한국형포장설계법개요 (Korea Pavement Design Guide) 한국형포장설계법연구개요 연구목적 한국형도로포장설계기술개발 도로포장선진화를위한시공기술개발 및국가기준정비 KPRP 연구기간 : 2001 ~ 2011 (10 개년 ) 연구개요 연구기관 : 한국건설기술연구원, 한국도로공사 ( 위탁, 한국도로학회-16개대학연구진참여 ) KPRP : Korean Pavement Research Program 1
단계별연구목표및성과 포장관련지식기반토대구축 포장설계법개발관련구성모형연구 3 종지침개발 2 종요령개발 포장관련지침및신설포장설계법 신설포장설계법 ( 안 ) 개발 : 설계프로그램, 사용지침안 / 매뉴얼 2 종지침개발 4 종요령 / 매뉴얼개발 덧씌우기포장설계법및검증 덧씌우기포장설계법및한국포장설계법완성 : 설계프로그램, 사용지침 (2)/ 매뉴얼 12 종지침개발 3 종핸드북 / 매뉴얼 실무자교육및홍보 한국형포장설계법단계별연구성과 1단계 : 2001~2004 Ø 도로포장설계법개발관련구성역학적모형연구 Ø 3종도로포장현장시공관련지침개발 ( 아스팔트포장의소성변형저감지침등 ) Ø 2종도로포장현장품질관리관련요령개발 ( 아스팔트플랜트품질관리요령등 ) 2단계 : 2004~2008 Ø 신설도로포장설계법 ( 안 ) 개발 : 설계프로그램안, 설계요령안등 Ø 4종도로포장현장시공관련지침개발 ( 산업부산물재활용도로포장지침등 ) Ø 4종도로포장현장품질관리관련요령개발 ( 아스팔트포장현장다짐관리매뉴얼등 ) 3단계 : 2008~2011 Ø 신설도로포장설계법및덧씌우기포장설계법완성 : 설계프로그램, 설계요령등 Ø 9종도로포장현장시공관련지침개발 ( 저탄소중온아스팔트포장지침등 ) Ø 4종도로포장현장품질관리관련요령개발 ( 설계법해설서등 ) 2
Total Cost (LCC) 포장설계법 이란? 포장설계법 이란? 최적설계대안선정 포장설계 Case 3
기존국내포장설계법적용 AASHTO 86 Guide 미국 AASHO Road test 에서얻은경험적결과활용 Test section 에있는조합의포장설계는정확 문제점 포장재료의차이 ( 미국 vs. 한국 ) 환경하중의차이 (Ottawa, Illinois vs. 한국 ) 50 년전의환경하중과교통하중으로는부족 미국도 2002 Design Guide 를지금까지개발중 à 경험적인방법의한계인정 현행포장설계법의문제점 외국설계법도입 -AASHTO 설계법 (72, 86, 93) - 시멘트콘크리트포장요강 - 사회적으로기술인식낮음 경험적설계단면 - 획일적인단면두께 - 시설에대한고려미흡 - 새로운공법적용불가 - 품질관리의어려움 경제성미고려 - 덧씌우기비용증가 - 획일적인두께시공에따른시공비증가 - 국내교통및환경특성반영미비 - 기존재료및신재료고려불가 - 합리적 ( 과다및과소 ) 설계판단유보 - 신공법의합리적도입판단기준미비 한국형도로포장의설계기술필요 4
한국형포장설계법특징 (M-E Design) 입력변수 역학적해석 포장파손모형 입력변수 역학적해석 포장파손모형 - 재료물성 ( 아스팔트, 콘크리트, 보조기층및노상 ) - 환경조건 ( 온도및함수량 ) 아스팔트재료 : E = E* *C T 노상재료 : E = M R *C W - 교통조건 ( 축하중분포 ) - 아스팔트 : 다층탄성이론 - 콘크리트 : 유한요소해석 - 아스팔트 : 소성변형및피로균열모형 - 콘크리트 : 피로균열및스폴링모형 - 평탄성 IRI 예측모형 포장수명주기결정 - Mechanistic: 이론적, Empirical: 경험적 - 모델의 Calibration 와 Update 가용이함 한국형포장설계법특징 국내생산또는시공포장재료 ( 골재, 아스팔트, 콘크리트, 토질 ) 의특성모형개발 국내환경특성모형개발 ( 지역별온도, 포장체함수량분포등 ) 국내교통특성의정량화 ( 차종별하중패턴, 축하중분포특성등 ) 국내도로의파손특성을반영한모형개발 ( 균열, 소성변형, IRI 등 ) 새로운재료의도입이용이함 ( 개질아스팔트, 배수성포장등 ) 5
한국형포장설계법흐름도 포장구조가정 환경조건 재료선정 설계기간 교통조건 구조해석 ( 응력, 변형률, 처짐량 ) 재료물성 입력변수 구조해석 역학적 모형 포장파손모형피로균열, 소성변형, 스폴링, IRI 포장손상도 공용성모형 NO 포장공용성기준만족? YES 구조설계대안 대안선정 경험적 모형 경제성분석 대안선정 기존포장설계법과의차이점 ( 단면결정 ) 교통량 기존 (AASHTO) 노상지지력 포장수명 SN 값 포장두께 재료물성 포장두께 한국형 (KPRP) 교통량 환경 포장공용성 포장수명 재료물성 6
기존포장설계법과의차이점 ( 입력변수 ) 입력변수 아스팔트포장 콘크리트포장 기존 (AASHTO) 한국형기존 (AASHTO) 한국형 재료물성상대강도계수 (a i ) 동탄성계수 (E*) 콘크리트탄성계수 (E c ) 콘크리트파괴강도 (S c ) 휨 (R), 쪼갬 (S), 압축강도 (C) 탄성계수 (E) 열팽창계수건조수축계수 노상재료물성 노상층강도회복탄성계수 (M R ) 노상반력계수 (k) 복합지지력계수 환경조건 배수특성계수 (m) 포장층내부온도 콘크리트슬래브 노상층함수량변화배수특성계수 (m) 온도차 교통 등가단축하중 (ESAL) 차종별축하중분포 등가단축하중 (ESAL) 차종별축하중분포차축간길이 도로등급및중요도에따른설계수준 설계등급교통특성설계방식 등급 1 설계입력변수의변동성이큰도로 - 물성 : 실측자료사용 ( 지반특성변동이큰도로, 많은중차량통행 ) - 교통조건 : 실측자료사용 등급 2 설계입력변수의변동성이작은도로 - 물성 : 예측모형사용 - 교통조건 : D/B 사용 등급 3 설계입력변수의변동성이작은저교통도로 - 표준화된단면사용 7
입력변수 ( 재료물성 ) 기존설계법 M-E 설계법 - 상대강도계수 (a i ) 를물성정량화 - 상대강도계수는 1950년대수행된미국시험도로재료에근간을두어정의 - 상대강도계수결정방법부재 - 개질아스팔트포장및배수성등 - 다양한포장재료의물성정량화가능 ( 포장신재료 ) - 역학적재료물성 ( 탄성계수, 동탄성계수등 ) 을사용 - 각포장재료에대한물성평가시험방법이정의됨 포장신재료에대한 상대강도계수결정이어려움 입력변수 ( 교통하중 ) 기존설계법 M-E 설계법 - 등가단축하중 (ESAL) 개념 - 등가단축하중계수는과거 AASHTO 공용방정식을이용하여산출됨 - 1950년대미국에서개발된경험적인교통량계산법은현재교통특성및국내환경과 - 차종별축하중분포및통행패턴사용 8 종차량 (Single 축 )- 국도 25 2차로 _ 도시 20 2차로 _ 지방 4차로 _ 도시 15 4차로 _ 지방 10 5 0 0.5 2 3.5 5 6.5 8 9.5 11 12.5 14 축하중 (ton) - 차종별차량하중재하특성사용 축하중, 타이어압력 상이함 길이 길이 길이 - 현실적교통하중반영및정확도향상 8
입력변수 ( 환경하중 ) 기존설계법 M-E 설계법 - 도로포장설계시환경영향고려미비 - 배수계수 (m), 동결지수를이용한환경조건고려 SN = a + 1D1 + a2d2m2 a3d3m3 - 국내환경조건고려 - 대기온도, 운량, 강수량을이용하여설계지역의포장체온도 / 하부함수량예측 - 환경하중은포장체물성변화를고려시사용됨 18.0 17.0 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 월별부피당함수량변화 ( 신팔 - 일동 ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 달 ( 월 ) 2004 년 2005 년 2006 년 역학적구조해석 기존설계법 M-E 설계법 - 교통하중에따른포장체의거동 분석을위한개념이부재 - 역학적개념을이용하여포장체 거동분석 - 경험에근거한도로포장설계 표층 기층 응력 - 아스팔트포장 : 다층탄성이론 - 콘크리트포장 : 유한요소해석 9
공용성평가모형 피로균열시험수행 소성변형시험수행 6 종아스팔트혼합물 (AP3, AP5 아스팔트바인더 + 13mm, 19mm, 25mm 입도 ) -12. 1923-3. 4717 N f = 10 e 0 E 0. 5221 N f : 피로파괴시까지의하중재하횟수 e 0 : 변형률 E: 혼합물의강성 포장파손모형 e = 10 e p -1. 247 r N 0. 153 T 0. 371 e p = 소성변형량 N = 하중재하횟수, T: 온도 AV: 혼합물공극룰 AV 1. 102 역학적해석및공용성예측 포장단면 환경조건교통조건재료물성 구조해석프로그램 피로균열, 영구변형, 평탄성예측 10
공용성기준 피로균열율 (%) 영구변형량 (cm) 20 2 평탄성 IRI (m/km) 5 공용시간 10 공용시간 5 포장수명 5 년 ( 예 ) 8 공용시간 경제성분석및최종포장단면결정 Case 1 표층 T1=5cm 19mm+ 개질아스팔트 중간층 T2=5cm 19mm+ 개질아스팔트 기층 T3=10cm 25mm+ 일반아스팔트 Case 2 표층 T1=5cm 19mm+ 개질아스팔트 중간층 T2=5cm 19mm+ 일반아스팔트 기층 T3=15cm 25mm+ 일반아스팔트 Case 3 표층 T1=5cm 13mm+ 일반아스팔트 중간층 T2=10cm 19mm+ 일반아스팔트 기층 T3=15cm 25mm+ 일반아스팔트 보조기층 T4=40cm 보조기층 T4=35cm 보조기층 T4=30cm 경제성분석 최종포장단면결정 11
포장단면설계프로그램소개 설계구간정보및포장형식 12
횡단설정 포장단면설정 v 포장층종류설정 예비단면설계 v 각포장층의두께결정 v 총 5 층까지구분가능 기준에부적합하면단면두께의변경이가능 13
포장층별재료물성 아스팔트혼합물재료물성 설계등급 1 설계등급 2 14
아스팔트혼합물의재료물성 골재입도 아스팔트등급 탄성계수 아스팔트함량 공극률 보조기층재료물성 15
동상방지층설계 교통량자료 ` 차종별축하중분포 다양한차종 50.00 45.00 40.00 35.00 5종 6종 8종 10종 ( 첫번째 ) 10종 ( 두번째 ) 빈도 (%) 30.00 25.00 20.00 11 종 12 종 15.00 10.00 5.00-0.50 2.50 4.50 6.50 8.50 10.50 12.50 14.50 16.50 18.50 20.50 22.50 24.50 26.50 텐댐축의축하중 (ton) 교통량관련계수 교통하중은도로등급, 설계지역, 차로수에따라결정됨 교통하중에의한포장체영향판단 16
교통량자료 교통량특성 v 도로등급, 설계지역, 차로수에의해결정 v 차종별교통량비율제공 v 방향및차로계수 v 시간별교통량비율 교통량자료 17
기상정보및환경자료 기후자료 v 전국 68 개측후소 10 년간기상자료 v 최고및최저온도, 운량, 강수량 v 월별기후자료적용 환경조건 v 아스팔트층깊이별, 시간별온도분포 v 포장하부의함수량변화 기상정보 ( 측후소자료 ) 18
환경자료 10 년간측후소자료 포장층온도 및함수량예측 공용성기준 19
수명대비공용성분석 공용성분석결과 20
공용성분석결과 단면대안별경제성분석 21
포장파손구간빈도 현장조사자료를활용한한국형포장설계법검증 개발된설계프로그램의정확성 검증필요 설계법의보정절차필요 포장가속시험기를이용한실물시험 환경과실제교통조건을고려한 시험도로 LTPP 도로공사시험도로구간 ( 중부내륙고속도로 ) 무엇을기대할수있나? 국도도로포장평균수명 : 약 7 년 정확한도로포장의수명예측가능 조기파손 포장수명 한국형포장설계법사용시 기존포장설계법사용시 10 년 공용수명 22
포장공용성 무엇을기대할수있나? 과거포장설계법적용범위 불확실한예측범위 Interpolation Extrapolation 기능성포장 현재요구되는적용범위 기대효과 ( 건설예산 ) 평균 3cm 포장층두께감소효과기대 : 정확한포장설계 km 당 3,147 만원공사비절감효과 (2 차로기준 ) 최근 7 년간평균도로연장증가율 : 2,130km/ 년 년간약 670 억원의예산절감효과기대 23
기대효과 ( 사용자비용 ) 도로구분지체비용 ( 원 / 시간 ) 총연장 (km) 보수연장 (km/ 년 ) 보수속도 (km/ 시간 ) 지체비용 ( 억원 / 년 ) 일반국도 71,040 13,905 695 0.02 24.7 지방도 71,040 18,193 910 0.02 32.3 시도 110,984 26,202 1,310 0.02 72.7 군도 71,040 23,972 1,199 0.02 42.6 특별광역시도 110,984 18,517 926 0.02 51.4 합계 224 주 ) 지체비용계산은 도로점용공사로인한교통지체완화대책연구, 교통연구원.1998 년 수치인용하였으며, 2010 년도기준으로재산정하였음 ( 매년 3% 증가가정 ) KPRP 홈페이지운영 (www.pavementinfo.com) 연구성과확산및실무자기술정보제공 설계프로그램, 지침, 구조설계요령등제공 24
감사합니다. 25