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가.정의

하나의 등가단축하중계수는 임의의 포장구조에 대한 임의의 선정된 표준 단축하중 1회 통과당 피해도와 동일구조에 임의의 크기를 가진 단축하중 의 1회 통과에 따른 피해도의 비로 정의

o EASLF=피해도j/1회통과 / 피해도s/1회통과

- j : 임의 단축하중

- s : 표준단축하중

나. 일반이론

1)임의의 포장구조가 임의의 크기의 축하중의 반복재하를 받아서 파괴상태 에 이를 때 까지의 반복통과 구간은 어떠한 일정한 값을 가지며 이와같이 파괴의 상태를 1로았을 때 임의의 축하중 1회 통과에따른 단위 피해도는

다음과 같이 정의된다.

o α=1/Nfj

α : j하중의 단위피해도

Nfj : 임의의 포장구조가 파괴상태에 이를때까지의 j축하중의 반복 통과횟수

2)따라서 ESALF 정의에 의하면 임의의 선정도나 표준 추하중 S 와 J 축하중에 의한 피해도비 즉 등가 단위하중 계수(Fj)는 다음과 같다.

o Fj = αj/αs = 1/Nfj / 1/Nfs = Nfs/Nfj

다. ESALF의 산정

1)AASHTO 설계법에 적용되는 ESALF 산정은 AASHTO 시험 모델식을 적용하므로서 유도된다.

2)모델식은 가요성 포장 또는 강성포장이 파괴되는 반복통과 횟수를 포장의 강성 또는 강도, 하중 특성 그리고 포장의 파괴 상태를 나타낼 최종 서비스지수로서 표시되는 관계식이다.

라. ESALF를 이용한 포장구조설계 과정

1)교통량 조사를 통한 장래 교통량 추정

2)CBR 시험을 통한 설계CBR 값 결정

3)8.2t 등가하중계수 결정

차종별, 축별, 최종서비스 지수별, 포장두께지수, 슬라브 두께별로 맞게 결정

4)혼합교통량을 18KIP 등가 단위하중 횟수로 환산

5)차로당 분포 결정

6)도표 또는 산식에 의거 SN값 결정

7)단면을 가정하여 소요SN과 SN값을 비교하여 목표년도 서비스 수준을 만족하는 포장두께 결정

[참고 : 등가단축하중(ESAL)]

o 실제 도로를 통과하는 혼합 교통은 서로 다른 축형식, 축배열, 축하중을 가지므로 포장설계를 위한 설계차로 교통량을 결정하기 위하여 하나의 교통분모를 기준하여 표준화 변환시켜야 한다

o 표준등가 단축하중 : 8.2t

o ESAL을 기준한 MINER 법칙을 토대로 주어진 포장 구조체가 동일 토질 및 환경 조건하에서 ESAL 1회 통과에 따른 포장체의 손상도에 대한 임의 축하중 1회 통과에 따른 손상도의 비를 표시하는 ESALF를 결정하여 차종별 환산 계수를 산정하고 이것을 혼합교통량에 적용하여 등가 단축하중 통과 횟수로 환산한다.

1. 개설

Superpave란 Superior Performing Asphalt Pavement에서 만들어진 아스팔 트 포장에관한 새로운 용어로서 아스팔트 규격과 선정방법 및 아스팔트 혼합물의 배합설계에 관한 일련의 체계이다.

미연방도로국(FHWA)에서는 기존도로시설에 대한 전반적인 효율성 제고와 유지보수에 관한 막대한 재정부담에 대한 해결책으로 1987년부터 1993 까지 전략적 도로연구사업(SHRP;Strategic Highway Research Program)을 수행 아스팔트포장 분야의 중요한 성과중 하나가 Superpave이다

본문에서는 아스팔트의 새로운 등급체계, 아스팔트 규격 및 혼합물의 배합설계에 대하여 기술하고자 함

2. Superpave의 특성

가.아스팔트 규격

1)실험정수 대신 물리정수 사용

기존아스팔트의 품질관리기준은 아스팔트의 점성적 특성에 주안점을 두고 행해져온 방법(침입도에 의한 방법, 점도에의한 방법 등)으로 침입도 60과 90은 전자가 후자보다 단단하다는 것은 알지만 물리적으로 무엇을 의미하는가는 명확치가 않다. 따라서 SHRP에서는 온도, 교통량 등의 조건을 만족시키위하여 물리정수로서 점도, 전단탄성계수, 위상각을 사용

2)공용특성의 예측

아스팔트는 온도에따라 성질과 상태가 크게변하며 고온에서는 아스 팔트 혼합물이 유동하고, 저온시에는 아스팔트 혼합물의 수축으로 저온균열이 발생한다.

따라서 SHRP에서는 각 현장의 온도에 적합한 아스팔트를 적절히 선택 하고 교통개방후의 포장파손을 적게할 목적으로 아스팔트의 규격을 새로이 정하였다

3)아스팔트의 등급

적정아스팔트를 선정하는데에는 기후조건뿐만 아니라 교통여건, 제품 공급능력과 경제성에 대한 검토가 필요하다.

SHRP에서는 포설되는 현장의 기상조건에따라 최저온도 범위를 설정 하여 다음과 같이 규격을 제안하고 있다.

-공용성 등급(PG, Performance Grade)

.고온등급은 PG 46-82까지 7등급으로 구분

.저온등급은 -10～-46까지 7등급으로 구분

고온등급 저온등급

PG 46 (-) 34, 40, 46

PG 52 (-) 10, 16, 22, 28, 34, 40, 46

PG 58 (-) 16, 22, 28, 34, 40

PG 64 (-) 10, 16, 22, 28, 34, 40

PG 70 (-) 10, 16, 22, 28, 34, 40

PG 76 (-) 10, 16, 22, 28, 34

PG 82 (-) 10, 16, 22, 28, 34

3. 아스팔트혼합물의 배합설계

아스팔트 혼합물의 배합설계는 시험의 간편성과 과거 Data 축척이 많은 마샬안정도 시험에 의한 배합설계가 주류를 이루고 있으나 마샬시험은 마샬안정도와 아스팔트 혼합물의 물리적 특성과의 관계에 대하여는 명확 한 것이 아니라는 문제점이 있으므로 이러한 문제점을 보완하기 위하여 아스팔트 혼합물의 배합을 보다 합리적으로 결정하기위한 목적으로 조사 를 시행

1) 기본적고려사항

아스팔트 혼합물이 교통에 공용되면서 어떠한 파손이 생기는가를 배합 설계단계에서 검토하여 반영하고자 하는 것이 새로운 배합설계의 기본

◦검토항목

①저온균열

②피로균열

③소성변형

④혼합물의 제조시 및 기상에 의한 열화

⑤수분에의한 손상

◦배합설계에서는 교통량에 따라 3단계의 배합설계 과정을 적용

구 분 누가등가 단축하중(ESAL) 평가방법

레벨1 100만대 이하 체적구성비율

레벨2 100만대-1,000만대이하 체적구성비율+공용성예측시험

레벨3 1,000만대이상 체적구성비율+확장공용성예측시험

2)아스팔트 혼합물의 규격

입도, 공극율, 골재간극율, 포화도, 수분의 영향으로 혼합물의 규격을 정함

-골재의 입도는 최대치수에따라 5종(37.5, 26.5, 19, 13.2, 9.5mm)으로 구분

-최대치수에 따라 통과 백분율의 최대치와 최소치를 규정

-제한구역을 설정하고 골재의 합성입도는 이 제한구역을 통과하지 않도록하며 내 유동성의 혼합물을 만들기위해서는 제한구역의 아래쪽 을 통과하도록 한다

4.결 론

-교통량과 중차량의 급증으로 아스팔트포장의 파손이 증대하면서 현재의 아스팔트 혼합물 배합설계 방법으로는 소성변형의 공용성 문제를 해결할수없게되었으며

-이러한 문제점을 해결하기위하여 개발된 것이 SUPERPAVE로서 SUPERPAVE에서는 고온 및 중차량 조건에서 혼합물이 충분히 견딜수 있 도록 아스팔트 결합재의 물성을 강화하는 개념으로 공용성 등급에 의한 아스팔트 현장 적용시 소성변형과 같은 문제점을 상당부분 개선할수 있을것으로 평가된다.

-그러나 골재합성 입도의 검증이 제대로 이루어지지 않았고 새로운 아스 팔트바인다 시험이 현장에서의 공용성 모사를 할수있는지 등의 의문이 제기되고 있는 실정으로 국내에서도 기후환경 및 교통조건에 부합되는 SUPERPAVE의 도입을 위한 적용성 연구가 이루어져야 할것이다.

*최근 도로및공항 기술사에는 출제되지 않으나, 포장을 이해하는데 도움이 될 듯하여 올립니다.

Ⅰ. 개 요

1. 교통조건(W8.2), 노상조건(SSV), 환경조건(Rf), 서비스 지수(Pt)에 의하여 구하여진 포장두께지수(SN)는,

층별 상대강도계수(ai)와 층별 두께(Di)의 함수로 표시됨.

2. 상대강도계수(ai)란,

- 포장두께지수를 실제포장두께로 환산하기 위한 구조적 강도를 나타내는 수치이며,

- 포장 각층별 재료의 상대적인 능력을 측정하는 척도로서,

- 포장두께결정에 영향을 주는 가장 중요한 변수중의 하나이다.

3. 상대강도계수는 각층재료의 특성을 타나내는 탄성계수, CBR, R값 등으로 부터, 관계도표를 이용하여 구할 수 있다.

Ⅱ. 상대강도계수 산정방법

1. 기본 관계식

: 포장두께지수(SN)의 각층별 두께(Di)와 상대강도 계수(ai)와의 관계식

SN = a1D1 + a2D2 + a3D3

여기서, SN : 포장두께지수

a1, a2 ,a3 : 각층 재료별 상대강도계수

D1, D2, D3 : 각층별 포장두께

2. 상대강도계수(ai) 산정기준

가. AASHTO 적용값

1) 표층의 상대강도계수(a1) : a1 = 0.176

2) 기층의 상대강도계수(a2) : a2 = 0.136

3) 보조기층의 상대강도계수(a3) : a3 = 0.043

나. 우리나라 적용값 (도로설계요령 : 한국도로공사)

1) 표층 : 0.145 (아스콘, 마샬 안정도 500이상)

2) 기층 : 0.052 (쇄석골재)

3) 보조기층 : 0.034 (강모래 + 자갈)

다. 시멘트 안정처리기층의 상대강도계수 : 탄성계수 or 7일양생 일축압축강도로부터 산정

라. 역청 안정처리기층의 상대강도계수 : 탄성계수 or 마샬안정도로부터 산정

Ⅲ. 상대강도 계수(ai)를 이용한 포장두께 산정

1. 소요SN 결정

: 교통량, 노상지지력, 지역계수 등의 조건을 고려하여, 소요 포장두께지수(SN) 결정

2. 상대강도계수(ai)산정

: 포장 재료층의 종류와 두께를 가정하여,

각층의 상대강도 계수를 도표 및 관계식을 이용하여 산정.

3. 설계SN 결정

: 가정된 포장두께에 따른 설계SN 산정

3. 설계SN과 소요SN 비교

→ 설계SN〉소요SN이 되도록 설계

4. 포장두께 결정

: 계획목표년도까지 서비스 수준(Pt)을 유지되도록 포장두께 결정.

Ⅳ. 문제점 및 개선방향

1. 국내의 환경 및 포장재료조건에 적합한 ai의 시험치 정립이 필요함.

- 현재 국내에서는 지역특성 및 포장재료조건에 대한 토질역학적 검토가 이루어지지 않아 우리나라 특성에 맞는 ai가 체계적으로 적립되어 있지 않음.

- 따라서 건교부에서는 우리나라 환경과 유사한 미국 4개주(유타, 오하이오, 와이오밍, 일리노이)에서 사용하는 상대강도계수의 평균값을 사용하고 있는 실정임.

2. 추후 개선방안

가. 단기적으로는

- 우리나라 실정에 맞는 포장설계기법이 개발되기 이전까지,

- 우리나라에 적합하도록 보완, 수정하여 실무에 잠정적으로 사용하는 것이 바람직함.

나. 장기적으로는

- 국내 포장재료의 역학적 거동에 대한 연구수행 필요

- 우리나라 실정에 맞는 한국형 포장설계기법을 조속히 개발하여 적용

*최근 도로및공항 기술사에는 출제되지 않는 문제이긴하나, 참고하시면 기술자로서 도움이 될듯 합니다. 

Ⅰ. 개 요

1. 포장두께지수(SN)은

- 교통조건(W8.2), 노상조건(SSV), 환경조건(Rf), 서비스 지수(Pt)를 입력하여

- 관계식 또는 설계도표를 이용하여 결정

2. 포장두께지수(SN)는 층별 상대강도계수(ai)와 층별 두께(Di)의 함수로 표시됨.

Ⅱ. 포장두께지수(SN)의 산정방법

1. '72 AASHTO 잠정지침 설계법

SN = a1D1 + a2D2 + a3D3

여기서, SN : 포장두께지수

a1, a2 ,a3 : 각 층별 상대강도계수

D1, D2, D3 : 각 층별 포장두께

2. '86 AASHTO 설계법

: 배수계념 도입

SN = a1D1m1 + a2D2m2 + a3D3m3

여기서, m1, m2, m3 : 각층별 배수계수

3. 설계포장두께 산정

Ⅲ. 개선사항

1. 국내의 지젹조건 및 포장재료조건에 적합한 ai에 대한 시험치의 정립 필요

2. mi(배수계수)의 실측치 적용 필요

3. 국내 포장재료의 역학적 거동에 대한 실험연구 수행 필요.

*한국형포장설계법이 나오기 이전 AASHTO 설계법을 활용하여 포장구조계산시 사용했던 지역계수이므로,

참고만하시기 바랍니다. 

Ⅰ. 개 요

1. 지역계수(Rf)란,

- 포장설계시 설계지역의 기후조건을 반영하기 위한 척도로서,

- 노상토의 온도와 함수량의 년간 변화를 고려한 가중 평균값으로

- 0～5사이의 계수로 정의됨.

2. 지역계수(Rf)값은,

설계 공용기간 동안의 8.2t 단축하중 누가 통과횟수와 역함수관계로 표시됨

Ⅱ. 우리나라 실무에서 관용적인 적용 기준치

1. 서울북부지역 및 표고 500m 이상지역 : 2.5

2. 서울이남 지역에서 대전 이북지역 : 2.0

3. 대전 이남지역 : 1.5

Ⅲ. '72잠정지침과 '86 AASHTO 설계법과의 차이점

1. '72 AASHTO 잠정지침

: 환경적 영향(R)과 지형적 영향(S)을 구분하여 Wt1.8 에 대한 함수로 표시

Wt1.8 = (Wt1.8) AASHTO + f(1/R) + f(s)

2. '86 AASHTO 설계지침

: 환경, 지형적 영향을 묶어서 설계입력 변수별로 고려

Wt1.8 = (Wt1.8) AASHTO + f(1/R) + f(환경, 지형영향)

Ⅳ. 결 론(문제점 및 개선방안)

1. 단지 가중치 개념으로서, 외국의 전역에 걸친 검증을 통한 값이므로, 우리나라에 적용시에는 우리조건에 맞게 보완되어 사용되어야 함.

2. Rf값의 산정시 주관적인 면이 많다.

3. 배수에 대한 고려가 미흡하다는 단점 보유.

Ⅰ. 개 요

1. 동탄성계수(MR)란,

흙의 비선형적 특성을 이용하여 반복재하하중 및 구속응력의 크기에 따라 변화하는 응력의 의존적 탄성계수로 정의된다.

2. 포장체가 차량주행으로 인해 반복적으로 윤하중을 받는 조건에서 포장재료의 역학적 특성을 반영한 계수임.

3. '86 AASHTO 포장설계지침에서 노상지지력계수(SSV)대신 동탄성계수(MR) 사용.

4. 노상의 지지력은 가변성이 있다는 전제조건 하에서, 노상의 지지력 평가를 위한 가장 합리적, 역학적인 시험법으로 평가되고 있음.

Ⅱ. 동탄성계수MR) 산정

1. 규 정

: AASHTO 시험 T-274

2. 계산식

3. 시험방법

가. 실내시험법

- 3축재하식(Trarial Mode)

- 원주면재하식(Diametral Mode)

나. 원위치시험법

- 직접시험법 : 원위치에서 반복하중으로 직접 MR 결정.

- 간접시험법 : 현장비파괴시험(Dynaflect FWD사용)

다. 시 험 식

MR = K1θk2

여기서, θ = σ1 + σ2 + σ3 : 주응력 합계

k1, k2 : 토질종류에 따른 회기 상수

Ⅲ. 다른 토질정수와의 관계

1. CBR과의 관계식(수침 CBR 10이하인 세립토)

MR = 104.45 × CBR

2. 토질상태(NCHRP 보고서)

- 양호 : MR = 700kg/cm2 이상

- 불량 : MR = 210kg/cm2 이하

Ⅳ. 국내현황 및 개선사항

1. 국내에서는 지역특성 및 계절적 특성에 대한 토질역학적 검토가 이루어지지 않아 포장설계실무에서 MR대신 CBR을 이용하고 있음.

2. 외국은 MR시험적용이 급속히 확대되고 있는 추세임(실내 3축재하식시험이 주종)

3. 국내의 경우 ‘86 AASHTO포장설계지침 도입을 위해 연구 시작

4. 향후 MR시험기 보급 및 MR적용 설계법에 대한 인식이 성숙되기 전까지 기존설계법을 적용할 수 있도록 MR-CBR 상관관계식 개발 필요.

5. 장기적으로는 ‘86 AASHTO포장설계지침 도입을 위해 우리나라의 지역적 특성과 계절적 변화특성을 고려한 한국형 포장설계법 개발이 요구됨

Ⅰ. 개 요

1. 노상지지력계수(SSV)란,

- 노상의 지지강도 or 지지 용량을 표시하는 가상적 척도로서,

- 포장설계 기본식의 주요 입력변수중의 하나이다.

2. AASHTO 도로시험을 통해서 개발된 지표이며,

CBR값, R값, 군지수, 동타성계수(MR)와 같은 강도정수와 상관시켜서 결정해야 한다.

Ⅱ. SSV 산정

1. 평가기준점

가. 평가 기준점(SSV=3.0)

: AASHTO 도로시험에서 노상조건이 평균CBR(2.89), 다짐밀도(80%) 이고, SN=2.98, Pt=2.0일때,

8.2톤 단축하중을 2.5회/일(20년동안 0회) 통과시킬 수 있는 지지용량을 가질 때

나. 평가기준점(SSV=10.0)

: AASHTO 도로시험에서 포장층에 대한 노상의 영향을 극소화시킬 수 있는 상당한 두께의 쇄석기층을 가지고,

SN=1.98, Pt=2.0일때, 8.2톤 단축하중을 1000회/1일(20년동안 0회) 통과시킬 수 있는 지지용량을 가질 때

2. 관계식

: SSV(3.0)과 SSV(10.0)사이에서 log직선관계가 성립한다고 가정

W8.2t : 8.2톤 등가단축하중 통과 횟수

3. SSV 산정방법

가. 관계도표 이용

1) CBR 시험

2) 설계CBR 산출

3) CBR-SSV 관계도표 이용하여 SSV값 결정

나. 관계식 이용

SSV = 3.8log CBR + 1.3

여기서, CBR : 설계 CBR이용

Ⅲ. SSV 적용상 문제점

가. 노상지지력계수(SSV)값은 시험에 의해 직접 산정되는 값이 아니고, 토질특성치를 이용하여 산정된 값이므로 정확성, 객관성 미흡

나. 우리나라 CBR 측정법과 미국 Utha주의 CBR측정법에 있어서 다짐방법의 차이로 「CBR-SSV 관계도표」적용상 불합리

다. 1988년 국립건설시험소에서 연구를 시행하였으나, CBR과는 상당한 차이가 있고, 검증결과를 거치지 않아 불확실함.

Ⅳ. 개선방안

가. 가장 합리적인 관계식은 없으며,

나. AASHTO의 CBR-SSV관계 도표의 사용은 CBR시험시 다짐방법의 차이로 불합리하므로 KSF 2320 다짐시험에 의한 SSV 결정 필요.

다. 또한 노상토지지력계수(SSV) 산정은, CBR값, R값, 군지수, 동타성 계수(MR)와 같은 강도 정수와 상관시켜서 결정해야 함.

Ⅰ. 개 요

1. 등가단축하중(ESALF)이란,

- 도로설계시 교통하중에 의한 도로의 파손정도를 나타내는 상대적 척도로서,

- 공용기간동안 통과 예상 8.2ton 환산교통량 누가통과 횟수임.

2. 도로를 통행하는 자동차는 각기 다른 축배열 및 축하중을 가지고 있으므로,

- 이것을 설계표준 교통하중으로 환산하기 위하여

- 8.2ton 등가단축하중으로 환산하여 포장구조설계에 이용한다.

Ⅱ. ESALF의 산정과정

1. 조사지점의 선정 : 통계적 표본추출

2. 조사지점에서의 차종구분 및 차종별 표본크기 결정

3. 현장조사를 통한 자료수집

가. 조사장비 : 고정식, 이동식, 휴대식 축중기

나. 축 배 열 : 단축, 복축, 삼축

4. ESALF 산정

가. 가요성 포장 : W8.2 = f(SN, Pt)

나. 강 성 포 장 : W8.2 = f(D, Pt)

다. 임의점에서의 등가단축하중계수(ESALF)

- 임의지점의 등가단축하중계수(ESALF)는

- 임의 단축하중의 1회 통과에 따른 피해도와

- 표준 단축하중 1회 통과에 따른 피해도와의 비로 정의

Ⅲ. 설계차로 교통하중(W8.2) 산정

1. ESAL = AADT × 8.2ton ESALF

2. W8.2 = DD ×DL × W8.2t

W8.2 : 양방향 전단면 ESAL

DD : 방향별 분배계수(0.5)

DL : 차로별 분배계수 1방향 1차로 : 100 % 1방향 2차로 : 100～80 %

1방향 3차로 : 80～60 % 1방향 4차로 : 75～50 %

Ⅳ. ESALF를 이용한 포장두께 산정

1. 계획목표년도(보통 20년)의 장래 교통량(AADT) 예측

2. CBR시험을 통한 설계CBR값 결정

3. 8.2ton 등가단축하중계수(ESALF) 결정

- 차종별, 축별, 최종서비스 지수(Pt)별, 포장두께지수(SN)별, Slab두께별

4. 혼합교통량을 8.2ton 등가단축하중으로 환산

5. 차로별 분포 결정

6. 설계두께지수(SN) 결정 : 도표, 산식 이용

7. 소요SN과 설계SN값을 비교

: 소요SN〈설계SN이 되도록 설계

8. 포장두께 결정

목표년도까지 서비스수준(Pt)을 만족할 수 있도록 포장두께 결정

Ⅴ. 적용 및 연구

1. ESALF의 적용사례

가. 1973년 : IBRD사업시 최초적용

나. 1979년 : IBRD 5차사업시 O-D조사와 병행 시행

다. 1983년 : 한국도로공사에서 고속도로 12개소 조사

라. 1985년 : 국토개발연구원에서 도로사용자부담 조사

마. 1987년 : KIST에서 전국 31개 지점을 조사하여

포장별(가요성, 강성), 도로등급별(고속도로, 국도, 지방도), 차종별(8종) ESALF값 제시 → 현재 설계 적용값

Ⅵ. 개선사항(장래발전방향)

1. 도로설계시 교통하중에 의한 도로의 파손정도를 나타내는 ESALF는조사자료 부족 및 시기적으로 오래된 자료의 사용으로 설계의 신뢰성이 많이 떨어지고 있는 것이 사실이다.

2. 이러한 문제점을 개선하기 위해서는 다음과 같은 개선이 요구됨

가. 현재의 건교부 교통량 조사체계와 더불어 자동차 축하중에 대한 상시조사체계를 갖출 것

나. 조사 기관별 차종구분 통일 필요

EX) 건교부 11종, IBRD보고서 5종, 한국도로공사 4종

다. 현재의 정적인 조사보다는 차량의 주행상태에서의 동적인 조사가 바람직함.

: WIN(Weight-In Motion)장치 사용

라. DD, DL 도출을 위하여 각 지역별, 도로등급별 조사를 지속적으로 실시

마. 교통량 증가, 차량 중량화, 교통구성 특성 변화에 따라 체계적으로 자동차축하중조사 필요