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Ⅱ. 표면결함조사

공항의 활주로포장의 결함상태를 조사하여 수치적으로 정량화하기 위하여 미공병단에서 개발된 PCI(Pavement Condition Index)를 사용한다. PCI는 포장의 표면결함정도를 나타내는 지수로서 0～100의 값으로 나타낸다. 자동 포장상태조사장비(ARIA:Automated Road Image Analyzer)를 사용하여 포장 결함의 종류, 포장결함의 심각도(severity), 포장결함의 분포정도(extent)를 얻었으며 이에 따라 PCI를 산출.

1) 자동포장상태조사장비를 이용한 조사개요

이 전 포장 평가에서는 포장 결함을 측정시 사람이 직접 육안 조사를 함으로써 시간 및 인력 소요가 많이 필요하였으며 조사자간의 주관적 평가로 인한 결과의 신뢰도가 낮았다. 그러나 자동 포장 조사 장비(ARIA)를 이용하여, 시간 및 인력 소요를 최소한으로 줄였으며 객관적인 평가가 가능토록 하였다. 또한 조사된 비디오를 그대로 보관할 수 있으므로 다음 조사시 포장상태 변화를 직접 비교할 수 있다는 큰 장점이 있다.

2) 조사 결과 분석

PCI 산출에 필요한 공항 포장 결함 분류는 다음과 같다.

(문헌: Pavement Management for Airports, Roads, and Parking Lots. M.Y.Shahin)

① 소성변형(Rutting)

② 거북등균열

③ 종방향/횡방향 균열

④ 블럭균열

⑤ Corrugation

⑥ 침하(Depression)

⑦ 소파보수(Patching)

⑧ Shoving

⑨ Slippage Cracking

⑩ Flushing(Bleeding)

⑪ Jet Blast Erosion

⑫ 반사균열(Reflection Crack)

⑬ 라벨링(Ravelling)

⑭ Oil Spillage

⑮ Polished Aggregate

위 결함 유형에 따라 ARIA 조사결과 각 Unit section 별 심각도, 분포정도를 조사후 PCI를 산출.

Ⅲ. PCI 산출방법

PCI 산출 방법을 다음과 같은 절차를 따른다.

(문헌: Pavement Management for Airports, Roads, and Parking Lots. M.Y.Shahin)

1) 제1단계: 조사할 포장의 Unit Section 분할한다.

일반적인 동질성구간의 크기는 아스팔트포장의 경우 270m2～630m2의 면적을 가진다.

2) 제2단계: 분할된 구간별 포장 결함의 종류(type), 심각도(Severity), 분포정도(Density)를 조사한다. 조사방법은 육안조사와 자동포장상태측정장비를 이용하는 방법이 있다.

3) 제3단계 : 2단계 조사항목으로부터 그림3.3와 같은 그래프를 이용하여 결함별 Deduct Value를 산출한다.

4) 제4단계 : 각 Unit Section에 대한 최대허용 Deduct수(m) 및 수정 Deduct Value(CDV)를 결정한다.

5) 제5단계 : 수정 Deduct Value(CDV)으로부터 다음식을 이용해 PCI를 산출. PCI=100-CDV

6) 제6단계 : 전체 활주로의 평균 PCI를 산출한다.

표. PCI 판정 등급

Ⅳ. 구조적 지지력 조사 (FWD조사)

구조적 지지력은 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 이용한 비파괴 처짐량 해석을 통해 평가한다. 비파괴 처짐량을 이용한 포장체 해석이라함은 포장체를 탄성체로 가정한 뒤 포장체에 어느 일정한 힘을 가했을 때 단단한 포장체일수록 적게 쳐지고 약한 포장체일수록 많이 쳐진다는 원리를 이용하여 그 처짐량 정도를 분석 함으로서 포장체의 지지력을 평가하는 방법이다.

1) Deflection Basin

포장체위에 하중을 가했을 경우 포장체는 그 단단한 정도와 하중과의 떨어진 거리에 따라 처짐이 각각 다르게 발생하게 된다. 하중이 가해지는 지점에 가까울수록 처짐이 크며 반대로 하중이 가해지는 지점에서 멀어질수록 처짐은 작다. 이러한 처짐을 하중이 가해지는 지점으로부터 일정한 거리를 간격으로 두고 측정한 뒤 각각의 처짐량을 선으로서 연결해보면 그 처짐곡선을 만들어 낼수있는데 그 처짐곡선을 마치 모양이 Basin 같다고 하여 Deflection Basin이라고 한다. Deflection Basin은 포장체를 구성하고 있는 포장체 각각의 단단함(탄성계수)에 따라서 그 모양이 다양하게 나올 수 있다.

그림 . Deflection Basin

2) FWD (Falling Weight Deflectometer)

포장체에 하중을 가했을 때 처짐량을 측정하는 장비로는 여러 가지가 있다. 현재 가장 많이 사용하는 장비는 FWD(Falling Weight Deflectometer)이며 그 밖에도 Dynaflect, Deflectograph, Benkelman Beam 등을 들 수 있다. FWD의 종류는 Dynatest-8000으로서 하중판이 포장체를 충격을 주었을 때(동적하중) 처짐량을 읽은 장치다.

Ⅴ. 포장체의 탄성계수 추정

포장체 분석은, 합성단면 포장을 역산할 수 있는 WESDEF를 이용하며, WESDEF 실행시 입력변수중, Deflection Basin에 해당되는 값은 FWD를 통해 얻은 값을 근거로 한다.

그 외의 다른 입력 변수들은 코어 채취를 통해 얻은 값과 재료의 일반적인 특성치를 사용하고 이러한 입력 변수를 통한 WESDEF 실행 결과 구간별 각층의 탄성계수(E)는 적정 범위내에 드는 값들에 한하여 대표값으로 사용한다. Deflection basin을 근거로 혼합포장 역산이 가능한 프로그램인 WESDEF를 이용하여 포장체의 각층의 탄성계수를 결정한다.

Ⅵ. 잔존수명분석

1) 개요

① 잔존수명분석이라함은 현재의 공항포장상태를 평가하여 앞으로 대략적으로 몇 년까지 더 사용가능할 수 있는지를 분석함으로서 효율적인 공항운영을 꾀함을 그 목적으로 한다. 잔존수명 분석방법에는 현재의 포장상태 파손정도를 이용하는 방법과 현재까지의 누적교통량을 이용하는 방법 두 가지가 있다.

② 현재의 포장 파손정도를 이용하는 방법은, 먼저 활주로 및 유도로를 더 이상 사용할 수 없는 파손한계 기준을 정하고, 그 정한 기준에서 현재 파손이 얼마만큼 진행되었는지를 비교함으로서 앞으로의 남은 잔존수명을 계산해내는 방법이다.

③ 현재까지의 누적교통량을 이용하는 방법(비교적 현재의 포장상태가 양호하여 앞에서 언급한 파손정도를 이용하여 분석하기 어려운 경우에 사용됨)은 먼저, 공항을 더 이상 사용할 수 없는 파손한계까지 이르는 허용반복하중수(N)를 구한 뒤, 현재의 누적교통량이 허용반복하중수에 얼마나 근접했는지를 비교 분석함으로서 잔존수명을 계산해내는 방법이다.

2) 허용반복하중수

① 피로파괴 기준은 콘크리트 슬래브의 피로균열이 슬래브의 50%이상에서 나타났을 때를 기준으로 하며 피로파괴 기준은 포장파손이 심하여 더 이상 사용이 불가능한 상태를 나타낸다. 언급한 50% 피로균열에 관한 Fatigue equation을 수립하여 ERES에서 사용한 식을 사용한다.

② Fatigue equation에 들어갈 입력변수는 포장체 구조해석프로그램과 코아채취된 콘크리트의 강도 및 포장두께를 이용하여 산출하였다. Fatigue equation에 들어가는 입력변수는 콘크리트바닥의 수평 최대응력과 콘크리트의 휨강도이다. 각층의 탄성계수는 WESDEF의 결과로서 얻고 콘크리트 구조해석프로그램인 ILLISLAB을 이용한다.

③ 실제로 활주로 및 유도로에서는 주행경로에 약간씩 편차가 있게 된다. 따라서 실제 비행기의 주행궤적을 조사하여 p/c ratio(pass-to-coverage)를 산정하여 Fatigue equation에서 얻어진 에 곱해줌으로서 현실적인 허용반복하중수(N)를 구한다.

3) 잔존수명

① 잔존수명(RL)은 허용반복하중수(N)을 이용하여 얻어질 수 있다. 이렇게해서 얻어진 잔존수명(RL)은 일반적으로 1 - PastDamage의 형태로 사용되며 여기서 PastDamage는 과거에서부터 현재까지의 누적교통량을 말한다.

② 과거의 교통량에 대한 수명소모의 계산은 Miner's hypothesis를 이용한다. Miner's hypothesis는 포장체에 하중이 가해짐으로서 발생되는 구조적 손상들은 산술적으로 누적되며 포장체는 허용반복하중수(N)만큼의 하중이 가해지면 파손한계에 이른다는 가정으로 만들어진 가설이다.

Ⅶ. 허용하중 및 PCN

1) 허용하중

허용하중은 잔존수명내에 총 이륙수 50,000회 이상을 유지하기 위한 기종별 중량제한 상한치를 말한다.

2) PCN

미공군교범(AFM 88-24)에 의하면 군용 공항의 PCN은 Group 9 기종(C-141) 50,000회 반복하중을 기준으로 산출하도로 되어 있다.

Ⅰ. 개 요

1. FWD는 일정 질량의 추를 어느 높이에서 충격완화 장치가 붙어있는 재하판에 낙하시켜 포장표면에 충격하중을 가하고 동시에 가속도계의 원리를 이용하여 표면의 처짐을 측정하는 비파괴시험 방법이다.

2. 표면처짐은 포장구조체 각 층의 물성과 두께에 의존하므로, 이를 역해석하면 각 층의 물성을 추정할 수 있다.

Ⅱ. FWD의 모형도

Ⅲ. FWD의 장단점

1. 장점

가. 시험하중을 실체 차량 하중조건에 근접시킬 수 있으므로 비선형을 고려하지 않아도 된다.

나. 콘크리트 포장의 공동 위치 확인을 할 수 있다.

다. 줄눈부의 하중전달율을 추정 할 수 있다.

2. 단 점

가. 실제 도로의 점탄성을 고려하기가 곤란하다.

Ⅳ. 결과의 이용 및 포장 유지보수에 활용

1. 포장 강도에 대한 혼합물 및 입상재료의 상대적인 기여도를 평가

2. 재포장 또는 특별한 조치가 필요한 경우 어느 층에서 문제가 발생하고 있는가를 평가

3. 보수방법 및 시기 결정

4. 하중에 의해 포장의 각 층에서 발생하는 응력 및 변형률을 계산에 사용

5. 피로곡선 또는 변경기준과 교통이력을 조합하여 계산된 응력과 변형률을 사용하여 평가하려는 포장의 수명을 계산에 이용

6. 포장의 잔존수명 결정

7. 경계층의 구조적인 안정도 확인에 사용

Ⅳ. 문제점 및 향후발전방향

1. 외국자료에 의한 database 사용으로 국내 적용 부적합

2. 현재 우리나라에 있는 FWD장비는 외국의 장비를 도입한 것으로서 유지보수의 어려움이 있고, 국내 도로에 적합한 FWD 장비의 개발이 시급

3. 국내 도로에 적합한 포장 평가 정량화 기준이 요구됨

Ⅰ. 개 요

1. PMS(Pavement management System:포장관리체계)란

- 이미 건설된 막대한 양의 포장도로를 과학적이고, 체계적으로 관리하기 위한 일종의 의사결정 체계로서

- 도로포장에 투입되는 많은 비용이 설계, 시공, 유지, 보수 등 각 분야에 효율적으로 사용될 수 있도록 결정하는 의사결정 System이다.

Ⅱ. 포장유지관리시스템(PMS)의 기본기능

1. Network Level

1) 전체 도로망(Network) 차원에서 어느 구간을 먼저 보수․보강 할 것인가를 결정하는 단계

2) 포장상태 평가 : HPCI, PSI, MCI

2. Project Level

1) 보수․보강 대상구간에 대해 구체적으로 어떤 공법을 적용할지를 판단하는 단계

2) 보수대상 구간에 대해 상세조사 또는 현장실사를 통해 구체적인 보수계획 수립

3. Research Level

1) Database에 장기간 축적된 포장상태 조사결과를 이용하여 포장의 공용성을 평가하고 설계․시공․보수공법 등의 문제점 도출 및 개선방향을 제시하는 단계

Ⅲ. PMS의 주요 구성요소

- PMS의 구성요소는 포장평가, Database, 보수우선순위 및 공법결정 논리, 현황조회기능 등으로 크게 나눌 수 있다.

1. 포장평가

가. 포장평가는 다음 4가지 사항을 기본요소로 한다.

1) 노면 평탄성(승차감)

- 노면의 종방향 굴곡을 말하며 도로의 기능적 측면에서 운전자에게 가장 민감한 요소이다.

- 노면 평탄성을 나타내는 지수로는 SV(Slope Variance), PI(Profile Index), QI(Quarter-Car Index), RCI(Riding Comfort Index) 등 다양하나 IRI(International Roughness Index)로 통일하는 방향으로 가는것이 추세

2) 표면결함

- 균열, 소성변형, Pothole 등 포장표면에 발생되는 결함의 총칭으로서 유지보수 실무자들에게 가장 관심사가 되는 요소이다.

- 표면결함은 공항포장평가에서 주로 사용되는 PCI(Pavement Condition Index)와 같이 하나의 합성지수로 나타내기도 하나 대부분 균열율, 소성변형 깊이 등과 같이 각각의 결함정도를 별도로 표시하는 것이 일반적이다.

3) 구조적 지지력

- 하중재하에 따른 포장체의 처짐량으로 표현되며 Project Level에서 덧씌우기 두께 결정 또는 기층․보조기층의 재시공여부 등을 판단하는데 사용된다.

- 포장체의 처짐량은 FWD, Deflectograph, Benkelman Beam 등으로 측정되며 그 결과는 역산(Backcalculation)과정을 통해 포장체 각층의 탄성계수를 추정하는데 사용된다.

4) 노면 마찰력(주행안전)

- 포장면의 마찰계수를 측정하는 것으로서 습윤시 노면의 미끄러운 정도를 판단하는데 사용된다.

- 조사장비로는 PFT(Pavement Friction Tester)나 BPT(British Pendulum Tester) 등이 많이 사용되며 조사결과는 SN(Skid Number), BPN(British Pendulum Nember) 값으로 각각 표현된다.

2. DATABASE

가. PMS의 기본기능들이 효율적으로 운영되도록 하기 위해 Database는 PMS의 전체적인 지식기반으로서 정보제공자의 역할을 한다.

나. PMS의 핵심기능으로서 Database의 역할

3. 보수 우선순위 및 공법결정논리

가. 매년의 보수․보강계획을 수립하는 필수적인 요소

나. 보수 우선순위 결정은 Network Level의 PMS로서 포장상태에 의한 방법(Condition Rating), 편익 비용비에 의한 방법(Benefit Cost Ratio), 수명주기 비용분석에 의한 방법(Life Cycle Cost Analysis) 등 다양하다. 이중 포장상태에 의한 방법이 가장 선호되고 있다.

4. 현황조회기능

가. 현황조회기능은 PMS의 주기능은 아니나 도로관리자의 입장에서 어무의 효율성을 높여주는 편리한 도구가 되었다.

Ⅳ. 결론

1. 도로포장을 정기적으로 조사, 파손을 조기에 발견, 정확한 원인 분석, 적절한 보수시기 및 보수방법을 선정, 보수대책 강구함으로써 최소의 비용으로 장기간 유지토록함이 최소화 방안으로 판단됨

2. PMS기법에 의한 객관적이고 합리적인 유지보수로

1) 도로예산의 효율적 운용

2) 포장의 적정 수준 유지

3) 적기 유지보수에 의한 포장수명의 연장등의 효과를 기대할 수 있다.

3. 특히 국도의 PMS의 경우 Project Level의 PMS만 시행된다.

Network Level의 적용등 보완이 필요한 실정이다.

4. 조속한 시일내에 고속도로, 국도, 지방도 뿐만 아니라 지자체에서도 관리 운영하는 도로에 대해서도 적절한 PMS를 도입하여 합리적이고 체계적이 포장관리가 이루어져야 하겠다.

5. 각종 도로들에 대한 PMS 자료의 수집 및 분석을 통한 연구 기능을 활성화하여 포장설계, 시공, 유지관리의 기술 발전을 도모하여야겠다.