이 연구의 목적은 새로운 설계 절차를 개발하는데 있어 유용한 제안을 위해 기존의 초박막 화이트탑핑(ultra-thin whitetopping, UTW) - 기존의 아스팔트 포장 위에 시멘트 콘크리트로 덧씌움 - 과 박막 화이트탑핑(thin whitetopping, TWT)의 설계 절차를 검토하고, 현장 데이타를 사용하여 그 효율성을 평가하는 것임. 이를 위해, 다음의 4가지 설계방법이 검토 및 평가되었음:

-    콜로라도 교통부(Colorado Department of Transportation, CDOT)의 방법
-    뉴저지 교통부(New Jersey Department of Transportation, NJDOT)의 방법
-    포틀랜드 시멘트 협회(Portland Cement Association, PCA)의 방법
-    일리노이 교통센터(Illinois Centre for Transportation, ICT)의 방법

이러한 방법이 개발되는 기저에는 <그림 1>과 같은 일반적은 프레임워크가 있음. 대부분의 경우에, 다음과 같은 3가지 모듈이 결합되어 있음:

-    입력요소의 파악
-    구조 반응 모델
-    성능 모델

 입력요소를 파악하는 것은 UTW/TWT 설계방법의 성공적인 실행을 위해 필수적임. 기존의 포장 상태 - 예를 들어, 기존의 고온배합 아스팔트(hot mix asphalt, HMA) 층에 대한 탄성계수, HMA 층의 깊이, 노반의 반응 k 값 계수 등 - 가 우선 파악되어야 함. 덧씌움의 설계수명 동안에 교통 하중과 열 하중을 예측하는 것도 중요한데, 왜냐하면 이 두 가지는 도로포장에 응력과 변위를 야기시키는 주요 외부 인자이기 때문임. 설계 과정 중에 포틀랜드 시멘트 콘크리트(Portland cement concrete, PCC)의 성질 – 예를 들어, 탄성계수, 휨 강도, 열 팽창계수, 섬유의 사용 등 - 도 구조적 반응과 성능 모델에 앞서 밝혀져야 함. PCC 판의 기하구조는 일반적으로 설계 과정에서 결정됨. 일반적으로 판 간격은 경험에 근거하고, 판 두께는 설계 과정을 통해 결정됨.

판 두께를 설계하기 위해 종종 반복적인 과정을 거침. 이 과정에서, 최초의 두께가 시도되어 설계 응력과 변위를 만들어내기 위해 구조적 모델에 삽입됨. 그런 다음, 설계 응력과 변위 수준에서 성능 모델을 사용하여 PCC와 HMA 층 모두에서 하중 반복의 허용 횟수가 계산됨. 최종 설계 두께는 예측된 허용가능한 하중 반복 횟수가 설계 교통량과 같을 때까지 시도된 두께를 조정함으로써 얻어질 것임.

구조적 반응모델은 응력/변위 예측 방정식으로 사용자에게 제시됨. 이 방정식은 첫번째 모듈에서 정의된 입력요소가 삽입될 필요가 있고, 이는 설계 응력 또는 변위를 도출할 것임. CDOT, NJDOT 및 PCA 구조적 모델에서는, 응력 예측 방정식이 <그림 2>와 같은 방식으로 개발됨. 파악된 입력요소의 범위에 근거하여 데이타베이스가 먼저 덧붙여짐. 그런 다음, 데이타베이스에 있는 사례들에 대한 임계 응력/변위를 도출하기 위해 유한요소(finite element, FE) 방법이 사용됨. 마지막으로, 사용된 입력요소와 계산된 응력 및 변위와의 통계적 상관관계가 구축됨. UTW/TWT의 반응을 예측하는데 각 구조적 모델의 정확성은 포장 구조에 대한 가정, 교통 및 환경 하중의 고려, PCC와 HMA 층 간의 부착에 대한 고려에 크게 달려있음. 화이트타핑 설계에서 적용할 모델의 적합성은 임계 응력/변위의 위치에 대한 가정 – 임계 응력/변위가 판의 위에서 발생하는지, 아래에서 발생하는지, 판 중간부에서 발생하는지, 모서리에서 발생하는지 등 - 에 달려있음.

 설계 절차의 마지막 모듈에는 PCC와 HMA에 대한 성능 모델이 포함됨. 여기에서는, 특정 횟수의 하중 반복에 의해 야기되는 피로 손상을 결정하기 위해 예측된 설계 응력과 변위가 사용됨. 검토된 4가지 방법에 있어서, UTW/TWT 피로 성능에 대해 PCC나 HMA 피로 모델이 특별하게 개발되지는 않았음. 대신에, 신규 PCC나 HMA 포장에 대한 기존의 모델이 사용되었는데, 이는 오차를 발생시킬 수도 있음.

설계에서 고려된 또다른 중요한 요소는 신뢰성이었음. 따라서, 각 설계방법에서 신뢰성을 사용하는 것이 논의되었음.

각 방법에 대한 모듈의 검토와 이들의 장단점에 대한 논의 이후에, 이러한 모델의 성능을 좀더 비교하기 위해 현장 데이타를 사용하여 평가가 수행될 것임. 마지막으로, 새로운 설계 절차의 개발을 위해 가장 적합한 모델이 제안될 것임.

 이 임무에서는, 화이트타핑 포장, 콘크리트 포장 및 아스팔트 포장에 대한 구조 및 성능 모델이 검토되었음. 특히, 접촉면의 부착에 대한 모델링 노력이 강조되었음.

현재 가용한 대부분의 화이트타핑 구조 모델에서 사용된 매커니즘-경험적 접근방법은 분석 및 수치적 모델 모두의 이점을 결합하는 것이 유리하다는 것을 보여줌. 이와 같은 접근방법은 보통 3가지 단계로 이루어짐:

-    유한요소 방법에 의한 응력과 변위의 계산
-    FEM으로 계산된 응력 및 변위와 일반적인 포장 변수와의 상관관계 구축
-    현장 관측에 근거하여 구축된 상관관계를 검정

개발 과정에서 이와 같은 접근방법을 취한 3가지 모델이 파악되었음: CDOT 모델, NJDOT 모델, 그리고 PCA 모델(ICT 방법은 PCA 모델을 사용함). CDOT와 NJDOT 모델의 개발에서는 2-D FEM 분석이 사용되었고, PCA 모델의 개발에서는 2.5-D FEM 분석이 사용되었음. 분석적 응력/변위 방정식을 개발하기 위한 2.5-D FEM 분석은 화이트타핑의 특성을 반영하는데 더 나음. 각 모델의 성능은 현장 관측을 통해 평가되었음. 어떤 방법도 MnROAD 실험도로의 피로 발생에 대한 정확한 예측을 하지 못했음. PCA 및 CDOT 방법이 PCC 피로에 대해 가장 합리적인 예측을 하는 것으로 보임. 이는 아마도 부분적인 부착을 고려하기 때문인 것으로 생각됨. 따라서, 새로운 설계 지침이 개발하는데 있어 가장 선호되는 모델은 PCA 구조 모델인 것으로 생각됨.

콘크리트 성능 모델에 있어서, PCA와 ACPA(American Concrete Pavement Association, 미국 콘크리트 포장 협회) 모델은 현재의 화이트타핑 설계방법으로 가장 널리 사용됨. PCA 모델은 입력요소로 응력 비율만을 사용하고, 피로 모델 중에서 평균 피로 예측을 만들어냄. 수정된 ACPA 모델은 응력 비율뿐만 아니라 설계 확률과 파괴 기준도 고려함. 게다가 이 모델은 PCA 모델과 비슷한 예측을 수행함. 따라서, PCC 피로 성능을 모델링하는데 있어 두 모델 모두 우수한 후보가 될 것임.

아스팔트 연구소(Asphalt Institute)의 피로 모델은 현재 화이트탑핑 설계에서 사용되는 유일한 모델임. 하지만, 아스팔트 연구소 모델을 화이트탑핑 설계에 반영하기 위해서는 연구 노력이 더 필요함.

문헌 검토 및 현재의 설계 방법에 대한 평가에 근거할 때, 새로운 UTW 설계 지침을 개발하는데 가장 우수한 후보는 다음의 모델인 것으로 여겨짐:

-    PCA 구조 모델
-    PCA/ACPA PCC 피로 모델
-    아스팔트 연구소의 피로 모델

어떤 모델도 현재 접촉면의 부착에 대한 것은 없음. 검토 결과, 접촉면 탈착을 파악하기 위해서는 더 많은 연구소 및 현장 연구가 필요함.

평가 과정에서, 아스팔트의 탄성계수는 응력 예측에서 아주 중요한 인자임이 밝혀졌음. 따라서 1달 기준의 아스팔트 탄성계수가 사용되어야 함. 이를 위해서 기온과 기온의 변화의 관점에서 기후에 대한 국가 전체의 파악이 수행되어야 함. 게다가, 반사 균열/파괴(reflective cracking/distress)가 잘 발생할 것 같은 지역이 에측되고 미리 보수가 이루어질 수 있도록 현재의 아스팔트 층의 상태가 파악되어야 함.