공항 콘크리트 포장의 설계방법은 기존의 현장시험 결과를 바탕으로 한 경험적 설계방법에서, 하중조건을 고려하여 포장의 잔존수명을 예측하는 역학적-경험적 설계방법으로 발전해왔다. 미연방항공청(Federal Aviation Administration)에서는 3차원 유한요소해석에서 산출된 응력으로 공항 포장두께를 결정하는 역학적 설계방법을 병행하는 역학적-경험적 설계지침 AC-150/5320-6E을 제시하였다. 하지만, 국내에서도 적용되는 이 방법은 환경조건을 고려하지 못한 단점이 있어, 이에 대한 개선이 필요하다(Jeong et al., 2010). 환경하중은 공항포장에서 슬래브의 파손을 야기하는 주요 원인 중 하나이다. 콘크리트 슬래브에서 깊이에 따 른 온도 분포와 상하부의 부등건조수축으로 인해 하향컬링과 상향컬링 현상이 발생하며, 슬래브의 자중, 보조기층과의 마찰, 그리고 다웰바 등에 의해 구속되어 슬래브 내부에 응력을 발생시킨다. 내부 응력이 발생한 상태에서 교통하중이 복합적으로 작용하여 슬래브의 파손을 야기하므로 환경하중을 고려하지 않은 기존의 역학적 설계는 실제 포장의 공용성을 정확하게 예측할 수 없다(박주영 등. 2013). 본 논문에서는 공항포장에서 환경하중의 영향을 분석하기 위해 환경하중 및 교통하중을 고려한 수치해석을 실시하였고, 슬래브에 발생되는 최대인장응력의 크기와 그 때의 기어하중 위치를 찾았다. 환경하중을 적용하기 위해 미국 켄터키주 공항 콘크리트 포장의 열팽창계수 실측 데이터를 적용하여 등가선형온도차를 산출하였으며, 양과 음의 온도구배를 각각 재하하였다. 분석 결과, 그림 1과 같이 단일 하중조건만 고려했을 경우는 교통 하중이 환경하중에 비해 더 큰 인장응력이 나타났지만, 환경하중과 교통하중을 복합적으로 적용했을 때에는 발 생되는 인장응력이 큰 차이를 보였다. 또한 이러한 해석 결과들은 실제 공항에서 파손이 자주 발생되는 취약구간과 일치하는 경향을 보였다. 이로써 공항 콘크리트 포장의 공용 수명을 예측하고, 합리적인 설계를 위해서는 환경하중이 고려되어야한다 판단되었다.

공항 콘크리트 포장 파손에 영향을 미치는 대표적인 인자는 환경하중과 교통하중이다. 최근의 포장 설 계는 기존 현장 실험을 바탕으로 한 경험적 설계 방법에서 환경하중과 교통하중에 의한 포장 거동을 해석하고 잔존 수명을 예측하는 역학적-경험적 설계 방법으로 전환되고 있다. 이전 연구에서는 공항 콘크리트 포장에 작용하는 온도하중과 수분하중의 서로 다른 환경하중 요소를 슬래브 상하부 간의 온도차이 하나로 합할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 논문에서는 FAA에서 제공하는 FEAFAA 프로그램으로 그림 1(a)와 같이 이전 연구에서 개발된 온도와 습도에 의한 등가온도차이, 설계항공기 중 대형항공기에 해당 하는 DDT(Double Duals in Tandem) 기어형상, 포장구조, 재료물성 등의 인자에 따른 응력을 산출하였 다. FEAFAA에서는 결과값을 처리하는 포스트 프로세서를 지원하지 않으므로 그림 1(b)와 같이 Tecplot 사의 Tecplot 360 프로그램을 사용하여 최대인장응력 발생위치와 응력크기를 파악하였다. 본 논문에서는 국내외 공항 설계 시 사용되는 기준으로 입력 변수의 범위를 설정하였고, 작용하는 하중 (환경, 교통)별 입력 변수의 민감도분석을 실시하여 응력에 미치는 영향을 분석하였다. 환경하중의 경우 지역별 연평균 일교차와 연평균 상대습도가 반영된 등가온도차이를 사용하였으며, 교통하중의 경우 설계 항공기 중 대형항공기에 해당하는 DDT 기어형상을 적용하였다. 이러한 역학적 근거에 따라 국내의 공항 위치별 환경 특성 및 설계항공기 기어 특성이 고려된 응력회귀모형을 개발하였다. 또한 개발된 회귀모형에 인자를 대입하여 얻은 응력과 유한요소해석 프로그램에 인자를 입력하여 산출된 응력의 비교를 통해 회귀모형의 타당성을 검토하였다.