온도와 수분의 불균일한 분포로 인하여 콘크리트 슬래브는 컬링과 와핑 거동을 하고 슬래브에는 항상 응력이 도입되어 있다. 따라서 교통하중 외에도 환경하중을 고려해야만 콘크리트 슬래브에 발생하는 응력을 보다 정확하게 예측할 수 있다. 콘크리트 포장에 반복적으로 재하되는 교통하중과 환경하중에 의해 콘크리트 슬래브의 강도는 지속적으로 감소하고 응력 이하로 낮아지게 되면 피로균열이 발생한다. 본 연구에서는 기존에 수행된 연구들로부터 피로실험 결과를 수집하고 피로 회귀모형을 개발하였다. 개발된 모형을 검증하기 위하여 모형개발에 사용되지 않은 실내 휨피로실험 결과를 예측하고 기존 모형으로 예측된 결과와 비교하였다. 콘크리트 포장 누적 피로손상 해석 프로그램을 개발한 후 본 연구에서 제안된 모형과 기존 모형들을 적용하고 예측 결과를 비교 및 평가하였다. 피로모형 별로 슬래브 두께, 줄눈간격, 복합 지지력계수, 그리고 하중전달률에 따른 누적 피로손상의 민감도 분석을 실시하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 모형이 최소-최대응력비 R을 고려하는 기존 모형들의 경향을 개선하여 환경하중을 더욱 합리적으로 반영할 수 있는 것으로 나타났다.

본 논문에서는 포장가속시험기를 이용하여 아스팔트 안정처리층의 피로모형을 개발하여 기존의 실내실험결과와의 상관관계를 분석하였다. 아스팔트 안정처리층의 피로모형은 Miner(1945)의 누적파손(Cumulative Damage)가설을 적용하였다. 포장가속시험에 사용된 아스팔트 안정처리층은 골재최대입경 25mm(BB-3)의 재료를 사용하였다. 포장가속시험결과 피로모형의 변수인 포장하부의 최대인장응력은 하중재하회수가 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있었으며 포장층의 탄성계수는 점차 작아지는 것을 알 수 있었다. 아스팔트 피로모형의 기본식에서 변형률계를 통하여 얻은 인장변형률을 통하여 k1=1.29×10-6, k2=3.02의 값을 도출하였으며, 같은 인장변형률에서의 피로수명은 실내실험을 통한 모형보다 크게 나타났다. 또한, 비파괴실험인 FWD를 이용하여 포장의 잔존수명을 추정하는 논리를 개발하였다.

공용중인 공항 콘크리트 포장의 잔존수명을 추정하는 방법은 크게 과거의 누적 교통량을 고려하는 방법, 이론적 해석을 통한 역학적 방법 등 두 가지로 구분할 수 있다. 단순히 과거의 누적교통량을 이용하는 방법은 노후포장의 잔존수명을 추정하기에는 현실과 많은 차이가 있기 때문에 최근들어 많은 연구자들은 역학적 해석에 의한 방법을 많이 채택하고 있다. 역학적 방법에서 피로식은 잔존수명산출의 핵심을 이루는 것으로서 그 역할은 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구는 국내 공항 콘크리트 포장의 피로식을 개발하기 위한 연구이다. 이를 위하여 재령이 10년된 공항을 선정하여 30개의 코어시료를 채취하여 피로시험을 실시하였다. 피로실험은 쪼갬인장 모드를 이용하여 수행하였으며 응력비 산정을 위한 기준 강도도 코어시료의 쪼갬인장 강도를 통해 얻었다. 본 연구에서 얻은 피로식의 상관계수값은 0.5였으며, 이 모델을 검증하기 위해 다른 공항에서 채취한 시료를 이용하여 실험을 수행하였으며 실험결과는 본 연구에서 제시된 피로식에 크게 벗어나지 않는 것을 확인하였다. 본 피로식을 기존의 외국 연구와 비교한 결과 응력비가 80%이상인 구간에서는 피로수명이 약간 큰 것으로 나타났다.

본 연구에서는 강도로교의 피로파손의 위험을 예측할 수 있는 실용적 모형을 개발하였다. 제안된 피로해석 모형은 피로신뢰성 이론과 교량의 피로수명에 영향을 미치는 여러가지 요인들을 고려하여 유도되었다. 피로신뢰성 함수는 Weibull분포로 가정하였고, Weibull의 수치계산형태는 강재의 피로수명과 변진폭재하로 인한 응력범위 등의 통계적 불확실량을 모두 포함하는 Ang-Munse의 식을 사용하였다. 피로해석모형에는 교량이용 기간중에 발생할 수 있는 일평균교통량(ADTT)의 변화, 재하이력의 변화, 진추조사의 효과 등을 고려하였다. 응력범위 주상도는 개설 교량에 대한 현장실측결과로부터 구한 랜던 응력파로부터 작도하고, 그 결과 구해지는 응력범위분포는 Beta분포로 모형화 하였다. 본 연구에서 제안한 피로해석 방법을 실제 개설 교량에 대해 적용한 결과, 제안된 피로해석모형과 수치계산을 위하여 개발된 전산프로그램은 기설 노후 강교의 피로 내하력 판정이나 잔존수명의 예측 등을 위한 실용적인 방법으로 사용될 수 있다고 생각된다.

기존의 공항콘크리트 포장설계 방법은 현장 실험을 바탕으로 한 경험적 설계 방법에서, 교통하중 및 환경하중을 고려하여 포장의 잔존 수명까지 예측하는 역학적-경험적 설계 방법으로 변화하고 있다. 미국 FAA의 AC 150/5320-6D(FFA, 1995)에서는 노모그래프를 기반으로 슬래브의 두께를 결정하였으나, 최근에는 3D 유한요소해석을 통해 산출된 응력으로 슬래브 두께를 결정하는 AC 150/5320-6E(FAA, 2009)를 적용하고 있다. 하지만 이 설계방법은 환경하중을 고려하지 않는 단점을 가지고 있다. <br> 박주영 외(2013)는 국내 지역의 기후 특성을 고려하여 국내의 지역별 환경하중을 정량화하는 선행연구를 수행하였다. 또한, 김연태(2013)는 정량화된 환경하중에 교통하중을 적용시켜, 교통하중과 환경하중이 동시에 고려된 공항콘크리트포장의 최대인장응력회귀식을 개발하였다. 김연태(2013)의 선행연구를 통해 개발된 최대인장응력회귀식으로 산출된 최대인장응력은 환경하중이 고려되므로 기존의 설계프로그램(FAAFIELD)의 결과와 상당한 차이를 나타낸다. 공항콘크리트포장의 피로모형이 갖는 변수로는 응력강도비와 허용반복회수가 있으며, 응력강도비의 변화에 따라 그 피로수명의 결과가 매우 상이하므로, 개발된 최대인장응력회귀식과 기존에 사용해온 피로모형으로는 합리적인 콘크리트포장의 피로수명을 얻을 수 없다.본 논문에서는 환경하중과 교통하중이 고려된 합리적인 공항콘크리트포장 피로모형을 선정하였다. 우선 국·내외에서 개발된 공항콘크리트설계 피로모형에는 미공병단, 미국 연방항공청, PCA, NCHRP 등이 있으나, 각각의 피로모형은 파괴 기준, 응력계산방법 등에 따라 서로 다른 결과를 나타낸다. 각 피로모형의 이론 및 배경, 기존 피로모형과의 비교, 민감도 분석 등을 통해 합리적인 피로모형 몇 가지를 우선적으로 선정하였다. 이를 위해, 선행연구에서 개발된 최대인장응력회귀식을 사용하여 환경하중과 교통하중을 고려한 최대인장응력을 산출하였으며, 산출된 최대인장응력을 앞서 선정된 피로모형에 대입한 뒤 허용반복회수를 산출하였다. 최종적으로 각 공항의 설계교통량을 반영하여 포장의 피로수명을 예측하였으며, 예측된 피로수명과 국내의 PCI자료를 통해 측정된 공항콘크리트포장의 수명과 비교·검토하여 가장 합리적인 피로모형을 선정하였다.