2.1 콘크리트 중앙분리대 열화 조사

1990년대에 들어서면서 천연골재 고갈 및 건설수요 증가로 해사 및 쇄석 골재의 사용이 증가하였다(Yeon et al. 1994; Lee and Kim 1995; Chin et al. 1997; Kim and Song 1998)^(2,11,15,29). 하상 골재 채취는 환경보호와 맞물려 이미 한계에 이르렀고, 쇄석 골재와 해사의 사용이 증가되고 있으나, 이들은 각각 여러 가지 문제점을 내포하고 있다. 대부분의 천연 하천 골재는 수많은 세월 동안 물과 태양 및 대기에 직접 노출되어 골재 내부의 불안정한 광물이나 화학적 반응을 일으키는 물질 등이 대부분 용해되어 비교적 안정된 상태가 된다. 반면에 물과 태양과 대기에 직접 노출되지 않고 깊숙이 매장되어 있는 암석을 분쇄한 쇄석 골재는 골재를 구성하는 암석 중에 열역학적으로 안정한 실리카 성분이 알칼리와 쉽게 반응하여 알칼리-실리카 반응을 일으킬 수 있다(Yeon et al. 1994; Hong et al. 2006)^(7,29). 콘크리트 구조물은 양호한 천연골재를 사용하지 못하면서 내구성 저하를 유발시키는 알칼리-실리카 반응의 피해를 받게 되는 환경에 노출되게 되었다. 2000년대 들어오면서 고속도로 일부 시멘트 콘크리트 포장에서 ASR에 의한 포장 노면 망상균열 등의 손상이 발견되면서 국내에서도 이에 관한 연구가 진행되었다(Hong et al. 2006)⁽⁷⁾. 따라서 본 연구에서 2000년 초반에 개통된 고속도로 구간을 대상으로 열화 조사를 실시하였다(Fig. 3). 현장조사의 효율을 고려하여 개략적인 육안조사를 통해 ASR의 대표 현상인 망상균열을 확인 후 균열이 심한 구간(경부고속도로, 247 km → 251 km 구간)을 선정하여 상세조사를 수행하였다.

상세조사는 2019년 9월경 경부고속도로 247 km부터 251 km 구간을 대상으로 이루어졌다. 상세조사를 통해 균열 및 박리를 육안으로 확인 후 균열 양상에 따라 열화정도를 분류하였다. 육안조사 결과 하단에서 상단으로 진전되는 망상형 균열 특성을 확인하였다. 망상형 균열은 콘크리트 건조수축, 온도변화, ASR 등에 의해서 발생할 수 있다. 여기서 건조수축 및 온도변화에 의한 균열은 구속된 구조체에서 발생하지만, 중앙분리대 본체 경우는 기초 타설 이후 기계 타설을 통해 시공되어 기초와 본체는 분리된 상태이다. 또한 수축줄눈을 6 m 간격으로 시공하므로 망상형 균열 관찰은 힘들 것으로 판단된다(KEC 2012; MOLIT 2015b)^(14,23). 그리고 온도에 의한 중앙분리대 손상을 방지하기 위해 1일 타설길이(150~350 m)간격으로 또는 구조물 접속부에 팽창줄눈이 설치되고 있어 온도균열 발생 또한 제한된다(Jeong et al. 2019)⁽⁸⁾. 따라서 중앙분리대에 발생한 망상형 균열은 하부구속 및 길이방향 구속에 따른 건조수축 및 온도변화에 의한 균열이라기보다는 ASR에 의한 것으로 추정 할 수 있다. 망상형 균열은 대표적인 ASR의 결과 중 하나로 콘크리트 중앙분리대 코어 분석을 실시하여 ASR 반응성 겔(gel)을 확인하였다. 자세한 분석 내용은 2.2절에 기술하였다.

ASR은 시멘트 성분 중 Na₂O, K₂O와 OH- 이온이 골재 중 비결정질의 SiO₂ 성분과의 화학 반응에 의해 발생한다. 이를 통해 반응성 겔이 생성되고 생성된 반응성 겔이 수분을 흡수하게 되면서 팽창한다. 팽창된 겔에 의해 발생하는 인장응력이 콘크리트의 인장강도보다 클 경우 균열을 유발하게 된다. 이처럼 ASR은 수분공급이 있어야 하므로 상대적으로 수분영향 및 알칼리 공급원인 제설제에 의한 염해가 심한 하부에서부터 균열이 발생하며 시간 경과에 따라 균열은 상부로 진전하게 된다. 그리고 콘크리트 내부에서 수분에 의한 반응성 겔의 팽창압이 방사형으로 작용함에 따라 중앙분리대 상단으로 진전되는 균열은 망상형 균열 특성을 보여주었다.

열화된 콘크리트 중앙분리대는 열화 정도에 따라 적절한 유지보수 방안 혹은 개량 시기를 결정해야 한다. 이를 위해 육안조사를 통해 균열의 특성을 확인 후 열화 정도를 정량화하고 등급화하였다(Fig. 4).

등급화를 위해 균열높이에 따라 4단계로 분류하였다. 중앙분리대의 하부에서 250 mm 높이에서 변단면이 발생하여 이 부분에 물방울 맺힘 등으로 인해 균열이 눈에 띄게 발생하였다. 따라서 250 mm를 기준으로 하부에서 상부로의 균열진전을 총 4단계로 구분하여 등급 기준을 결정하였다(Fig. 4).

경부고속도로 247 km부터 251 km 구간을 대상으로 총 2,886 m 거리에 설치되어 있는 콘크리트 중앙분리대의 열화 정도를 조사하였다. 열화 정도는 4개의 등급을 기준으로 구분하였으며 1 m 단위로 등급을 결정하였다. 조사구간의 중앙분리대 열화정도는 Fig. 5와 같다. 전체 조사구간 중 83.0 %에 해당하는 2,394 m 구간이 4단계에 해당하며 이는 망상균열이 하부에서부터 발생하여 높이 1,250 mm 이상까지 진전하였다고 볼 수 있다. 그리고 균열이 하부를 기준으로 높이 500 mm부터 750 mm까지 진전된 3단계도 7.0 %로 조사되었다. 그리고 균열이 관찰되지 않은 구간도 9.6 %인 276 m로 조사되었다. 균열이 발생한 구간은 전체 90.4 %이다.

2.2 열화 된 콘크리트 중앙분리대 코어 분석

앞 절에서는 육안조사를 통해 균열의 분포정도를 4단계로 구분하여 확인하였으며 이번 절에서는 중앙분리대 코어 분석을 통해 열화된 콘크리트 중앙분리대 내부의 균열정도를 확인하였다. 코어 분석은 개소별 3개씩 12개소 총 36개의 코어를 대상으로 열화의 원인 및 열화 단면 손실 크기를 확인하였다. 개소별로 3개의 서로 다른 높이에서 직경 100 mm 코어를 채취하였다(Fig. 6).

코어 시편의 내부는 불규칙한 높이에 수평 방향과 수직 방향으로 균열이 관찰되었다(Fig. 7). 코어 시편의 수평 균열이 발생된 부위는 인력에 의해 쉽게 분리될 수 있었다(Fig. 7(b)). 채취된 코어 시편의 압축강도분석은 내부에 발생된 균열로 인해 불가능하였다. 균열의 깊이는 표면에서 최대 32 mm, 최대 균열 폭 2 mm로 나타났다.

코어 시편은 실험실에서 대기 건조 상태에서 1일 정도 경과한 후에 관찰한 결과 균열부와 코어 시편 내부의 일부 골재 주변에 알칼리-실리카 반응에 의한 반응환이 관찰되었다(Fig. 8). ASR은 시멘트 중의 알칼리 성분과 골재내의 반응광물이 반응하여 겔을 형성하고, 외부로부터 유입된 수분에 의해 겔이 팽창하면서 균열 및 박리현상을 유발하는 화학반응으로 육안 조사에서 확인된 중앙분리대의 망상균열은 ASR에 의한 내부 팽창압으로 발생한 것으로 판단된다.

2.3 콘크리트 중앙분리대 열화 모델 제안

ASR로 인해 콘크리트 중앙분리대의 열화가 발생하고 그로 인해 단면손실이 발생한 경우 중앙분리대의 충돌 저항성능은 저하된다. 따라서 충돌하중에 대한 중앙분리대의 구조성능을 검토해야 한다. 이를 위해 ASR에 의한 콘크리트 중앙분리대의 열화 행태를 표현할 수 있는 모델이 필요하다. 현장조사를 바탕으로 ASR에 의한 콘크리트 중앙분리대 열화 모델을 제시하였다: (1) 피복두께 열화 모델, (2) 단계별 높이 열화 모델.

3.1 콘크리트 재료모델

LS-DYNA는 충돌해석에 사용하는 다양한 콘크리트 재료 모델을 제공하고 있다(Murray 2007)⁽²⁴⁾. 충돌해석에 사용가능한 콘크리트 재료 모델은 KCC(MAT_072R3), Winfrith(MAT_ 084), CSCM(MAT_159)가 있다. Chung et al.(2011)⁽³⁾의 연구에 따르면 Winfrith 모델은 균열의 방향 및 길이 등을 확인 할 수 있으나 압축에 대한 최대하중이 이후의 연화거동(softening)을 포함하지 않아 KCC 모델과 CSCM 모델에 비해 변위가 과소평가하는 경향을 보여주고 있다. 또한 Winfrith 모델은 변수생성기능(parameter generation)을 제공하고 있지 않아 재료모델 사용에 있어 제약이 존재한다(Wu et al. 2012; Madurapperuma and Niwa 2014)^(21,27). 반면 KCC 모델과 CSCM 모델은 변수생성기능을 포함하고 있으며 준정적하중, 폭발하중, 충돌하중에 대해 충분한 해석성능을 보여준다(Wu et al. 2012)⁽²⁷⁾. KCC 모델과 달리 CSCM 모델은 차량방호시설과 차량 간 충돌해석을 위해 미국 FHWA(Federal Highway Administration)에서 개발한 것이다. CSCM 모델은 요소제거 기능(“ERODE”)을 포함하고 있어 파괴 이후 강성을 잃은 요소를 적절히 제거할 수 있어 KCC 모델에 비해 더 높은 신뢰성 있는 거동을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 국내 콘크리트 중앙분리대에 대한 실물 충돌 실험을 통해 검증된 CSCM 모델을 사용하였다(Lee et al. 2017b; Kim et al. 2018; Kim et al. 2019; Lee et al 2019)^{(11,13,16,18)}. 해석 대상 구조물, 해석 결과의 신뢰성, 활용 가능한 재료 물성치 등을 고려하여 CSCM 모델을 열화된 콘크리트 중앙분리대의 충돌저항성 평가를 위해 선정 사용하였다.

CSCM 모델(Fig. 11)은 압축조건에서 한계항복면이 줄어들도록 하여 콘크리트 내부에 존재하는 공극이 압축되는 거동까지 표현하는 정밀한 재료모델이다(Murray 2007)⁽²⁴⁾. 한계항복면은 다음 수식에 의해 정의된다.

여기서, $F_{f}$ : Failure surface

$\alpha ,\:\beta ,\:\theta$ : Coefficients

$J_{1}$ : Stress invariant

CSCM은 손상된 요소의 소성변형률이 일정한 값에 도달할 때 요소를 제거하는 “ERODE” 기능을 제공한다(Murray 2007)⁽²⁴⁾. 따라서 콘크리트 중앙분리대 충돌해석 시 열화된 중앙분리대의 충돌저항성을 정량적으로 예측이 가능하다. 또한 충돌해석 결과는 차량의 동적하중효과를 받게 되며 이를 반영하기 위해 일종의 동적증가계수인 “REPOW” 변수를 제공하고 있으며 이를 통해 CSCM은 동적하중에 특화된 변형률 식을 제공하므로 이를 사용하여 해석의 정밀도를 높일 수 있다(LSTC 2007)⁽²⁰⁾.

콘크리트 파괴에너지의 경우 CEB(2010)⁽⁴⁾의 산정기준 식(2)를 활용하였다.

여기서, $f_{ctm}$ : Mean axial tensile strength

$f_{ck}$ : Characteristic value of compressive strength

$G_{F}$ : Fracture energy

$f_{cm}$ : Mean value of compressive strength at an age of 28 days

3.2 보강철근 재료모델

내부 매입 보강근(와이어메쉬)의 재료모델은 탄소성 거동과 변형률 속도효과를 모사할 수 있는 “PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY”를 사용하였다. 콘크리트 내 보강근 매입을 위해 LS-DYNA에서 제공하는 “LAGRANGE_IN_SOLID” 옵션을 사용하여 완전부착을 모사하였다. 사용된 보강근의 항복강도는 400 MPa, 파단강도는 620 MPa로 고려하였다.

3.3 차량모델

차량은 NCAC(2020)⁽²⁵⁾에서 제공하는 트럭(Fig. 12)을 활용하였다. 트럭은 32,907개 요소와 160개 파트가 각각 고유의 질량과 형상으로 되어 있는 등 차량을 정밀하게 표현하여 충돌하중 산정에 신뢰성을 높인 것으로 판단된다.

3.4 충돌 시 접촉모델

트럭과 중앙분리대 충돌 시 접촉면의 주종(master-slave)관계 설정이 어려우므로 충돌면을 자동으로 인식하는 접촉알고리즘을 기반으로 하중을 전달하는 “AUTOMATIC_SINGLE_ SURFACE”를 사용하였다. 동적마찰계수와 정적마찰계수는 기존 문헌(Chung et al. 2011)⁽³⁾을 참고하여 각각 0.08과 0.05를 사용하였다.

3.5 재료모델 변수

본 연구를 위해 최종 선정된 재료모델 변수는 Table 4와 같다. CSCM을 이용하여 중앙분리대의 충격저항성능을 평가한 이전 문헌에 따르면 본 재료모델의 입력변수로 “ERODE” 값과 “REPOW” 값에 매우 민감한 것으로 확인되었다(Lee et al. 2017b)⁽¹⁸⁾. 충돌해석 시 사용되는 “ERODE”와 “REPOW”의 적정 값을 산정하기 위해서는 실험자료가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다양한 변수해석(76개의 변수조합)을 수행한 이전 문헌에서 제안한 값을 사용하였다(Lee et al. 2017b; Kim et al. 2018a, b; Lee et al. 2019)^(10,16,18).

76개의 변수조합을 사용하여 충돌해석을 수행했으며 2번의 충돌시험 결과와 비교하여 오차율을 최소화한 가장 적정한 재료모델 변수를 선정하였다. 첫 번째 충돌시험은 SB5-B 등급(속도: 85 km/h, 중량: 14,000 kg, 각도: 15°, 충격도: 270 kJ)의 중앙분리대 충돌시험이며 두 번째는 SB5-B 등급에 각도를 5° 상향한 충돌각 20°의 SB5-B(20A) 실험조건에서 설계된 단면에 대한 충돌실험 결과이다. 실물충돌시험 결과와 충돌해석 결과 비교 시 부피손실률 사용 하였으며 여기서 부피손실률은 1.0 m의 중앙분리대 부피를 기준으로 손실된 부피를 비율로 나타낸 것이다.

4.1 피복두께 열화 모델

피복두께 열화 모델은 열화된 콘크리트 중앙분리대 코어 분석 결과를 바탕으로 제시한 것이다. 코어 분석에서 피복두께 30 mm까지 균열이 발견되어 중앙분리대 표면에서 깊이 30 mm까지는 구조성능을 발휘할 수 없다고 가정한 모델이다. 이를 위해 CSCM 콘크리트 모델이 제공하는 Damage Parameter(PreD)를 이용하였다(Murray 2007)⁽²⁴⁾. PreD는 손상 정도(0~0.99)를 가정하는 옵션이다. 본 연구의 피복두께 열화모델에서는 깊이 30 mm까지 위치한 요소의 손상 정도를 PreD 0.99(99 %)로 가정하였고 높이를 기준으로 충돌해석을 수행하였다. 열화에 의한 단면 손실이 발생할 경우 600 mm 이상의 높이에서는 평가성능기준(8.0 %)을 초과하였다(Fig. 13). 본 충돌해석의 결과는 열화 된 콘크리트의 강도 저하율을 99 %로 가정한 경우이므로 상당히 보수적으로 중앙분리대의 성능을 추정한 것이다. 실제는 충돌하중에 대해 이보다 더 높은 중앙분리대 성능이 예상된다.

피복두께 열화모델에서 구조성능 저하를 CSCM 재료모델의 PreD를 사용하여 모사하였다. Fig. 13의 결과값은 PreD의 값을 0.99(손상 정도 99 %)로 가정한 경우로 중앙분리대의 열화를 과도하게 반영을 하고 있다. 따라서 적절한 강도 저하율을 결정하기 위해 단일요소(single element)를 대상으로 PreD 민감도 분석을 실시하였다. 단일요소의 손상 정도를 0, 10, 20, 50, 70, 99 %로 가정하여 이에 따른 일축압축조건과 일축인장조건에 대해 충돌해석을 실시하였고, 응력-변형률 그래프 결과를 Fig. 14에 비교하였다. 해석결과 일축압축하중 조건(Fig. 14(a))에서는 강도와 파괴에너지 모두 손상 정도에 따라 감소하였다. 반면에 일축인장하중 조건(Fig. 14(b))에서는 파괴에너지는 줄어들지 않고 유지되는 반면 강도는 감소하였다. 따라서 PreD가 적용되지 않은 기존 열화가 없는 요소보다 오히려 연성적인 거동을 하는 것이 확인되었다. 따라서 CSCM 재료 모델이 제공하는 PreD는 열화에 의한 콘크리트의 성능저하를 모사하기에는 적절하지 않은 것으로 사료된다.

해석모델에 열화에 따른 강성 및 강도 저감 효과를 부여하기 위해 PreD 값 대신에 CSCM 모델에 압축강도와 파괴에너지(인장 파괴에너지, 전단 파괴에너지, 압축 파괴에너지) 값을 열화에 따라 감소시켰다. 압축 파괴에너지의 감소 비율은 압축강도와 동일한 것으로 가정하였고 전단 및 인장 파괴에너지 감소비율은 Swamy and Al-Asali(1988)⁽²⁶⁾ 문헌(Table 3)을 참고로 하였다. 본 가정과 관련된 결과는 다음 장에 자세히 기술하였다.

4.2 단계별 높이 열화 모델

단계별 높이 열화 모델은 현장조사에서 사용된 4단계 열화 구분 기준과 Swamy and Al-Asali(1988)⁽²⁶⁾가 제시한 ASR 팽창률에 따른 콘크리트 재료 물성치(압축강도 및 파괴에너지) 감소비율을 적용한 열화 모델이다. 현장조사에 사용한 250 mm를 기준으로 4단계로 구분하고 각 단계별 구조성능 감소는 Swamy and Al-Asali(1988)⁽²⁶⁾의 제안 값을 따랐다(Fig. 10 and Table 3). 단계별 높이 열화에 따른 중앙분리대의 부피손실률을 Fig. 15에 나타냈다. 열화 높이가 증가하여도 750 mm(열화수준 3단계)까지는 부피손실률은 최대 3.5 %로 평가성능기준 8.0 %의 절반 이하 수준으로 발생하였다. 반면에 열화 수준 4단계(1,270 mm)에서는 해석결과 11.62 %로 이전 단계보다 3.3배 더 많이 파괴가 발생하였다. 이는 충돌해석 시 모델차량의 범퍼 중간 지점과 중앙분리대의 충돌지점이 지면으로부터 943 mm인 점을 고려한다면 해석대상 차량의 1차 충돌 시(가장 높은 충돌에너지) 차량의 충돌하중이 열화된 콘크리트 중앙분리대의 직접적으로 전달되어 파괴가 많이 발생한 것으로 판단된다. 부피손실률에 의한 평가성능기준이 8.0 %를 고려한다면 4단계의 열화가 진행되었을 경우에는 중앙분리대의 구조성능을 만족하지 못할 것으로 예상된다.

4.3 열화 된 콘크리트 중앙분리대 성능 평가 및 개량

현장조사 및 중앙분리대 코어 분석을 통해 두 개의 열화 모델을 제시하였다. 각각의 열화 모델에 SB5 등급의 충돌하중(속도: 80 km/h, 중량: 14,000 kg, 각도: 15°, 충격도: 230 kJ)을 적용하여 높이(단계)에 따른 부피손실률을 계량하였다. 피복두께 열화 모델의 경우는 높이 400 mm와 600 mm 사이에서 성능평가기준(부피손실률 8.0 %)을 만족하지 못한 결과를 보여주었으며 단계별 높이 열화 모델의 경우는 높이 750 mm와 1,270 mm 사이에서 성능평가기준을 만족하지 못하였다. 따라서 현재로서는 안전측면에서는 중앙분리대가 4단계(열화 최소 높이 750 mm) 단면열화에 도달하기 전에 개량을 고려할 필요가 있으며, 구체적으로 3단계 열화의 최고 열화높이 750 mm에 도달하기 전에 개량이 이루어져야 할 것으로 판단된다.