PURPOSES: In this study, a three-dimensional nonlinear finite element analysis (FEA) model for airport concrete pavement was developed using the commercial program ABAQUS. Users can select an analysis method and set the range of input parameters to reflect actual conditions such as environmental loading.METHODS : The geometrical shape of the FEA model was chosen by considering the concrete pavement located in the third-stage construction site of Incheon International Airport. Incompatible eight-node elements were used for the FEA model. Laboratory test results for the concrete specimens fabricated at the construction site were used as material properties of the concrete slab. The material properties of the cement-treated base suggested by the Federal Aviation Administration(FAA) manual were used as those of the lean concrete subbase. In addition, preceding studies and pavement evaluation reports of Incheon International Airport were referred for the material properties of asphalt base and subgrade. The kinetic friction coefficient between the concrete slab and asphalt base acquired from a preceding study was used for the friction coefficient between the layers. A nonlinear temperature gradient according to slab depth was used as an input parameter of environmental loading, and a quasistatic method was used to analyze traffic loading. The average load transfer efficiency obtained from an Heavy falling Weight Deflectomete(HWD) test was converted to a spring constant between adjacent slabs to be used as an input parameter. The reliability of the FEA model developed in this study was verified by comparing its analysis results to those of the FEAFAA model.RESULTS : A series of analyses were performed for environmental loading, traffic loading, and combined loading by using both the model developed in this study and the FEAFAA model under the same conditions. The stresses of the concrete slab obtained by both analysis models were almost the same. An HWD test was simulated and analyzed using the FEA model developed in this study. As a result, the actual deflections at the center, mid-edge, and corner of the slab caused by the HWD loading were similar to those obtained by the analysis.CONCLUSIONS : The FEA model developed in this study was judged to be utilized sufficiently in the prediction of behavior of airport concrete pavement.

국내 항공교통량은 매년 지속적으로 증가하여 2016년에 역대 최고치를 기록하였으며, 앞으로의 항공수요는 지속적으로 증가 할 것으로 예측된다. 하지만 국내 주요 공항시설의 노후화가 지속되어 설계공용수명20년을 초과한 활주로가 증가하고 있으며, 공항포장의 품질관리 및 유지보수의 중요성이 증대되고 있는 시점이다. 따라서 본 연구에서는 공항포장의 재료적으로 보완된 기준을 제시하기 위해 대표 공항 3곳을 선정하여 배합비, 골재특성 및 재령별 포장파손종류를 검토하여 개선된 배합범위를 제시하였으며, 12가지의 배합 Case를 선정하여 동결융해시험을 통한 내구성능을 검증하는 단계에 있다. 각 공항의 배합설계기준, 시방배합표, 골재의 특성을 비교 및 분석하였으며, 주요파손의 종류를 파악하여 주요파손이 나타내는 재료적 특징과 원인을 조사하였다. 또한 포장의 내구성저하에 영향을 미치는 인자를 중점으로 3개 대상 공항의 배합비 및 골재특성을 비교하였다. 그 결과 콘크리트 포장의 내구성 증진을 위해 시멘트사용량 및 혼화제사용량을 증가하고, 잔골재의 0.08mm체 통과율(미립분)을 감소하는 방향의 개선배합을 제시하였다. 표 1과같이 단위 시멘트량, 혼화제 사용량 및 잔골재 미립분 함량을 각각 변수로 설정하였으며, 단위수량을 169kg/m3, 잔골재율을 35.9%로 고정하여 12가지 Case를 선정하고 각 Case별로 2개의 공시체를 제작하여 동결융해실험을 진행중에 있다. 현재 실험은 12가지 Case중 6개의 실험을 진행하고 있으며 추후 나머지 6개를 더 진행하여 배합변수와 내구성간의 관계를 분석할 예정이다. 또한 내구성이 높은 Case를 선정하여 압축강도, 포아송비 및 탄성계수의 실험을 추가적으로 진행하여 적정 개선배합범위를 제시 할 것이다.

콘크리트에 발생하는 건조수축은 콘크리트 구조체 내부에 존재하는 수분의 이동에 의해 발생하며 강도발현시점 이후부터 점진적으로 그 크기가 커진다. 콘크리트에 발생할 수 있는 건조수축의 크기는 골재나 시멘트 등의 특성에 따라 다르나 약 40-1000 의 범위에서 발생하므로 그 크기는 무시할 수 없는 수준이다. 많은 연구자들은 콘크리트의 건조수축의 약 20-25%가 재령 2주내에, 약 50-60%가 3개월 내에, 80% 이상이 재령 1년 이내에 발생하는 것으로 판단하고 있다. 다만 콘크리트 포장에서는 깊이에 따라 건조수축의 발생의 진행정도가 다르며 이로 인해 포장체 상부와 하부에서의 수축차이가 생기는 부등건조수축이 발생하므로 단순히 구조체 전체가 동등하게 수축한다고 가정할 수 없다. 본 연구는 공항 콘크리트포장을 대상으로 한 유한요소해석 모형에 실제 현장에서 약 9개월간 계측한 슬래브 깊이별 실측 온도를 적용하여 계절적 온도변화에 의한 포장체의 거동을 해석하였다. 유한요소해석 결과와 실제 현장에서 계측한 슬래브 위치별, 깊이별 변형률을 비교 분석하였으며, 온도의 영향만을 반영하여 해석을 실시한 결과와 건조수축이 발생하는 실제 슬래브의 거동사이에 차이가 발생함을 확인하였다. 상대적으로 재령 초기에 건조수축의 발생이 작은 슬래브 바닥면을 기준으로 보정계수를 추정하여 해석결과를 보정하였으며 슬래브의 재령에 따른 깊이별 건조수축의 발생 경향을 확인할 수 있었다.

공항 콘크리트 포장 슬래브는 온도와 습도 등 환경요인의 복합적인 영향으로 수축과 팽창을 반복한다. 하지만 슬래브 상·하부간의 비선형적인 온도구배로 인해 깊이에 따른 열팽창률이 다르며, 슬래브 표면에서의 증발로 인한 수분 손실로 인해 부등건조수축이 발생하여 위아래로 뒤틀리는 컬링(Curling)거동을 야기한다. 이처럼 환경요인에 의한 슬래브의 거동은 단기적으로 일주기의 대기 온도변화에 의한 거동특성을 보이며, 장기적으로 건조수축 및 계절적인 온도변화에 의한 거동특성을 보인다. 본 연구에서는 인천국제공항 현장에서의 HWD실험을 통하여 단기 및 장기적인 콘크리트 포장 슬래브의 거동을 예측하고자 하였다. 본 연구를 위해 2016년 11월부로 인천국제공항의 4단계 건설사업 중 3단계 건설사업이 진행중인 여객계류장 현장에 정적 및 동적 계측기를 설치하였으며, 상시적으로 정적변형률을 계측함과 동시에 정기적으로 HWD실험을 통해 동적변형률을 계측하였다. 계절별 거동특성을 분석하기 위해 2017년 3월, 5월, 8월 3차례에 걸쳐 HWD실험을 실시하였으며, 일주기 거동특성을 분석하기 위해 매 실험마다 3시, 7시, 11시, 15시, 21시에 걸쳐 총 5회의 실험을 실시하였다. HWD 실험을 통해 그림 1과 같이 슬래브의 중심, 모서리, 우각부의 내측 및 외측을 대상으로 타격하였으며, 처짐량, 충격강도계수(ISM), 하중전달률(LTE), 포장체 내 변형률, 역산 탄성계수를 조사하여 분석하였다. 현재까지의 HWD실험을 통해 슬래브 거동특성을 분석한 결과 초기상태의 슬래브는 부등건조수축으로 인한 Curl-up이 발생하며, 우각부와 보조기층이 분리된 것으로 예측되었다. 하지만 재령이 지날수록 일정한 Curl-up상태를 유지한 체 보조기층의 침하가 동반되어 Curl-up이 완화되는 거동이 예측되었다. 본 연구진은 추후 추가적인 HWD실험을 실시하여 슬래브 거동 예측결과를 검증 할 예정이다.

공항운영자는 안전한 항공기 착륙에 필요한 활주로 표면 마찰력을 일정 수준 이상으로 유지하기 위해 항공기 착륙횟수에 따라 주기적인 마찰력 측정과 고무퇴적물 제거를 실시하고 있다. 하지만 마찰력 측정 시기는 항공기 착륙횟수에 의해 결정되어 활주로 고무제거에 따른 표면 texture 상태를 전반적으로 반영하지 못하며, 고무제거 후 제거정도를 육안으로만 확인하고 있어 마찰력 변화를 정량적으로 확인하기 어려운 실정이다. 또한 ASTM 965-96 또는 NASA Grease Smear Method(FAA AC 150/5230-12C)와 같은 volumetric 방법으로는 그루빙이 설치된 활주로 포장의 직접적인 texture 변화를 확인할 수 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 그루빙이 있는 활주로의 고무제거에 따른 texture 변화 측정방법 개발을 위한 기초연구로 3D scanner를 이용한 texture depth(이하 3D-TD) 측정방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 밀입도 아스팔트 포장표면 30개 지점을 대상으로 ASTM 965-95 방법을 통해 측정된 MTD(mean texture depth)와 3D-TD 산정결과의 비교를 통해 본 연구에서 제시한 방법에 대한 신뢰로 검증을 실시하였다. 3D-TD의 측정방법은 ASTM 965-96과 같은 volumetric technique를 이용하는 것이다. 이는 scanner 장비를 이용해 획득한 그림.1과 같은 대상표면의 geometry와 texture data를 mesh 구조로 변환한 후, mesh data에 근거한 기준 평면에서부터 측정된 표면까지 일정 크기의 폐쇄된 공간을 형성하여 이를 채우고 있는 부피 (volume)를 해당면적(area)으로 나누는 방식으로 식(1)과 같이 texture depth를 산정하게 된다. 측정결과 MTD와 3D-TD는 각각 0.38～1.45mm와 0.38～1.59mm의 범위로 그림.2에서와 같이 상당히 유사한 값을 보였다. 선형회귀분석결과 3D-TD = 1.0421MTD의 선형관계에 있으며, 이때 결정계수(R2) 는 0.9711으로 높은 상관성을 보여줌에 따라 본 연구에서 제시한 3D scanner를 이용한 texture depth 측정방법이 상당한 신뢰도를 갖는 것으로 판단된다. 본 논문은 국토교통부와 국토교통진흥원의 연구개발사업인 “저탄소 녹색 공항 포장 시공 및 유지관리 기법개발”과 인천국제공항공사 "활주로 고무제거 효율향상을 위한 고무제거 사전처리제 실용화 연구"의 지원으로 수행되었으며 이에 관계자분들께 감사드립니다.

국내 항공 교통량은 매년 4.9∼9.9% 상승률을 보이며 꾸준히 증가하고 있는 가운데, 공항 포장의 중요성 또한 날로 높아지고 있다. 현재 국내 건설된 공항포장은 국외의 공항포장 설계법을 기반으로 설계되고 있는데, 이는 국내의 지역적, 환경적 영향을 충분히 반영하지 못해 포장파손이 빈번히 발생되고 있다. 이에 본 연구에서는 인천국제공항 3단계 건설사업 계류장에 변형률 및 온도 계측기를 설치하여, 각 환경요인에 따른 공항 콘크리트 슬래브의 거동 분석을 수행하였다. 공항 콘크리트 슬래브의 위치별, 깊이별 거동 계측을 위해 슬래브의 Corner, Mid-Edge, Center 위치에 각각 5개 깊이로 정적변형률계를 설치하였으며, 슬래브 내부의 깊이별 온도 측정을 위해 Center 위치에 5개 깊이로 온도계를 설치하였다. 계측 데이터는 영점조정 및 보정을 거치고, 온도와 습도의 복합적인 영향으로 발생하는 변형률인 Real Strain과 습도의 영향만으로 발생하는 변형률인 Shrinkage Strain으로 분류되어 10분 단위로 수집되고 있다. 수집된 데이터를 바탕으로 분석을 수행한 결과, Real Strain은 온도의 영향을 지배적으로 받아 단기적으로는 온도의 일변화에 따라 Curling 거동을 반복하고, 장기적으로는 계절 온도 변화에 따라 수평방향으로 수축·팽창하는 거동을 반복하는 것으로 확인되었다. Shrinkage Strain은 건조수축의 영향을 받아 거동을 하는데, 초기에는 상부가 수축하고 하부가 팽창하는 부등건조수축이 발생하여 Upward Curling 거동이 확인되고, 일정 시점이 지난 이후부터는 하부에서도 건조수축이 발생하여 수평방향으로 수축하는 거동이 확인되었다.

OBJECTIVES : This is a basic research for the domestic production of airport-airside deicers. This research selected basic materials for deicers appropriate for the pavement of domestic airports by evaluating the deicing performances of basic materials used in internationalstandard airport deicers and their impacts on pavements. METHODS: Laboratory investigation was conducted to evaluate the asphalt surface tensile strength, concrete scaling impact, ASR impact, and deicing performances of sodium formate (NaFm), potassium formate (KFm), sodium acetate (NaAc), and potassium acetate (KAc), which are the basic de-icing materials commonly used at international airports, approved by the FAA. In addition, the analyses were also performed on the airside deicer urea, which is currently used in domestic airports. RESULTS : Laboratory investigation confirmed that sodium formate, potassium formate, sodium acetate, and potassium acetate had superior surface tensile strength, concrete scaling impact, and deicing performance compared to airside urea, but they also had greater impacts on concrete ASR. Among these materials, sodium formate had the best asphalt surface tensile strength, concrete scaling impact, and deicing performance, while also having the greatest impact on ASR; hence, mitigation plans for ASR were needed, if it were to be used as airport-airside deicer. CONCLUSIONS : It is necessary to consider additional additives to prevent ASR of concrete pavements when developing airport-airside deicers using sodium formate, potassium formate, sodium acetate, and potassium acetate.

PURPOSES: The purpose of this study is to suggest a specific investigation guideline to decide priority of repairing old concrete pavements that pile up substantially. METHODS : In this study, a principle of division of homogeneous sections was proposed to reflect the characteristics of the pavement reasonably in the specific investigation results. In addition, a checklist and guideline of field investigation were suggested for the old concrete pavement sections, which require inspection toward their durability and structural performance. Furthermore, the items of laboratory test necessary to the old concrete pavement were suggested based on the existing laboratory test considering characteristics of the old concrete pavement. The present condition of the old concrete pavement could be analyzed by the test results. RESULTS: A method of division of homogeneous sections suitable for the specific investigation of the old concrete pavement was suggested. The proportions of distress severity of pavement sections were compared by distress type to figure out the present state of the old concrete pavement. Scaling, durability cracking (or alkali-silica reaction), and longitudinal spalling were selected as the most severe distress types. The detailed positions of the sections were also suggested. The checklist of the specific investigation was categorized by field survey and laboratory test, and its evaluation criteria were proposed. The three types of the sections of durability cracking (or alkali-silica reaction), bridge connection, and asphalt overlay were selected as the sections of the field survey. The compressive strength, void structure, and chloride penetration depth were suggested as the items of the laboratory test. CONCLUSIONS : A fundamental level of the guideline was suggested in this study to resolve the problem of old concrete pavement. Appropriate guidelines related to the repair of the old concrete pavement should be provided by performing additional research efforts.

미국 및 프랑스의 경우, 초대형 항공기 출현, 항공기 기어 형상의 변화 및 항공교통의 지속적인 수요로 인하여 과거 노모그래프를 사용하는 설계법으로 포장을 설계하는데에 많은 한계가 있었다. 이러한 연유로 미국 FAA 및 프랑스 LCPC등은 포장 구조 시스템을 해석하고 이를 근거로 포장의 공용성을 예측하는 역 학적 경험적 설계법을 개발하였고, 현재도 개선 중에 있다. 줄눈 콘크리트 포장인 공항 콘크리트 포장의 경우 아스팔트 포장과는 달리 조인트를 가지는 이유로 다층탄성해석 프로그램을 통한 설계법에서 최근에 는 3차원 유한요소방법을 이용한 설계법으로 변화하고 있다. 본 연구는 국내의 역학적-경험적 공항포장 설계법을 개발하기 위해 FAA에서 개발한 공항포장용 3차원 유한요소프로그램인 FEAFAA를 참고하여 범용 해석 프로그램인 ABAQUS로 이를 개선한 모형을 구축하 였고, 기존 개발된 줄눈 콘크리트 포장용 3차원 유한요소해석 프로그램인 FEAFAA, EverFE 등과 비교하 여 구축 모형을 검증하였다. 그리고 항공기의 이동하중에 대한 포장의 거동을 해석할 수 있는 동적 해석 모형으로 확장하였고, 향후 인천공항공사의 현장 시험을 통해 모형에 대한 검증을 수행할 예정에 있다.

인천국제공항은 타당성 조사 및 기본설계를 거쳐 1단계 사업에서 11.7km²의 부지조성 및 활주로 2본 등을 건설하였고, 뒤이어 시작한 2단계 사업에서 길이 4,000m의 활주로 1본과 0.13km²규모의 화물터 미널 등을 추가 건설하였다. 그리고 2013년 6월부터 본격적인 공사가 시작된 3단계 사업에서는 제2여객 터미널을 건설하고, 계류장과 화물 터미널을 확장하여 연간 6천 200만 명의 승객과 580만 톤의 화물 처 리를 목표로 하여 진행 중에 있다. 현재 1단계 사업에서 건설된 콘크리트 포장의 경우 2001년 3월 개통 이래 공용연수가 14년으로 설계수명 20년에 다다르고 있으며, 3단계 사업에서 건설 예정인 계류장 및 화 물 터미널의 경우 대부분 콘크리트 포장으로 계획되어 있다. 향후 설계수명이 지난 포장에 대하여 이를 평가하여 복구하고, 건설 예정된 포장의 공용수명을 증진시키기 위하여 국내 현실과 맞지 않는 외국의 포 장 설계방법이 아닌 인천공항 고유의 포장설계방법 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 합리적인 포장의 잔존수명을 예측하고, 신설 포장의 조기 파손을 최소화하여 인천공항 콘크리트 포장의 전반적인 성능 향상을 도모할 수 있도록 역학적-경험적(M-E: Mechanistic-Empirical) 공항 콘크리트 포장 설계기준 및 방법을 개발하기 위해 필요한 기초자료 및 검증 자료인 콘크리트 포장 거동 계측 데이터 확보를 위해 3단계 포장 구간 내 온도계, 습도계, 변형률계, 변위계 등의 계측기 매설계 획과 수동 및 자동 계측데이터 수집 시스템 구축방안을 수립하였다.

항공기의 안전한 운영을 위해 공항운영자는 활주로 표면 마찰력을 일정 수준이상으로 유지하기 위해 항 공기 착륙횟수에 따라 고무 퇴적물의 주기적인 제거를 실시하고 있다. 이때의 마찰력 수준은 측정장비 및 속도별로 그 값이 달라지는데, 국내 공항의 경우 주로 ASF(Airport Surface Friction) Tester를 이용하고 있다. 최소마찰 수준은 측정 속도에 따라 0.50(65km/h), 0.34(95km/h)로 규정하고 있다. 따라서 이 기준 을 만족하지 못하는 경우에도 고무제거를 실시하게 된다. 하지만 이러한 고무제거는 항공기 착륙횟수와 주 기적인 마찰측정결과에 따라 작업이 이루어지고 있어 활주로 표면 texture 상태를 전반적으로 반영하지 못하며, 고무제거 후 고무 제거 정도를 육안으로만 확인하고 있어 제거에 따른 마찰력 변화를 정략적으로 확인하기 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 포장 표면 texture의 특성지표인 MTD(Mean Texture Depth)와 ASF와의 상관관계를 분석하여 표면 texture 관리수준을 제시하고자 한다. 이를 위해 신설 밀입도 아스팔트 포장에 대해 65km/h의 속도로 ASF를 측정하였고, 동일 구간에 MTD 를 측정하였다. 측정결과 ASF는 0.5~0.85 범위로 모두 최소마찰 수준을 만족하였고, MTD와 상당히 유 사한 패턴을 보였다. 정량적인 상관관계분석을 위해 상관계수 및 회귀분석을 진행하였다. 그 결과 표.1과 같이 0.9 이상의 상관성을 보였으며, 그림.1과 같이 선형 회귀분석 결과를 도출할 수 있었다. 이때 결정계 수(R2)는 0.8866으로 상당히 높은 상관성을 보여주고 있다. 본 연구 내에서 진행한 ASF 및 MTD의 상관 성에 근거하여 ASF의 최소마찰 수준인 0.5 이상을 확보하기 위해서는 포장 표면의 MTD를 0.3mm 이상 을 관리되어야 할 것으로 판단된다.