ABSTRACT
PURPOSES : The objective of this study is to evaluate construction issues and design for transverse steel in continuously reinforced concrete pavement(CRCP).
METHODS : The first continuously reinforced concrete pavement(CRCP) design procedure appeared in the 1972 edition of the “AASHTO Interim Guide for Design of Pavement Structures, ”which was published in 1981 with Chapter 3 “Guide for the Design of Rigid Pavement”
revised. A theory that was accepted at that time for the analysis of steel stress in concrete pavement, called subgrade drag theory(SGDT), was utilized for the design of reinforcement of CRCP - tie bar design and transverse steel design - in the aforementioned AASHTO Interim Guide.
However SGDT has severe limitations due to simple assumptions made in the development of the theory. As a result, any design procedures for reinforcement utilizing SGDT may have intrinsic flaws and limitations. In this paper, CRCP design procedure for transverse steel was introduced and the limitations of assumptions for SGDT were evaluated based on various field testing.
RESULTS : Various field tests were conducted to evaluate whether the assumptions of SGDT are reasonable or not. Test results show that 1) temperature variations exist along the concrete slab depth, 2) very little stress in transverse steel, and 3) warping and curling in concrete slab from the field test results. As a result, it is clearly revealed out that the assumptions of SGDT are not valid, and transverse steel and tie bar designs should be based on more reasonable theories.
CONCLUSIONS : Since longitudinal joint is provided at 4.1-m spacing in Korea, as long as joint saw-cut is made in accordance with specification requirements, the probability of full-depth longitudinal cracking is extremely small. Hence, for transverse steel, the design should be based on the premise that its function is to keep the longitudinal steel at the correct locations. If longitudinal steel can be placed at the correct locations within tolerance limits, transverse steel is no longer needed.
Keywords
continuously reinforced concrete pavement, transverse steel, reinforcement design, subgrade drag theory
연속철근콘크리트 포장의 횡방향 철근 설계방법 및 시공관련 이슈 검토
Construction Issues and Design Procedure for Transverse Steel in Continuously Reinforced Concrete Pavement (CRCP)
최`판`길 Choi, Pangil 정회원·Texas Tech University, Post-Doctoral Research Associate·Corresponding Author (E-mail : pangil@hotmail.com)
원`문`철 Won, Moon Cheol 정회원·Texas Tech University, Professor (E-mail: moon.won@ttu.edu)
Corresponding Author : Choi, Pangil, Post-Doctoral Research Associate Dept. of Civil and Environmental Engineering,
Texas Tech University, Box 41023, Lubbock, TX 79409-1023, USA Tel : +1.806.742.3523
E-mail : pangil@hotmail.com
International Journal of Highway Engineering http://www.ksre.or.kr/
ISSN 1738-7159 (print) ISSN 2287-3678 (Online)
Received Jan. 15. 2014 Revised Jan. 20. 2014 Accepted Aug. 1. 2014 Int. J. Highw. Eng. Vol. 16 No. 4 : 1-9 August 2014
http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2014.16.4.001
1. 서론
현재 우리나라의 콘크리트 포장 형태는 대부분이 줄 눈콘크리트 포장(Jointed Concrete Pavement: JCP) 형식으로, 환경하중으로 인한 슬래브 균열을 방지하기 위하여 5~6m 간격으로 줄눈을 설치하고, 줄눈부에서 의 원활한 하중전달을 목적으로 다웰바가 설치되는 형 태의 포장형식이다. 일반적으로 줄눈콘크리트 포장의 설계수명은 20년이지만, 우리나라에서는 스폴링 및 동 결융해를 비롯한 줄눈부 파손이 설계수명이 다하기도 전에 빈번하게 발생하는 사례가 다수 보고되고 있다. 이 러한 파손으로 인한 콘크리트 포장의 성능저하는 잦은 유지보수를 초래하여 도로 사용자에게 교통체증 등으로 인한 사용자 비용증가와 더불어 큰 불편을 초래한다.
이러한 문제점을 근본적으로 해결하기 위하여 최근 국내에서는 연속철근콘크리트 포장에 대한 연구가 일부 수행되고 있으나, 연속철근콘크리트 포장에 대한 시공 경험이나 배경지식이 부족하여 몇몇 고속도로 및 국도 에 시험적으로 적용되고 있는 실정이다.
연속철근콘크리트 포장(Continuously Reinforced Concrete Pavement: CRCP)은 줄눈콘크리트 포장과 달리 횡방향 줄눈이 설치되지 않고, 콘크리트 횡단면적 대비 0.6~0.85% 범위로 철근을 종방향으로 배근하여 포장체의 수축팽창 거동을 제어하는 형태의 포장형식이 다. 연속철근콘크리트 포장은 초기 공사비가 다소 높기 는 하지만, 줄눈이 설치되지 않으므로 승차감이 우수하 고 유지보수가 줄눈콘크리트 포장에 비해 적게 소요된 다는 장점이 있다. 본 논문에서는 연속철근콘크리트 포 장에서 현재 적용하고 있는 횡방향 철근 설계방법에 대 해 분석하고 문제점을 고찰하였다.
AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials) 포장설계 법은 1956년 8월부터 1960년 11월까지 수행된 AASHO Road Test(AASHO, 1961, 1962) 자료를 토 대로 수립되었다. AASHO Road Test에서 공용성이 평가된 강성포장 형태는 줄눈콘크리트 포장으로, 연속 철근콘크리트 포장 설계를 위한 테스트 섹션은 건설되 지 않았다. 따라서 AASHTO 가이드에서 연속철근콘크 리트 포장 설계는 줄눈콘크리트 포장에서 획득한 포장 거동 데이터를 사용하여 추정하는 방식으로 개발되었 다. 줄눈콘크리트 포장 설계에서는 포장 슬래브 두께 산 정이 주요 설계성과물인 반면, 연속철근콘크리트 포장 설계에서는 슬래브 두께뿐만 아니라 철근비를 포함한 철근설계 또한 주요 설계성과물이다. 연속철근콘크리트
포장 슬래브 두께 설계는 줄눈콘크리트 포장 현장실험 데이터를 이용하여 간접적으로 추정하는 방법이 적용 가능하지만, 종방향 철근설계 항목은 AASHO Road Test 현장 실험 결과에 기초하여 결정할 수 있는 설계 요인이 아니라, 별도의 현장실험을 통한 장기공용성 평 가를 통해 결정될 필요가 있다.
최초의 연속철근콘크리트 포장 설계법은 1972년
“AASHTO Interim Guide for Design of Pavement Structures,” 에서 처음 논의 되었고(AASHO, 1972), 1981년 개정판 제3장“Guide for the Design of Rigid Pavement” 에 출판되었다(AASHTO, 1981). 앞 서 언급한 바와 같이, AASHO Road Test에서는 연속 철근콘크리트 포장이 포함되지 않았기 때문에, AASHTO 가이드에서는 당시에 공용되고 있었던 연속 철근콘크리트 포장의 공용성을 평가하여 종방향 철근비 를 산정하는 방법을 선택하였다. 최소 종방향 철근비는 0.6%로 규정하였고, 기온의 연교차가 심한 지역, 또는 겨울의 최저기온이 상당히 낮은 지역에서는 0.7%까지 사용하는 것이 바람직하다고 기술하였다. 횡방향 철근 및 타이바의 설계는 당시 콘크리트 포장에서 철근에 발 생하는 응력해석을 위해 사용되고 있던 이론인
‘Subgrade Drag Theory’ (이하 SGDT)가 사용되었다 (AASHO, 1972). 그러나 횡방향 철근 및 타이바 설계 에 사용된 SGDT 이론은 콘크리트 포장의 2차원적 거 동에 대해 이론적 배경지식이 부족한 여건에서 개발된 이론으로서, 콘크리트 포장의 거동이 1차원적으로만 거 동한다는 가정 하에 개발된 이론이다. 결과적으로 SGDT 이론의 한계로 인해, 이를 이용한 횡방향 철근 및 타이바 설계는 이론 자체의 한계로 인한 오류를 수반 하는 결과를 초래하였다. 이에 대한 구체적인 내용은 본 논문의 2장에 구체적으로 기술하였다.
연속철근콘크리트 포장의 장점이 부각되고 적용사례 가 증가함에 따라, 연속철근콘크리트 포장에 대한 새로 운 설계법이 개발되어 AASHTO Design Guide 1993 판에 수록되었다(AASHTO, 1993). 그러나 횡방향 철 근설계와 타이바 설계방법은 여전히 1972년 판에 수록 된 설계절차와 동일하였다(AASHO, 1972). 다시 말하 면 현재까지 왜곡된 설계법을 개선하려는 노력이 시도 된 바 없으므로, 설계절차의 한계점 및 설계의 부적확성 은 아직까지 해결해야 할 과제로 남아있다는 것이다.
NCHRP(National Cooperative Highway
Research Program)는 AASHTO 1993 포장 설계법을
개선하기 위한 방법으로 역학적-경험적 개념을 접목하
는 등의 실증적 연구를 주도하였다. 이러한 과정에서 개 발된 포장설계법은 역학적 경험적 설계법(MEPDG;
Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide)이 라 명명되었고(AASHTO, 2008), 현재까지 개발된 포장 설계법중 가장 포괄적이고 진일보된 설계법이라 할 수 있다. 설계에 사용한 모델은 환경하중(온도변화 및 습도 변화)과 차량 윤하중을 고려한 포장체의 거동을 분석하 여 개발된 것으로 매우 정교한 모델이다. 전이함수 개발 을 위해서는 광범위한 LTPP(Long-Term Pavement Performance) 데이터베이스가 사용되었다(FHA, 2010).
따라서 MEPDG는 가장 발전된 포장설계법이라 할 수 있으나, 연속철근콘크리트 포장 설계에는 종방향 철 근설계 방법만을 기술하고 있고, 횡방향 철근설계 방법 은 다루지 않고 있다. SGDT 이론에 의한 기존의 횡방 향 철근설계 방법에 대해 별 문제가 없다고 판단하였거 나, 횡방향 철근의 역할이 중요하지 않다고 인식하였기 때문일 수 있다.
상기와 같이 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철근 설계는 SGDT 이론에 근거하여 현재까지도 횡방향 철근 및 타이바 설계가 이뤄지고 있으며, 필연적으로 이론 정 립을 위해 적용된 가정의 한계로 인한 오류를 내재하고 있다는 것이다. 따라서 횡방향 철근 및 타이바 설계에서 SDGT 이론의 정확도를 평가하기 위해 세부적으로 이론 에 적용된 가정을 검토하고 실제 현장실험에서 나타나는 현상과 비교하여 그 타당성을 검증할 필요가 있다.
본 논문에서는 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철 근 및 타이바 설계에 적용되는 SGDT 이론에 대해 고찰 하고 이론개발에 적용된 가정의 문제점을 현장실험을 통하여 비교₩검토하였다.
2. Subgrade Drag Theory(SGDT) 이론 및 한계점
SGDT 이론은 1939년에 콘크리트와 철근의 응력을 분석하는데 사용되었고, 이론개발을 위해 적용된 가정 은 다음과 같다.
1) 콘크리트 온도분포는 슬래브 깊이에 따라 균일하다.
2) 콘크리트 슬래브는 일방향으로 수축하고 팽창한다.
3) 온도변화에 따른 콘크리트 응력은 슬래브 횡단면 에 걸쳐 일정하다.
4) 콘크리트 슬래브 하면과 기층은 완전히 접촉되어 있다.
Fig. 1은 상기에 기술된 가정으로 부터 SGDT 이론에 따라 포장 슬래브에 발생하는 응력분포를 나타내는 그 림이다. 그림에서 볼 수 있듯이 마찰에 의한 응력은 슬 래브 변위량에 비선형적으로 비례하여 변화하며, 슬래 브 단부에서 최대이고 슬래브 중앙에서 최소가 된다. 그 러나 계산상 편의를 위해, 일반적으로 마찰응력은 전체 위치에서 최대값으로 동일하다고 가정한다. 이런 점에 서 SGDT 이론에서 마찰과 그로 인해 발생하는 콘크리 트 응력이 과대평가되는 결과가 발생한다. 콘크리트 슬 래브 중앙에서 콘크리트의 최대응력은 Eq. (1)로 계산 된다.
여기서, : 콘크리트 단위중량 : 포장 슬래브 폭
: 콘크리트 슬래브와 기층과의 마찰계수 (일반적으로 1.5 사용).
Eq. (1)에서 콘크리트 최대응력은 포장 폭과 직접적 으로 관계된 함수이다. 일반적인 한국 콘크리트 포장의 일방향 최대 슬래브 폭은 8.2m이다. 슬래브 폭 8.2m에 대해 콘크리트에 발생하는 최대응력은 Eq. (1)에 의해 (1)
(a) Free Body Diagram
Fig. 1 Stress in Concrete due to Subbase Friction (Huang & Yang Hsien, 1993)
(b) Variation of Frictional Stress
대략 0.144MPa로 계산되며, 이는 콘크리트 인장강도와 비교하여 매우 작은 값이다. 다시 말하면 국내 콘크리트 포장에서 마찰저항으로 인해 발생하는 콘크리트 최대응 력은 일반적인 콘크리트 인장강도(2.76~3.45MPa)와 비교하여 매우 작다는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 환 경하중 등으로 인해 실제 발생하는 응력은 매우 큰 반면, Eq. (1)에 의해 계산된 콘크리트 응력은 위의 가정이 옳 다는 전제 하에 계산상 상당히 작은 값을 나타내고 있다.
따라서 상기의 가정이 옳다면, 한국에서 사용되고 있는 폭 8.2m의 포장에서는 환경하중에 의해 종방향 균열이 발생할 가능성이 매우 작아진다는 것을 의미한다.
반면에, 종방향 줄눈이 너무 늦게 설치되거나 충분한 커팅 깊이를 확보하지 못하면, 종방향 균열이 발생할 수 있다. 이러한 종방향 균열 발생원인은 기층의 마찰 영향 이 아닌, 콘크리트 포장의 깊이에 따른 온도 및 건조수 축의 변화에 의한 것이다. 즉, SGDT 이론개발에 사용 된 가정들이 옳지 않음을 보여주는 것이다.
SGDT 이론개발과정에서 기술된 네 가지 가정은 분 석을 매우 용이하게 하기는 하지만, 위에서 언급한 바와 같이 매우 심각한 오류를 내포하고 있다. 한 가지 주요 한 오류는 SGDT 이론이 콘크리트 슬래브 깊이에 따라 온도와 습도의 변화를 무시함으로 인해 실제 슬래브에 발생하는 응력과 비교하여 왜곡된 콘크리트 응력을 산 출한다는 것이다.
Fig. 2는 21시간 동안 12in(30cm) 두께 콘크리트 슬래 브에 발생하는 실제 온도변화를 측정하여 슬래브 깊이별 로 비교한 그래프이다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 콘크리 트 슬래브 깊이에 따라 상당한 온도변화가 발생함을 알 수 있다. 또한 21시간 동안에 콘크리트 슬래브 상층에서는 11
℃ 이상의 온도차가 발생한 반면 슬래브 하층의 온도차는 2.8℃로 측정되어 깊이별 온도변화에 매우 큰 차이가 있
는 것으로 나타났다. 상기 데이터는 콘크리트 슬래브의 거 동이 컬링에 지배받음을 의미한다. 즉, SGDT 이론의 첫 번째 가정이 옳지 않다는 것을 보여주는 것이다.
콘크리트 슬래브의 수축₩팽창이 일차원적으로 이루어 지는지 여부를(SGDT 이론의 두 번째 가정) 평가하기 위한 현장실험을 실시하였다. Fig. 3은 포장의 측면에 서 온도 및 습도의 변화에 따른 슬래브의 횡방향 변위를 슬래브의 상-중-하의 위치에서 측정하기 위하여 설치 된 게이지 설치전경을 보여주며, 종방향 슬래브 변위 측 정을 위한 센서도 함께 설치되었다.
Fig. 4는 20여일에 걸친 슬래브의 깊이별 횡방향 변 위의 변화량을 나타내는 그래프이다. 슬래브 상부와 하 부의 변위가 정확하게 반대로 움직이고 있으며, 이는 SGDT 이론의 두 번째 가정이 잘못되었음을 보여주는 결과라 할 수 있다. SGDT 이론의 두 번째 가정이 옳다 면, 그래프에서 각 깊이에서의 변위를 나타내는 선이 일 체로 거동해야하기 때문이다.
Fig. 2 Concrete Temperature Variations through Slab Depth (℃ = (℉-32)/1.8)
Fig. 3 Crackmeter Installation for Evaluating Transverse Movement with Concrete Slab Depth (Choi and Won, 2009)
Fig. 4 Transverse Movement with Slab Depth due to
Environmental Loading (1mil = 0.0254mm)
Fig. 5는 환경하중에 의한 슬래브의 수직방향 변위의 변화를 나타내는 그래프이다. 슬래브가 온도변화에 따 라 24시간을 주기로 상하로 움직이고 있음을 알 수 있 다. 본 실험결과는 SGDT 이론의 두 번째 가정, 즉 슬래 브가 일차원적으로 움직인다는 것이 잘못된 가정임을 보여주는 결과이다 또한 네 번째 가정, 즉 슬래브와 기 층이 완전 접착되어 있다는 가정에도 오류가 있음을 보 여준다.
3. 최근 횡방향 철근 및 타이바 설계 알고리즘
서론에서 언급한 바와 같이, 현재 연속철근콘크리트 포장 설계에서 횡방향 철근 및 타이바 설계는 SGDT 이 론에 근거하고 있다. 한국도로공사, 일리노이 주 도로국 및 텍사스 주 도로국에서 현재 사용 중인 횡방향 철근 및 타이바 설계를 검토하였다. 타이바와 횡방향 철근에 필요한 철근량은 SGDT 이론에 근거하여 다음 Eq. (2) 에 의해 계산된다.
여기서, : 콘크리트 슬래브 단위폭 당 요구되는 철근량,
: 슬래브 폭, : 슬래브 두께, : 철근의 허용응력
Eq. (2)의 전제는 종방향 균열이 발생하면, 철근응력
이 철근의 항복강도 보다 낮은 특정 수준으로 유지되어 야 한다는 것이다. 또 다른 전제는 철근응력이 특정수준 이하로 유지되기만 하면, 균열폭이 작게 유지되어 콘크 리트 내부로 물이 유입되는 것을 방지하기에 충분한 수 준으로 유지된다는 것이다. 그러나 현재까지 증명된 바 는 없다. Eq. (2)에 의하면, 필요한 철근량은 포장 슬래 브 폭과 슬래브 두께에 직접 비례하고 있다.
Eq. (2)를 사용하여 횡방향 철근과 타이바 철근량을 계산해 보면, 슬래브 폭 8.2m와 슬래브 두께 30cm에서 0.00224cm2/cm 값을 얻을 수 있다. Table 1은 현재 한 국도로공사, 일리노이 DOT 및 Texas DOT에서 사용 하고 있는 횡방향 철근 규정을 나타낸다. Texas DOT(텍사스 교통국, 2013) 및 Illinois DOT(일리노이 교통국(Robett, O. R. et. al(2009))의 횡방향 철근 사 용량이 Eq. (2)에서 요구되는 철근량을 만족하지 못함 을 알 수 있다(텍사스 주의 경우 포장 차선에 관계없이 횡방향 철근간격은 1,200mm로 항상 동일하게 사용하 고 있으므로, 차선이 3개 이상(3×12ft +2×10ft=56ft, L=17m)인 경우 최소간격에 만족하지 못함). 이는 텍사 스 및 일리노이 교통국 모두 SGDT 이론의 단점을 인지 하고 있음을 의미한다. 즉, 미국 내에서 연속철근콘크리 트 포장을 가장 많이 적용하고 있는 텍사스 및 일리노이 교통국에서는 횡방향 철근이 종방향 철근을 지지할 목 적으로 사용되고 있음을 의미한다. 그러나 국내에서는 횡방향 철근설계를 위해 현재까지도 SGDT 이론을 적 용하고 있는 실정이다. 이렇듯, 현재의 SGDT 이론이 횡방향 철근과 타이바 설계에 합리적이지 않음은 자명 하다 할 수 있다. 본 연구에서는 상기와 같은 SGDT 이 론의 문제점을 인식한 후, 환경하중 하에서 횡방향 철근 의 거동을 보다 잘 이해할 수 있도록 현장실험을 수행하 였고, 이를 통하여 보다 합리적인 횡방향 철근설계 방법 을 제시하였다.
Fig. 5 Vertical Movement due to Environmental Loading (1mil = 0.0254mm)
(2)
Table 1. Texas DOT, Illinois DOT and Korea Expressway Corporation - Transverse Steel Design
(Slab Width : 8.2m)
Standrad Calculated Spacing from Subgrade Drag
Theory(mm)
Estimation Diameter
(mm)
Spacing (mm)
Texas DOT 19 1,200 1,962 O.K
Illinois DOT 13 1,200 919 N.G
Korea Expressway
Cop.
13 750 919 O.K
4. 횡방향 철근과 타이바에서의 응력측정
타이바와 횡방향 철근에 발생하는 응력을 평가하기 위한 현장실험 연구가 텍사스 교통국 연구과제로 수행 된 바 있다. 현장실험은 2006년 9월 19일 포트워스 지 부(Fort Worth District)에 있는 SH 114B(Texan Trail) 고속도로에서 수행하였다.
Fig. 6은 포장 단면형상을 나타내며, 포장 슬래브 두 께는 20cm로 시공되었다. 본 현장은 확장포장 구간으로 기존 연속철근콘크리트 포장 도로에 인접하여 3.6m 폭 으로 차선을 추가로 신설하는 현장이다. 총 8개의 철근 변형률 게이지가 설치되었고, 그 중 3개는 타이바에 설 치하고 나머지 5개는 횡방향 철근에 설치하였다. 그림에 서 게이지에 표시된 숫자는 종방향 시공이음으로부터의 거리를 나타낸다. 예를 들면, TIE 24는 종방향 시공이음 으로부터 24인치(61cm)의 위치의 타이바에 설치된 철근 변형률 게이지를 나타내며, 이와 마찬가지로 TR 49는 종방향 시공이음으로부터 49인치(124.5cm) 위치의 횡방 향 철근에 부착된 철근변형률 게이지를 나타낸다.
Fig. 7 (a)와 Fig. 7 (b)는 철근변형률 게이지 부착 상 세 사진을 나타내는 그림이다.
콘크리트는 오후 6시에 포설하였고, 콘크리트 응결 온 도는 중앙에서 85℉(29.5℃)로 오후 10시 경에 측정되었 다. Fig. 8은 콘크리트 슬래브 상부-중앙부-하부의 온도
와 종방향 시공이음부에서 타이바에 발생하는 응력을 비 교한 그래프이다. 실제 철근에 발생한 최대응력은 25ksi(172MPa)로 측정되었다. 그러나 Eq. (2)로부터 계 산된 타이바에 발생하는 철근응력은 12ksi (82.7MPa)이 다. 즉, 실제 측정된 철근의 응력값은 SGDT 이론에 의해 예측되는 철근응력보다 두 배 이상 높다는 것이다. 이는 온도변화와 습도변화로 인한 컬링과 와핑 현상이 타이바 에 높은 응력을 발생시키는 역할을 한다는 것을 의미하므 로, Eq. (2)에 근거한 현재의 타이바 설계가 적합하지 않 다는 것을 보여준다. Fig. 9는 서로 다른 위치에서 측정 된 횡방향 철근의 응력을 비교한 그래프이다. 응력수준이 모든 위치에서 매우 낮은 것으로 나타났다. 더불어 철근 응력 값이 매우 작고 철근변형률 게이지의 변화가 오차범 위 이내에서 움직이기 때문에, 서로 다른 위치에서의 횡 방향 철근의 응력을 비교₩고찰하는 것은 의미가 없다.
이러한 낮은 상태의 응력은 철근이 중립축에 위치하 기 때문에 나타나는 현상으로, 종방향 균열이 발생하지 않는다면, 횡방향 철근은 연속철근콘크리트 포장에 대 해서 구조적으로 기여하는 바는 없다고 할 수 있다.
Fig. 6 Testing Layout for Steel Stress Measurements
Fig. 7(a) Steel Strain Gages Installed
Fig. 7(b) Steel Gage at Longitudinal Joint (Choi & Won, 2007)
Fig. 8 Tie Bar Stress at Longitudinal Construction Joint (lksi = 6.895MPa)
Fig. 9 Stresses in Transversre Steel Joint (lksi = 6.895MPa)
12ft.(3.6m)
9-in.(23cm) Existing CRCP
3ft.(90cm)
TIE0.5
TR75
TR49 TR102
TIE12.5 TIE24 TR12.5 TR24
연속철근콘크리트 포장에서 와핑(warping)과 컬링 (curling)의 영향을 평가하기 위한 현장실험이 텍사스 오스틴 지부(Austin District) US 183 고속도로에서 수행되었다. Fig. 10은 와핑 및 컬링 측정을 위한 LVDT 설치전경을 나타내며, Fig. 11은 연속철근콘크 리트 포장에서 와핑 및 컬링으로 인한 슬래브 단부의 거 동변화를 나타내는 그래프이다. 콘크리트의 컬링 거동 이 데이터 수집 후 3.5일과 5일 사이에 일부 온도와 다 르게 움직이기는 하지만, 5일 이후부터는 직접적으로 대기온도에 관계하여 거동하는 것으로 나타났다.
실험 시작 3일 후 비가 왔었고, 콘크리트의 습도변화 에 따른 체적변화가 슬래브의 와핑 현상을 유발하였다.
Fig. 12는 대기에서 측정된 상대습도 변화를 나타내며, 실험 시작 후 3.5일과 5일 사이에 상대습도가 상당히 높다는 것을 알 수 있다. 즉, 이 기간 동안에 온도와 습 도변화가 공히 연속철근콘크리트 포장 슬래브의 수직방 향 거동에 영향을 미쳤음을 의미한다.
Fig. 11 및 Fig. 12는 최대 일간 와핑 및 컬링으로 인 한 거동을 나타내며, 대략 일간 변위가 6mils(0.15 mm)정도로 측정되었다. 이는 슬래브와 기층이 상기 영 역에서 완전하게 접촉해 있지 않음을 의미하며, SGDT 이론의 네 번째 가정, 즉‘슬래브와 기층은 완전접착되 어있다.’는 가정도 사실이 아님을 보여주는 결과이다.
5. 횡방향 철근 관련 시공이슈 및 횡방향 균열
슬립폼 페이버를 이용한 연속철근콘크리트 포장 시공 에서는 슬럼프 범위가 1.2cm~5.0cm인 콘크리트를 사 용하므로 작업성이 매우 저하되어 표면마무리 등의 후 속작업이 매우 조잡해 지는 사례가 발생하곤 한다. 또한 슬림폼 페이버를 이용한 포장시공 시 바이브레이터가 종방향 철근을 직접 타격하는 것을 방지하기 위하여 바 이브레이터 삽입 깊이에 제한을 두는데, 이 때문에 진동 에너지에 상당한 제약을 받게 된다. 위 두 가지 요인(건 배합과 낮은 진동 에너지)으로 인해 종종 실제 현장에서 종방향 철근과 횡방향 철근 주위에서 콘크리트 다짐이 제대로 이뤄지지 않는 사례가 발생하곤 한다.
Fig. 13 및 Fig. 14는 종방향 철근과 횡방향 철근이 교차하는 지점에서 다짐이 제대로 이뤄지지 않아 발생 한 공극을 보여주는 사진이다. Fig. 13에서 볼 수 있듯 이 횡방향 철근주위에서 철근의 리브가 잘 확인되지 않 듯이, 횡방향 철근이 위치한 지점에서 종방향 철근과 콘 크리트 사이의 부착이 제대로 이루어지지 않았음을 보 여준다.
이러한 현상은 (1) 종방향 철근과 주위를 둘러싸는 콘 크리트가 완전히 부착되어 균열 폭을 매우 좁게 유지하 여야 한다는 연속철근콘크리트 포장 설계 가정에 배치
Fig. 10 Field Testing for Curling Measurement
(Choi and Won, 2007)
Fig. 11 Air Temperature Variations and Warping and Curing of CRCP
Fig. 12 Variations in Air Relative Humidity and
Warping & Curling of Concrete
되는 결과를 초래하며, (2) 부착이 잘 이뤄진 위치에서 균열 폭은 매우 좁게 유지되는 반면, 그림에서 보는 바 와 같이 부착이 불량한 위치에서는 균열 폭이 커지게 되 어 공용성에 좋지 않은 영향을 초래할 수 있다.
일반적으로 횡방향 철근 위치에서 횡방향 균열은 침 하균열이라 불리는 콘크리트의 부등침하에 의해 발생한 다. 침하균열 및 종방향 철근과 횡방향 철근이 교차하는 위치에서 철근과 콘크리트의 부착력 저하는 균열 폭을 커지게 하는 결과를 초래하고 궁극적으로 연속철근콘크 리트 포장의 공용성을 저하시키게 된다.
횡방향 철근과 관련한 또 다른 잠재적인 이슈는 채터 링(chattering)이라 불리는 현상이다. 현재까지 이와 관련한 논문이 출판되거나 본격적인 연구가 이뤄진 바 는 없다. 그러나 횡방향 철근은 슬립폼 페이버의 진행에 저항하는 역할을 할 뿐만 아니라 횡방향 철근주위에서 콘크리트의 다짐이 잘 이뤄지지 않는 현상을 초래하여 채터링(chattering)이라 불리는 승차감 저하현상을 유 발한다.
Fig. 15(a) 및 Fig. 15(b)는 Y형상균열(Y-Carck)에 서 실시한 MIRATM 단층촬영 실험 전경과 분석 이미지 를 각각 나타낸다. Fig. 15(b)에서 볼 수 있듯이 Y형상 균열이 횡방향 철근의 상부에서 발생하였음을 알 수 있 다. 횡방향 균열이 Y형상균열로 나타나는 교차점은 횡 방향 철근과 종방향 철근이 교차하는 지점에서 발생하 는 경우가 많다. Fig. 16(a) 및 Fig. 16(b)는 연속철근콘 크리트 포장의 횡방향 균열에서 실시한 MIRATM단층촬 영 이미지를 보여준다. Y형상균열에서와 마찬가지로 횡 방향 균열이 횡방향 철근상부에서 발생하였고, 콘크리 트 슬래브 하부까지 관통하지는 않은 것으로 나타났다.
즉, 횡방향 균열은 횡방향 철근이 위치한 깊이에서 더 이상 하부로 진전하지 않았음을 나타낸다. 또한 Fig.
16(b)의 MIRATM 분석 이미지를 보면, 횡방향 철근하부 에 다짐불량으로 인한 공극으로 사료되는 부분이 확인 되며, Fig. 14의 사례가 여기에 해당된다.
현재까지 논의한 내용을 종합하면, 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철근의 역할은 종방향 철근이 정위치를 확보할 수 있도록 보조하는 것이라 할 수 있다. 즉 종방향 철근의 위치가 정확하게 확보될 수 있다면 횡방향 철근은 필요하지 않다는 것이다. 현재 일본 도로포장설계요령에 서 종방향 철근을 기계식 방법에 의해 설치할 경우, 횡방 향 철근은 사용하지 않아도 된다고 규정하고 있다(Japan Road Associ., 2001). 또한 미 연방 교통부 도로국(U.S Department of Transportation, Federal Highway Administration)의 연속철근콘크리트 포장 기술자료에 서도 횡방향 철근은 사용하지 않아도 무방하다고 기술되
Fig. 13 Poor Consolidation at Longitudinal and
Transverse Steel #1
Fig. 14 Poor Consolidation at Longitudinal and Transverse Steel #2
Fig. 15(a) MIRA
TMTesting (Y-Crack)
Fig. 15(b) MIRA
TMImage (Y-Crack)
Fig. 16(a) MIRA
TMTesting (Transverse Crack)
Fig. 16(b) MIRA
TMImage
(Transverse Crack)
어 있다(FHWA, 1990). 이들 두 기관에서도 횡방향 철 근이 종방향 철근을 지지하기 위한 용도로 사용되어야 함을 인지하였다고 볼 수 있다. 따라서 종방향 철근의 위치가 시방에서 규정하는 허용범위 내에 위치하는 한, 횡방향 철근을 사용하지 않는 것이 균열 폭을 보다 좁게 유지시켜 연속철근콘크리트 포장의 성능을 향상시키는 역할에 기여하게 될 것이다.
6. 결론
본 논문에서는 연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철 근과 타이바 설계에 사용되는 Subgrade Drag Theory (SBGT)에 대해 고찰하고, 이론 정립을 위한 가정에서 비롯된 한계점을 현장실험 및 콘크리트 포장 조사결과 를 토대로 분석하였다. 본 연구에 대한 결과를 종합하면 다음과 같다.
콘크리트 포장 슬래브 깊이별로 온도변화가 존재하 고, 슬래브 단면 상, 중, 하의 위치에서 환경하중에 의한 거동이 서로 다르게 나타난다. 타이바에 발생하는 응력 은 SGDT 이론에 의한 값보다 두 배 이상 크고, 콘크리 트 포장 슬래브에 와핑(warping)과 컬링(curling)이 존 재하므로, 근본적으로 Subgrade Drag Theory (SGDT) 이론은 횡방향 철근과 타이바 설계에 적합하지 않다. 따라서 횡방향 철근과 타이바 설계는 보다 정확하 고 합리적인 이론에 근거하여 개발될 필요가 있다.
철근응력 수준은 콘크리트 포장 슬래브에 발생한 종 방향 균열유무에 따라 타이바와 횡방향 철근 사이에서 매우 상이하게 나타난다.
설계개념에서 볼 때, 현재 한국 콘크리트 포장에서는 종방향 줄눈을 4.1m마다 설치하고 있기 때문에 종방향 줄눈이 시방규정에 따라 적합하게 시공되고 지반의 이 동 또는 수축₩팽창 등의 예측불가능한 요소를 배제한다 면, 콘크리트 포장 슬래브에서 단면을 관통하는 종방향 균열발생 가능성은 현저하게 줄어들게 된다.
연속철근콘크리트 포장에서 횡방향 철근설계는 종방 향 줄눈부에 타이바가 설치되므로, 종방향 철근을 올바 른 위치에 거치하기 위한 목적으로 사용한다는 전제하 에 설계가 이뤄질 필요가 있다.
References
