Stress Distribution of Concrete Pavements under Multi-Axle Vehicle Loads Applied at Pavement Edges

모서리부 차량 다축하중에 의한 콘크리트 도로 포장의 응력 분포 특성

The stresses in concrete pavement systems are larger when vehicle loads are applied at pavement edges, and these large stresses significantly affect the behavior and performance of pavements. Therefore, in this study, the stress distribution and the critical stresses in concrete pavements were investigated using a finite element model when dual-wheel single-, tandem-, and tridem-axle loads were applied at pavement edges. First, the stress distribution along the longitudinal and transverse directions was analyzed, and then the effects of slab thickness, concrete elastic modulus, and foundation stiffness on the stress distribution were investigated. The effect of the tire contact pressure related to the tire print area was also studied. The location of the critical stress occurrence in concrete pavements was finally investigated. From this study, it was found that the critical concrete stress due to edge loads became larger as the concrete elastic modulus increased, the slab thickness increased, and the foundation stiffness decreased. The effect of the tire contact pressure on the critical stress was clear as the slab thickness became smaller. The critical stress location in the transverse direction was independent of the concrete elastic modulus and the foundation stiffness; however, it moved into the interior as the slab thickness increased. The critical stress location in the longitudinal direction was under the axle for single- and tandem-axle loads, but for tridem-axle loads, it tended to move under the middle axle from the outer axles as the concrete elastic modulus and/or slab thickness increased and the foundation stiffness decreased.

콘크리트 포장은 모서리(Edge) 부분에 차량 하중이 작용할 때 큰 응력을 받게 되며 이러한 응력은 포장의 거동 및 장기 공용성에 영향을 미친다. 따라서 본 연구는 콘크리트 포장의 유한요소 모델을 사용하여 콘크리트 포장의 모서리 부분에 복륜 단축, 복륜 복축, 복륜 삼축 등 복륜 다축 하중의 한쪽 차륜이 접하여 작용할 때 포장의 응력 분포와 최대 응력을 분석하기 위하여 수행되었다. 우선 종방향과 횡방향을 따라 응력의 분포 형태를 분석하였고, 콘크리트 슬래브의 두께, 콘크리트 탄성계수, 지반 탄성계수 등이 응력 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 하중 접지면적과 연관된 하중 접지압의 변화에 따른 콘크리트 포장의 응력 분포도 분석하였다. 그리고 콘크리트 포장에서 최대 응력이 어느 위치에서 발생하는지에 대한 연구도 수행하였다. 연구 결과 모서리부 하중에 의한 콘크리트 포장의 최대 응력은 콘크리트의 탄성계수가 증가할수록, 슬래브의 두께가 감소할수록, 그리고 지반 탄성계수가 감소할수록 증가하였다. 하중 접지압의 변화에 따른 최대 응력은 콘크리트 탄성계수와 지반 탄성계수의 크기에 따라서는 거의 일정한 변화를 보였으나 슬래브 두께는 얇아질수록 접지압에 따른 최대 응력의 변화가 뚜렷이 보였다. 최대 응력이 생기는 횡방향의 위치는 콘크리트 탄성계수와 지반 탄성계수에는 무관하게 일정하다. 하지만 슬래브의 두께는 두꺼워질수록 최대 응력의 횡방향 상 위치가 모서리에서 내부로 이동한다. 종방향의 최대 응력이 생기는 위치는 단축과 복축 하중일 경우는 축의 위치이며, 삼축 하중일 경우에는 콘크리트 탄성계수나 슬래브 두께가 증가하던지 또는 지반 탄성계수가 감소하면 최대 응력이 생기는 종방향 상 위치가 양쪽 바깥축에서 중간축의 위치로 바뀌게 된다.