PURPOSES : Almost every design method for airport concrete pavements considers only traffic loading and not environmental loading. This study proposes a mechanistic design method for airport concrete pavements, that considers both environmental and traffic loading simultaneously. METHODS: First, the environmental loading of concrete pavements in Korean airports was quantified. FEAFAA, a finite element analysis program for airport pavements, was used to calculate the maximum tensile stress (MTS) of the slab, caused by both environmental and traffic loadings. The factors that influence the MTS were identified via sensitivity analysis, and an MTS prediction model was developed using the statistical analysis program SPSS. The ratio of MTS to the tensile strength of slab was calculated using the prediction model. The fatigue model under the AC 150/5320-6E and AC 150/5320-6F standards of the FAA was corrected to make it suitable for the predicted stress-strength ratio. RESULTS : The MTS prediction model and corrected fatigue model were used to redesign the slab thickness and joint spacing of airport concrete pavements originally designed using the AC 150/5320-6D standard, which empirically considers traffic loading only. As a result, different slab thicknesses and joint spacings were redesigned with consideration for environmental loading, specifically the weather conditions of airports. . CONCLUSIONS: The slab thickness and joint spacing can be mechanistically designed at the same time, whereas previously, only the slab thickness was designed, and the joint spacing was determined empirically.

PURPOSES : In this study, wasted vinyl aggregate, which possesses better thermal properties than natural aggregate, was used in cement concrete mixture to develop more economical concrete with thermal insulation and freeze prevention effects. METHODS : Slump and air content of the fresh concrete, which substituted its 0%, 5%, and 10% of coarse aggregate with wasted vinyl aggregate, were measured. Compressive strength, Poisson’s ratio, elastic modulus, and splitting tensile strength of hardened concrete were measured by laboratory tests. Thermal properties of concrete such as coefficient of thermal expansion, thermal conductivity, and specific heat were also measured according to replacement ratio of wasted vinyl aggregate. Finally, the thermal insulation and freeze prevention effectiveness of the concrete mixed with wasted vinyl aggregate was confirmed through finite element analysis of road pavement crossing above concrete box culvert made from wasted vinyl aggregate. RESULTS: Even though the physical properties of wasted-vinyl-aggregate concrete such as compressive strength, Poisson°Øs ratio, elastic modulus, and splitting tensile strength were inferior to those of ordinary concrete, they met requirements for structural concrete. The thermal properties of concrete were improved by wasted vinyl aggregate because it decreased thermal conductivity and increased specific heat of the concrete. According to the result of finite element analysis, temperature variation in pavement subgrade was mitigated by box culvert made from wasted-vinyl-aggregate concrete. CONCLUSIONS: Through the laboratory test and finite element analysis of this study, it was concluded that the concrete structures made from wasted vinyl aggregate showed thermal insulation and freeze prevention effects.

PURPOSES: The purpose of this paper is showing that the state of pavement sublayers can be evaluated differently according to direction of FWD. METHODS: The concrete pavement slabs above subgrade without anything, subgrade with cavity, and box culvert were modeled by finite element method(FEM). The modeled pavements were analyzed by changing the direction of falling weight deflectometer(FWD). The deflection results obtained from FEM were used to calculate radius of relative stiffness and composite modulus of subgrade reaction using AREA method. Then, the analyzed results were compared to the results of the test performed at the Korea Expressway Corporation(KEC) test road. RESULTS : The composite modulus of subgrade reaction increased with subgrade elastic modulus, while radius of relative stiffness decreased. The pavement sections of pure earth showed the consistent results regardless of FWD direction. In case there was cavity, the radius of relative stiffness was larger and composite modulus of subgrade reaction was smaller when FWD was leaving the cavity than when approaching the cavity. This pattern became clear when the cavity got larger. In case of the section with box culvert, the pattern was opposite to the case of cavity. When the soil cover depth increased, the effect of box culvert got smaller. When the load was applied far from the cavity and box culvert, the effect was also declined. The test performed at the KEC test road showed identical results to those of finite element analysis. CONCLUSIONS : The direction of FWD should be considered in evaluation of the state of pavement sublayers because it can be evaluated differently even under identical condition.

현재 공항에서 주로 사용되는 콘크리트 포장은 미국 연방항공청(FAA) 및 국제 민간항공기구(ICAO) 등 에서 제시한 경험적 설계를 하고 있으나 이러한 경험적 설계는 공학적 개념이 부족하여 정확하지 않으며 더욱이 최근 사용되는 역학적-경험적 설계법은 공학적 검증 없이 해외의 설계법을 사용하여 국내 실정에 맞는 설계법이 필요하다. 또한 기존의 설계방법은 설계인자 중 환경하중을 고려하지 못하여 정확한 설계 에 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 환경하중을 고려하기 위해 공항에 따른 지역별 기후를 고려하여 지역별 연평균 일교차와 연평균 상대습도를 반영한 등가온도차이를 적용하였으며 교통하중의 경우 설계 항공기 중 대형항공기에 해당하는 Duals in Tandem(DT) 기어형상을 적용하였다. DT기어가 재하 될 때 슬래브에서 발생하는 최대인장응력의 위치를 확인하기 위해 유한요소해석 프로그 램인 FEAFAA 2.0을 사용하여 해석을 실시하였으며, 그 결과 교통하중만 작용할 때와 환경하중을 고려한 교통하중이 작용할 때의 최대인장응력 발생 위치는 서로 상이하였고 이를 고려하여 회귀식 산정을 위한 유한요소해석을 실시하였다.이어 합리적인 응력회귀식을 산정하기 위해 포장에 영향을 미칠 것으로 예상 되는 인자를 선정하였으며, 이를 민감도 분석한 결과 슬래브 두께(), 기어하중( ), 줄눈간격(), 슬래브 하부 지지력계수( )가 기준응력에서 5% 이상의 슬래브 응력 거동에 영향을 주는 주요 인자로 선정되었 다. 또한 역학적 설계에 따라 국내 공항의 환경 및 설계항공기의 기어 특성을 고려하여 앞서 민감도 분석 을 통해 결정된 인자들을 바탕으로 DT기어의 교통하중만 작용할 때와 교통하중과 환경하중을 모두 고려 했을 때 의 경우에 대해서 해석을 실시하였다. 이러한 해석결과를 바탕으로 사회과학 통계프로그램(SPSS)을 이용한 다중회귀분석을 실시하여 회귀식 을 산출하였다. 교통하중의 경우 네 개의 독립변수에 대한 회귀식이며, 환경하중을 고려한 교통하중의 회 귀식은 환경하중 회귀식(김연태, 2014)을 통해 얻은 결과를 활용하여 복합하중에 대한 회귀식을 얻었다. 교통하중에 대한 회귀식은 상관계수가 0.994로서 종속변수에 대한 독립변수들의 상관도가 매우 높음을 확인할 수 있었으며, 유의확률 및 다중공선성이 0.000과 10이하의 값으로서 각 인자들 간에 영향을 주는 정도가 낮은 것으로 판단되었다. 다음 두 식은 DT 기어에 대한 교통하중과 환경하중을 고려한 교통하중 의 회귀식이며 각 인자들의 계수를 비교함으로서 응력거동에서 영향을 주는 정도를 확인할 수 있다.

건설당시 엄격한 다짐관리로 시공된 노상과 보조기층은 공용기간이 경과함에 따라 압밀침하, 배수불 량, 그리고 지하수위 상승 등의 원인으로 품질이 저하된다. 지반에 변형이 생기면 포장표층과 지반사이에 공동이 발생되며, 여기에 하중이 재하 되면 설계 당시 예상한 것보다 더 큰 응력이 발생하여 포장에 파손이 발생하고 결과적으로 공용성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다(박주영 등, 2013). 따라서, 포장 하부 공동유무의 평가는 매우 중요하지만, 육안으로 확인하는 것은 불가능하므로 비파괴 방법을 사용하여야 한다. 구조물 내의 이격된 공간을 검사하는 비파괴 방법 중 하나인 충격반향기법(Impact-Echo Method)은 많은 분야에서 사용되고 있지만 포장하부의 공동탐사에 적용된 사례는 드물다. 충격반향기법은 그림 1과 같이 구조물에 응력파(Stress wave)를 발생시켜 그 응답을 분석하여 결함을 탐지하는 방법이다(Sansalone et. al., 1986). 응력파는 가진력을 일으킬 수 있는 장비에 의해 발생되며 표면과 내부결함 사이에서 다중반사가 일어나면서 일시적인 공진이 발생하여 구조물의 상태를 평가한다. 본 논문에서는 충격반향기법을 콘크리트 포장 하부 공동유무 평가에 적용하기 위한 기초연구를 수행하 였다. 먼저, 콘크리트 포장의 구조적 특징, 물성값, 각 층간의 댐핑계수(Damping Coefficient) 등을 조사 하였다. 조사된 자료를 바탕으로 상용 프로그램 ABAQUS를 이용하여 2D 유한요소해석을 실시하였다. 시간이력해석을 위해 Dynamic-explicit 방법을 적용하여 충격반향기법을 모사하였으며, 동적해석을 통해 콘크리트 포장의 공동의 유무에 따른 응력파 정보를 수집하였다. 최종적으로 획득된 응력파에 대하여 공동의 존재 여부 및 단면에 따른 거동차이를 비교·분석 하였다

역학적-경험적 포장설계 프로그램 중에서, 미국 AASHTO 설계법을 기초로 개발된 MEPDG는 교통량, 기상, 재료물성, 포장구조 등을 입력변수로 하여 기술자가 최적의 대안을 찾도록 한다. 하지만 MEPDG에서 기술적 문제가 발견되고 있기 때문에 이를 해결하여 프로그램을 개선하기 위한 노력이 계속되고 있다. 한편, 국내에서도 KPRP 연구과제에서 역학적-경험적 포장설계 프로그램이 개발되어 왔다. 이 한국형 포장설계 프로그램을 더욱 합리적으로 개발하고 개선하기 위해서는 이미 사용되고 있는 MEPDG를 분석하여 서로 비교할 필요가 있다. 콘크리트 포장설계의 경우, 피로균열은 다른 공용성 인자와는 달리 매우 복잡한 로직을 통해 예측된다. 따라서 본 논문에서는 MEPDG 버전 0.5, 버전 1.0, 그리고 버전 1.1의 피로균열 전이함수를 분석하였다. 그리고 버전별 MEPDG와 KPRP 입력변수들의 누적피로손상에 대한 민감도를 서로 비교하였다.

콘크리트 슬래브는 온도 및 수분의 영향을 받아 체적이 변화된다. 이때 슬래브와 보조기층 간의 마찰저항이 슬래브 체적변화를 구속하여 인장응력이 발생되고 경우에 따라 균열이 유발되기도 한다. 따라서 연구자들은 Push-off 실험을 실시하여 슬래브와 보조기층간의 마찰특성을 파악하려고 노력해 왔다. 최근에는 마찰특성에 의한 콘크리트 포장의 거동을 유한요소법으로 해석하려는 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 국내 콘크리트 포장에 주로 사용되는 린콘크리트, 쇄석, 아스팔트 보조기층에 대하여 실시된 마찰실험 결과를 바탕으로 슬래브와 보조기층 간 마찰특성을 조사하였다. 비선형의 마찰저항과 변위의 관계를 이중선형화하는 에너지 방법이 제시되었다. 마찰실험을 3차원 유한요소 프로그램 ABAQUS로 모형화하였으며 해석결과를 실험결과와 비교하여 모형을 검증하였다. 비선형과 이중선형 마찰저항-변위 관계를 각각 입력값으로 사용하여 얻은 해석결과를 비교하여 에너지 방법으로 개발된 이중선형 모형의 타당성을 검증하였다. 일반적인 국내 콘크리트 포장을 ABAQUS와 EverFE로 모형화하고 해석결과를 비교하여 이중선형 모형의 적용성을 평가하였다.

국내 공항 콘크리트 포장은 FAA 150/5320-6D에서 제시하는 설계법에 따라 설계대상항공기로 등가 환산된 교통량을 설계에 반영해 왔으나, 2006년에 개정된 FAA 150/5320-6E에서는 운항이 예상되는 모든 항공기의 연평균 이륙횟수를 설계에 반영하고 있다. 개정된 설계 기준에 따라 다양한 종류의 기어형상을 반영하는 것이 실제 교통량을 반영할 수 있으므로 더 합리적인 설계 방법이라 할 수 있다.<br> 본 연구에서는 Duals in Tandem(2D) 기어형상의 교통하중을 환산하기 위한 응력회귀식을 개발하였으며, 선행연구(김연태, 2013)인 Double Duals in Tandem(2D/2D2) 기어의 응력 회귀 모형 개발 절차에 따라 연구를 수행하였다. 또한 환경하중에 의한 응력 영향을 반영하기 위해 기존에 개발된 ‘지역별 슬래브 두께에 따른 등가선형 온도차이(홍동성, 2012)’를 사용하여 국내 기후특성을 반영하였다. 우선, 응력 회귀식 모형을 산출하기 위해 공항포장 설계에 필요한 각각의 설계인자들의 민감도 분석을 실시하였고, 영향력이 큰 주요 인자들의 설계 적용 범위를 정의 한 후, 선별된 설계 변수들을 유한요소 해석 프로그램(FEAFAA)에 적용하여 다양한 경우에서 유한요소해석(FEM)을 실시하였다. 또한, 해석결과인 최대인장응력을 종속변수로 적용하고, 해석에 적용한 설계인자들을 독립변수로 적용하여 다중회귀분석(SPSS)을 실시한 결과, 교통 및 환경하중에 의해 발생되는 최대인장응력 회귀식을 산출할 수 있었다. 개발된 회귀식은 각각 교통하중에 의한 응력회귀식, 환경하중과 교통하중을 동시에 고려한 응력회귀식이며, 입력변수로는 줄눈간격, 슬래브두께, 복합지지력계수, 등가선형온도차이, 교통하중이 있다. 또한, 회귀식 검증을 위해, 각각의 회귀식 변수를 변화시키며 유한요소해석 결과와 비교 분석을 실시하였다.