Stress Distribution in Concrete Pavements under Multi-Axle Vehicle Loads Obtained Using Transformed Field Domain Analysis

The stress distribution and the critical stresses in concrete pavements were analyzed using formulations in the transformed field domains when dual-wheel single-, tandem-, and tridem-axle loads were applied. First the accuracy of the transformed field domain analysis results was verified by comparing with the finite element analysis results. Then, the stress distribution along the longitudinal and transverse directions was investigated, and the effects of slab thickness, concrete elastic modulus, and foundation stiffness on the stress distribution were studied. The effect of the tire contact pressure related to the tire print area was also studied, and 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 multi-axle loads became larger as the concrete elastic modulus increased, the slab thickness increased, and the foundation stiffness decreased. The number of axles did not tend to affect the critical stress ratio except for a small foundation stiffness value with which the critical stress ratio became significantly larger as the number of axles increased. The critical stress location in the transverse direction tended to move into the interior as the tire contact pressure increased, the concrete elastic modulus increased, the slab thickness increased, and the foundation stiffness decreased. 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.

변환영역 해석법을 통한 콘크리트 도로 포장의 다축 차량 하중에 대한 응력 분포 분석

본 연구는 콘크리트 포장에 복륜 단축, 복륜 복축, 복륜 삼축 등 복륜 다축 차량 하중이 작용할 때 포장의 응력 분포와 최대 응력을 변환영역에서의 해석법을 이용하여 분석하였다. 우선 변환영역에서의 해석법을 이용한 결과와 유한요소법을 이용한 결과를 비교하여 해석법의 정확성을 파악하였다. 그리고 종방향과 횡방향을 따라 응력의 분포형태를 분석하고, 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 분석하였으며 콘크리트 포장에서 최대 응력이 어느 위치에서 발생하는지에 대한 연구도 수행하였다. 연구 결과 다축 하중에 의한 콘크리트 포장의 최대 응력은 콘크리트의 탄성계수가 증가할수록, 슬래브의 두께가 감소할수록, 그리고 지반 탄성계수가 감소할수록 증가하였다. 이러한 변수 등이 변할 때 축수에 따른 최대 응력 비율의 변화는 대체적으로 미소하지만 지반 탄성계수가 작을 때는 축수가 증가 할수록 최대 응력 비율이 급격히 증가한다. 횡방향의 최대 응력 발생 위치는 일반적으로는 접지압이 증가하면 바깥쪽에서 안쪽으로 이동하며 콘크리트 탄성계수나 슬래브 두께가 증가하거나 지반 탄성계수가 감소할 때도 최대 응력 발생 위치는 바깥쪽에서 안쪽으로 이동한다. 종방향 상의 최대 응력 위치는 하중 접지압에 영향을 받지 않으며 단축과 복축 하중일 경우는 축의 위치이며 삼축 하중일 경우에는 콘크리트 탄성계수나 슬래브 두께가 증가하던지 또는 지반 탄성계수가 감소하면 최대 응력이 생기는 종방향 위치가 양쪽 바깥축에서 중간축의 위치로 바뀌게 된다.