로 한다.
(4) 유한요소해석을 이용한 시멘트 콘크리트 포장의 구조해석 절차는 해설에 따른다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 구조해석은 상용 유한요소 해석 프로그램을 사용할 수 있
다. 도로포장 구조 설계 해석 프로그램에서는 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하
여, 다양한 경우의 수의 포장 구조 해석을 수행한 후에 이 결과를 바탕으로 포장 구조
체의 응력을 예측한 회귀방정식을 사용한다. 도로포장 구조 설계 해석 프로그램 사용
자의 입장에서는 유한요소 해석을 직접수행 필요는 없으나, 해석결과 도출에 사용된
여러 가지 가정들을 명시함으로서 구조해석의 조건과 범위를 명확히 하고자 한다.
(1) 구조해석 모델
시멘트 콘크리트 포장의 구조해석 모델로서는 <그림 4.1(b)>에 보이는 스프링 위에
놓여있는 평면쉘 요소를 사용한다. 이는 <그림 4.1(a)>에 보이는 실제 포장 구조체를
이상화 한 모델로서 일반적으로 시멘트 콘크리트 포장 구조해석에 사용되는 모델이다.
<그림4.1(a)>의 콘크리트 슬래브는 평면쉘로 모델을 하고, 그 이하 하부 구조체는 각
층의 두께 및 탄성계수를 이용하여 유효 복합 강성으로 변환하여 스프링 모델계수로서
사용한다.
(a) 콘크리트 포장 구조체 예제 (b) 구조해석 모형
<그림 4.1> 시멘트 콘크리트 포장 구조해석 모형
(2) 유효복합강성
유효복합 강성은 시멘트 콘크리트 포장의 하부 구조를 유한요소해석방법 또는 다층
탄성해석방법을 이용하여 모델링 한 후에, 구조해석을 통하여 계산한 하중-변형관계로
부터 도출한다. 본 설계 요령에서는 다양한 조합의 하부구조를 해석한 결과를 바탕으
로 유효복합강성을 도출하며, 이를 효과적으로 이용하기 위해서 유효복합강성과 하부
구조의 두께 및 탄성계수와의 관계를 나타내는 회귀분석식을 구한다. 이 회귀분석식으
로부터 구한 유효복합강성은 시멘트 콘크리트 포장 구조해석 시 스프링의 계수로 사용
할 수 있다.
(3) 환경하중
온도하중은 3.2.1에서 제공하는 시멘트 콘크리트 층의 깊이에 따른 온도변화를 칭한다.
이 온도변화는 콘크리트 슬래브의 상향 또는 하향컬링을 발생시키며, 이때 발생하는 경계
조건의 변화와 자중에 의해 슬래브 내부에 응력이 발생한다. 이 응력은 교통하중에 의해
발생하는 응력과 더불어 시멘트 콘크리트 슬래브에 발생하는 최종 응력값을 구할 때 고려
해 주어야 한다.
(4) 교통하중
교통하중은 구조해석시 사용되는 차량의 축하중을 의미하며, 시멘트 콘크리트 슬래
브의 컬링형태에 따라 하중적용 방식이 다르다. 하향컬링 발생시에는 슬래브의 중앙단
부에 축하중을 가하여 구조해석을 수행하며, 상향컬링 발생시에는 슬래브의 중앙단부
를 기준으로 대칭적인 위치에 두 개의 축하중을 가하여 구조해석을 수행한다. 각 축하
중의 크기와 축간 거리는 차량의 종류 및 총중량에 따라 다르며 <부록 1>의 “도로 등
급별 축하중 분포”를 따른다.
4.3 회귀분석식
(1) 회귀분석식 및 계수는 주어진 변수에 대한 유한요소해석 결과를 이용하여
결정된 것으로 구조해석에 소요되는 시간을 단축시키기 위하여 사용할 수 있다.
(2) 회귀분석식은 유한요소해석에 이용된 변수들의 범위내에서 유의한 결과를 도출한다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 공용성 평가에는 시멘트 콘크리트 슬래브 내의 발생하는 최
대응력이 이용되는데, 이들 응력의 정확한 값을 얻기 위해서는 역학적 구조해석이 필
요하다. 유한요소해석은 주어진 조건에서 시멘트 콘크리트 포장의 거동을 정확하게 예
측하는 것으로 알려져 있으나, 다양한 포장층 재료의 물성, 하중조건을 장기간으로 해
석하는 포장설계에서는 이 해석을 실용적으로 사용하기에 어려운 점이 있다. 따라서
도로포장 구조 설계에서는 다양한 조건에 대한 유한요소 해석결과를 바탕으로한 회귀
분석식을 <표 4.1>같이 제안하며 회귀계수는 <표 4.2>~<표 4.4>와 같다.
<표 4.1> 다중회귀분석식
상향컬링시
교통하중에 의한 응력 2 3 4 5 6 7 8 9
1 1 2
σ = a × k a × Pa × P a × Ea × ha × LTEa × La × AXLa
하향컬링시
교통하중에 의한 응력 2 3 4 6
1
σ = b × kb × Pb × Eb × ha
온도하중에 의한 응력
(상향,하향컬링 동일) σ =10c1 × Lc2 ×ΔT c3 × k c4 × hc5 × Ec6 ×α c7
<표 4.2> 다중회귀계수 (상향컬링시 교통하중에 의한 응력)
회귀계수 뒷축형태 - 복축 복륜 뒷축형태 - 단축 복륜
a1 10.209 11.830
a2 -0.217 -0.350
a3 0.381 0.562
a4 0.618 0.345
a5 0.248 0.381
a6 -1.330 -0.933
a7 -0.073 -0.131
a8 -0.240 -0.499
a9 N/A -0.618
<표 4.3> 다중회귀계수 (하향컬링시 교통하중에 의한 응력)
회귀계수 단축 단륜 단축 복륜 복축 복륜
b1 99.236 54.241 10.982
b2 -0.159 -0.187 -0.247
b3 0.999 1.000 1.000
b4 0.159 0.188 0.242
b5 -1.604 -1.497 -1.309
<표 4.4> 다중회귀계수 (온도에 의한 응력)
회귀계수 하향컬링 상향컬링
c1 1.665 1.824
c2 1.477 1.976
c3 0.648 0.471
c4 -0.822 -0.849
c5 0.124 0.084
c6 0.450 0.342
c7 0.572 0.426
위에서 제시한 회귀분석식에 사용된 재료의 물성, 하중조건, 포장체의 길이 및 두께 등의
유효 범위는 <표 4.5>와 같다.
<표 4.5> 다중회귀 모형계수 결정된 주요 변수의 범위
슬래브 길이 4~6m
슬래브 두께 25~35cm
슬래브 탄성계수 20~40GPa
슬래브 열팽창 계수 7.2×10-6~14.4×10-6/℃
유효복합강성 54~433 MPa/m
슬래브 상하부 온도차 -25~+25 ℃
5.1 일반사항
(1) 공용성 해석은 선정된 설계대안 포장체가 교통, 환경특성 등 주어진 조건
하에서 시간에 따라 공용성이 저하되는 정도를 예측하는 단계이다.
(2) 도로포장 구조 설계에서 시멘트 콘크리트 포장의 공용성은 피로균열과 평탄
성을 대상으로 한다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 공용성 해석은 포장체의 구조해석으로부터 얻어진 응력을
공용성 모델에 입력하여 상하향 피로균열, 포장 평탄성의 저하 정도를 예측하는 과정
이다. 피로균열의 경우, 구조해석에서 구한 인장응력을 입력값으로 하여 공용성을 예
측한다. 누적된 피로균열, 예측된 스폴링, 시멘트 콘크리트 포장 재령(Age)에 근거하
여 포장 평탄성을 예측한다. 공용기간동안 산정한 누적피로균열, 누적영구변형 및 평
탄성을 예측하여 설계기준보다 작을 때까지 재료물성이나 포장단면을 변화하여 반복
설계를 수행한다.
5.2 공용성 예측
(1) 시멘트 콘크리트 포장의 공용성 예측은 상향균열, 하향균열, 스폴링 및
평탄성 예측모델을 이용하여 설계 해석 프로그램에서 자동으로 수행된다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 공용성 예측모델은 실내 피로균열 시험으로 도출한 피로모
형식을 사용하며, 실내시험에서 구한 피로모형식과 현장에서 측정한 상하향 피로균열
공용성을 비교 분석하여 전이함수를 도출한다. 도출된 전이함수를 고려한 예측식을 이
용하여 시멘트 콘크리트 포장의 공용성을 예측한다. 누적 상하향 피로균열율이 설계기
준을 초과할 경우에는 포장단면과 재료물성을 변화하여 설계기준을 만족시킬 때까지
계산을 반복 수행한다. 마지막으로, 산정된 누적 상하향 피로균열율 설계기준 내에 있
을 때, 피로균열 결정하며, 이때의 공용수명을 결정한다.
시멘트 콘크리트 포장의 표면 평탄성은 국제평탄성지수(IRI, International
Roughness Index, m/km)로 나타내며, 포장재령, 피로균열율, 스폴링을 변수로 하는
경험식을 통해 계산된다. 설계기준보다 작은 국제평탄성지수(IRI) 값이 산출되어야 타
당한 설계가 된다.
시멘트 콘크리트 포장 공용성은 설계 해석 프로그램 내에서 자동으로 수행된다.
5.3 피로균열
(1) 피로균열은 환경하중이 가해진 포장에 반복되는 교통하중에 의해 시멘트 콘크
리트 표층에 손상이 누적되어 발생하며, 시멘트 콘크리트 포장의 공용성에 영
향을 주는 주요한 파손 형태이다.
(2) 시멘트 콘크리트 포장의 피로균열 설계기준은 피로균열률(%)로 나타내며, 피
로균열은 해석기간 동안 전체 슬래브 중 피로균열이 발생한 슬래브의 백분율
로 나타낸다. 시멘트 콘크리트 포장의 피로균열은 설계등급 1의 경우 15% 이
하, 설계등급 2의 경우 20% 이하를 설계기준으로 한다
【해 설】
피로균열이 발생하는 위치에 따라 상향균열(Bottom-up Crack)과 하향균열
(Top-down Crack)로 나누며, 상향균열은 콘크리트 슬래브 하부에서 발생하여 상부로
전이하고 하향균열은 콘크리트 슬래브 상부에서 발생하여 하부로 전이한다.
피로균열은 반복하중에 의해 생성되는 최대인장응력 발생하는 곳에서 나타나게 된
다. 피로균열은 콘크리트 슬래브의 강성과 교통하중 배열에 의해 크게 영향을 받으며,
누적된 손상에 의하여 콘크리트 슬래브에 횡방향 균열이 발생한다.
시멘트 콘크리트 포장의 피로균열은 마이너의 법칙(Miner's law) 근거하여 누적피로
균열 손상도를 계산한다. 계산된 누적손상도를 이용하여 예측 피로균열율 계산하고 현
장의 피로균열과 비교하여 전이함수를 도출한다. 전이함수를 고려한 피로균열 예측식을
이용하여 피로균열율을 재 산정하고 설계기준을 만족할 때까지 설계를 재 수행한다.
시멘트 콘크리트 포장의 피로균열은 시멘트 콘크리트 슬래브의 횡방향 균열을 말한다.
시멘트 콘크리트 포장의 피로균열 설계기준은 피로균열율(%)로 나타내며, 피로균열
율은 공용성 해석기간 동안 전체 포장 단면적 중 피로균열이 발생한 부분의 백분율을
나타낸다. 피로균열 설계기준은 설계등급 1의 경우 전체 포장면적의 15%이하이며, 설
계등급 2의 경우 20%이하이다.
피로균열률의 예측 절차는 다음과 같다.
단계 1. 구조해석으로 환경하중에 의한 최소인장응력과 환경하중과 교통하중에
의한 최대인장응력을 구한다.
단계 2. 구조해석으로 계산된 최대인장응력과 휨인장강도의 비를 계산한다.
단계 3. 최대인장응력과 휨인장강도의 비(S)와 최소인장응력과 최대인장응력의
비(R)를 피로파손 모형에 대입하여 피로파손에 이르는 하중재하수
( )를 결정한다.
단계 4. 공용기간 동안 발생한 시멘트 콘크리트 슬래브의 누적손상도를 계산한다.
단계 5. 계산된 누적손상도를 전이함수를 이용하여 피로균열율을 구한다.
5.4 스폴링 모형
(1) 스폴링(Spalling)은 시멘트 콘크리트 포장에서 줄눈 또는 균열 부근에서 시
멘트 콘크리트 슬래브 조각이 떨어져 나가는 파손이다.
(2) 스폴링은 해석기간 동안 전체 줄눈 중 스폴링이 발생한 줄눈의 백분율로 나타
낸다.
【해 설】
스폴링 모형은 국내 시멘트 콘크리트 포장 장기 공용성 관찰구간에서 스폴링 파손 및
관련 인자들을 자료를 수집하고 비선형 회귀분석을 통해 개발되었고, 시멘트 콘크리트
포장의 재령, 연평균강수량, 수정동결지수, 쪼갬인장강도, 슬래브 두께, 중차량 비율을
모형의 인자로 가진다. 예측된 스폴링은 평탄성 지수인 국제평탄성지수(IRI)를 예측할
때 사용된다.
(0.04 0.217 1.6791 0.757)
0.004 1
957 . 0 + − − ×
+
= FI P S D
AGE
SP AGE < 식
5.1>
여기서,
SP : 스폴링(%)
: 재령(년)
FI : 수정동결지수(°Cday)
P : 연평균강우량(m)
S : 콘크리트쪼갬인장강도(MPa)
D : 슬래브두께(m)
5.5 국제평탄성지수(IRI) 모형
(1) 평탄성은 단위거리에 대한 포장 표면 단차의 누적 길이로 나타내며, 단위는
m/km이다.
(2) 평탄성의 설계기준은 설계등급 1의 경우 3.5m/km 이하이며, 설계등급 2의 경
우 4.0m/km 이하이다.
【해 설】
시멘트 콘크리트 포장의 평탄성은 포장의 기능을 나타내는 중요한 변수이며, 평탄성
이 좋지 않은 포장은 이용자의 안정감을 해칠 뿐만 아니라 차량 운행비도 증가시키며.
포장의 공용성 및 포장 수명에 큰 영향을 미친다. 평탄성은 차량 운행 거리에 대한 포
장 표면 단차의 변화로 정의한다. 평탄성에 영향을 주는 인자로는 파손조건(가로줄눈
단차, 가로줄눈, 누적줄눈단차, 스폴링, 균열), 하중조건 및 개방조건(재령, 등가단축하
중), 기후 조건(연평균동결융해주기, 연평균강수량, 연평균 습합날의 수, 기후특성, 동
결지수), 기층조건(가로줄눈간격, 시멘트 콘크리트 포장 슬래브 두께, 시멘트 콘크리트
포장 탄성계수, 기층형태, 노상지지력계수, 노상형태, 길어깨와 결속여부, 다웰직경)
등 국가별 특성에 따라 서로 다른 평탄성 영향 인자를 선정한다. 국내의 경우 스폴링,
균열, 재령, 기층형태가 평탄성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 이를 평탄성
예측 모형에 반영하였다. 도로포장 구조 설계에서의 공용성 모형은 초기 평탄성 및 공
용 개시후의 평탄성 증가 경향이 나타난다. 이는 국내 고속도로 시멘트 콘크리트 포장
총 연장의 16%인 281km를 일정기준으로 나누어 분석한 결과를 토대로 나타낸 것이며,
본 장에서는 시멘트 콘크리트 포장의 데이터베이스 구축 및 다중 회귀 분석을 통하여
줄눈 시멘트 콘크리트 포장의 평탄성을 예측할 수 있는 모형을 제시한다. 도로의 평탄
성은 국제평탄성지수(IRI, International Roughness Index)로 나타내며. 국내 도로포
장의 시공년도 평탄성을 분석한 결과 초기 평탄성값을 1.41m/km로 정립한다. 포장의
재령, 피로균열율, 스폴링을 이용하여 평탄성을 나타내는 국제평탄성지수(IRI)의 변화
량을 <식 5.2>와 같이 구한다.
<식 5.2>
여기서,
: 피로균열 발생비율
: 시멘트 콘크리트 재령 (년)
Base : 기층조건 (린기층 : 0, 쇄석기층 : 1)
: 스폴링 발생비율
: 교통개방 전 초기 IRI (1.41m/km)
분석결과 국제평탄성지수(IRI)는 시멘트 콘크리트 포장의 재령, 피로균열, 스폴링, 기
층과 밀접한 관계가 있으며, 평탄성의 설계기준은 공용성 해석기간의 허용 평탄성지수
(IRI)로 표시하며, 설계등급 1의 경우 3.5m/km 이하이며, 설계등급 2의 경우 4.0m/km
이하이다.
(1) 평탄성 영향인자 기준
균열(횡방향균열) 및 스폴링의 경우 휠패스에 영향이 있는 부분을 선정한다. 균열은
균열 발생 슬래브 개소를 기준으로 선정한다. 균열 발생비율은 (손상발생슬래브개소/
분석구간 슬래브 수)으로 나타낸다. 스폴링은 스폴링 발생 줄눈 개소를 기준으로 선정
한다. 스폴링 발생비율은 (손상발생줄눈개소/분석구간 줄눈 수)으로 나타낸다. 단면보
수의 경우 시멘트 콘크리트 슬래브 중앙에 위치할 경우 균열로 간주하며, 줄눈부에 인
접할 경우 스폴링으로 간주하여 설계에 반영한다. 재령 산정 기준은 준공년도를 기준
으로 산정한다. 기층의 형태의 경우는 쇄석 기층일 경우와 린기층의 경우에 따라 두
가지의 기준에 따라 선정한다.
(2) 국제평탄성지수(IRI)의 적용
시멘트 콘크리트 포장의 초기 평탄성은 다중회귀분석을 통하여 산정되었으며, 초기
평탄성은 1.41m/km로 나타낸다. 이는 신뢰도를 나타내는 결정계수 R2가 68.8%,
P-Value가 0으로 통계적으로 유의하며, 높은 상관관계를 나타낸다.
6.1 일반사항
설계대안 단면이 설계기준을 만족시키면 그 설계는 기술적으로 실행 가능한 대안
이 된다. 이러한 설계대안 단면들에 대해 생애주기비용분석(LCCA)을 통하여 경제
적으로 가장 유리한 대안을 선정한다.
【해 설】
도로포장의 시공 초기부터 공용기간 전반에 필요한 비용을 산정하여 최적의 대안을
선정할 수 있도록 도로포장 구조 설계 해석 프로그램 내에서 경제성 분석을 실시한다.
경제성 분석을 위한 설계 입력값은 분석기간 및 할인율이다.
6.2 생애주기비용 분석
(1) 생애주기비용분석을 수행하기 위한 분석기간은 35년으로 한다.
(2) 도로포장 구조 설계 해석 프로그램은 설계대안 단면에 대한 공용성기간과 유지
보수시기를 계산하고, 이를 근거로 각 설계대안 단면에 대한 관리자 비용과 사
용자 비용을 계산한다.
(3) 생애주기비용분석에는 초기투자비용과 유지관리비용이 포함된다.
【해 설】
설계대안 단면에 대한 공용기간 및 유지보수 시기는 도로포장 구조 설계에서 자동으
로 결정되며 이에 따라 유지보수비용이 산정된다.
도로포장 구조 설계에서는 초기투자비용 및 유지보수비용 외에 사용자 비용이 추가
로 산정되며 유지보수 운영과 작업일 수에 따라 산정된다. 사용자 비용은 도로 이용자
가 도로상태 및 보수작업으로 인하여 정상적으로 통행을 하지 못하게 되는 경우 지불
하는 비용의 합으로 차량운행비용, 운행지연비용이 포함된다.
(1) 초기투자비용 및 유지보수비용
도로포장 구조 설계에서 초기투자비용은 각 설계단면의 재료비와 시공비로 구성되
며, 유지보수비용은 유지보수전략에 따라 선택된 유지보수비용을 말한다.
(2) 차량운행비용
차량운행비용은 크게 고정비용과 가변비용이 있는데, 고정비용은 차량의 운행여부와
는 관계없이 차량을 소유하면서부터 발생하는 비용을 의미하는 것으로 차량의 감가삼각
비, 보험금 등이 있다. 고정비용은 차량 운행과는 관계가 없으므로 정상적으로 통행이
어렵다 하더라도 증가하거나 감소하지 않는다. 반면에 가변비용은 차량의 운행으로 발
생하는 비용으로 연료소모비, 엔진오일비, 타이어비 등이 있다. 이 비용은 차량의 종류,
속도, 중량뿐만 아니라 도로상태, 교통량, 보수 시 공사기간에 따라 변화하는 비용이다.
(3) 운행지연비용
운행지연비용이란 도로상태가 나빠 차량의 속도 감소에 의해 발생하는 경우와 보수
작업으로 인해 차량 운행이 지연됨으로써 운전자의 시간에 대해 발생하는 비용이다.
통행시간을 경제적 재화처럼 화폐가치로 나타낸 것으로 시간을 비용으로 환산시키는
개념이다. 예를 들면, 통행자의 임금수준, 이용경로나 교통수단의 선택 등을 기준으로
평가하는 여객 시간가치, 화물의 품목에 다른 시간가치를 평가하는 화문 시간가치 등
이 있다. 이 비용에 영향을 미치는 요소는 교통속도, 교통량, 보수시의 공사기간, 운전
자의 시간가치 등이 있다.
6.3 경제성 분석 방법
(1) 도로포장의 종류에 따라 시공시기, 공용년수가 다르므로 대안들을 비교하려면,
우선 기준이 되는 시점을 정하고, 이 기준으로 각 대안에 발생하는 현재 비용과
미래 비용을 환산한다.
(2) 경제성 분석 단계에서는 설계 입력값인 분석기간과 할인율을 선택하고, 이를
근거로 도로포장 구조 설계 해석 프로그램은 관리자 비용과 사용자 비용을 계
산한다. 도로포장 구조 설계에서는 분석기간 35년, 할인율 5.5%를 기본값으로
한다.
(3) 관리자 비용 및 사용자 비용은 순현재가치 (NPV, Net Present Value)로 환산
되어 비교된다.
(4) 순현재가치를 비교하여 가장 경제적인 대안을 최종 설계 대안으로 결정한다.
【해 설】
경제성 분석의 첫 번째 단계는 설계입력 값인 분석기간과 할인율을 선택하고 대안전
략을 수립하는 것이다. 수립된 대안들의 관리자 비용과 사용자 비용을 결정한다. 이때
에 경제성 분석의 핵심은 모든 경쟁 대안에 소요되는 비용을 어느 한 시점의 금액으로
환산하여 비교하는데 있다. 이를 공정하게 비교할 수 있도록 하는 중요한 요소 중의
하나가 할인율이다. 본 요령에서는 기본적으로 5.5%의 할인율을 적용하며, 필요에 따
라 공공투자편람과 같은 자료로 적절한 할인율을 적용할 수 있다. 물가상승률과 이자
율에 의한 실질 할인율을 산출하는 방법은 <식 6.1>과 같다.
할인율 물가상승율 이자율 <식6.1>
선정된 설계대안 단면은 공용년수가 다르므로 대안들을 비교하려면 우선 기준이 되
는 시점을 정하고, 이 기준으로 각 대안에 발생하는 비용을 현재가치로 환산해야 한
다. 이러한 현재가치의 기본 공식은 <식 6.2>와 같이 계산된다.
순현재가치 초기투자비
유지보수비사용자비용
<식6.2>
여기서,
i : 할인율
t : 분석기간 연수
마지막 단계로 설계대안 단면들의 순현재가치를 비교하여 가장 경제적인 단면을 선
정한다.
7.1 일반사항
(1) 목표연도 일평균교통량 7,000대 이하인 도로 즉 도로법, 농어촌도로정비법,
도시계획법상의 국도, 지방도, 중로이하의 도로에 적용한다.
(1) 설계방법은 교통조건(AADT, 중차량비율)과 노상조건(E)에 따른 표준적인 설
계단면을 적용하는 카달로그 설계단면을 적용한다.
【해 설】
도로포장 구조 설계에서는 목포연도 연평균일교통량(AADT)이 7,000대 미만의 도로
즉 도로법, 농어촌도로정비법, 도시계획법상의 국도, 국가지원지방도, 지방도, 중로이
하의 도로에서는 복잡한 입력변수를 사용하는 설계등급 1, 2와는 달리 간단한 입력변
수만으로 누구나 쉽게 설계 가능하도록 하였다. 따라서, 설계등급 3의 카달로그 설계
에서는 최소한의 입력변수를 사용하여 포장을 설계할 수 있도록 입력변수를 교통조건
(AADT)과 노상조건(E)만으로 활용하여 단면 및 그래프를 제시하여 설계자가 간편하게
활용할 수 있도록 한다.
7.2 교통조건
(1) 설계등급 3의 도로에서의 목표연도 연평균일교통량(AADT)이 7,000대/일 미
만이므로 0~7,000대/일을 6단계로 구분하여 적용한다.
(2) 또한, 중차량 비율이 포장에 영향을 주는 주요변수이므로 중차량비율이 평균
값 15%를 초과할 경우에는 교통조건을 한단계 상향 조정한다.
【해 설】
교통조건은 포장에 영향을 미치는 주요변수로 설계등급 3에서는 목표연도 연평균일
교통량(AADT)인 0~7,000대/일을 6단계로 구분하여 적용하며, 분류기호로는 C1~C6을
사용한다. 또한, 중차량 비율이 포장에 영향을 주는 주요변수이므로 중차량비율이 평
균값 15%를 초과할 경우에는 교통조건을 한 단계 상향 조정한다.
Traffic Volume(대/일)
Traffic Class(×105 ESAL)
아스팔트 구 분
콘크리트 포장
시멘트
콘크리트 포장
~ 100 ~ 0.2 ~ 0.3 C1
101 ~ 500 0.2 ~ 2.0 0.3 ~ 3.0 C2
501 ~ 1,500 2.0 ~ 6.0 3.0 ~ 9.0 C3
1,501 ~ 3,000 6.0 ~ 10.0 9.0 ~ 15.0 C4
3,001 ~ 5,000 10.0 ~ 15.0 15.0 ~ 27.0 C5
5,001 ~ 7,000 15.0 ~ 20.0 27.0 ~ 40.0 C6
<표 7.1> 교통조건의 구분
7.3 노상조건
설계등급 3의 도로에서는 노상조건에 대한 변수로 탄성계수를 사용하여 탄성계수
에 따른 노상을 3단계로 구분하여 적용한다.
【해 설】
노상조건은 포장에 영향을 미치는 주요변수로 국내의 노상에 대한 탄성계수의 범위
는 37.7~280MPa로 제시되고 있으나, 본 설계등급 3인 카달로그 설계에서는 탄성계수
에 따른 노상을 3단계로 구분하여 적용하며, 분류기호로는 S1~S3를 사용한다. 다음은
MR과 CBR의 상관식으로 모든 토질조건에서 적용 가능한 상관식이다.
MR = 17.6 × CBR0.64 <식 7.1>
여기서,
MR : 회복탄성계수 (MPa), CBR : California Bearing Ratio(%)
7.4 설계단면
(1) 설계등급 3의 도로에서는 위의 교통조건(C1~C6)와 노상조건(S1~S3)을 기준
으로 포장설계 해석 프로그램 및 AASHTO 86 설계를 이용하여 작성된 다음
의 시멘트 콘크리트 포장의 카달로그 단면표, 설계단면, 그래프를 적용한다.
【해 설】
설계등급 3에서는 교통조건(7.2)와 노상조건(7.3)을 기준으로 제시된 다음의 시멘트
콘크리트포장의 카달로그 단면표, 설계단면, 그래프를 적용한다.
E (MPa) CBR 분 류
E<49,300 CBR<5 S1
49,300≤E<76,900 5≤CBR<10 S2
76,900≤E 10≤CBR S3
<표 7.2> 노상 조건의 구분
하부 재료물성 등급
- E (kPa)
- CBR
단면
(cm)
Traffic Volume : 연평균일교통량(AADT(대/일)
C1 C2 C3 C4 C5 C6
～100
101
～500
501
～1,500
1,500
～3,000
3,001
～5,000
5,001
～7,000
S1
E<49,300
CBR<5
슬래브 15 15 16 18 19 21
보조기층 15 15 15 15 15 15
계 30 30 31 33 34 36
S2
49,300≤E<76,900
5≤CBR<10
슬래브 15 15 15 17 19 20
보조기층 15 15 15 15 15 15
계 30 30 30 32 34 35
S3
76,900≤E
10≤CBR
슬래브 15 15 15 16 18 20
보조기층 15 15 15 15 15 15
계 30 30 30 31 33 35
<표 7.3> 시멘트 콘크리트포장의 카달로그 단면표
<그림 7.1> 시멘트 콘크리트포장의 카달로그 설계단면
Traffic Volume : 연평균일교통량(AADT(대/일))
<그림 7.2> 시멘트 콘크리트 포장의 카달로그 설계그래프
Traffic Volume : 연평균일교통량(AADT(대/일))
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.
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.
(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
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)
(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
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
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.
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>
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
