1. 서론

- 2008년 7월에 공항 포장설계 요령(이하, 설계요령)이 개정되어 새로운 공항 포장의 설계방법은 종래의 사양 규정형의 설계법에서 성능 규정형의 설계법으로 전환됨

- 2011년 4월에 공항 포장 보수요령(이하, 보수요령)이 개정되어 공항 포장의 보수 시 설계방법에 관해서도 종래의 사양 규정형의 설계법에서 성능 규정형의 설계법으로 전환됨

- 보수요령은 설계요령과 동일하게 공항 포장에서 요구되는 성능을 정하고, 시설이 설계 공용기간에 성능을 만족하도록 조사(照査)하는 설계법임

- 요구되는 성능은 하중지지성, 주행 안전성능 그리고 표층의 내구성능임

- 보수설계에서 성능조사의 방법은 이론적 설계법과 경험적 설계법이 있음

- 경험적 설계법에 의한 보수설계에서는 기존 포장의 건전도에 의한 평가결과 이외에 설계 대상기종, 설계 반복작용 횟수 및 노상설계 캘리포니어 지지율(CBR, California bearing ratio)과 같이 적은 설계 파라미터로 오버레이층을 설계할 수 있음

- 지금까지의 경험축적에 의한 경험적 설계법에 기초하여 설계된 오버레이층에 관해서도 포장구조에 대한 안전성이 확보될 수 있다는 것을 충분히 알았기 때문에 요구되는 성능을 만족하고 있다고 간주할 수 있음

- 한편, 이론적 설계법에 의해 보수설계를 수행하는 경우, 기존 포장의 건전도에 의한 평가결과 이외에 포장을 구성하는 재료의 물성치에 관한 재료조건, 교통량･하중작용빈도･재하시간 등에 관한 교통조건 및 온도에 관한 환경조건 등 각 조건에 대한 설계 파라미터를 각각 설정할 필요가 있음

- 설계 파라미터는 다양하지만, 현 시점에서는 설계사례가 적고, 파라미터의 차이에 의한 결과의 변동경향이 밝혀지지 않았다.

- 따라서 설계에 따른 파라미터의 설정치에 요구되는 정도를 판단하는 것은 어려움이 있음

- 본 검토에서는 보수설계로서 포장의 손상상태에 대해 이론적인 설계법으로 오버레이 두께의 계산을 수행하여 다음과 같은 두 가지점에 관하여 검토함

* 활주로 단부(端部) 중앙지대를 대상으로 경험적인 설계법과 이론적인 설계법의 오버레이 두께 비교를 실시하여 보수설계법의 차이가 오버레이 두께에 미치는 영향을 고찰. 이것은 이론적인 설계법으로 조사를 수행하는 경우에 경험적인 설계법과의 경향 차이를 파악할 수 있는 참고자료

* 설계 파라미터가 오버레이 두께에 미치는 영향을 검토. 이론적인 설계법은 다양한 설계조건을 설정할 필요가 있지만, 설계 파라미터를 설정하는 경우, 각각의 항목이 오버레이 두께에 미치는 영향의 정도를 고찰할 수 있음

- 본 검토에서는 경험적 설계법에서 설계된 공항 아스팔트 포장을 보수의 대상으로 함

- 이론적인 설계법을 이용하여 검토를 추진하는 데 있어서 하중지지성능에 관하여 고찰

2. 포장설계법의 차이에 의한 오버레이 두께 비교

2.1 각 보수 설계법에 의한 오버레이 두께 산정방법

(1) 경험적 설계법의 오버레이 두께 산정방법

- 해체조사의 평가에 기초하여 오버레이 두께를 산정

- 표층/기층 및 아스팔트 안정처리 상층노반에 이용되고 있는 아스팔트 혼합물에 대해 해체 조사결과와 보수요령에 기록된 것을 이용하여 평가

- 아스팔트 안정처리 상층 노반으로 사용 가능한가를 건전도로 평가

- 건전도를 평가한 각 층에 대해 마샬 안정도 시험(Marshall stability test) 결과 등을 등가치(等価値)에 의해 평가

(2) 이론적 설계법의 오버레이 두께 산정방법

- 기존의 아스팔트 혼합물의 해체 조사에 의해 얻어진 마샬 안정도 시험결과를 이용하여 보수요령에 의해 평가

- 각 층에 대해 아스팔트 혼합물층으로 간주해도 되는가에 대해 건전도를 평가한 후, 평가결과를 기초로 오버레이 두께를 산정

- 오버레이 두께는 아스팔트 혼합물층 밑면에 발생하는 인장 변형률을 이용하여 보수 후 설계 고용기간에 발생하는 누적 피로도를 계산하고, 그 값이 설계 한계치 이하인 것을 확인함으로써 설계를 수행

- 누적 피로도의 설계 한계치는 포장이 파괴되는 누적 피로도 1.0을 기준으로 보수 시점에서의 누적 피로도를 빼서 설정

- 누적 피로도는 피로 파괴곡선을 나타내는 식에 의해 구한 아스팔트 혼합물층이 파괴되기까지의 허용 반복 횟수와 항공기별 패스/커버리지율, 타이어의 주행 확률밀도 및 교통량을 이용하여 산정한 피로도를 누적하여 산정

- 본 검토에서 얻어진 성과는 다음과 같다.

    <경험적 설계법에 관하여>

    ① 포장 손상 상태가 동일한 경우, 오버레이 두께는 설계 반복 작용횟수의 크기에 관계없이 동일한 두께가 되는 경향

    <이론적 설계법에 관하여>

    ② 포장 손상 상태 및 누적 피로도의 설계 한계치가 동일한 경우, 설계 반복작용 횟수가 클수록 오버레이 두께는 두꺼워지는 경향이 있음

    ③ 포장 손상 상태 및 누적 피로도의 설계 한계치가 동일한 경우, 설계 반복 작용 횟수 20,000~80,000회 범위의 오버레이 두께는 동일한 정도의 두께가 되는 경향이 있음

④ 설계 공용 기간 20년의 오버레이 두께는 설계 공용 기간 10년의 오버레이 두께보다도 최대 4cm 정도 두꺼워지는 경향이 있음

    <경험적 설계법과 이론적 설계법의 비교 결과에 관하여>

⑤ 포장상태 및 설계 반복작용 횟수에 의해 경험적 설계법과 이론적 설계법의 오버레이 두께 경향은 달라짐

(표) 오버레이 두께의 경향(설계 공용기간 20년)

3. 이론적 설계법의 파라미터 감도 분석

3.1 기온의 영향

- 이론적 설계법에서는 설계에 이용하는 아스팔트 혼합물의 변형계수가 포장온도의 영향을 받기 때문에 한랭 또는 온화한 지역에서는 오버레이 두께에 차이가 발생

- 아스팔트 혼합물층의 온도설정 방법에는 연간, 계절별 또는 월별 평균온도를 이용하는 방법 또는 연간을 통해 온도 출현 빈도를 이용하는 방법이 있음

- 그러나, 본 검토에서는 보수요령의 설계 사례에 기록된 월별 평균온도에 의한 방법에 기초함

3.2 노상 지지력의 영향

- 보수설계에서 아스팔트 포장의 피로도를 구하는 경우, 아스팔트 혼합물층 밑면의 변형률을 이용

- 변형률은 다층 탄성해석에 의해 구하기 때문에 노상의 지지력은 아스팔트 혼합물층의 변형률에도 영향을 미침

- 따라서, 노상의 설계 CBR(California bearing ratio)를 변화시킨 경우의 영향을 고찰

- 본 검토에서 얻어진 성과는 다음과 같다

    <기온에 의한 영향>

① 아스팔트 혼합물층 최하단면의 누적 피로에 관해서는 기온의 차이에 의한 영향이 적음. 때문에 아스팔트 혼합물층 최하단면의 누적 피로도에 착안해 오버레이 두께를 설정한 경우, 기온차이에 의한 오버레이 두께의 차는 적음

    <노상 지지력의 영향>

② 노상 설계 CBR이 낮은(CBR 6%) 기존 포장에서 오버레이 두께와 노상의 설계 CBR이 높은 (CBR 14%) 포장에서 오버레이 두께의 차는 최대 6cm 정도이지만, 이 오버레이 두께의 차이는 기존 포장의 아스팔트 혼합물층 두께가 노상 설계 CBR에 의한 차이에 기인함

4. 마무리

- 이론설계법은 지금까지의 경험적 설계법으로 고려하기 어려운 조건에 대해서도 역학적, 이론적인 검토를 수행함으로써 대응 가능한 보수설계법임

- 이론적 설계법의 보수설계 사례가 적고, 이론적 설계법의 오버레이 두께와 경험적 설계법에 의한 오버레이 두께와의 경향 차이가 불분명함

- 이론적 설계법은 오버레이 두께를 경험 등으로부터 적은 설계 파라미터를 설정한 경험적 설계법과 달리 다양한 설계 파라미터를 설정

- 본 검토에서는 각 보수설계법에서 오버레이 두께의 경향 및 보수설계법의 차이가 오버레이 두께에 미치는 영향에 관해서 비교, 정리함. 또한, 주요 파라미터에 관한 영향 정도를 검토하고 정리함.