콘크리트포장의 구조적 형상과 컬링 거동이 FWD를 이용한 물성 역해석에 미치는 영향 분석

Abstract

콘크리트포장의 물성인 콘크리트 슬래브 및 노상의 탄성계수는 잔존수명을 추정하고 덧씌우기 두께를 산정하는데 중요하게 사용된다. FWD(Falling Weight Deflectometer)는 이러한 포장의 물성을 평가하는데 널리 사용되는 비파괴 시험 장비로 충격하중을 가하고 속도계를 이용하여 표면 처짐을 측정한다. 콘크리트포장의 물성은 전통적으로 FWD를 통해서 얻어진 하중과 처짐을 대표적인 물성평가 방법인 AREA법에 대입하여 구하는데 이것은 Westergaard 이론과 Kirchhoff 판 이론에 기초한 정적 유한요소 해석을 이용하여 유도된 방법이다. 따라서 충격하중이 복층구조와 형상을 가지는 콘크리트 슬래브에 가해지는 현재의 시험조건으로 얻어진 처짐을 AREA법에 대입하면 왜곡된 결과를 낳는 구조를 가지고 있다. 아울러, 콘크리트포장은 대기온도의 변화로 내부에 온도구배가 발생하며 깊이별 팽창_수축 변형 차이로 인해 컬링이 발생한다. 컬링이 발생하면 슬래브의 모든 면이 지반과 균등하게 접촉한다는 AREA법의 가정에 위배되므로 실제와 다른 물성을 추정할 수밖에 없게 된다. 본 논문에서는 간편하면서도 널리 사용되고 있는 AREA법에 실제 조건을 적용하는 경우 어떠한 경향을 나타내는지 조사하고 개선방안을 제시하고자 하였다. 먼저 2차원 정적 유한요소모델을 이용하여 콘크리트포장의 형상, 다 차선 및 복층 구조의 영향에 따라 역해석된 지지력과 탄성계수가 어떠한 경향을 나타내는지 조사하였다. 다음으로 3차원 유한요소 모델을 통해 동적하중, 슬래브 형상, 다우웰 바 및 노상 깊이를 모사하는 경우 AREA법이 물성을 어떻게 왜곡하는지 조사하였다. 마지막으로 콘크리트포장 물성평가에서 가장 많은 영향을 미치는 컬링이 발생하는 경우 처짐과 물성추정 값의 변화를 시험도로의 48시간 연속 계측을 통해 관찰하고 분석하였다. 2차원 유한요소모델을 이용한 민감도 분석을 통해서 요소별로 포장 역해석에 미치는 영향을 파악할 수 있었으나 실제 상태를 모사하지 못하므로 한계를 나타내었다. 3차원 유한요소모델을 이용하여 수정된 AREA법의 형태로 최대 처짐, AREA를 알면 슬래브와 노상의 탄성계수를 추정할 수 있는 도표를 제시하였다. 수정된 AREA도표는 콘크리트포장의 기하학적 형태와 노상의 깊이에 따라 결정되는 것으로 단일슬래브에 대한 민감도 분석 결과 노상 깊이 4.0m이상에서 큰 차이를 나타내지 않았고 동일 노상 깊이에 대해서 크기효과가 발생하면 추정도표가 처짐과 AREA가 증가하는 방향으로 이동하는 특징을 나타내었다. 시험도로 현장계측을 통해 얻은 결과를 회귀분석하여 우리나라 고속도로 포장단면에 발생한 컬링 처짐에 대한 보정공식을 도출하였다. 이 공식은 컬링이 발생한 콘크리트포장의 줄눈과 중앙 처짐의 비를 이용하여 컬링이 발생하지 않은 상태의 처짐을 추정하는 것으로 비교적 높은 정도의 추정 처짐을 제시하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 제시한 AREA도표 및 도출된 컬링 처짐에 대한 보정공식을 활용함으로써, 기존 AREA법보다 합리적으로 물성을 역해석 할 수 있으며 컬링이 발생한 포장에 대한 시험을 통해 얻은 처짐으로 포장상태를 평가할 수 있으므로 차량 정체시간을 피한 시간에 얻은 결과로도 적절한 포장평가를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.; Modulus of elasticity of concrete slab and subgrade are important parameters to estimate remaining life and to calculate overlay thickness on portland cement concrete pavement. Falling Weight Deflectometer (FWD) has been widely used to evaluate these material properties of pavement. This nondestructive test equipment apply a impact load with a duration of about 30 micro seconds and measure surface deflections using velocity transducers. The material properties of portland cement concrete pavement are traditionally backcalculated from by AREA method using a load and deflections from FWD tests. This method is to use Westergaard equation and static finite element analysis based on kirchhoff plate theory. So, backcalculated results are different from real material properties when existing AREA method applies to real test conditions such as impact loading, multi-layer and multi-slab structures. Furthermore, curling behavior by temperature gradient within concrete slabs changes the normal pavement contact conditions between slab and base and also distorts real material properties. In this dissertation, misled trend from AREA method which is easy and widely used in evaluation of portland cement concrete pavement, is investigated when real test conditions are applied. Firstly, effects of slab size, multi-lane and multi-layer structures on backcalculated material properties are evaluated by using 2-dimensional FE models. Secondly, 3-dimensional finite element models are built to simulate misled trends caused by impact loading, slab size, dowel bar and depth to bedrock. Lastly, patterns of curling deflections are monitored from field FWD tests in 48 hours. Although effects of each parameter on backcalculation are investigated using 2-dimensional FE models, it is impossible to simulate real test conditions. And modified AREA graphs which graphically backcalculate modulus of elasticity of slab and subgrade based on center deflection and AREA for specific pavement system are proposed using 3-dimensional FE models. From the parametric study of single slab, it is found that effect of depth to bedrock more than 4.0 meters on backcalculation results can be negligible in these graphs. With same depth to bedrock, center deflection and AREA generated from pavement of real slab size are larger than those of infinity slab size. Regression curves to calibrate curling deflections for highway portland cement concrete pavement geometry are suggested using deflection data from Test Road with reasonable correlation coefficient. And curling deflections are transformed into deflections of no curling time by these curves using curling index which is a deflection ratio of joint to center at anytime. From this study, more reasonable material properties by using modified AREA graph and regression curves for curling behavior are expected to be backcalculated than those by using existing AREA method. And it is possible to evaluate portland cement concrete pavement even in the time of severe curling condition which is frequently away from the time of traffic congestion.