project-level에서의 fwd 활용 vfwd 시험결과를이용한현장동탄성계수master curve →...

2018-12-20

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INDUK SOIL & PAVEMENT Lab(+82–2–950-7565 )


인덕대학교

최준성

Project-Level에서의 FWD 활용

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v 포장공사에서 보수가 차지하는 비율이 증가하는 현상

: 보수계획이나 보수설계를 위한 지지력 평가의 필요성

v FWD는 아스팔트, 시멘트 콘크리트 포장의 구조평가에도 이용

되며, 시멘크 콘크리트포장의 경우 균열, 줄눈부의 하중전달율

이나 콘크리트판의 탄성계수를 평가하는데 이용

v 여기서 소개한 FWD 조사 사례는 아스팔트 포장에 관한 것

1. 발표개요

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q FWD 조사목적과 측정구간 및 지지력이나 건전도 평가방법 정의필요

q FWD 지지력 평가에서 얻어진 성과예로서 보수공법을 제안한 조사와

재료의 성능을 평가한 조사등이 포함

q 보수 비용도 고려한 보수계획의 입안을 지원할 수 있는 노면성상 측정

q FWD 조사 및 포장의 라이프사이클코스트를 포함한 조사설계시스템

이 되어야 함.

q FWD 평가는 포장 보수에서 기존 포장의 구조적인 잔존가치 산정이나

덧씌우기 설계에도 이용

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1. 발표개요 - FWD


q 지지력평가 : 비파괴시험기에 의한 처짐 측정에 의해 평가하는

방법과 개삭에 의한 CBR시험 등으로 평가

q 시간과 노력을 절감할 수 있는 방법인 처짐 측정기기에는 벤켈

만빔, FWD 및 다이나플렉트 등이 있는데, 측정 처짐의 재현성

이나 재하하중 및 재하속도의 근사성에서 FWD가 널리 보급

q 포장유지관리시스템(PMS)의 확립을 위해

FWD를 이용한 지지력 평가 조사(이하, FWD 조사),

노면성상 조사 및 라이프사이클코스트 분석필요

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1. 발표개요 - FWD


포장관리체계(Pavement Management System;PMS)

1. PMS의 기능

가. 유지보수시기 및 공법 결정

1) Network Level

2) Project Level

나. 개선방향 도출

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2. Project-Level 조사분석


2. PMS의 필요성

가.필요성

1) 도로연장 급증

2) 유지보수비용 증가

나. 기대효과

1) 합리적인 보수시기 및 공법결정으로보수비 최소화

2) 포장상태 파악용이

3) 유지보수계획 및 연구자료제공

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3. PMS의 기능요소

가. 포장상태평가 : 종단평탄성, 미끄럼저항, 표면결함, 구조지지력

나. 데이터베이스 : 설계, 시공, 교통량, 유지보수실적, 포장상태

다. 경제성분석

1) 입력자료 : 포장제원, 포장상태, 보수비용, 교통량, 이자율

2) 프로그램 : 포장파손예측모델, 이용자비용 산출모델, 경제성분석모델

3) 출력자료 : 유지보수 우선순위, 최적보수공법

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q Network-level 조사 분석(전체도로망-구간선정)¤ 선정된 지역¤ 포장 보수구간 파악¤ 예산계획 및 분배¤ 낮은 정밀도, 신속한 방법 필요

q Project-level 조사 분석(대상구간-공법선정)¤ 일정 구간¤ 손상 파악¤ 적절한 공법 제안(Decision Tree)

q Research-level¤ Database 포장상태 조사결과¤ 포장의 공용성 평가후 문제점 도출 및 개선방향


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과거 PMS – 포장관리시스템

노면성상평가 - 지수

MCI, SPI, HPCI

구조적 평가미실시

합리적 덧씌우기설계 부족 !!

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q FWD 비파괴장비

- 현재 교통량에의한 포장단면의구조적

타당성 평가

- 포장의 공용에 따른 물성저하를고려한

영구변형량및 피로균열량해석

- 적절한 유지보수시기를 PMS 자료와

연동하여결정할 수 있는 시스템 구축

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FWD

AP활용분석방법


FWD

CON’C활용분석방법

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포장평가 흐름도

포장지수 산출

종합대책(보수/보강 ) 수립

구조지지력조사(FWD, HWD)

역산 : 탄성계수, K

응력 / 변형율

피로모형/최대수명

교통량(과거/현재/장래)

분석교통선정

환산교통량

경제수명/포장상태예측

허용하중

시험굴 / 코어

포장층두께

실내CBR

아스콘 물성

콘크리트휨강도

평가2 : 구조적 지지력 조사평가1 : 표면결함조사

포장상태조사

결함량분석

평탄성분석




2-10 구조 지지력 조사 – (1)

구조 지지력 조사(FWD, HWD)


응력 / 변형율


v구조지지력측정개요

• 구조적 지지력 조사장비 HWD(Heavy Weight Deflectometer)

• 포장체에 하중을 낙하시켜 처짐량을 측정

• 역산(Back Calculation)을 통해 탄성계수 유추

• 포장체의 구조적인 수명을 판단하는 자료로 활용

Falling Weight Deflectometer(FWD)

센 서(Geophone)



2-11 구조 지지력 조사 – (2)

v국내조사장비현황 : FWD, HWD

건설기술연구원 한국도로공사

대한민국공군 측정센서부

구조 지지력 조사(FWD, HWD)


응력 / 변형율




2-12



응력 / 변형율


v역산(Back calculation) 및구조해석

Modulus

Islab 2000 응력분포

구조 지지력 조사 – (3)

WESDEF



2-13



응력 / 변형율


v최대허용반복하중수(N) 산출

피로모형 적용(: 파괴기준식)

최대수명(N)

설계자료 및 물성치 입력

분석기종 : 구조해석(Islab, Bisar)인장응력, 압축변형률 산출

구조 지지력 조사 – (4)


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q 보수계획이나보수설계

q 파손된 포장에 대해 구조적인파손 정도를평가q - 대상구간의포장의 지지력 평가에서파손이 구조적인 것인지 기능적인것인

지를 판단

q 그 평가에서 보수공법을선정q -유지 또는 수선공법을 적용하는구간을 선정q -구조적으로문제가 있는 층의 공법, 교통량, 구조적으로유효한 특수공법

q 보수효과 조사 : 지지력에서본 보수효과의검증q - 수선공법의유효성을 검증/ 구조적인 보강효과가평가q 신재료의 성능 평가q - 신재료나부산물의 층가치(層價値)를평가q - 표준재료와의지지력 비교를통해 지지력에 상응하는 등가환산계수가제시

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3. FWD 사례분석


q 대상 구간의 연장거리와 구해지는 성과를 고려하여 측정구간을 선정

q - 측정점의 간격은 지지력 파악을 위한 조사나 노면 상태가 양호한 측정구간일 경우는

100～200m

q - 시험포장 구간이 측정구간이 되는 조사의 경우 동일 포장 단면에서 측정점이 5～10점

정도

q 대상구간이 길고 보수공법의 제안이 요구되는 경우(미국,일본)

q - 지지력 변화를 상세히 파악 : 측정구간내의 측정점이 적어도 20점 이상이 되도록 하고

그 간격을 20～50m 정도

q - 대상 구간을 몇 개의 측정구간으로 분할, 선정하여 FWD에 의한 처짐 측정

q - 측정구간의 구간수가 7～8구간 정도이며, 그 한 구간의 거리는 1～2km 정도

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3. FWD 사례분석


노선

항목Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

대상구간의거리1) 20km 18km 30km 5km

측정구간2)

양호구간

불량구간

(균열,소성변형)

수선이력

양호구간

불량구간

(균열의대소)

성토․절토양호구간

불량구간

(균열의대소)

성토․절토양호구간

불량구간

(균열의대소)

측정구간의수 7 8 8 4

1 측정구간의거리 1～2km 1km 1.5～3km 500m

측정빈도 (m) 20～50 40 50～100 20

주1)노선1방향의연장이다

2) 균열의 대소는 크랙율에 의한 분류 외에, 소(小)는 선상균열, 대(大)는 선상균열에 거북등균열이

잠재하는것을뜻한다.

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3. FWD 사례분석


q 역해석법에 의해 포장 각 층의 탄성계수로 평가

- 설계탄성계수와 비교하는 방법

-포장체의 구조적인 잔존가치는 등가환산계수와 층두께에서 잔존 TA 를 구하여 평가

- 처짐량에서 직접 잔존 TA 를 추정하는 방법

q 포장의 구조적인 건전도

- 노상의 지지력(탄성계수)에 대해 잔존 TA 가 어느 정도인지

: 설계치 및 노면상황별로 구분한 형태

- 설계TA를 만족하는지 여부와 노면 상황이 건전한 측정구간과의 대비에 의해 평가

건전도에서 노면 상황이 불량한 측정구간의 파손이 구조적인 파손인지 또는

기능적인 파손인지를 판단

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3. FWD 사례분석


q 일본 보수의 판단

- 구조적인 건전도의 평가에서 유지공법으로 할 것인지,

수선공법으로 할 것인지를 판단

- 수선이 필요하다고 판단되는 구간

: 부족한 TA : 소요의 덧씌우기 두께로서 표현

q 미국, 한국

- 덧씌우기 탄성계수개념으로 재설계

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3. FWD 사례분석


q 보수설계를 위한 조사

(1) 조사 개요

: 대상 구간이 약 11km인 아스팔트 포장에서 보수공법을 선정

- 균열의 파손이 상당히 진행된 구간이 있으며, 보수 사이클이 짧아진 노선

- 대상 구간을 A～D의 4개 측정구간으로 구분하고,

측정 빈도는 교통규제 시간대의 관계에서 50～100m로 하고,

파손이 진행된 구간의 경우 20m로 결정

- A구간의 경우 연속적으로 선상, 거북등균열이 발생했고, B에서 D구간은 선

상균열이 점재해 있는 상황

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3. FWD 사례분석

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(2) 지지력 평가와 건전도

- 각 구간에서 포장의 지지력이 다르며, A구간의 지지력 저하가 가장 크고 구조적인 파손이

노반층까지 도달했음

-B구간을 보면 노반의 지지력이 저하되는 경향이 있으며 보수하지 않고 공용을 지속하면

가까운 장래 A구간과 같이 노반까지 구조적인 파손이 진행될 것으로 예측

-각 구간의 노상 지지력에 대한 잔존TA 산정

- 거북등균열이 발생한 구간의 잔존 TA 설계 TA 보다 상당히 작고 그 부족한 10이상

- 각 구간의 구조적인 건전도는 C와 D구간이 양호

- B구간에 일부 불량 구간이 있으며, A구간이 전체적으로 불량

- A와 B구간은 수선공법, C와 D구간은 유지공법

- B구간에 대해서는 노반층의 지지력이 저하된 부분이 많으므로 노반층의 교통하중에 대한

구조적인 부담을 경감시킬 필요가 있다고 판단되므로 수선공법

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3. FWD 사례분석


(3) 종합평가 사례

- 조사 부분의 포장 보수 사이클이 짧아진 요인은

노반층의 지지력 부족에 의한 것이라고 볼 수 있으며,

포장의 건전도를 평가한 후 노반의 지지력에 의해 보수공법을선정

- 도로유지수선요강에서대규모의 수선이 필요시되는 노반층의

잔존가치를설계치의 약 60%로 설정

- 아스팔트포장요강에서구조설계의 포장 두께를 적어도 200m는

동일하도록 지정

3. FWD 사례분석


보수공법(안) 결정 방안

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표면처리구간 선정

• 균열 ＞20%, 러팅 ＞15mm

• 균열 ＜ 10%, 러팅 ＜ 10mm

• ESAL ≤ 1,000(대/일)

• 위 구간 중 구조적 문제 없는 2차로 구간

• 균열 ≥ 10%, 러팅 ＞10mm

우선 보수우선 보수

표면처리구간 선정표면처리구간 선정

5cm 덧씌우기5cm 덧씌우기

내유동성내유동성

• 15mm<러팅< 20mm, EASL≥1,000(대/일)

• 20mm<러팅

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서울시 부분 단면 재포장 설계

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3. FWD 사례분석


v 정량적 평가시스템 개발

1) 공용성에 따른 코아링실험 및 FWD 시험결과

2) FWD 역산탄성계수 산정

3) 공용성에 따른 탄성계수 저하분석 (그래프)

4) 동질성구간을 고려한 포장평가

5) 공용성예측을 통한 수명예측 분석

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3. FWD 사례분석


정량적 평가후 보수방안구축

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v FWD 시험결과를 이용한 현장 동탄성계수 Master Curve

→ 온도, 깊이, 평균 주행속도에 따른 실제 동탄성계수 예측가능

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3. FWD 사례분석


3. FWD 사례분석

한국형 포장설계법

공용성 예측식을 이용한

누적 소성변형량 및

피로균열

예측을 통한

보수방안 구축


3. FWD 사례분석


3. FWD 사례분석


q 최준성, “서울시 도로포장 수명 향상방안”, 2014 서울시포럼 , 2014.12. 9

q 최준성” 장기공용성에 따른 고속도로 포장의 평가 및 유지보수기법 적용방안 연구”,

한국도로학회, 2009.11

q 최준성외, “지반물성추정 및 다짐관리를 위한 비파괴시험장비의 개발 “, KGS Fall ‘00

National Conference / November 3～4, 2000 / Seoul / Korea

q 최준성, “동적표면처짐의 의사정적해석에 의한 아스팔트 콘크리트 포장구조체의

물성추정”, 연세대학교 대학원 박사학위논문, 1998. 12.

q Ihara Tsutomu,” FWD 활용사례와 조사설계시스템의 구축, 포장 32-2, 1997

q HOKURIKU)지방건설국의 FWD 활용사례, 포장 32-2, 1997

참고문헌

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