본 연구는 특수한 조건에서의 줄눈 콘크리트포장의 설계 및 성능에 관한 분석을 목적으로 한다. 줄눈 콘크리트포장은 시멘트 콘크리트 포장의 한 형태로, 오랜 기간 도로 포장형식으로 사용되어 왔다. 이 포장 방식은 철근을 사용하지 않는 대신, 콘크리트 슬래브의 균열을 줄눈을 통해 유도하고, 다월바와 타이바를 통해 슬래브에 생기는 응력을 줄이는 방식이 다. 대한민국의 다양한 지역 환경과 계절적 특성은 도로 포장설계에 주요한 인자로 적용된다. 특히, 슬래브의 부등건조수 축이 평탄성 문제의 주요 원인으로 지적되며, 이는 온습도의 변화에 의해 발생한다. 본 연구에서는 3차원 유한요소해석 을 활용하여 줄눈 콘크리트포장 슬래브의 거동을 분석하고, 콘크리트 슬래브의 두께, 줄눈 간격, 타이바 및 다웰바의 배 치 등 주요 설계 변수의 영향을 평가한다. 이러한 설계 인자들이 슬래브의 응력과 변위에 미치는 영향을 확인하며, 다양 한 환경 조건 하에서의 설계 방법의 유효성을 검증한다. 본 연구는 줄눈 콘크리트포장의 실제 배치 방식을 모델링하여, 기존 설계 방식의 보안 사항을 파악하고, 설계 기준 내에서의 주요 인자 변화를 통해 부등건조수축을 완화할 수 있는 방 안을 제시한다. 이를 통해, 특수 환경 조건에서의 온습도 영향을 고려한 효율적인 포장 설계 방안을 도출함으로써, 도로 포장의 평탄성과 내구성 향상에 기여하고자 한다.

국내 고속도로의 본선차로 포장은 시공비용이 저렴한 줄눈 콘크리트 포장을 주로 시공하였으나, 최근 유지보수비용이 증가함에 따 라 유지관리비용이 저렴하고 공용성이 뛰어난 연속철근 콘크리트 포장을 확대 적용하고 있는 추세이다. 그러나 본선차로가 연속철근 콘크리트 포장으로 시공될 때 접속차로의 포장은 대부분 줄눈 콘크리트 포장으로 시공하고 있어 서로 다른 포장 형식이 접속함으로 인해 거동 차이가 발생하여 접속부에서 파손이 발생하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 본선차로 연속철근 콘크리트 포장과 접속차로 줄눈 콘크리트 포장을 시공할 경우 줄눈 간격에 따른 접속차로 줄눈 콘크리트 포장의 응력 특성을 분석하기 위하여 유한요소해석 프 로그램을 이용하여 구조해석을 수행하였다. 줄눈 간격별로 줄눈 콘크리트 포장의 해석모델을 구성하였으며 환경하중인 선형수직온도 경사와 온도하강, 그리고 선형수직온도경사와 온도하강을 동시에 적용하여 해석을 실시하였다. 구조해석 결과, 모든 온도조건에서 줄 눈 간격이 좁아질수록 슬래브와 타이바의 응력이 감소하는 것으로 나타났다.

국내 고속도로의 시멘트 콘크리트 포장은 초기 시공 비용이 저렴한 줄눈 콘크리트 포장을 주로 사용해 왔으나 포장이 노후화됨에 따 라 줄눈부 파손으로 인해 유지보수비용이 매년 증가하고 있는 실정이다. 이러한 줄눈부 파손을 근본적으로 해결할 수 있는 포장 형식 으로 연속철근 콘크리트 포장을 들 수 있다. 연속철근 콘크리트 포장은 1980년대에 중부고속도로 등에 적용하였으나 자연발생적이며 허용되는 횡방향 균열에 대한 이해가 부족하여 그 이후로는 사용이 미미하였으나 균열에도 불구하고 우수한 공용성을 지닌 것이 검증 되면서 최근에는 연속철근 콘크리트 포장을 확대하고 있는 실정이다. 하지만 본선차로가 연속철근 콘크리트 포장으로 시공되어도 접 속차로의 포장은 줄눈 콘크리트 포장을 사용하는 경우가 대부분이며 이러한 경우 서로 다른 포장 형식의 거동 차이가 타이바로 인해 구속되므로 과도한 응력 발생에 의해 접속부에서 파손이 발생하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 본선차로가 연속철근 콘크리트 포장 이고 접속차로가 줄눈 콘크리트 포장일 경우 타이바가 포장 거동에 미치는 영향을 3차원 유한요소해석 프로그램을 통해 분석하였다. 유한요소해석은 타이바 배치가 서로 다른 모델을 구성하여 환경하중이 작용할 경우를 고려하여 수행하였다. 연구를 통해 타이바의 배 치가 줄눈에서 멀어지며 슬래브 중앙부에 집중적으로 배치될 경우에 슬래브와 타이바의 응력이 감소하는 것을 확인하였다

PURPOSES : In this study, the initial behaviors of shoulder concrete slabs and tiebars at the longitudinal construction joints between the shoulder JCP and mainline CRCP are investigated. METHODS : The strains of concrete and tiebars were measured at the longitudinal construction joint between the CRCP and JCP. Measurements were performed using data accumulated over a month after concrete placement. The contact conditions were investigated by comparing the strains at each location. RESULTS : The longitudinal construction joints between the shoulder JCP and mainline CRCP exhibited the composite behavior of bonding and friction, and a virtual neutral axis was formed inside the JCP. At the connection of the shoulder concrete, the strain and temperature of the concrete were inversely proportional. The tiebars connecting the CRCP and JCP exhibited different behaviors depending on the bonding conditions around the tiebars of the construction joints. In the presumed state in which the bonding condition was maintained, the concrete temperature and tiebar strain were directly proportional; however, the presumed state of the separation condition exhibited an inversely proportional relationship. In the 24-h behaviors of the tiebars, the effects of the horizontal and curling movements overlapped, and the strains of the measured tiebars increased at the minimum and maximum temperatures of the shoulder JCP. CONCLUSIONS : The strains in the tiebars and concrete slabs primarily depended on the boundary conditions (bonding and friction) of the longitudinal construction joint between the shoulder JCP and mainline CRCP.

국내 고속도로 포장의 종류는 크게 콘크리트 포장과 아스팔트 포장으로 구분 할 수 있다. 현재 콘크리트 포장은 공용 중 노후화로 인해 서비스지수가 일정수준 이하로 낮아질 경우 다양한 보수공법을 적용하여 개량 및 유지보수를 시행하여 공용기간을 연장시키는 방법을 택하고 있다. 이러한 노후화된 콘크리트 포장에 대한 보수공법 중 아스팔트 덧씌우기 공법은 기존 콘크리트 포장 위에 아스팔트를 약 50∼80mm정도 덧씌우기하여 기존 콘크리트 포장체는 기층재로 표층재는 신설AP로 하는 복합단면형태이다. 이러한 복합단면은 소음저감, 평탄성확보 등의 장점과 함께 하부 콘크리트의 줄눈부 거동으로 인한 반사균열 발생이 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 본 연구에서는 복합단면포장에 있어 경계면 접합처리 방식이 반사균열 발생에 미치는 영향을 검토하고자 일반포설 구간과 택코팅 동시포설 구간에 대한 하부 콘크리트의 깊이별 온도 및 줄눈부 거동을 2016년 11월 17일부터 2017년 8월 7일까지 계측하여 분석하였으며 그 결과, 표 1과 그림 1과 같이 분석되었다.

PURPOSES: The behavior of a concrete pavement in a tunnel was investigated, based on temperature data obtained from the field and FEM analysis. METHODS: The concrete pavement in a tunnel was evaluated via two methods. First, temperature data was collected in air and inside the concrete pavement both outside and inside the tunnel. Second, FEM analysis was used to evaluate the stress condition associated with the slab thickness, joint spacing, dowel, and rock foundation, based on temperature data from the field. RESULTS : Temperature monitoring revealed that the temperature change in the tunnel was lower and more stable than that outside the tunnel. Furthermore, the temperature difference between the top and bottom of the slab was lower inside the tunnel than outside. FEM analysis showed that, in many cases, the stress in the concrete pavement in the tunnel was lower than that outside the tunnel. CONCLUSIONS : Temperature monitoring and the behavior of the concrete pavement in the tunnel revealed that, from an environmental point of view, the condition in the tunnel is advantageous to that outside the tunnel. The behavior in the tunnel was significantly less extreme, and therefore the concrete pavement in the tunnel could be designed more economically, than that outside the tunnel.

지구 온난화로 인한 이상기후로 발생하는 경제손실과 화석연료 중심의 에너지 소비구조로 인한 자원고 갈의 가속화로 오늘날 선진국을 중심으로 온실가스 감축, 에너지 자립도를 높이기 위한 녹색성장이 주목 받고 있으며, 한국 정부도 국제 변화에 부응하고자 저탄소 녹색성장을 추진하고 있다. 그 일환 중 저탄소 친환경 도시의 교통대안으로 자전거 이용이 주목 받고 있으며, ʻ10대 자전거 거점 도시ʼ 조성, 국가 자전거 도로 구축 사업 등이 장려되어 향후 자전거도로의 연장은 더욱 증가할 전망이다. 그러나 자전거 이용 활성화 노력의 비해 국내의 자전거도로 포장은 라벨링, 종·횡방향 균열, 단차, Blow up 등의 파손으로 상태가 불량하며 부적절한 유지관리로 이용자의 만족도를 충족시키지 못하고 있다. 이에 중앙대학교에서는 자전거도로 포장의 주요 파손발생율을 저감시키고자 배합설계, 다짐 방법의 개선, 적절한 줄눈 간격의 설정 등에 관한 연구를 진행하고 있으며, 본 연구에서는 과다한 줄눈 간격으로 인한 횡방향 균 열 발생율 저감에 초점을 맞추었다. 현재 자전거도로의 줄눈 간격은 일반 도로와 같이 6.0m를 적용하고 있 다. 자전거도로는 환경하중만을 고려하고 포장 두께는 10~15cm로, 차량하중이 재하되고 포장 두께가 20~30cm인 일반도로의 줄눈 간격을 적용하는 것은 부적절하다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 포러스 콘 크리트 포장을 적용한 자전거도로 포장의 줄눈 간격에 따른 거동 변화를 분석하여 적정 줄눈 간격을 제시하 고자 하였다. 연구 수행을 위해 <그림 1>과 같이 폭 1.5m, 줄눈 간격을 각각 1.5m, 3.0m, 6.0m를 적용한 테스트베드를 마련하였고, 슬래브의 Center, Edge, End, Corner에 변형률계를 설치하여 슬래브에서 발생 하는 거동을 분석하고자 하였다. 또한 포장 깊이에 따라 써머커플을 매설하여 포장 내부의 온도변화를 측정 하고자 하였다. 테스트베드는 2014년 7월에 시공되었으며, 2015년 1월까지 거동 측정을 실시하였다.

공항 콘크리트 포장은 일반적으로 2차로(약 8.2m)로 건설되는 도로 포장과 달리 약 30m 이상의 광폭 으로 건설된다. 따라서 공항 콘크리트 포장은 콘크리트 포설 장비의 제한으로 인하여 불가피하게 종방향 으로 시공 줄눈을 갖게 되며, 이러한 종방향 시공 줄눈은 인접 슬래브와의 하중전달을 위하여 콘크리트 슬래브 옆면에 전단키를 설치한다. 따라서 본 논문은 공항 콘크리트 포장에 적용되는 키 줄눈 형식(그림 1)과 다웰 줄눈 형식(그림 2)의 포장 슬래브에 대한 거동 특성을 분석하기 위하여 유한요소 해석 모델을 구축하였으며, 항공기 하중 및 환경하중을 고려하여 슬래브의 응력, 하중전달율 등의 거동을 비교 분석하였다. 분석결과 공항 콘크리트 포장에서 줄눈부를 시공 줄눈은 전단키를 사용하고 수축 줄눈은 다웰바를 사용하는 현행 줄눈콘크리트 포장 시스템을 시공 및 수축 줄눈 모두 다웰 줄눈으로 적용하여도 구조적으로는 문제가 없을 것으로 분석되었으며, 오히려 다웰 줄눈만을 적용할 경우 슬래브의 인장응력 감소 및 하중전달율의 증가를 가져올 수 있을 것으로 판단되었다(그림 3).

연속철근 콘크리트 포장(CRCP: Continuously Reinforced Concrete Pavement)과 줄눈 콘크리트 포장 (JCP: Jointed Concrete Pavement)의 환경하중에 따른 단부 거동 측정 현장은 음성-제천고속도로 상에 신설 된 CRCP 구간에서 수행되었다. CRCP 구간은 슬래브 길이 약 500m, 폭 8.4m, 두께 28cm, 철근비 0.68%로 시공되었으며 시점과 종점은 앵커러그(Anchor lug)를 생략하고 팽창줄눈을 설치하였으며, JCP와 마주하고 있다. CRCP와 JCP는 모두 린 콘크리트층 위에 설치되었으나, JCP는 린 콘크리트층과 JCP 사이에 비닐을 설치 하였으며, CRCP는 린 콘크리트층 위에 바로 콘크리트 슬래브를 설치하였다. 따라서 CRCP와 JCP의 환경하중 변화에 따른 자유단부의 종방향 변위 및 컬링 변위 측정을 위해 그림 1과 같이 변위측정계(LVDT)를 설치하였 다. 거동 측정은 2013년 4월 24일(Day 1)부터 수행하였으며 자유단부에서 컬링 거동 측정 결과를 그림 2, 종방 향 거동 측정 결과를 그림 3에 나타내었다. 컬링 거동은 약 20일의 측정 기간 동안 CRCP와 JCP의 자유단부는 동일 시간대에 서로 같은 방향으로 컬링 거동이 발생하며, 일일 최대 컬링 변위는 약 1.2mm 정도 발생하였으나, CRCP와 JCP 단부의 상대변위는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 종방향 거동은 약 45일의 측정 기간 동안 일일 종방향 변위의 발생은 CRCP 보다 오히려 JCP에서 더 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 계측이 팽창줄눈 위치에서 수행되었기 때문에 이러한 현상이 JCP의 수축줄눈에서도 발생하지는 지는 추가적인 연구로 비교해 볼 필요가 있다.

PURPOSES : Hollows are easily made, and bearing capacity can be lowered near underground structures because sublayers of pavement settle for a long time due to difficult compaction at the position. If loadings are applied in this condition, distresses may occur in pavement and, as the result, its lifespan can decrease due to the stress larger than that expected in design phase. Although reinforced slab is installed on side of box culvert to minimize the distresses, length of the reinforced slab is fixed as 6m in Korea without any theoretical consideration. The purpose of this paper is investigating the behavior of concrete pavement according to the cover depth of the box culvert ad the length of the reinforced slab. METHODS : The distresses of concrete pavement slabs were investigated and cover depth was surveyed at position where the box culverts were located in expressways. The concrete pavements including the box culverts were modeled by finite element method and their behaviors according to the soil cover depth were analyzed. Wheel loading was applied after considering self weight of the pavement and temperature gradient of the concrete pavement slab at Yeojoo, Gyeonggi where a test road was located. After installing pavement joint at various positions, behavior of the pavement was analyzed by changing the soil cover depth and length of the reinforced slab. RESULTS : As the result, the tensile stress developed in the pavement slab according to the joint position, cover depth, and reinforced slab length was figured out. CONCLUSIONS : More reasonable and economic design of the concrete pavement including the box culvert is expected by the research results.

본 연구에서는 노후 콘크리트 포장의 효율적 유지보수를 위하여 국내 최초 적용된 연속철근 콘크리트 개념의 얇은 덧씌우기 공법(CRCO : Thin Bonded Continuously Reinforced Concrete Overlay)의 거동 특성을 살펴보았다. 서해안 고속도로의 폐도 구간에 CRCO 공법과 JCO 공법(Jointed Concrete Overlay)을 시험시공 하였으며, CRCO 공법에 삽입된 종방향 철근으로 효과를 검토하였다. 시험시공 후 균열 조사 결과, CRCO 구간의 기존 줄눈부에서부터 반사 균열이 발생하였으나 그 폭은 매우 좁았다. 철근의 구속역할로 인해 CRCO 공법에서 더 많은 균열이 발생하였으며, 그 간격은 CRCP 보다 더 좁았다. 부착강도 측정 결과, 표면 처리로 Cold Milling 후 이물질을 제거하여 초기에 층간 부착 문제가 발생하지 않았다. 기존 JCP의 줄눈부에 수평으로 매설한 계측기 데이터분석 결과, 초기 균열 터짐 시 일정 폭 이상으로 벌어지지 못하게 종방향 철근이 잡아주는 역할을 하였으며, 온도변화에 대한 수평 변위 발생 억제 효과도 있었다. 하지만 층간 부착 문제가 발생할 경우, 철근의 구속 효과는 저감되었다. 수직 계측기의 데이터를 통해서 철근이 없는 JCO 공법에 비해 CRCO 공법은 종방향 철근 위치에서 층간 부착 문제가 발생하지 않았으며, 현장 코어링 작업을 통해 이를 확인하였다. 슬래브 내의 수평 거동을 분석한 결과, 초기에 철근의 구속으로 인해 CRCO 공법에서는 인장 변형률이, 구속이 미미한 JCO 공법은 압축력이 발생하였다. FWD 데이터 분석 결과, CRCO 공법의 처짐량이 JCO 보다 더 적게 발생하였으며, 지지력 평가에서는 전반적으로 덧씌우기 후가 더 크게 나타났으며, 특히 CRCO 공법이 JCO 공법에 비해 지지력에 대한 덧씌우기 두께 효과가 더 컸다.

국내의 줄눈 콘크리트 포장설계에 주로 사용되는 다웰바 설계 기준은 국외 기준과 검증되지 않은 경험에 의해 사용되고 있다. 또한 다웰바의 설치는 길어깨나 하부층의 조건 등을 고려하지 못한 상태에서 슬래브 폭에 대하여 일률적으로 적용되고 있다. 이에 다웰바를 합리적으로 설계하기 위해서는 다웰바 거동에 대한 고찰이 요구되며, 이를 3차원 유한요소해석을 이용하여 수행하였다. 다웰바의 거동에 대한 3차원 유한요소해석 결과의 타당성을 검토하기 위하여 Timoshenko이론의 다웰바 거동을 비교하였다. 또한 실제 도로에서 교통하중이 여러 개의 다웰바에 분산 전달하는 다웰바의 그룹작용(Dowel Group Action)을 3차원 유한요소해석을 통하여 다웰바 그룹작용 적용범위를 산정하였다. 본 연구에서 제시된 다웰바 그룹작용 범위는 Friberg의 그룹작용 범위와는 상이한 결과가 나타났으며, 비교적 최근 연구 결과인 Tabatabaie의 그룹작용 범위의 연구결과와 유사한 결과가 도출되었다.

본 연구에서는 노후 콘크리트 포장의 효율적 유지보수를 위하여 국내 최초 적용된 Thin Bonded Continuously Reinforced Concrete Overlay (CRCO) 공법의 초기 공용성이 평가되었다. 서해안 고속도로의 표층 파손 구간에 Jointed Plain Concrete Pavement (JPCP) 덧씌우기와 CR8O 공법을 이용한 보수가 진행되었다. JPCP 덧씌우기 공법이 적용된 구간에서는 인접 슬래브가 완전히 분리되도록 덧씌워진 층의 줄눈을 완전히 커팅하였으며, CRCO 공법이 적용된 구간에서는 0.5% 종방향 철근과 위치 고정용 횡방향 철근을 설치한 후 그 위에 덧씌우기를 수행하였다. 두 구간 모두에서 3종시멘트가 이용되었다. 현장 강도 시험 결과, 1~3일 내에 교통개방이 가능한강도가 발현된 것이 확인되었으며, vibrating wire gauge (VWG) 데이터 분석 결과 CRCO 공법이 기존 포장의 줄눈 거동을 억제하는 것으로 나타났다. 부착강도 시험결과, 재령에 상관없이 높은 부착강도가 확인되었다. 한편 JPCP 덧씌우기 공법이 적용된 구간에서는 중앙부에서, CRCO 공법이 적용된 구간에서는 CRCO 포장과 같은 무작위 횡방향 균열이 관찰되었으며, CRCO 공법의 균열폭 거동이 JCP 보다 50% 정도 낮은 것으로 나타났다.