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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.5 pp.28-33
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.5.028

Optimized Design for Precast L-Type Roadway Gutter Using Modified Sulfur Cement Concrete and Wedge Anchors

Jaeyeop Paeng1, Jeongho Oh2, Kwanggyun Moon3, Jongchan Lee4
1Graduate Student, Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National University of Transportation
2Associate Professor, Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National University of Transportation
3Director, DaeSung P&C Co., Ltd
4Director, Eco Powertec Co., Ltd.

본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Oh, Jeongho Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National of Transportation, Uiwang 637-715, Korea. Tel: +82-31-460-0566, Fax: +82-31-462-8205 E-mail: j-oh@ut.ac.kr
August 10, 2020 September 2, 2020 September 6, 2020

Abstract


Recently, maintenance activities have become more frequent due to deterioration and cracks in the L-type roadway gutters that provide drainage channels, structural support to the pavement edge, etc. In this paper, the optimal design of the L-type roadway gutter was derived using and wedge anchors. It was observed that the installation of two wedge anchors with a penetration depth of 350mm was sufficient to secure structural stability. The optimal mixture of modified sulfur was found to be 3% based on compressive strength tests. Additionally, the resistances to freeze-thaw cycling, chloride penetration, and scaling and crack development were found to meet the performance criteria. Numerical analyzes of repeated loading and field evaluations are being conducted, and the findings will be presented in the near future to validate the applicability of the proposed system.



개질유황 콘크리트와 쐐기앵커를 이용한 프리캐스트 L형 도로 측구 최적설계 연구

팽 재엽1, 오 정호2, 문 광균3, 이 종찬4
1한국교통대학교 철도인프라시스템공학과 석사과정
2한국교통대학교 철도인프라시스템공학과 부교수
3(주)대성 피엔씨 이사
4(주)에코파워텍 연구소장

초록


최근, L형 도로측구 상 열화, 균열로 인한 유지보수 작업이 빈번해지고 있다. 본 논문에서는 쐐기 앵커를 이용한 L형 도로측구의 최적 설계에 대해 제시하고자 하였다. 해석 결과, 두 개의 쐐기앵커를 350mm로 관입시킨 경우에서 구조적 안정성을 충분히 확보하는 것을 확인하였다. 또한 3%의 개질유황 콘크리트 배합이 압축강도, 동결융해 등의 내구성 기준을 만족하였다. 반복하중에 대한 수치해석과 현장 평가가 수행 중에 있으며, 추후 해당 시스템의 적용성을 평가하기 위한 추적 조사가 이루어 져야 할 것이다.



    Ministry of SMEs and Startups

    1. 서 론

    일반적으로 도시부 도로에서는 도로의 표면배수와 교통의 안전성 및 쾌적성을 향상시키기 위해 배수로 와 경계석으로 이루어진 L형 도로 측구를 설치한다. L형 도로 측구는 배수로와 경계석을 모두 현장 타설 하는 콘크리트 일체형과 배수로 콘크리트는 현장 타 설하고 상부에 경계석을 설치하거나 화강석의 경계 석을 설치하는 콘크리트 분리형으로 나뉜다. 하지만 최근, 기존 도로 측구에서 동결융해와 화학적 침식 에 의한 열화, 균열, 온도변화에 의한 좌굴, 경계석 의 파손 현상이 발생하고 있다(Fig. 1 참조). 이는 측 구의 내구성을 저하시켜 도로의 수명을 감소시키고 도로교통의 안전성과 쾌적성의 저하를 초래하게 된다.

    이에 Kim et al. (2020a)은 도로 측구에서의 반사 균열 억제를 위해 합성 분리막 적용성 연구를 수행 하였으며, 도로 측구 보수 시 합성 분리막을 적용할 경우 기존 보조기층에서의 반사균열이 포장층으로 전이되는 것에 대한 억제효과를 실내 및 현장실험을 통해 확인하였다. 하지만, 도로 측구 자체의 내구성 을 확보하는 것이 근본적인 해결책이며 도로의 보수 및 유지관리를 최소화할 수 있는 L형 도로 측구 제 품의 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 관련 하여, 120℃ 이상의 온도에서 용융되는 유황을 콘크 리트에 적용시키기 위해 용융점을 60∼80℃가 되도 록 개질시킨 개질유황(Modified Sulfur)을 가변형 팬 믹서를 활용하여 교면포장 시공 후 내구성을 평가하 고자 하였고(Kim et al., 2020b), 이 외에도 개질유황 콘크리트 최적 배합비 및 내구성 평가 등을 수행한 기존 연구들이 수행되었으며, 동결융해, 제설제의 살 포로 인한 열화발생이 취약점인 기존 콘크리트 포장 공용수명을 연장시킬 수 있다고 보고하였다(Vlahovic et al., 2011;Ko, 2013;Shin et al., 2014). 또한 Seo et al. (2008)은 도로 측구의 파손 원인으로 잦은 주행 차량 이탈로 인한 반복교통하중, 제설제의 살포 등 으로 인해 콘크리트 표면 열화, 균열, 함몰 등과 같 은 구조적인 파손이 발생하게 됨을 인지하고, 이에 대한 수치해석을 수행하여 측구 폭을 늘리고, 보강 철근을 넣어 시공하는 측구 최적단면을 도출하였다.

    기존 분리형 도로 측구는 배수로 콘크리트를 현 장 타설하고 별도로 제작된 경계석을 배수로 상의 홈에 매설시킴으로써 외부 하중에 대한 저항력을 확 보하는 시스템이다.

    하지만, 상기 시공 방법 시 도로 선형에 따른 시 공 및 품질관리에 어려움이 있는 실정이다. 또한 기 존 프리캐스트 콘크리트 부재의 공장 제조에서 주로 적용되는 습식제조 기술의 경우, 건조수축과 온도변 화로 인해 품질과 규격에 대한 일관성이 저하되며 슬러지 발생과 양생기간 증가로 친환경성이 결여되 는 문제가 발생하고 있다. 이의 대안으로 본 연구에 서는 개질유황 콘크리트 프리캐스트 배수로 및 경계 석을 건식제조 기술을 적용하여 제작하고, 배수로와 경계석의 결합성 확보를 위해 쐐기앵커를 설치함으 로써 구조적 안정성을 확보하고자 한다. 이에 본 연 구에서는 수치해석을 통해 쐐기앵커의 최적 시공위 치, 관입깊이 변화에 따른 최대변위, 응력 및 변위, 응력 분포 비교를 통해 해당 개질유황 콘크리트를 이용한 L형 도로 측구 모델의 최적 설계를 도출하고 자 하였으며, 이에 더해 실내 시험을 활용한 내구성 평가를 통해 재료적 안정성을 검증하고자 하였다.

    2. 최적단면 설계

    본 절에서는 수치해석을 통해 배수로와 경계석 결속 력을 증대시키기 위해 경계석 후면 쐐기앵커 적용 시 해당 L형 도로 측구 단면의 최적설계를 도출하고 자 한다. 수치해석에는 MIDAS GTS NX 프로그램을 이용하였고, 경계석 후면 쐐기앵커의 지지력을 평가 하기 위해 아래와 같이 경계석의 중앙부에 수직방향 으로 우리나라 도로법 상 차량 축하중 제한기준인 10Ton이 작용하는 것으로 모사하였으며, 모델링 시 사용된 단면 및 수치해석 시 입력한 물성값이 아래 Fig. 2와 Table 1과 같다(Bae et al., 2014).

    2.1 쐐기앵커 개수에 따른 구조적 안정성 평가

    쐐기앵커의 개수에 따른 보강효과를 확인하기 위해 발생 최대변위, 응력 및 변위, 응력 분포를 쐐기앵커 가 없는 경우, 1개를 설치한 경우 (경계석의 중앙부), 2개를 설치한 경우 (경계석 양단으로부터 250mm 지점) 를 비교하였다(Table 2, 3 참조).

    수치해석 결과, 쐐기앵커 개수가 증가함에 따라 최대변위가 작게 나타났으며, 쐐기앵커가 변위 발생 에 대해 억제효과가 있음을 파악하였기에 쐐기앵커 개수에 따른 최적모델을 선정하기 위해 쐐기앵커가 1개인 경우와 2개인 경우의 발생 최대응력과 응력분 포를 비교하였으며 그 결과가 아래 Table 3과 같다.

    수치해석 결과, 쐐기앵커가 1개인 경우보다 2개 인 경우에서 발생 최대응력이 감소(약 73%)한 것으 로 보아 쐐기앵커 개수에 따른 발생 응력의 억제효 과를 확인하였다. 이를 통해 경계석 단위길이 1m당 2개의 쐐기앵커를 설치하는 것이 도로 측구의 구조 적 안정성을 확보하는 데 효과적이라 판단된다.

    2.2 쐐기앵커 관입깊이에 따른 구조적 안정성 평가

    상기 수치해석을 통해 경계석 단위 길이 1m 당 쐐 기앵커를 2개 설치하는 것이 효과적인 것을 확인하 였기에 본 절에서는 쐐기앵커 시공 시 관입깊이에 따른 보강효과를 확인하기 위해 발생 변위, 응력을 관입깊이가 각각 250mm, 300mm인 경우와 관입깊이 를 350mm로 가정한 2.1의 결과와 비교하였다(Table 4, 5 참조).

    수치해석 결과, 쐐기앵커의 관입깊이가 깊어짐에 따라 최대 변위가 감소됨(약 30%)을 확인하였으며, 이는 관입깊이가 깊어질수록 쐐기앵커와 배수로 간 의 결속이 강화되었기에 변위 억제효과가 증가한 것 이라 판단된다.

    수치해석 결과, 쐐기앵커를 250, 300mm 관입시킨 경우에 비해 350mm에서 발생 최대 응력이 감소되는 것을 확인하였기에 이를 통해 도로 측구의 구조적 안정성을 확보하기 위해서는 최소 350mm의 관입깊 이가 요구됨을 파악하였다.

    3. 내구성 평가 분석

    3.1 내구성 평가 개요

    앞서 수치해석을 통해 경계석 후면 쐐기앵커 적용 시 개질유황 콘크리트를 이용한 프리캐스트 L형 도 로 측구 최적설계를 도출하였으며, 이를 검증하고자 실내 시험을 통해 개질유황 콘크리트에 대한 내구성 평가를 수행하였다. 내구성 평가 시험은 개질유황 첨가율이 시멘트량의 3%일 때 강도 발현 측면에서 유리함을 확인하였기에(Fig. 3 참조), 본 내구성 시험 체 제작에도 동일하게 적용하였다. 내구성 시험체 제작 시 사용된 개질유황 콘크리트 배합표가 아래 Table 6과 같다.

    내구성 평가 항목은 압축강도, 염분침투 저항성, 동결융해 저항성, 스케일링 저항성, 균열 저항성으로 선정하였으며, 각 항목에 대한 평가기준이 아래 Table 7과 같다.

    3.2 압축강도

    상기 위 Table 6을 활용하여 제작한 공시체를 28일 기중양생 후 100⨯100⨯100mm의 큐빅으로 절단하여 압축강도 시험을 동일한 과정으로 3회 실시하였다.

    시험 결과, 모든 경우에서 평가기준인 30Mpa를 달성함을 확인할 수 있다.

    3.3 염분침투 저항성

    콘크리트의 염소이온 침투에 대한 저항성을 빠른 시 간에 알아내기 위해 콘크리트의 전기전도도를 결정 하는 시험방법이며, KS F 2711에 규정되어 있다. 아 래 Fig. 5와 같은 시험셀의 양면에 시험편을 부착한 후 시간에 따른 전류의 변화를 파악하여 해당 시험 체의 전기전도도를 결정하게 된다.

    위 시험결과는 시료개수 5개 결과의 평균값이며, 평가기준인 1000 이하를 달성함을 확인할 수 있다.

    3.4 동결융해 저항성

    실험실 내에서 동결융해의 급속 반복 사이클에 대한 콘크리트 공시체의 저항을 구하기 위한 시험으로 KS F 2456에 규정되어 있다. 시험의 종료는 300사이 클로 하며, 그 때까지 상대동탄성계수가 60% 이하가 되는 사이클이 있으면 그 사이클에서 시험을 종료 한다.

    P c = ( n c 2 n 0 2 ) × 100
    (1)

    여기서 Pc = 동결융해 C사이클 후의 상대 동 탄 성계수(%), n0 = 동결융해 0사이클에서의 변형 진동 의 1차 공명 진동수(Hz), nc= 동결융해 C사이클 후 의 변형 진동의 1차 공명 진동수(Hz)이다. 아래 시험 결과는 시료개수 5개 결과의 평균값이며, 평가기준 인 80 이상을 달성함을 확인할 수 있다.

    3.5 스케일링 저항성

    본 연구에서는 스웨덴 시험방법(SS 13 72 44A)를 적 용하여 저항성 평가를 수행하였다. 본 시험은 Bora’s 방법으로도 불리며, 동결융해 시험 절차와 같은 온 도 변화 주기를 적용하게 된다. 스케일링 저항성은 28일 후 (동결융해 28 cycle) 시편 질량 m28과 56일 후 (동결융해 56 cycle) 질량 m56을 측정하여 아래 표와 같이 스케일링 저항성 등급을 판정하게 된다. 실험 결과는 시료 개수 5개 결과의 평균값이며, m56 (kg/m 2 )은 0.54, m56/m28은 1.58로 산정되어, 허용등 급(Ⅲ)을 만족하는 것으로 확인하였다.

    3.6 균열 저항성

    제한된 수축 하에서 콘크리트에 대해 균열 저항성을 평가하기 위한 시험법으로 링 규격에 맞추어 제작한 공시체를 타격함으로써 균열발생 유무를 판단한다.

    위 시험결과는 시료개수 5개 결과의 평균값이며, 평 가기준인 균열발생 없음을 달성함을 확인할 수 있다.

    4. 결론 및 제언

    본 연구에서는 개질유황 콘크리트를 이용한 L형 도 로 측구 모델의 최적 단면 도출을 위한 수치해석과 내구성 평가를 통한 재료적 안정성 검토를 수행하였 으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • (1) 쐐기앵커 설치에 따른 도로 측구 구조적 안 정성 검토 결과, 경계석 양단으로부터 250mm 의 거리에 쐐기앵커를 2개 설치할 경우 최대 변위 및 응력 감소 효과가 가장 큰 것으로 판단되어 최적 단면으로 제안하였다. 쐐기앵 커 관입깊이에 따른 수치해석 결과, 최대 응 력 및 변위 억제에 있어 350mm에서 가장 효 과적임을 확인하였다. 또한 시공 및 경제성 측면에서도 합리적이라 판단되어 쐐기앵커 350mm를 최적 깊이로 결정하였다.

    • (2) 실내시험을 통한 내구성 평가 검토 결과, 압 축강도 이외에 성능 지표들(염분침투 저항성, 동결융해 저항성, 스케일링 저항성, 균열 저 항성)의 기준을 모두 만족하는 것으로 확인되 었다. 이는 쐐기앵커를 통한 구조적 안정성에 더해 개질유항 콘크리트의 재료적 안정성까 지 확보된 것이며, 최종적으로 L형 도로 측 구 모델의 공용수명 장기화에 일조할 것이라 판단된다.

    • (3) 본 연구에서는 수치해석 상 차량하중의 반복 성이 고려되지는 않았으나, 일반적으로 측구 에서의 교통량이 주차로에 비해 현저히 적기 때문에 공용성 확보에는 크게 무리가 없을 것으로 판단된다. 그러나 공용수명 장기화 시 L형 도로측구의 성능을 평가하기 위해서는 장기적인 반복하중의 충격에 대한 고려가 필 요할 것으로 판단된다. 이에 반복성과 동적 하중을 고려한 수치해석이 수행 중에 있으며, 향후 도출된 최적설계를 통해 시공된 도로측 구에 대한 추적조사 결과를 토대로 현장 적 용성을 지속적으로 평가하고자 한다.

    감사의 글

    본 연구는 중소벤처기업부 구매조건부 신제품 개발 사업(S2588042)에 의해 수행되었으며 이에 감사드립 니다.

    Figure

    KOSACS-11-5-28_F1.gif
    Structural Defects of Previous Gutter Model
    KOSACS-11-5-28_F2.gif
    Design of Gutter Model
    KOSACS-11-5-28_F3.gif
    Conpressive Strength Change according to Addition Rate of Modified Sulfur
    KOSACS-11-5-28_F4.gif
    Compressive Strength Testing
    KOSACS-11-5-28_F5.gif
    Cell Using Chloride Penetration Resistance Test

    Table

    Properties Using Numerical Analysis
    Results of Numerical Analysis (Number of Wedge Anchor - Displacement)
    Results o f N um erical A nalysis (Number of W edge Anchor – Stress)
    Results of Numerical Analysis (Depth of Wedge Anchor - Displacement)
    Results of Numerical Analysis ( Depth of Wedge Anchor - Stress)
    MSCC Mixture Design
    Durability Evaluation Criteria
    Compressive Strength Results
    Chloride Penetration Resistance Result
    Freezing and Thawing Resistance Result
    Scaling Resistance Grade
    Crack Resistance Test Result

    Reference

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