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정진훈,염우성,이재훈,손덕수,이기상 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-
도로포장의 하부층은 시공당시 엄격한 다짐관리를 통해 시공되지만, 시간이 경과함에 따라 교통하중과 환경하중에 의해 포장하부의 품질이 저하되며 이는 도로포장의 공용성에 영향을 미친다.(박주영 등, 2012). 또한, 최근 지구온난화에 따른 이상기후로 인해 겨울철 한파가 증가하는 추세이며(기상청, 2012), 이는 포장하부층의 지반 동상과 관련하여 동결융해가 반복됨에 따라 포장하부의 지지력이 저하되고 이에 따라 도로포장의 파손이 발생된다. 이러한 악조건 속에서 포장의 파손 빈도는 급증하는 추세이며, 이에 따라 국내에서는 도로의 유지보수 및 관리에 대한 중요성이 대두 있고, 따라서 포장하부의 상태를 체계적으로 관리하고 적절한 유지보수 시기를 결정함으로서 포장의 공용성을 향상시키는 것은 매우 중요하다.포장하부의 상태를 평가하는 기법으로는 FWD(Falling Weight Deflectometer)가 존재하는데, FWD는 포장체에 하중을 재하 하여 발생되는 처짐값을 여러개의 지점에서 측정하여 하중과 처짐값의 상호관계를 이용하여 포장하부 상태를 평가한다. 또한 측정된 값을 AASHTO의 AREA 방법을 사용하여 포장의 강성을 나타내는 상대강성반경과 지지력계수를 역산할 수 있다. 일반적으로 포장하부 상태평가 시 이동식 차량 FWD를 사용하는데 현재는 차량의 진행방향에 대해서만 포장하부 상태평가를 실시하고 있는 실정이다. 하지만 동일 지점을 차량 진행방향의 반대 방향으로 포장하부를 평가할 경우 동일 지점이라 하더라도 처짐값 측정기의 위치가 달라지고, 이에 따라 상대강성반경과 지지력계수의 차이가 FWD의 측정 방향에 따라 발생하게 된다. 하지만 FWD를 양방향으로 분석하는 기법은 없으며 방향에 따른 포장하부상태의 차이가 존재함에도 불구하고 이에 대한 명확한 지침이 또한 없는 상태이다. 따라서 본 논문에서는 FWD의 진행방향에 따른 포장하부 상태를 평가하였다. 이를 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 하중에 따른 처짐값을 양방향에 대해 측정하였고, 측정된 값을 사용하여 방향에 따른 상대강성반경과 지지력계수의 차이를 분석하였다. 또한 포장하부의 지지력계수 변화에 따른 상대강성반경의 변화를 양방향에 대하여 분석하였고, 이어 포장하부에 공동을 모사하여 공동의 크기와 지지력계수의 변화에 따른 상대강성반경의 변화를 분석하였다.
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정진훈,정호성,염우성,이재훈 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-
도로포장의 하부층은 엄격한 다짐관리를 통해 시공되지만, 공용 기간이 경과함에 따라 포장하부의 품질이 저하되어 도로포장의 공용성에 영향을 미친다. 도로의 하부지반은 포장하부 재료 및 현장 여건 등에 따라 압밀침하가 발생하며, 도로포장의 구조 및 재료 등으로 인한 배수불량, 지하수위 상승 등으로 지지력이 저하되거나 공동이 발생한다(박주영 등, 2012). 또한, 최근 지구온난화에 따른 이상기후로 인해 겨울철 한파가 증가하는 추세에 있어(기상청, 2012), 포장하부층은 지반 동상과 관련하여 동결융해가 반복되며 매우 열악한 조건에 있다. 특히, 콘크리트 포장은 콘크리트 슬래브, 린 콘크리트 보조기층과 하부지반의 강성 차이로 인하여 공동 발생에 더욱 취약하고, 여기에 환경 및 교통하중이 재하되면 더욱 가속화되어 포장파손으로 이어지는 등 다양한 문제가 발생한다. 최근 국내에서는 신설도로의 건설 물량이 지속적으로 감소하고, 도로포장의 유지보수 예산은 매년 급증하고 있어 기존 도로포장을 효율적으로 유지관리해야 하는 필요성이 대두되고 있다. 국내의 경우, 포장유지관리시스템(PMS, Pavement Management System)을 도입하여 운영하고 있지만, 포장의 표면파손 정도에 따라 일부 기능적 상태평가만 이루어 지고 있는 실정이다(한국건설기술연구원, 2005). 국외에서는 포장하부의 상태를 평가하기 위해, 미국 AASHTO 93년도 설계지침과 ASTM STP 1375에서 FWD와 같은 포장구조진단기를 이용하여 하중재하시험을 실시하고 재하하중과 처짐량으로 평가하는 방법을 제시하였다. 하지만 이 방법은 포장의 강성이 슬래브 처짐에 영향을 미치는 중요한 요인임에도 고려하지 않는 문제점이 있으며, 온도구배 및 다웰바의 영향이 상대적으로 크고 포장파손에 취약한 슬래브 우각부에서 실시한 시험 결과를 사용하므로 보완이 필요하다 판단된다. 본 논문에서는 AASHTO와 ASTM에 제시된 기존 포장하부 평가기법을 보완하기 위해 미국 LTPP 구간의 현장시험 자료를 수집하였고, AASHTO의 AREA 방법을 사용하여 포장의 강성을 나타내는 상대강성반경 및 지지력 계수를 역산하였다. 또한, 슬래브의 우각부 대신 슬래브 중앙부 시험 결과를 사용하여 포장강성을 고려한 포장하부 상태 평가모형을 수립하였다. 슬래브 중앙부에서 실시한 현장시험을 유한요소방법으로 모사하여 포장하부 상태에 따른 포장강성을 현장시험 결과와 비교·분석하였고, 국내 공용중인 고속도로에서 실시한 현장시험 결과에 대해 포장강성을 고려한 포장하부 평가모형의 적용가능성을 검토하였다.
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사용수명 예측을 위한 동질성 구간별 공항 콘크리트 포장의 PCI 분석
정진훈,김승재,곽평진,천성한,정우영 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-
현재 공용되고 있는 국내공항은 인천국제공항공사에서 관리하고 있는 인천국제공항과 한국공항공사에서 관리하고 있는 김포국제공항 외 13개 공항이 운영되고 있다. 두 공항공사 모두 효율적인 포장관리를 위해 포장관리시스템(PMS: Pavement Management System)을 구축하여 공항포장상태를 평가하고, 보수의 우선순위를 선정하여 보수방안을 결정한다. 포장상태평가는 보통 5년을 주기로 시행되고 있으며, 포장표면결함의 자료를 통해 포장상태지수(PCI: Pavement Condition Index)가 산출된다. 이러한 지수를 통해 공용중인 공항포장의 상태와 보수를 필요로 하는 시점을 판단 할 수 있다. 기존에 개발된 공항포장 공용성 예측모형은 크게 아스팔트포장과 콘크리트포장으로 나뉘어, 재령과 교통량에 따른 통합된 PCI 예측모형을 개발하였다. 하지만 공항별로 준공시기와 환경인자들이 다르게 때문에 상당한 오차가 발생하여, 모든 공항에 적용하기에는 한계가 있다. 또한 주로 활주로를 대상으로 연구가 진행되었으며, 유도로 및 계류장에 관한 선행연구는 아직까지는 미흡한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 국내 콘크리트공항포장의 각각의 동질성구간에 대한 공용성 예측모형을 위한 연구를 진행하였다. 모든 단면이 아스팔트 포장인 울산공항과 군산공항을 제외한 13개 공항의 콘크리트 포장 부분의 PCI 자료를 수집하였고 활주로, 유도로, 계류장에 따라 크게 분류하였다. 분류된 각 구간은 동질성 구간별로 세분화하여 재령에 따른 PCI변화 추이를 살펴보았다. 본 논문에서는 인천국제공항공사, 한국공항공사, 한양대학교 및 (주)로드텍의 협조를 얻어 각 공항의 포장평가 조사보고서를 수집하였다. 각 공항별 동질성 구간의 준공년도와 재포장 시점을 분석하였으며, 이 시점을 기준으로 재령에 따른 PCI 변화 추이를 살펴보았다. 또한 보수를 시행한 구간에 대하여 조사하였으며, 이 구간에 대해서는 보수시점의 PCI값을 100으로 가정하고, 이 후 재령에 따른 PCI 변화를 살펴보았다. 이러한 PCI의 변화추이를 회귀분석하여 각각 선형과 지수형태로 나타냄으로써 각 공항별 동질성 구간에 따른 콘크리트 공항포장 예측모형을 개발하였다. 이렇게 개발된 모형을 통하여 공항포장설계수명인 재령 20년일 때의 PCI값을 예측하였고, 재포장이 요구되는 ‘Critical PCI`값인 70으로 저감되기까지의 공용연수를 나타내었다. 각 공항의 동질성 구간에 따른 예측모형들을 비교 검토해 봄으로써, 각 공항의 특성과 공용수명을 예측할 수 있었다.
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환경하중을 고려한 공항콘크리트포장설계를 위한 피로모형 선정
정진훈,Tonn, Sereyvattana,안기홍,이제일,백승범 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-
기존의 공항콘크리트 포장설계 방법은 현장 실험을 바탕으로 한 경험적 설계 방법에서, 교통하중 및 환경하중을 고려하여 포장의 잔존 수명까지 예측하는 역학적-경험적 설계 방법으로 변화하고 있다. 미국 FAA의 AC 150/5320-6D(FFA, 1995)에서는 노모그래프를 기반으로 슬래브의 두께를 결정하였으나, 최근에는 3D 유한요소해석을 통해 산출된 응력으로 슬래브 두께를 결정하는 AC 150/5320-6E(FAA, 2009)를 적용하고 있다. 하지만 이 설계방법은 환경하중을 고려하지 않는 단점을 가지고 있다. <br> 박주영 외(2013)는 국내 지역의 기후 특성을 고려하여 국내의 지역별 환경하중을 정량화하는 선행연구를 수행하였다. 또한, 김연태(2013)는 정량화된 환경하중에 교통하중을 적용시켜, 교통하중과 환경하중이 동시에 고려된 공항콘크리트포장의 최대인장응력회귀식을 개발하였다. 김연태(2013)의 선행연구를 통해 개발된 최대인장응력회귀식으로 산출된 최대인장응력은 환경하중이 고려되므로 기존의 설계프로그램(FAAFIELD)의 결과와 상당한 차이를 나타낸다. 공항콘크리트포장의 피로모형이 갖는 변수로는 응력강도비와 허용반복회수가 있으며, 응력강도비의 변화에 따라 그 피로수명의 결과가 매우 상이하므로, 개발된 최대인장응력회귀식과 기존에 사용해온 피로모형으로는 합리적인 콘크리트포장의 피로수명을 얻을 수 없다.본 논문에서는 환경하중과 교통하중이 고려된 합리적인 공항콘크리트포장 피로모형을 선정하였다. 우선 국·내외에서 개발된 공항콘크리트설계 피로모형에는 미공병단, 미국 연방항공청, PCA, NCHRP 등이 있으나, 각각의 피로모형은 파괴 기준, 응력계산방법 등에 따라 서로 다른 결과를 나타낸다. 각 피로모형의 이론 및 배경, 기존 피로모형과의 비교, 민감도 분석 등을 통해 합리적인 피로모형 몇 가지를 우선적으로 선정하였다. 이를 위해, 선행연구에서 개발된 최대인장응력회귀식을 사용하여 환경하중과 교통하중을 고려한 최대인장응력을 산출하였으며, 산출된 최대인장응력을 앞서 선정된 피로모형에 대입한 뒤 허용반복회수를 산출하였다. 최종적으로 각 공항의 설계교통량을 반영하여 포장의 피로수명을 예측하였으며, 예측된 피로수명과 국내의 PCI자료를 통해 측정된 공항콘크리트포장의 수명과 비교·검토하여 가장 합리적인 피로모형을 선정하였다.
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A Thermal Conductivity Model for Hydrating Concrete Pavements
정진훈,김낙석 한국콘크리트학회 2004 콘크리트학회논문집 Vol.16 No.1
Hydrating concrete pavement is typically subjected to temperature-induced stresses that drive cracking mechanisms at early concrete ages. Undesired cracking plays a key role in the long-term performance of concrete pavement systems. The loss of support beneath the concrete pavement due to curling caused by temperature changes in the pavement may induce several significant distresses such as punch out, pumping, and erosion. The effect of temperature on these distress mechanisms is both significant and intricate. Because thermal conductivity dominates temperature flow in hydrating concrete over time, this material property is back-calculated by transforming governing equation of heat transfer and test data measured in laboratory. Theoretically, the back-calculated thermal conductivity simulates the heat movements in concrete very accurately. Therefore, the back-calculated thermal conductivity can be used to calibrate concrete temperature predicted by models.
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