1. 서 론

각 포장 설계법은 각 국가의 특성을 고려하여 개발된 것으로 서로 다른 특징을 가지고 있다.

교통특성 및 교통량에 따른 교통하중을 고려하는 점은 설계법 모두 동일하나 1) Category 설계법은 참고논문(Lee, 2022)에서 상세히 알 수 있다. Category 설계법은 W8.2을 산정한후 선정된 재료에 따라 Category표를 선택하므로 추가 계산이 불필요하다. 반면 2) AASHTO 설계법(1993)은 W8.2 산정후 별도의 실험을 통한 별도의 변수를 입력하여 포장의 설계강도(SN*, Strucutural Number)가 교통하중(소요강도, SN) 이상이 되도록 결정한다. 3) 한국형 포장설계는 기본적인 개념은 AASHTO 설계법에서 출발하였으나 공용성 측면에서 기준을 제시하고 있으며, 포장설계를 위한 전용 프로그램인 KPRP를 이용하여 설계하도록 하고 있다. 영국식 Category 설계법은 Design Traffic loading(DTL)을 산정하고, 산정된 DTL에 따라 TLC(Traffic Load Classes) 그룹을 선택하여 Category에 적용될 포장 두께를 선택하여 포장 설계를 실시한다. 이는 교통하중만을 계산하면 별도의 추가 계산없이 Category 포장 두께를 결정할 수 있는 반면에, DTL의 범위가 TLC에서 하단 및 상단에 위치하는 것과 관계없이 동일한 포장두께를 적용하여야 하므로 합리적인 설계가 맞는지에 대한 의구심이 들 수 있다. 기본적인 분석을 수행하기 위하여 우선적으로 Category 설계법으로 선정된 포장두께가 타 설계법으로 적용시 기준에 만족하는지를 판명할 것이다. 만약 Category 포장설계 두께가 타 기준에 부합하는 경우는 포장두께를 감소시켜 적용가능한 최적의 두께를 제시할 것이다. 반대로 Category 설계법으로 선정된 포장 두께가 타 설계법의 기준을 만족하지 못하는 경우 포장 두께를 증가시켜 적용가능한 두께를 산출할 것이다. 이를 통해 Category 설계법이 제시한 포장 두께와 타 설계법의 부합 여부를 판명할 것이다. 또한 타 설계법에서 제시한 적정한 포장 설계두께를 바탕으로 Category 설계법, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures(1993), 한국형 포장 설계법과의 상관관계를 분석하여 각 포장설계 적용에 따른 특징을 분석할 것이다.

2. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures(1993) 설계

2.1 교통량에 따른 누적등가단축하중(W8.2)의 산정

AASHTO 포장설계법을 적용하기 위해서는 누적등가단축하중을 산정해야하며, 이는 일평균 교통량(양방향교통)에 차량별로 등가단축하중계수(ESALF, Equivalent Standard Axle Loading Factor)를 적용하고, 이를 다시 방향별, 차로별로 분배계수를 적용하여 구할 수 있다. 이는 영국식 Category 설계법의 DTL과 동일한 값으로 AASHTO 설계법에서도 이 DLT를 이용할 수 있다. [Equation 1]은 Category 설계법에 적용된 산정식이다.

[Equation 1]

where, R_d = Direction Distribution factor(0.5), R_L = Lane Disribution(1.0 BRT lane, 0.8 Mixed lane)

2.2 AASHTO 1993 설계 산정을 위한 적용 변수 선정

초기 서비스수준(Initial Serviceability Index, 이하 Po)은 포장건설 직후의 서비스 수준을 의미한다. 콘크리트 포장은 4.5, 아스팔트 포장은 4.2로 예측하며, 이 값은 특별한 경우를 제외하고 모든 AASHTO 포장설계에 적용한다. 최종 서비스수준(Terminal Serviceability Index, 이하 Pt)은 포장건설 후 포장 노후화에 따라 서비스 수준 저하가 발생한다. 최종 서비스 수준 이하시 재포장을 수행하는데, 이 값이 Pt이며 도로의 중요도에 따라 값을 결정한다. 국가 간의 무역로나 국가의 중요도로의 경우 2.5, 일반적인 지방도 도로인 경우 2.0, 중요성이 상대적으로 낮은 도로는 1.5의 값을 정한다. 본 노선은 지방도 적인 특성이 강하나, 탄자니아의 경제수도인 다레사람시에 별도의 우회도로가 없이 본 노선을 따라 Arterial road에 접속하고 있다. 실질적으로 준 다레살람 항부터 출발하는 물동량이 본 도로를 이용하는 경우 등을 고려하여 적용하였다. 중요도로 일수록 신뢰성 확보를 위해 높은 신뢰도를 부여해야 한다. 본 사업 도로는 지방도로이나 도로의 설치 위치 및 특징 고려시 일반 지방도로 규정하기는 힘든 요소가 있다. 전제 표준 편차(Overall Standard Deviation, 이하 So)는 Road Test Data와 AASHTO 수식의 일치성을 보정하는 계수이다. 일반적으로 Flexible pavement 0.4~0.5, Rigid pavement 0.3~0.4이며, 본 연구에서는 일반적인 아스팔트 포장값의 중간값을 적용하여 분석을 시행하였다. 표준 정규 편차(Standard Normal Deviates, 이하 Z_R)는 Reliability에 따라 그 값이 결정된다. 유효회복탄성계수(Effective Roadbed Modulus, M_R)는 계절별 변화에 따라 노상에 회복탄성계수(Mr)를 산정하여 이에 따른 상태손상계수(µf, Relative Damage)를 측정한 평균값(Fig. 1)을 이용하여 산정한다. Table 1은 AASHTO 1993 설계 산정을 위한 변수을 선정한 값이다.

Fig. 1.

AASHTO guide for design of pavement structures

포장층별 Layer Coefficient은 상대강도계수인 ai는 표층, 중간층, 기층, 보조기층등 층별 선정된 재료에 따른 그 값이 상이하다. 특별한 포장층이나 별도의 제공된 값이 없는 경우는 국가기관에서 이를 지정하는 경우가 많으나, 당초 Category 설계법은 AASHTO 기준을 따르고 있지 않아 이를 제공하고 있지 않다. 따라서 별도의 산정되거나 조사된 값이 없어 Table 2의 Layer Coefficients from AASHTO, Kansas State University, and Iowa DOT를 이용하여 결정하였다. 최종 결정된 Layer Coefficients는 표층 및 중간층 일반 HMA로 0.44, 기층은 Cement Treated Granular Base로 0.2, 보조기층은 Cement subbase로 0.1을 적용하였다. 이 값의 적용은 일반적으로 탄자니아에서 많이 사용하는 재료를 고려했으며, 현장의 조건과 동일하지는 않다. 그러나 본 사업에 대한 추가적인 data 및 test 결과는 없다. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures(1993)의 지역분포 및 특징을 보여주고 지역별 특징에 따른 MR을 이용하여 적용값을 결정하였다. Fig. 2는 지역분 및 특징을 보여준다.

Fig. 2.

Regional characteristics of US form AASHTO guide for design of pavement structures Fig. 4.1

2.3 AASHTO Pavement thickness Calculation

AASHTO의 포장두께 결정은 교통하중에 의한 소요SN(Requried Strucureal Number)을 구하고 포장 두께의 설계 SN*(Design Strucureal Number)이 소요 SN이상이 되도록 한다. 먼저 교통하중에 의한 소요 SN은 다음 [Equation 2] 식을 이용하여 산정하고, 설계 SN은 포장층의 두께에 Layer coefficient를 적용하여 산출 후 이를 총합하여 결정한다.

[Equation 2]

소요 SN 및 설계 SN*을 산정하기 위해 Microsoft Excel sheet을 이용하여 수식화하였으며, 이를 이용하여 AASHTO 포장설계 두께를 결정하였다.

2.4 BRT lane의 AASHTO 포장설계

BRT 차로의 Category 설계법과 AASHTO 설계법으로 결정된 포장의 총 구성 및 두께를 Table 3에 표기하였다.

2.5 Mixed Traffic lane의 AASHTO 포장설계

Mixed traffic 차로의 Category 설계법과 AASHTO 설계법으로 결정된 포장의 총 구성 및 두께는 Table 4에 표기하였다.

3. 한국형 포장 설계

한국형 포상설계는 한국형 포장구조 설계 프로그램인 KPRP를 이용하여 수행하고 있다. 한국형 포장구조 설계 프로그램은 설계속도, 차로수, 방향 및 차로 분배계수, 과업구간의 기상관측소, 교통량등을 입력하면 자동으로 교통하중등을 산정하여 포장의 적정성 유무를 판단한다. 포장층의 적정성 판단 기준은 공용기간중에 발생되는 피로균열(%), 영구변형(cm), 평탄성지수(IRI)로 제시하고 예측하여 수행한다. 한국형 포장설계법은 국내의 조건만을 고려하였으며, 포장 구조 설계 프로그램인 KPRP의 입력 변수도 국내 조건만을 입력할 수 있어 해외 사용에 한계가 있다.

3.1 한국형 포장의 입력변수 결정

탄자니아 다레살람시 BRT 계획의 설계속도 및 차로수, 방향별 분배계수, 차로분배계수는 최대한 동일한 구성조작을 반영하기 위해 Table 5와 같이 설정하였다. 포장설계등급은 지방지역임을 고려하여 2등급을 적용하였다.

두 국가의 교통분류 체계 및 차량별 등가단축하중계수가 상이하여, 탄자니아의 ESALF와 가능한 비슷한 차종으로 선정이 필요하다. 탄자니아 다레살람시 BRT 사업은 교통조사를 통해 BRT버스 및 승용차, 버스, 트럭(Medium, Heavy, Very heavy)등 총 6개 차종으로 분류하였으며, 차량별 등가단축하중계수(ESALF)는 Table 6의 BRT 차로와 같이 적용하였다. 반면 한국형 포장설계에서는 총 12종의 교통류를 분석하여 제시하고 있다.

상기 Table 6 값을 고려하여 한국형 포장의 적용 차종은 아래의 Table 7에 표기하였다. Category 설계와 명확하기 일치하고 있는 ESALF가 존재하지 않고 있어, 유사한 값을 적용하여 포장설계를 진행하였다. 또한 과업노선은 BRT BUS가 운행될 노선으로 Mixed Traffic 차로에 일반버스의 운행이 제한되어 장래 교통량에서 일반버스가 존재하지 않는 특성을 가지고 있다.

KPRP에서 교통량은 교통증가율을 산정하는 방식이 아닌 교통 data를 입력하는 방식으로 입력하였다. 이 경우 초기년도(2022년) 교통량 입력 이후 총 20년간 5년씩 교통량을 입력하도록 되어 있다. BRT 차로는 오직 BRT BUS만 운행되므로 BRT BUS(12종) 교통량만 입력하였다. Table 8 및 Table 9는 한국형 포장 설계 수행을 위해 포장설계 프로그램(KPRP)에 입력된 교통량이다.

3.2 BRT 차로의 한국형 포장 설계

한국형 포장설계 프로그램인 KPRP를 이용하여 Category 설계법으로 계산된 BRT 차로의 포장두께에 대한 분석을 수행하였다. 분석결과 모든 도로의 Category 설계법 포장두께가 기준치를 넘어 설계등급 2등급의 조건을 충족하지 못하는 것으로 판명되었다. Table 10은 Category 설계법의 포장두께 및 아스팔트 등급 분석결과이다.

Category 설계법에 의한 BRT차로의 포장두께는 한국형 포장설계법의 KRPR에 충족하지 못한 결과를 보여주었으므로 충족할 수 있는 포장 두께를 재산정하였다. 재산정 결과 최대 기층 350 mm, 최대보조기층 450 mm 적용한 극한 두께(총 910 mm)의 포장상태를 확인할 수 있었다. 극한 포장두께를 보여주는 도로는 Kilwa Road, Nyerere / Bibi Titi Mohamed Road, Maktaba / Azikiwe Road 3개 도로이며, 이 도로들은 극한 포장두께에서도 만족하지 못한 결과값을 보여주었다. Table 11은 KPRP에 만족하는 포장 두께 및 아스팔트 등급이다.

BRT 차로의 특징은 모든 교통이 BRT BUS로 중차량만 운행하는 특징을 가지고 있으며, 이러한 중차량이 포장층에 미치는 영향을 고려한 결과 극한의 포장 두께가 적용된 것으로 판단된다. 또한 중차량에 의한 포장두께 산정 결과를 보면 평탄성(IRI)의 값을 만족하는 여부에 따라 적정성이 결정되는 특징을 보이고 있다. 한국형 포장설계법의 KPRP 사용시 중차량이 많은 통행은 평탄성이 포장두께를 결정하는 지배요인임을 간접적으로 보여주는 예시라 할 수 있다. Category 설계법과 한국형 포장 설계법으로 결정된 포장의 총 구성 및 두께는 Table 12에 정리 하였다.

BRT차로의 포장두께 분석결과 한국형 포장 설계법으로 포장설계를 시행할 경우 260~460 mm까지의 증가를 보여주고 있다. 증가한 두께는 AASHTO 포장 두께 증가 50~110 mm 증가 값에 약 4배 이상 증가된 수치이다. 포장두께의 극적인 증가율은 중차량에 따른 도로 파손 정도가 심각함을 의미한다고 할 수 있다. 동일 TLC10의 교통량을 분석하면 W8.2가 2.5 × 10⁶인 경우 포장총두께는 710 mm, 4.3 × 10⁶인 경우 810 mm, 5.9 × 10⁶인 경우 860 mm로 교통량 증가와 비례하는 특징을 보이고 있다. TLC20은 11.2 × 10⁶, 11.3 × 10⁶, 13.8 × 10⁶인 경우 모두 910 mm이며 PG 64-22등급이 적용되었다. 즉 TLC10인 경우 교통량에 따른 포장두께의 차이가 발생하였으나 TLC20의 경우는 모두 극한값의 포장 두께 적용으로도 만족하지 못하여 아스팔트 바인더의 조건을 개질아스팔트인 PG 64-22로 상향시 만족할 수 있었다. 한국형 포장의 BRT 차로 적용은 일정 교통량 이하에서는 교통량에 따른 차이를 반영하여 포장두께 변동이 발생하나 일정 교통량 이상(TLC20)인 경우 극한의 포장 두께 적용 및 개질아스팔트 적용을 요구하고 있다. 또한 Category 설계법 및 AASHTO 설계법보다 2배 이상의 포장 총 두께를 요구하고 있어 중차량 위주의 차로 적용성에 대해서는 많은 고민이 필요할 것으로 판단된다.

3.3 Mixed Traffic lane의 한국형 포장설계

Mixed traffic 차로의 포장설계는 방향분배계수 0.5, 차로분배계수 0.8(양방향4차로), Table 8의 교통량을 반영하여 BRT 차로와 동일하게 한국형 포장 설계프로그램인 KPRP를 이용하여 분석을 시행하였다. Category 설계법으로 수행된 포장두께의 적용성 여부를 검토하였으며, 검토결과 대부분의 도로에서 조건을 충족하지 못하였으나, Changombe / Kawawa Road 및 Gerezani / Sokoine Road 2개 노선의 경우 조건을 부합하는 것으로 분석되었다. 특히 Changombe / Kawawa Road의 경우 TLC가 50으로 교통량이 적지 않은 구간임에도 조건을 부합하는 특징을 가지고 있다. 이는 동일한 TLC50 도로의 Kilwa Road, Nyerere / Bibi Titi Mohamed Road와 비교시 Changombe / Kawawa Road의 중차량 비율이 절반 이하인 특징과 연관된 결과로 판단된다. Mixed traffic 차로의 Category 설계법의 포장두께에 대한 한국형 포장설계 해석 결과는 Table 13과 같다.

상기 결과를 바탕으로 조건을 만족하지 못한 도로에 대해서는 포장두께를 증가시키고, 만족한 도로에 대해서는 포장두께를 감소시켜 최적의 두께를 산정하였다. Category 설계법 포장두께가 조건을 만족했던 Changombe / Kawawa Road는 적정 포장두께 산정결과 Category 설계법과 동일한 두께가 도출되었고, Gerezani / Sokoine Road는 포장두께가 당초 대비 50 mm 감소가 가능했다. 그 외 도로는 포장두께가 증가하였으나 중간층 60 mm를 추가함으로 한국형 포장설계 조건을 만족할 수 있었으며, 결과는 아래의 Table 14에 보여주고 있다.

Mixed Traffic 차로의 포장 적정성 여부의 판단기준 또한 BRT 차로와 동일하게 평탄성에 조건에 지배되는 특징을 보이고 있다. 이는 다레살람시 BRT 사업도로는 한국형 포장 적용시 평탄성 조건만 확보될 경우 영구변형 및 피로균일 조건이 만족하는 것을 보여주고 있다. Category 설계법과 한국형 포장 설계법으로 결정된 포장의 총 구성 및 두께는 Table 15에 표기하였다.

Mixed Traffic 차로의 포장두께 분석결과 한국형 포장 설계법으로 포장설계를 시행할 경우 50 mm 감소 및 50~60 mm 증가를 보여주고 있다. 이는 AASHTO 설계법 적용시 증가율 50~260 mm까지의 증가율 대비 약 4배 이하 적은 수치로 볼 수 있다. 또한 다양한 교통이 혼재되어있는 Mixed Traffic 차로의 교통량이 TLC 10, TLC 20, TLC 50등으로 큰 분포 차를 보이고 있으나 증가율은 거의 동일한 특징을 보이고 있다. 이는 Category 설계법과 AASHTO 설계법 비교시 TLC 증가에 따라 급격하게 변화하는 포장두께 변화와는 상이한 결과를 보여주고 있다. 또한, 한국형 포장설계법을 적용한 BRT 차로대비 교통량이 더 많은 TLC 50인 Kilwa Road, Changombe / Kawawa road, Nyerere / Bibi Titi Mohamed Road의 포장두께는 500~560 mm로 TLC20의 BRT 차로 910 mm보다 얇은 두께로 설계가 가능하였다. 이는 한국형 포장 설계법이 중차량의 구성비에 따라 극단적인 차이를 보일 수 있음을 나타내고 있다.

4. 각 포장 설계법별 포장 두께 비교 검토

4.1 BRT 차로의 포장두께 비교 검토

BRT 차로(버스전용차로)의 각 포장 설계법의 비교 결과는 Category 설계법, AASHTO 설계법, 한국형 포장 설계법 순으로 포장 두께가 두꺼워지는 것을 알 수 있다. Category 설계법은 동일한 TLC범주에서는 동일한 포장 두께가 적용되어 포장층의 구성이 TLC에 따르는 것을 알 수 있다. 반면 AASHTO 및 한국형 포장의 경우 교통량에 따라 포장두께가 증가하고 있음을 알 수 있다. Category 설계법의 평균 포장두께 475 mm, AASHTO 설계법은 17.5% 증가한 558 mm를 한국형 포장 설계법은 약 80% 증가한 851 mm의 포장두께를 보여주고 있다. 이는 Category 설계법과 AASHTO 설계법은 포장의 강도 기준을 기초로 하는 설계법인 점에서 어느정도의 예측 가능한 범위로 볼 수 있다. 반면 한국형 포장 설계법은 균열 및 평탄성을 평가하는 기준 적용으로 중차량이 많은 도로 특징을 반영하여다 하더라도 Category 설계법 대비 80%, AASHTO 설계법 대비 53% 증가한 포장두께를 적용하는 것에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 따라서 극단적인 교통 형태를 보이는 버스전용차로와 같은 도로 특징에 대한 한국형 포장 설계법에 대한 검증이 필요할 것으로 판단된다. 각 포장 설계법별 결과는 아래의 Table 16, Fig. 3에 보여주고 있다. Table 17 TLC에 따른 BRT차로의 평균두께를 보여주고 있다.

Fig. 3.

Comparison of pavement thickness of BRT lane by individual design method

Table 17.

Average pavement thickness of BRT lanes by TLC

Classification	Pavement average thickness (mm)
	TLC 10	TLC 20	TLC 50
Category Design	450	500	-
AASHTO Desgin (1993)	507	610	-
Korea Design (KPRP)	793	910	-

4.2 Mixed traffic 차로의 포장두께 비교 검토

Mixed traffic 차로의 각 포장 설계법의 비교결과는 Category 설계법, 한국형 포장 설계법, AASHTO 설계법순으로 포장두께가 두꺼워지나, Category 설계법 및 한국형 포장 설계법은 매우 근소하게 비슷하다. Category 설계법은 BRT 차로와 마찬가지로 동일한 TLC범주에서는 동일한 포장 두께가 적용되어 포장층의 구성이 TLC에 따르는 것을 알 수 있다. 반면 AASHTO의 경우 교통량에 따라 포장두께가 증가하는 특징을 명확하게 보여주고 있다. 한국형 포장 설계법은 전체적으로 교통량에 따라 포장두께가 증가하는 추세는 확인이 가능하나 AASHTO 대비 완만한 증가세로 교통량별 특징을 대변하기에는 충분치 않은 특징을 보여주고 있다. 이는 교통량에 따라 포장두께가 급변하는 BRT 차로와는 반대되는 모습으로 한국형 포장 설계법의 포장 두께 변화는 교통량보다는 중차량 비율에 따른 운행 특성이 지배하고 있는 것으로 평가된다.

Mixed traffic 차로의 Category 설계법 평균 포장두께 475 mm, AASHTO 설계법은 약 34% 증가한 635 mm를 한국형 포장 설계법은 약 8% 증가한 503 mm의 포장두께를 보여주고 있다. 전반적으로 Mixed traffic 차로의 포장 두께는 Category 설계법과 한국형 포장 설계법은 유사하게 결정되었으며, AASHTO 설계법은 보다 명확하게 교통량에 따라 증가하는 특성을 보여주고 있다. 각 포장설계법별 결과는 아래의 Table 18, Fig. 4에 보여주고 있다. Table 19는 TLC에 따른 BRT차로의 평균두께를 보여주고 있다.

Fig. 4.

Comparison of pavement thickness of mixed traffic lane by individual design method

Table 19.

Average pavement thickness of mixed traffic lanes by TLC

Classification	Pavement average thickness (mm)
	TLC 10	TLC 20	TLC 50
Category Design	450	450	500
AASHTO Desgin (1993)	510	585	710
Korea Design (KPRP)	400	510	450

5. 결 론

Category 설계법과 AASHTO 설계법은 교통하중에 대한 포장 강성을 계산하여 결정하는 방법으로 교통량 증가에 따라 포장 두께가 결정된다. 다만 Category 설계법은 교통량을 TLC 그룹범위로 정하여 결정된 Category 표를 선정 결정하므로 교통량에 따른 세밀한 접근은 불가능하다. 즉 동일 TLC에서 교통량의 편차가 있는 경우도 동일한 포장 두께를 적용해야 한다. 반면 AASHTO 설계법은 정해진 교통량 그룹 TLC 없이 순수 교통하중인 누적등가단충하중의 총합인 W8.2만으로 본인이 작성한 Excel Sheet로 두께를 산정하므로 세부적인 교통량 변화를 반영하여 설계가 가능한 장점이 있으나, 검토 결과 모든 포장 두께가 Category보다 높게 검토되어 공사비 측면에서 유리하다 판단하기가 어렵다. 따라서 Category 설계법이 검증된 경우 유지관리비까지 고려하여 적절한 포장설계법을 선택하는 것이 필요하다. 한국형 포장설계는 승용차, 트럭, 소형버스등의 교통이 혼재된 일반차로(Mixed Traffic)의 경우 Category 설계법과 유사한 포장두께 결정이 가능하였다. 반면 중차량만이 통행하는 자동차 전용도로인 BRT 차로의 경우 극단적인 최고 값의 포장 두께 및 개질 아스팔트 사용시 조건을 만족하는 경우가 절반이었다. 이는 중차량에 의한 포장 파손 심각성을 적용하였다고 감안할 수 있으나, Mixed Traffic의 교통량이 많은 경우보다 더 두꺼운 포장을 요구하고 있을 뿐 아니라 타 설계법 대비 50%~80%의 포장 두께 증가를 요구하고 있어 실효성 부분에서 많은 의문이 예상된다. 따라서 중차량 비율이 극단적인 경우에 한국형 포장설계 적용에 대한 연구 및 검증이 필요할 것으로 판단된다.