1. 서론
오늘날 도시는 늘어나는 인구로 인해 상·하수도, 전기, 통신, 가스, 난방 등의 사회 기반기설의 신설 및 보수공사는 국민의 사회복지 확보를 위해 반드시 필요한 건설공사이다. 그러나 이에 따른 환경오염은 생활의 편의를 위한 문명의 부산물로 지구촌 곳곳에서 인간의 삶의 질을 저해하는 요인으로 등장하여 심각한 사회문제를 야기시키고 있다. 국민의 복지와 편의를 위한 공사가 과거 성장 중심의 공법을 그대로 답습하고 있어 비산먼지 발생, 지구온난화의 주범인 이산화탄소 발생,산업 폐기물 발생, 국가 예산 낭비 및 국민 세금 가중 등 국민의 건강과 재산을 위협하고 있으며, 국가 경제에도 큰 피해를 주고 있는 실정이다.
Fig. 1과 같이 현재 복잡한 도심지 도로 복구공사에서는 당일 굴착 및 복구로 인한 조급한 시공으로 다짐이 완벽하지 않아 부실시공의 발생 위험이 존재하며, 일일 복구공사 투입대비 복구수량 감소로 인해 시공적자가 증가하고 있다. 그리고 일일 복구공사 후 임시포장으로 인한 이중굴착으로 이중 공사비 발생 및 산업폐기물 발생으로 환경오염 등에 따른 국가적 예산이 낭비되고 있다. 또한, 안전시설물 설치를 통한 시공으로 인해 공사구간 차량혼잡·체증으로 환경오염(비산먼지, 이산화탄소 등)이 증가되어 국민의 안전 및 건강에 많은 영향을 미치고 있다. 특히, 공사 주변 비산먼지로 인한 민원이 급증하고 있어 이에 대한 대책이 시급한 상황이다.
현재 이와 관련된 연구는 전무한 실정이며, 관련된 특허기술로써 Kim (2009)의 ‘재생고무매트를 이용하여 상하수관거가 매설되는 도로의 가포장방법’, Kim and Kang (2012)의 ‘도로 가포장용 재생고무매트’, Sekine (2013)의 ‘노면 가복구용 부재 및 노면 가복구공법’등이 있다. 특허 관련 기술들은 시공성의 저하 및 유지관리 문제 등 실효성이 떨어지고, 폐기물저감 및 시공품질 개선 등의 효과가 미미한 문제들을 가지고 있으므로 시공성 및 유지관리가 양호하고 시공품질을 개선시킬 수 있는 굴착복구공사 관련 기술이 요구되는 실정이다.
이러한 현 문제점들을 해결하기 위한 대책으로 세계 최초로 복잡한 도심지 도로 복구공사에서의 교통 혼잡 및 정체, 비산먼지의 발생을 방지하고, 부실공사를 예방하여 경제적 효과를 획기적으로 창출하는 선진국형 기술개발의 일환으로써 신개념·신기술의 도로복구를 위한 레고(Lego)식 차도블록 시스템을 Fig. 2와 같이 개발하였다. 이는 상·하수도, 전기, 가스, 통신, 난방 등의 시설물의 설치 및 유지보수를 위한 도로굴착공사지에서 개착된 굴착면을 조립된 구조블록을 사용한 임시포장면을 형성하여 차량 및 보행자의 안전한 통행이 가능하도록 개발된 시스템으로 복잡한 도심지 도로복구 공사에서 교통혼잡, 비산먼지 발생으로부터 국민의 편의와 건강을 지켜주고, 부실공사 예방과 국가예산 낭비를 방지하여 경제적 효과를 획기적으로 창출하여 깨끗한 도시 건설 환경을 제공한다.
따라서, 본 연구에서는 선진국형 도로복구를 위해 개발된 레고식 차도블록 시스템의 개념 및 기능에 대해 정립하고, 차량 윤하중에 의한 동적해석을 통해 차도블록 시스템의 동적거동 검토 및 평가를 수행하였다.
2. 레고(Lego)식 차도블록 시스템
레고(Lego)식 차도블록 시스템은 도심지 도로굴착 공사 후원상 복구공사 및 가설 도로 현장에서 안전하고 신속하게 임시 도로 포장면을 형성하는 것으로써 지금까지 없었던 선진국형의 획기적 공사 방법으로 교통체증, 교통사고, 비산먼지, 폐기물, 민원의 발생을 억제할 수 있다. 그리고 기술적으로는 다짐불량으로 인한 부실공사를 방지하며, 재시공에 따른 공사비 과다 투입을 방지할 수 있는 경제적으로 예산 절감을, 사회적으로 국민의 안전과 건강을 지킬 수 있는 신개념·신기술의 친환경 건설을 제공하는 도로포장 복구용 블록 시스템이다.
본 차도블록 시스템은 Fig. 2와 같이 각각 3가지 형태의 기술적 기능을 부분별로 발휘하는 금형 설계로 제작되어 조립한 기술 집약형(특허) 블록(Block)으로써 통행 차량의 윤하중에 의한 진동을 흡수하고 미끄럼 방지와 우수 배출 홈이 형성된 고무(Rubber)의 경도를 조정한 상판 블록, 포장재와 토사(또는 보조기층)면에서 토사층의 다짐에 필요한 강도와 요철을 형성한 하판(다짐판) 블록, 상판과 하판의 사이에 각 두 판을 연결하고 걸림턱과 돌기, 결속 돌기와 홈을 형성한 블록전체의 기능을 좌우하는 중요한 핵심기술 형태로 제작된 중간판(연결판) 블록, 이 3가지 형태와 기능을 조합하여 안전하고 강력한 복구 블록의 기능을 수행할 수 있는 새로운 개념의 기술 집약형 고무 블록(Rubber block)이다.
2.1 레고식 차도블록 시스템의 구성
표준 사각 블록의 경우, Fig. 3과 같이 시작블록, 표준블록, 측면블록 그리고 마감블록 등을 조합하여 레고식으로 블록을 설치하므로 다양한 임시 도로 포장면으로의 적용이 가능하다. 또한, 블록의 두께는 다양하게 조절 가능하여 도로형태(표층 및 기층의 두께별)에 따라 설치의 적용성이 매우 우수한 장점을 가지고 있다.
2.2 레고식 차도블록 시스템의 주요 기능
2.2.1 가설 포장도로 형성 및 자동 다짐
본 차도블록 시스템의 가장 핵심이 되는 기능으로 재생고무를 이용하여 큰 하중에도 견딜 수 있는 강도와 내구성이 확보된 블록을 설치함으로써 차량 통행이 가능한 가설 포장도로를 형성한다. 그리고 동시에 블록 하부에 일정한 돌기형 몰드가 바닥판을 구성한 후 블록 상단으로 통행하는 차량의 윤하중에 의한 진동에너지를 이용하여 보조기층이 자동 다짐됨에 따라 단단하고 균등한 몰드가 형성되어 다짐 불량에 의한 부실시공이 자연적으로 제거될 뿐만 아니라 본 포장시 완벽한 포장을 가능케 한다. 이에 대해 Fig. 5에서 도식화하여 나타내었다.
2.2.2 비산먼지 방지 덮개 기능
지금까지 부직포 등으로 하는 임시 비산먼지 방지 방법은 비·바람 등 외부의 영향으로 이탈 및 파손이 쉽게 발생하여 설치 자체가 유명무실하고, 주변 환경을 저해시킬 뿐만 아니라 산업폐기물이 발생한다. 그러나 본 개발되어진 차도블록 시스템은 견고한 기술적 기능으로 외부의 물리적인 영향에 저항함과 동시에 비산먼지 방지 덮개 기능을 가지고 있다. Fig. 6은 레고식 차도블록 시스템이 실제 도로굴착공사지에 설치되어 임시포장면을 형성한 전경을 나타낸다. 이로 인해모든 도로굴착공사가 종료되어 본 포장을 수행하기 전까지 차량의 안전한 통행이 가능할 뿐만 아니라 비산먼지 발생으로 인한 민원을 예방할 수 있다.
2.2.3 견고한 상하·좌우 결합 및 결속 기능
본 차도블록의 결합 및 결속구조는 세계 최초의 원천 특허기술로써 Fig. 7과 같이 블록 각각의 기술적 구조와 기능으로 주변블록과 조합되어 상하·좌우를 연결하는 레고 형식의 지그재그 결합 및 결속 방법이다. 이는 차량 운행시 외력의 영향으로 인한 블록의 이탈 및 안전사고를 방지할 수 있는 매우 견고한 결합 및 결속이다. 또한, 결합 및 결속 후에는 블록이 아닌 슬래브(Slab) 형태의 조건으로써 지반의 영향에 따른 부등 침하의 여건을 완화시켜주는 역할을 동시에 수행할 수 있다.
2.2.4 과속방지, 야간 식별장치, 선형 변경 기능
주요 3가지 기능 외에 Fig. 8과 같이 과속방지 블록에 의한 과속방지 기능, 야간 식별 장치에 의한 야간 식별력 향상 기능, 관로 선형 변화 각도에 대응한 커브(각도) 블록에 의한 선형 변경 기능, 미끄럼 방지 요철에 의한 미끄럼 방지 기능 그리고 우수 홈에 의한 우수 유도 기능 등을 가지고 있다.
3. 레고식 차도블럭 시스템의 동적 거동
3.1 해석 방법 및 모델
레고식 차도블록 시스템의 차량 윤하중에 의한 동적 해석은 도로교 설계기준 DB-24 하중을 이동집중하중으로 재하하여 검토를 수행하였으며, 편측 최초 차량의 전륜하중이 진입할 때부터 편측 마지막 후륜하중이 레고식 차도블록 시스템을 빠져나갈 때까지를 고려하였다. 속도의 범위는 도심지 규정속도(60 km/h)에 충격하중이 충분히 고려되도록 100 km/h까지 적용하였으며, 동해석 소요시간과 검토할 속도대역에서의 동적 영향을 충분히 반영하기 위하여 속도를 10 km/h씩 증가시켜 10~100 km/h(10, 20, 30~80, 90, 100)까지 총 10개의 속도대역에서 변위에 대한 시간이력해석을 수행하였으며, 속도별 최대 변위응답을 검토 및 분석하였다.
레고식 차도블록의 동적 해석은 범용 구조해석 프로그램인 LUSAS를 사용하였으며, 차량하중(DB-24)이 레고식 차도블록 위에서 속도를 가지고 주행할 때 각 속도에 따른 블록의 동적 변위응답을 구하기 위해 LUSAS IMDPlus를 이용하여 이동하중해석(Moving load analysis)을 수행하였다. 해석 절차는 모델링 후 고유치 해석을 먼저 실시하고 이 결과를 가지고 이동하중에 대한 해석을 수행한다. 고유치 해석 시 먼저 Eigenvalue Control을 정의하고 해석을 수행한 후 결과를 출력한다. 그리고 이동하중 해석 시 하중이동 경로를 먼저 설정한 후 이동하중을 위한 Modal Force history를 생성하고, 이동하중의 Parameter를 정의한 후 결과를 출력하여 차도블록의 최대 연직변위를 검토하였다.
차도블록 동적 해석의 기본 가정으로는 차량의 연직하중이 지배적이므로 연직 방향에 대한 동적 응답만을 고려하며, 레고식 차도블록은 완전 결합 및 결속되어 일체거동 한다. 또한, 레고식 차도블록은 지반에 탄성 분포지지 되며, 지반 탄성 스프링 계수는 kG=20 N/mm로 일반적인 값으로 가정하였다.
동적 재하하중은 도로교 설계기준의 DB-24하중인 Table 1과 같으며, 검토 대상 블록은 횡방향 길이 90 cm(횡방향 3개 블록), 종방향 길이 1000 cm(종방향 33개 블록)로 총 99개의 레고식 차도블록을 결속하여 동적 해석을 수행하였다. 레고식 차도블록은 Fig. 9와 같이 쉘(Shell)요소를 사용하여 모델링하였으며, 이에 대한 재료 물성치(실험치)는 ρ=1.84×10-9 N/mm3/g (Mass density), E=3.2×103 N/mm2, ν =0.35를 적용하였다.
Table 1
DB-24 load (KHBDC, 2010)
| Bridge rating | Load rating | Weight W(kN) | Total load 1.8W(kN) | Front wheel load 0.1W(kN) | Rear wheel load 0.4W(kN) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | DB-24 | 240 | 432 | 24 | 96 |
| 2 | DB-18 | 180 | 324 | 18 | 72 |
| 3 | DB-13.5 | 135 | 243 | 13.5 | 54 |
3.2 해석 결과 및 분석
차량 윤하중을 이동하중으로 재하한 동적해석을 수행한 결과, 레고식 차도블록의 속도별 최대 하향 연직변위는 Fig. 10과 같다. 최대 하향 연직변위는 속도 100 km/h에서 54.3 mm이며, 도심지 규정 속도 60 km/h에서는 48.3 mm로 나타났다. 이는 최대 하향 연직변위로 인해 지반의 다짐 효과가 발생할 것으로 판단된다. 따라서, 차량 윤하중이 재하됨에 따라 레고식 차도블록 시스템에 의한 본 지반의 다짐 효과는 우수한 것으로 나타났다.
3.2 해석 결과 검토 및 평가
레고식 차도블록 결속부의 길이가 50 mm이므로 Table 2와 같이 도심지에서 차량이 100 km/h로 과속 주행할 때의 최대상향 변위 발생 시에도 결속 및 형상을 유지하여 이탈이 발생하지 않을 것으로 판단되어 안전성에는 문제가 없는 것으로 나타났다. 또한, 검토에 사용된 모델은 레고식 차도블록의 LOCK 기능에 의한 구조적 간섭은 고려되지 않은 상태로 실제 시공 시 발생하는 변위량은 더욱 줄어들 것이므로 동적 구조안전성은 충분히 확보될 것으로 판단된다.
Table 2
Investigation and evaluation about the dynamic structural safety
| Contents | Velocity | Displacement | Maximum design displacement | Evaluation |
|---|---|---|---|---|
| Maximum upward displacement | 100 km/h | 37.8 mm | 50 mm | Safety assurance |
| 60 km/h | 36.9 mm |
레고식 차도블록 상부로 차량이 운행 시 차량 하중에 의해 Table 3과 같이 최대 하향 연직변위가 발생하며, 이는 진동수 285~300 cpm을 가진 진동 다짐을 실행한 것과 같은 효과를 나타낸다. 따라서, 차량 하중에 의한 다짐강화 기능을 충분히 확보할 것으로 판단된다.
4. 결론
본 연구는 선진국형 도로복구를 위해 개발된 레고식 차도블록 시스템의 개념 및 기능에 대해 정립하고, 차량 윤하중에 의한 동적 유한요소해석을 통해 차도블록 시스템의 동적 거동 검토 및 평가를 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 레고식 차도블록 시스템은 상·하수도, 전기, 가스, 통신, 난방 등의 시설물의 설치 및 유지보수를 위한 도로굴착공사지에서 개착된 굴착면을 조립된 구조블록을 사용한 임시포장면을 형성하여 차량 및 보행자의 안전한 통행이 가능하도록 개발된 시스템으로 복잡한 도심지 도로복구 공사에서 교통혼잡, 비산먼지 발생으로부터 국민의 편의와 건강을 지켜주고, 부실공사 예방과 국가예산 낭비를 방지하여 경제적 효과를 획기적으로 창출하여 깨끗한 도시 건설 환경을 제공할 것으로 판단된다. 이에 대한 주요 3가지 기능은 가설 포장도로 형성 및 자동 다짐 기능, 비산먼지 방지 덮개 기능 그리고 견고한 상하·좌우 결합 및 결속 기능이다. 또한, 과속방지, 야간 식별장치, 선형 변경 기능 등을 가지고 있다. 그러므로 레고식 차도블록 시스템의 주요 기능들로 인해 안전성, 사용성, 경제성 그리고 친환경성이 매우 우수할 것으로 판단된다.
(2) 차량 윤하중을 이동하중으로 재하한 동적해석을 수행한 결과, 차량 윤하중이 재하됨에 따라 레고식 차도블록 시스템에 의한 본 지반의 다짐 효과는 우수한 것으로 나타났으며, 레고식 차도블록 시스템에 최대 상향 변위가 발생하더라도 결속 및 형상이 지속적으로 유지됨에 따라 레고식 차도블록시스템의 안전성(이탈)은 충분히 만족할 것으로 판단된다. 또한, 차량 하중에 의한 하향 연직변위가 발생하여 다짐강화 기능을 충분히 확보할 것으로 판단된다.
(3) 본 레고식 차도블록 시스템은 세계 최초로 개발한 도로굴착복구 방법의 신개념·신기술의 선진국형 건설 시스템으로 긴급(상·하수도, 전기, 통신 등)도로 복구공사, 관로(상·하수도, 전기, 통신, 가스 등) 굴착공사, 임시 우회도로 및 가설도로 그리고 임시 및 상설 주차장 등 다양하게 사용됨에 따라 국민과 국가와 기업이 상생하고, 저탄소 녹색성장을 주도하는 미래의친(건설)환경을 제공할 것으로 전망된다.
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