PART Ⅷ  강성 포장의 설계

Part Ⅷ-1  강성 포장의 개요

1. 콘크리트 포장 설계의 주요 고려사항

- 콘크리트 slab에서 차량하중의 대부분을 지지

- slab의 두께는 차량하중에 충분히 저항할 수 있는 정도로 두꺼워 함.

- 균열은 필연적으로 발생하는데, 인위적인 줄눈의 설치로 균열의 발생위치를 조절하고 줄눈 부위를 다우웰바나 타이바로 보강하거나(JCP, JRCP), 발생하는 균열을 미세균열로 slab 전체에 균일하게 배치(CRCP)

- slab 내부의 철근은 균열을 막는 목적이 아니라 발생된 균열이 과도하게 벌어지는 것을 방지하는 것이 목적임

2. 콘크리트 포장의 종류

◇ JCP (jointed concrete pavement)

- 다우웰바나 타이바를 제외한 일체의 철근 보강이 없는 포장 형태

- 일정한 간격으로 줄눈을 설치함으로써 균열의 발생위치를 인위적으로 조절

- 줄눈 이외의 부분에서는 일체의 균열 발생을 허용하지 않음

(만일 준눈부 이외에서 균열이 발생하면, 철근이 전혀 없으므로 균열의 과대한 벌어짐을 막을 방법이 없음)

- 필요에 따라 줄눈부에 바우웰바를 설치하여 하중전달을 돕기도 함

- slab 과 보조기층 사이에 분리박을 설치하여 마찰력을 줄임

- 시간이 경과함에 따라 줄눈부의 파손(단차, 우각부 균열, 펌핑 등)으로 승차감 저하가 가장 우려됨

◇ JRCP (jointed reinforced concrete pavement)

- JCP의 주요 문제점(과도한 줄눈 설치 필요, 줄눈부에서의 파손)을 해결하기 위하여 slab에 다우웰바나 타이바 이외의 종방향, 횡방향 철근을 사용하여 줄분부 이외의 지역에서 균열을 일부 허용함으로서, 줄눈의 간격을 줄임

- JCP에 비하여 줄눈의 수가 줄어들기는 했으나, 여전히 줄눈부에서의 문제점을 안고있음.

- JCP와 마찬가지로, slab 과 보조기층 사이에 분리박을 설치하여 마찰력을 줄임

◇ CRCP (continuously reinforced concrete pavement)

- slab에서의 균열의 발생을 허용하고 상당량의 종방향 철근을 사용하여 균열틈의 벌어짐을 억제하여 횡방향 줄눈의 불필요

- 가능한 온도변화 및 건조 수축에 의한 slab의 움직임을 박아야 하므로 slab과 보조기층 사이의 분리막은 사용하지 않음

3. 콘크리트 포장 각 층의 역할

◇ 콘크리트 포장 층의 구성

◇ 노상

- slab의 기초 역할

◇ 보조기층

- 균등하고 안정적이며, 영구적인 지지력 제공

- 노상반력계수(Kc)의 증대

- 동결작용에 의한 손상도 극소화

- slab 줄눈부, 균열부 그리고 단부에서의 세립토의 펌핑 방지

- 시공장비의 작업로

◇ 아스팔트 중간층

- 노조기층의 내수성(耐水性) 및 내구성(耐久性)을 개선

- 중교통 도로에서 보조기층 재료를 입상재료로 사용하는 경우에는 원칙적으로 상부에 아스팔트 중간층 적용

◇ 큰크리트 slab

- slab의 휨저항에 의해서 통행 교통하중의 거의 모두를지지

- 공용기간동안 교통하중과 환경 영향에 의한 손상에 대처

Part Ⅷ-2  '81 AASHTO 설계법

1. 설계식

[eqn: log W_{18} ~=~ 7.35 ``log (D+2.54) ``-`` 3.04` { {G_{t}} over {1 + ``{4.32 TIMES 10^10 } over {(D + 2.54) ^{8.46}}}} # # # # `+` (4.22-0.32P_t )log { ( {S_C^' TIMES (D^0.35 - 2.28)} over {15.16 TIMES J TIMES (D^0.75 - {46.79 over { {({E_c} over {K_c})} ^0.25 }) } }}) }]

여기서, W18 : 설계 공용기간 동안 18kips(80kN, 8.2ton) EAL 반복횟수

Pt : 최종 서비스 지수

J : 하중전달계수 (콘크리트 포장 형식에 따른 연속성을 반영)

Ec : 콘크리트 slab의 탄성계수 (kg/cm2)

Kc : slab과 접촉면에서 노상의 지지력계수 (kg/cm2/cm)

D : 포장 slab의 두께 (cm)

Sc' : 콘크리트 slab의 설계 휨강도 (kg/cm2)

[eqn: G_{t}~=~ log ({``4.2 `-` P_{t}`} over { ``4.2 `-` 1.5`})]

◇ 콘크리트 slab 두께 결정에 필요한 입력변수

- 설계 최종 서비스 지수(Pt)

- 설계 차선당 설계 기간 누가 ESAL 동과횟수 (W18)

- 콘크리트 slab의 탄성계수 (Ec , kg/cm2)

- 콘크리트 slab의 휨강도 (Sc', kg/cm2)

- 콘크리트 slab의 줄눈부 또는 균열부에서 하중전달계수(J)

- 설계 노상 반력계수 (Kc , kg/cm2/cm)

2. 설계 입력변수

2.1 교통량

- 아스팔트 포장과 같이 ESAL 개념을 적용하지만, ESALF는 다름

2.2 서비스 지수

- 아스팔트 포장과 동일

2.3 하중전달계수 (load transfer factor : J)

콘크리트 포장 형식별 하중전달계수

구 분		아스팔트 길어깨	콘크리트 길어깨 (타이바로 연결)
JCP 또는 JRCP	다우웰바 사용	3.2	2.5 ～ 3.1
	다우웰바가 없는 경우	3.8 ～ 4.2	3.6 ～ 4.2
CRCP		2.9 ～ 3.2	2.3 ～ 2.9

2.4 콘크리트 휨강도 (concrete flexural strength)

- 재령 28일, 15℃에서의 휨강도 : KSF 2403, KSF 2408

- 콘크리트 포장에서는 45kg/cm2 이상을 표준으로 함

2.5 콘크리트의 탄성계수

- 특정한 변형률 크기에서의 할선탄성계수 (secant modulus) 사용

- 강도와의 경험적 상관식을 적용하기도 함

[eqn: E_c ~=~ W```^1.5 ```TIMES``` 4,270 ``sqrt { sigma _ck }]

: 단위중량이 1.45 ～ 2.5 t/m3 범위인 경우

[eqn: E_c ~=~ 15,000 ``sqrt { sigma _ck }]

여기서, W = 콘크리트의 단위중량 (t/m3)

σck = 콘크리트의 설계 기준강도 (kg/cm2)

2.6 합성지지력계수 (composite bearing capacity)

- 합성지지력계수 : 콘크리트 slab을 지지하는 중간층, 보조기층, 노상지지력을 합성한 지지력 계수

중간층 지지력

보조기층 지지력

노상 지지력

합성지지력계수(Kc)

Part Ⅷ-3  '86 AASHTO 설계법

1. 설계식

[eqn: log W_{18} ~=~ Z_R TIMES S_O ~ +~ 7.35 ``log (D+2.54) ``-`` 3.04` { {G_{t}} over {1 + ``{4.32 TIMES 10^10 } over {(D + 2.54) ^{8.46}}}} # # # # `+` (4.22-0.32P_t )log { ( {S_C^' CDOT C_d CDOT (D^0.35 - 2.28)} over {15.16 TIMES J TIMES (D^0.75 - {46.79 over { {({E_c} over {K_c})} ^0.25 }) } }}) }]

여기서, W18 : 설계 공용기간 동안 18kips(80kN, 8.2ton) EAL 반복횟수

Pt : 최종 서비스 지수

J : 하중전달계수 (콘크리트 포장 형식에 따른 연속성을 반영)

Ec : 콘크리트 slab의 탄성계수 (kg/cm2)

Kc : slab과 접촉면에서 노상의 지지력계수 (kg/cm2/cm)

D : 포장 slab의 두께 (cm)

Sc' : 콘크리트 slab의 설계 휨강도 (kg/cm2)

Cd : 배수계수

ZR : 신뢰도

SO : 전체 표준 편차

[eqn: G_{t}~=~ log ({``4.2 `-` P_{t}`} over { ``4.2 `-` 1.5`})]

'86 AASHTO 설계 흐름도

설계도표 또는 설계식

시간제약

전체혼합

교통량

노상의 강성도

(MR)

환경적영향요소

(융해, 동상)

신 뢰 도

배수상태

설계해석기간

설계차선에 대

한 등가단축하

중 교통량(W18)

유효노상

지지력계수

(K)

설계서비스지수 손실

(△PSI)

신뢰도(R)

전체표준편차

(So)

배수계수(Cd)

보조기층의 두께, 탄성계수

강성기초 깊이

slab 두께

가정

지지력손실

2. 설계 입력변수

2.1 교통량

- ’81 AASHTO 설계법과 동일

2.2 서비스 지수

- ‘86 AASHTO 아스팔트 포장 설계법과 동일

2.3 신뢰도 및 전체 표준편차

- ‘86 AASHTO 아스팔트 포장 설계법과 동일

2.4 노상의 유효지지력계수(Kc)

보조기층의 두께, 탄성계수

강성기초 깊이

slab 두께

가정

지지력손실

노상의 강성도

(MR)

유효노상

지지력계수

(K)

- 강성기초의 깊이 : 기반암이 노상면으로부터 3m 이내에 이쓴ㄴ 경우 노상지지력 계수에 영향을 준다

- 국부적인 지지력 손실(LS) : 노상의 국부적인 침하나 보조기층의 침식(erosion)에 의한 포장체의 공극 발생으로 K값에 영향을 줌

보조기층의 재료에 따른 탄성계수 및 LS 값 (AASHTO 추천 값)

보조기층 재료	탄성계수(psi)	LS
시멘트 안정처리	1,000,000 - 2,000,000	0.0 - 1.0
빈배합 콘크리트	1,000,000 - 3,000,000	0.0 - 1.0
아스팔트 안정처리	350,000 - 1,000,000	0.0 - 1.0
석회 안정처리	20,000 - 70,000	1.0 - 3.0
입상재료	15,000 - 45,000	1.0 - 3.0
자연 노상토	3,000 - 40,000	2.0 - 3.0

◇ 설계 유효노상지지력계수의 결정 절차

1 단계 : 노상토의 계절적인 회복탄성계수 결정 (월별) 표 5.69

2 단계 : 보조기층의 계절별 탄성계수 결정 (월별) 표 5.69

3 단계 : 계절적 합성노상지지력계수 결정 (월별)

(노상의 MR, 보조기층의 E 및 두께) 그림 5.51

4 단계 : 강성기초의 영향을 고려한 합성노상지지력계수의 수정 (필요시, 월별)

(노상의 MR, 강성기초의 깊이, 합성노상지지력계수) 그림 5.62

5 단계 : 계절별 상대 손상도 결정 (월별)

(합성노상지지력계수, slab 두께(가정 값)) 그림 5.63

6 단계 : 계절적인 영향을 고려한 유효노상지지력계수의 결정

(평균 손상도, slab 두께(가정 값)) 그림 5.63

7 단계 : 설계 유효노상지지력계수의 결정

(유효노상지지력계수, 국부적 지지력 손실(LS)) 그림 5.64

2.5 콘크리트의 탄성계수

- ’81 AASHTO 설계법과 동일

2.6 콘크리트 휨강도 (concrete flexural strength)

- ’81 AASHTO 설계법과 동일

2.7 하중전달계수 (load transfer factor : J)

- ’81 AASHTO 설계법과 동일

2.8 배수계수(Cd)

배수계수

배수상태	포장체가 거의 포화상태에 있을 시간
	1% 이하	1 - 5%	5 - 25%	25% 이상
우수	1.25 - 1.20	1.20 - 1.15	1.15 - 1.10	1.10
양호	1.20 - 1.15	1.15 - 1.10	1.10 - 1.00	1.00
보통	1.15 - 1.10	1.10 - 1.00	1.00 - 0.90	0.90
불량	1.10 - 1.00	1.00 - 0.90	0.90 - 0.80	0.80
매우불량	1.00 - 0.90	0.90 - 0.80	0.80 - 0.70	0.70

배수상태 결정 기준

배수상태	배수에 소요되는 시간
우수	2시간 이내
양호	1일 이내
보통	1주일 이내
불량	1개월 이내
매우불량	1개월 이상

3. 철근량 설계

- 철근의 역할 : 균열의 발생 자체를 막는 것이 아니라, 균열이 발생한 경우 그 균열이 과도하게 벌어지는 것을 방지

- 보강 철근의 종류 : 종방향 철근, 횡방향 철근

3.1 JRCP의 종방향 철근, JRCP 및 CRCP의 횡방향 철근

[eqn: P_s ~=~ {L CDOT F} over {2 `F_s }TIMES 100 ~(%)]

여기서, PS = 필요 철근량

(콘크리트 단면 중 철근이 차지하는 면적 비율, %)

L = 슬래브 길이 (ft)

F = 마찰계수 (슬래브와 그 아래 층과의 마찰)

FS = 철근의 작용 응력(working stress, psi)

◇ 슬래브 길이 (L)

- 종방향 철근 설계의 경우 : 줄눈 간격

- 횡방향 철근 설계의 경우 : 자유단부(longitudinal free edge) 간의 거리

단, tie bar로 연결된 것은 자유단부가 아님

◇ 철근의 작용응력

- 철근의 허용응력을 칭하며, 일반적으로 항복강도의 75%를 적용

◇ 마찰계수

슬래브 아래의 재료에 따른 마찰계수 (AASHTO 추천 값)

슬래브 아래의 재료	마찰계수
표면처리	2.2
빈배합 콘크리트	1.9
석회 안정처리	1.8
아스팔트 안정처리	1.8
시멘트 안정처리	1.8
강자갈	1.5
쇄석	1.5
사석(sandstone)	1.2
자연지반	0.9

3.2 CPCP 의 종방향 철근량 설계

◇ 기본 개념

- 철근량이 많아지면 : 균열의 크기와 간격이 작아진다

⇒ 펀치아웃 파괴의 우려가 커진다

- 철근량이 작아지면 : 균열의 수는 줄어드나, 균열의 틈이 증가하고 철근의 응력이 증가한다

⇒ 스폴링 발생 가능성이 커진다.

◇ 설계 방법

- 균열 간격, 균열 틈, 철근의 허용응력을 만족시키는 철근량의 범위를 각각 결정한 후, 세 가지 조건을 모두 만족시키는 철근량을 결정한다

조건 1) 균열의 간격은 1 - 2.5m로 유지한다.                    그림 5.67

조건 2) 균열 틈은 1mm 이하로 유지한다.                       그림 5.68

조건 3) 철근의 응력은 철근 강도의 75% 이하가 되도록 한다.     그림 5.69