1. 개요
 

이 프로젝트의 목적은 포장도로 관리에서 포장도로의 구조적 상태의 포함을 용이하게 하기 위해서 네트워크 단위의 포장도로 평가에 사용하기 위한 구조적 지수(structural index)를 개발하는 것임. 네트워크 단위의 포장도로 관리의 주요 목적은 제한되지만 가용한 자원에 대해 사용자들에게 최고의 서비스를 제공하는 것임. 포장도로의 상태는 기능적 및 구조적 상태의 관점에서 기술될 수 있음.네트워크 단위의 포장도로 평가에 대한 현재의 일반적인 사례는 기능적 포장도로 상태만을 고려하는 것임. 이 사례는 프로젝트 단위에서 더 자세히 고려될 때 종종 과소 또는 과다하게 설계되는 제안된 처리로 이어짐. 불일치는 네트워크 단위의 결정 절차의 부분으로 포장도로의 구조적 용량을 고려함으로써 줄여들 수 있음. 이 연구는 네트워크 단위의 포장도로를 위해 사용하는 유연한 포장도로의 구조적 지수를 개발하였음. 지수에 대한 민감도 분석을 수행하기 위해서 가용한 포장도로 상태 데이타가 사용되었고, 견본 사례가 시험되었음.

결과가 보여주는 바에 의하면, 네트워크 단위의 결정 절차를 위해 개발된 구조적 지수 ？ 수정된 구조적 지수(Modified Structural Index, MSI) ？ 는 현재의 네트워크 단위의 결정 절차에 비교될 때, 네트워크 단위의 예측과 프로젝트 단위의 결정 사이에 차이점을 최소화하였음. 수정된 구조적 지수의 파일럿 실행이 보여주는 바에 의하면, 네트워크 단위의 구조적 선별(structural screening), 열화 모델링, 그리고 구조적 성능 측정기준의 개발과 같은 다양한 포장도로 관리 결정 절차에 사용될 수 있음. 파일럿 시험은 또한 유지관리 처리의 성능에 대한 포장도로의 구조적 상태의 영향과 생애주기 비용(life-cycle costs)의 영향이 정량화될 수 있다는 것을 보여주었음.

2. 소개
 

국제적 조도 지수(International Roughness Index, IRI) 또는 포장도로 상태 평가(Pavement Condition Rating, PCR)와 같은 포장도로의 기능적 특성은 포장도로의 전반적인 현장 상태에 대하여 적절한 정보를 제공하는 것으로 일반적으로 가정되어 왔음. 따라서 구조적 지수들은 일반적으로 프로젝트 기반의 평가와 설계에 남겨져 왔음. 그러나, 최근의 연구는 포장도로의 구조적 상태가 포장도로 네트워크에 대한 더욱 철저한 평가를 위해 고려될 수 있음을 보여주었음. 불량한 기능적 상태가 불량한 구조의 결과일 수 있지만, 이는 또한 불량한 기능적 상태에 있는 포장도로가 반드시 불량한 구조적 상태의 지수가 아닐 수 있음.

미국 인디애나(Indiana) 주에 수행된 연구가 보여주는 바에 의하면, 95%의 신뢰수준으로 포장구조 진단기(Falling Weight Deflectometer, FWD)의 중심부 휨과 국제적 조도 지수, 포장도로 상태 평가, 또는 포장도로의 바퀴자국 깊이와 통계적 상관관계가 거의 없음. 게다가, 뉴저지(New Jersey)로부터의 연구에 의하면 기능적 상태에만 기반하여 내려진 네트워크 단위의 결정이, 휨 테스트가 결정 절차에 포함되었을 때 얻어진 결과와 상당히 다름. 이러한 결과는 많은 경우에서 기능적 지수들이 포장도로의 구조적 상태와 독립적이라는 것을 보여줌. 따라서, 구조적 용량을 네트워크 단위의 결정에 포함하는 것은 예산 배정과 프로젝트 니즈 사이의 간격을 줄일 수 있도록 하고 더 나은 비용대비 효과적인 포장도로 수선 옵션으로 이끔.

휨 테스트는 현재 포장도로의 구조적 용량에 대한 비파괴적 평가를 위해 가장 일반적으로 사용되고 있음. 포장도로의 휨 측정은 많은 포장도로 상태 평가 도구(구조적 용량지수 도구와 포장도로의 잔여 서비스 수명을 계산하는 도구를 포함)에 중요한 입력요소가 됨. 포장구조 진단기는 현재 포장도로의 휨을 측정하기 위해 사용되는 가장 일반적인 장치임. 포장구조 진단기는 150mm나 300mm 지름의 하중판(load plate)을 통해 하중을 부여하거나 전이함으로써 빠르게 움직이는 트럭으로부터의 하중을 시뮬레이션하기 위해 25-30 밀리세컨드(millisecond)의 펄스 하중을 생성함. 포장도로의 휨 반응은 하중으로부터 방사상으로 포장도로에 걸쳐 퍼져있는 일련의 수진기(geophones)을 통해 측정됨. 포장도로의 온도는 유연한 포장도로의 반응에 영향을 미치는 가장 중요한 환경적 요인임. 따라서 휨을 보정하기 위해 참고 온도(reference temperature)가 측정되고 사용됨. 습도 수준은 노반(subgrade)의 강도 및 그로 인해 포장구조 진단기에 대한 포장도로의 전반적인 휨 반응에 영향을 줄 수 있음. 그러나 노반의 습도 수준은 측정하기가 어렵기 때문에 측정된 휨에 대한 습도 보정은 일반적으로 수행되지 않음. 포장도로의 반응이 얻어진 후, 포장도로의 현장 기계적 특성을 결정하기 위해 분석됨. 이러한 분석을 수행하기 위해 일반적으로 필요한 입력요소는 포장구조 진단기에 의해 적용된 하중, 온도 보정된 포장도로 반응, 시드 모듈라이(seed moduli), 그리고 층의 두께임.

3. 연구 의도와 범위
 

이 프로젝트의 의도는 네트워크 단위의 포장도로 평가와 관리에 사용되는 구조적 상태 지수를 개발하는 것임. 이 노력의 다음의 세가지 임무로 나누어짐: (1) 네트워크 단위의 포장도로 관리를 위한 구조적 상태 지수 개발; (2) 네트워크 단위의 포장도로 평가에 구조적 상태 지수를 사용하는 방법론 개발; 그리고 (3) 구조적 상태 지수를 사용하기 위한 적절한 포장도로 관리 및 상황 파악 및 제안.

첫번째 임무는 포장도로의 구조적 정보를 네트워크 단위의 포장도로 관리에 실행하기 위한 방법론에 중점을 둔 기존 문헌을 검토함으로써 완료되었음. 구조적 정보를 네트워크 단위의 결정 절차에 포함하기 위해 사용되는 현재의 버지니아 교통부(Virginia Department of Transportation, VDOT)의 방법론도 철저히 평가되었음. 문헌에서 발견된 다른 방법들도 실제 프로젝트 단위의 완료된 작업을 버지니아 교통부의 포장도로 관리 시스템으로부터의 데이타를 사용한 네트워크 단위의 예측 작업과 비교함으로써 평가되엇음. 이러한 평가 결과, 텍사스 교통부(Texas Department of Transportation)의 구조적 용량지수(Structural Capacity Index, SCI)가 선정되었고, 버지니아 교통부의 포장도로 관리 시스템 안에서 더 수정되고 실행되었음.

두번째 임무에서 첫번째 단계는 중요한 입력 변수를 파악하기 위해 선택된 지수에 대한 민감도 분석을 수행하는 것임. 선택된 지수는 구조적 용량 측정기준을 네트워크 단위의 결정에 반영하기 위해 버지니아 교통부에 의해 현재 사용되는 방법에 기반한 절차의 일부분으로 파일럿 시험에서 실행되었음. 현재의 버지니아 교통부 방법론과 새롭게 개발된 방법론 사이의 주요 차이점은, 처리에 대한 선정이 이미 파악된 버지니아 교통부의 변수가 아니라 제안된 지수의 함수에 의해 이루어진다는 것임.

세번째 임무는 포장도로 관리 적용사례를 개선하기 위해 개발된 지수의 사용을 검증하는 것임. 연구된 적용사례로는: (1) 프로젝트 범위 설정; (2) 포장도로 부재에 대한 구조적 선별; (3) 오버레이 두께 추정; 그리고 (4) 포장도로 열화 모델링이 포함됨. 마지막으로, 강성 그리고 연성 포장도로를 보존하는 예측 비용을 분간하기 위해 제안된 지수의 잠재적 역량을 검증하기 위해 생애주기 비용 분석이 수행되었음.

4. 결론
 

프로젝트에 의하면, 구조적 상태 측정기준을 포함한 네트워크 단위의 포장도로 관리 결정이 기능적 상태와 표면 스트레스에만 근거한 것보다 프로젝트 단위의 평가 중에 내려진 결정에 더 잘 부합됨. 포장도로의 기능적 특성만으로는 포장도로의 전반적인 상태를 기술하기에 적절한 것으로 보이지 않음. 따라서, 포장도로의 구조적 상태 (예를 들어, 휨 테스트로부터의 결과에 근거하여) 가 네트워크 단위의 포장도로 관리 결정을 내릴 때 고려되어야 함.

네트워크 단위의 예측과 프로젝트 단위의 완료된 작업 간의 오차를 최소화하기 위한 기준에 근거하여, 텍사스 교통부에 의해 개발된 구조적 용량지수는, 연성 포장도로에 대한 네트워크 단위의 구조적 용량지수로써 버지니아 교통부에 의해 수정되고 사용되게 제일 적합함. 포장도로의 구조적 요구사항은 포장도로의 등급에 달려있기 때문에, 세개의 다른 수정된 구조적 지수 방정식이 여러 포장도로 등급에 대해 개발되었음: 주간 경로(interstate routes), 주요 경로(primary routes), 그리고 부차적 경로(secondary routes). 방정식은 여러 포장도로 등급에 대해 요구되는 여러 다른 서비스 제공가능 지수(serviceability index)의 신뢰성과 최종 가치를 반영함.

I-81 주간고속도로로부터의 제한된 상태 데이타를 사용한 일련의 파일럿 시험에서의 적용사례가 보여준 바에 의하면, 연성 포장도로에 대한 결과적인 지수(즉, 수정된 구조적 지수)는 다음의 기능을 가지고 여러 포장도로 관리 결정 절차를 개선할 수 있음:

· 구조적 선별 도구
· 네트워크 단위에서 프로젝트의 범위를 설정하고 오버레이 두께를 추정하는 도구
· 성능 지수
· 포장도로의 구조적 용량을 고려하는 개선된 열화 커브를 개발하는 도구
 

포장도로의 구조적 평가는 현장의 강도와 포장도로의 요구된 강도 모두를 고려해야 함. 이 원칙을 사용하여, 개발된 지수는 포장도로의 요구되는 강도(교통과 탄성계수 강도)와 기존의 포장도로 하중지지력 모두를 고려함. 그러나, 연성(flexible) 포장도로를 위해 개발된 수정된 구조적 지수는 강성(rigid) 또는 복합(composite) 포장도로에 대해서는 적합하지 않은 것으로 나타남.

5. 제언
 

버지니아 교통 혁신 및 연구센터(Virginia Center for Transportation Innovation and Research)와 버지니아 교통부의 유지관리부서(VDOT’s Maintenance Division)은 다음의 내용에 대한 추가적인 연구를 고려해야 함:

· 복합 및 강성 포장도로에 대한 구조적 상태 지수의 개발
· I-81 주간고속도로에서 수행된 파일럿 연구를 네트워크 단위의 포장구조 진단기의 데이타가 가용한 모든 도로 부재로 확대; 그리고 버지니아 교통부의 포장도로 관리 시스템(pavement management system, PMS)에서 잠재적인 실행을 위한 개선된 의사결정나무(decision tree)를 제안
· 데이타 수집, 임계치, 그리고 통계적 분석의 관점에서 구조적 용량 요구사항(구조적 상태 지수)을 실행하기 위한 안내서 개발
· 버지니아 교통부의 유지관리부서에 있는 포장도로 관리인원들에 의해 현재 사용되는 포장도로 열화곡선(deterioration curves)를 개선하는 것과 같은 적용사례에 구조적 지수의 개념을 확대
 

6. 혜택
 

이 연구는 포장도로의 현장 상태에 대한 구조적 상태 정보를 제공함으로써 네트워크 단위에 있는 버지니아 교통부를 위한 유지관리 계획 절차를 개선할 것으로 예상됨. 수정된 구조적 지수 절차를 네트워크 단위의 결정 절차에 실행하는 것은, 네트워크 단위에서 니즈 기반의 포장도로 예산 계획과 실제 프로젝트 니즈 사이의 차이를 최소화할 것으로 예상됨.이는 기능적 상태가 열화하기 전에 구조적으로 부적절한 포장도로 부재를 파악할 수 있는 계획 역량을 개선할 것임. 게다가, 수정된 구조적 지수는 더 나은 예측 능력을 가진 성능 예측 곡선을 개발하는데 사용될 수도 있을 것임.