Porous Pavement and Porosity Estimation
2013. 8. 29
2013 Conference on Eco-Delta City Construction and Sustainable GrowthKorea Society of Civil Engineers Busan∙Ulsan∙Gyeongnam Branch
Jaehun AhnCivil & Environmental Engineering
Pusan National University
Contents
Introduction to GI&LID ProjectII
Permeable Pavement ApplicationsIIII
Estimation of PorosityIIIIII
Summary and ConclusionsIVIV
Introduction to GI&LID ProjectGI&LID Project
도시화기후 변화
강우 수문 특성 변화
돌발적 집중호우발생강우량 및 강우강도 증가
강우일수감소 , 호우일수증가
기후변화와 도시화에 따른 물환경 변화
도심지물순환왜 곡
우리나라 높은 기온상승
100 년 세계평균 0.74 ℃ 상승
대비 한국 1.5℃ 상승2100 년 온도 4℃ 증가예상
물자원 시간 지역적 불균형•물사용 수요 증가 대비 가뭄
빈발로 인해 물가용수량감소지하수고갈 및 지하수위 저하
도시 물순환 변화 차단•우리나라 도시화율 약 91%
불투수층원인 강우유출량증가
도심저지대 도시침수지역증가
도시 환경오염 악영향
매연 등 도시환경 오염증가초기우수유출시
비점오염증가도심 식생 , 수질 생태계악화
열섬효과 도시열순환 재해•도시 복사열상승 , 기온 상승과열대야 , 도심 열대류순환 저해
물관리 및 냉난방에너지 증가
물관리 환경 악화로 국가발전걸림돌• , 국민 삶의 질 위협 홍수 , 가뭄 등 재해증가 , 수질오염 , 도시 에너지 소모
빗물 유출양상 변화
기상재해 , 도시침수
“ 기상재해 피해액 급증”
“ 서울시 상습침수지역”
“ 자연 물순환기능 회복을 위한 도심의 한국형 물환경개선 기술 필요”1
물순환 고도화 기술한국형 LID 기반 도로교통시설
특성
Introduction to GI&LID Project
한국형 LID 기반 도로교통시설 및 물순환 고도화 개념
LID
기법
LID(Low Impact Development) 기법이란 , 강우유출수를 최대한 발생지역에서 관리하는 토지개발방식으로 홍수 및 수질오염 저감을 위한 우수 침투 , 저류 , 물순환 체계를 고려한 토지이용계획기법 ( 친수구역 조성지침 , 국토교통부 , 2011.11.)
적용 LID 기술은 위치 및 배치 타당성평가 , LID
시설의
개발과 통합유역관리 기술 , 공법이나 시설의 분석평가
기술 , 유지관리 기술 등으로 구분됨
국내 도심지 도로환경에 적합한 도로교통시설
포장재료
개발 및 성능평가 기술 개발로 설정함
도로교통시설의 목적별 국내 지형적 / 토질 / 수리수문
/
수질 및 열 환경 등을 고려하여 국내 도심지 특성에
맞는 친환경적 LID 기반 구축이 필요하며 , 일련
분야의
접목에 의한 종합적 도로교통 LID 요소기술과 시스템
개발되는 LID 도로교통시설 및 시스템은 분산형 개념의 물관리에 따라 빗물침투저류에 의한 도시재해 안전도 향상시키도록 방향을 설정함
도시물순환 개선의 증대를 위한 융합형의 LID 기반 도로교통시설 개발
한국형 LID 기반 포장형 , 비포장형 도로교통시설의
수리적 침투설계 등 수문학적 최적설계기법 적용 도심지 도로교통시설물 원인의 오염물 저감에
기여하는 도시 물순환 기능의 도로교통시설이 필요함
GI&LID Project
자연물순환기능의 녹색도시조성 일환으로 분산형의 물관리를 위한 녹색기반시설 (GI:Green Infrastruc-ture) 도로교통시설에 대하여 도심지 수량과 수질을 동시에 고려한 LID 기반의 장수명 효율적 요소기술과
검증 및 평가 , 유지관리 기법 , 시설 복합적용시 계획 설계를 최적화할 수 있는 기술• 2
Introduction to GI&LID ProjectGI&LID Project
연구과제 최종 목표
한국형 LID 기반 도로교통시설
및 물순환 고도화기술 개발
LID 기반 도로교통시설 DB 구축 통합적 성능평가 및 검증기술 표준 매뉴얼 LID 기반 도로교통시설 표준 설계· 시공 · 유지관리 매뉴얼 개발
한국형 LID 기반 도로교통시설 요소기술 ( 포장형 및 비포장형 )
포장형 , 비포장형 LID 시설의 수리적 침투설계 등 수문학적 최적설계기법 개발 LID 기반 도로교통시설 재료 및 구조성능평가 기술
LID 기반 도로교통시설 성능의 평가 , 실험적 검증기법 구축
다차원 LID 침투시설 모형화 기법 및 최적 매개변수 기반 평가 기술 실증단지 LID 기반 도로교통시설 구축 및 모니터링
LID 기반 도로교통시설 개발
LID 시설 DB 구축과 표준 매뉴얼
성능평가 및 검증기술
1. 저영향 개발 기법을 접목하여 국내에 적합한 도로교통시설 포장재료 개발 및 성능평가기술 개발
2. 도시 물순환 개선의 증대를 위한 융합형 LID 기반 도로교통시설 개발
3. 단위 LID 기반 도로교통시설의 구조 , 토질 , 수리 , 환경적 안정성을 확보하기 위한 실험적 성능평가 및 검증 기법 개발
4. 통합적 LID 기반 도로교통시설의 적용을 위한 표준화된 설계 시공 유지관리 매뉴얼 개발
3
교수 안재훈
공동주관 : ( 주 ) 서영엔지니어링
교수 김낙석
교수 오정호LID 시설 모형화기법 적용
실증단지 평가구축 , 검증기법
포장형 LID 시설 재료 및구조성능평가 기법 개발
투수성 , 보수성 투수콘크리트 ,투수아스팔트 재료 개발
교수 고석오
LID 도로교통시설 DB 구축DB 연계 웹매뉴얼 작성
융합형 통합 LID 도로교통시설 설계시스템블럭포장 , 비포장형 LID 시설 설계
교수 조덕준
융합형 LID 도로교통시설수리수문학적 최적화 설계
D B구축
매뉴얼
시설통합설계 , 평가
최적화모델링 실 험
모델링
재료도로성능평가
실증검증기법
재료개발
교수 조계춘LID 도로교통시설 수리침투실험 ,지중지하수 연계 모델링 , 해석
도 로
지반공학
포장재료
수리수문
시설성능평가 검증•
총 괄설 계
비점오염환 경
순환적상 호연 계
Project TeamGI&LID Project
참 여기 업
중앙아스콘 : LID 투수아스팔트 재료 GL E&C : LID 투수큰크리트 재료
SBB : LID 폴리머 재료 분야 제영 : 투수블록 , 비포장형 LID 시설
시공 4
Model-Scale ExperimentsGI&LID Project
3
Experimental Applications
LID/Rainfall Simulator
5
Prototype/Testbed ExperimentsGI&LID Project
6
Monitoring of Permeable Pavement Performance at WSU
LID Testbed Facility Planned at PNU
Applications Applications: Parking Lot
7
LocationPavement type Monitoring
RemarksICP PC PA Flow Quality
Durham, NC, US ○ ○ ○
Edison, NJ, US ○ ○ ○ ○ ○
WSU LID Facility, WA, US ○ ○ ○ ○
Lockheed Martin, MN, US ○ ○ ○
Fayetteville, NC, US ○
University Plaza, CO, US ○
NREL, CO, US ○
Perkins Township, OH, US ○
Safeway Grocery, CO, US ○
NREL, CO, US ○
Applications Applications: Parking Lot
8
Durham, NC, US
ICP Area=82 m2
Runon Area=417 m2
(5.5:1 Ratio)
NonICP Area
NonICP Area ICP Area
Applications Applications: Parking Lot
9
ICP Area=214 m2
Runon Area=558 m2
(2.6:1 Ratio)
NonICP Area
ICP Area
Fayetteville, NC, US
NonICP Area
NonICP Area
ICP Area
Applications Applications: Parking Lot
10
Perkins Township, OH, US
ICP Area=214 m2
Runon Area=558 m2
(2.6:1 Ratio)
ICP Area
Applications Applications: Roadway
11
LocationPavement type Monitoring
RemarksICP PC PA Flow Quality
Dale street Alley, MN, US ○ ○ L = 77,400 ft2
Woodbridge Neighborhood, MN, US ○ ○
27st Ewing Ave N, MN, US ○ ○ ○
Monitoring pre-wetting salt, anti-icing,
temperature
41st Abbott Ave N, MN, US ○ ○ ○
Monitoring pre-wetting salt, anti-icing,
temperature
Applications Applications: Roadway
12
41st Abbott Ave N, MN, US
Porous Area
Non Porous Area
Applications Applications: Roadway
13
Dale street Alley, MN, US
900’ Long, 12’ Wide8” Pervious Con-crete
Applications Applications: Roadway
Woodbridge Neighborhood, MN, US
25’ Wide Residential Streets7” Pervious Concrete
14
Porosity Pervious Concrete Sample
15
Sampling Location
Field Sample
Porosity X-Ray Equipment
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Item 2D X-Ray 3D X-Ray
Manufacturer X-Tek X-Tek
Model number VENLO450-ACTIS HMX CT-225
X-ray tube volt-age 450 kV 225 kV
X-ray tube cur-rent 4.8 mA 1.0 mA
2D X-Ray Equipment 3D X-Ray Equipment
Porosity X-Ray Image Analysis: 2D X-Ray
17
Planar Image
Cropped (16 bit)
Cropped (1 bit)
Otsu’s Method(Otsu et al., 1979)
Porosity X-Ray Image Analysis: 3D X-Ray
18
Planar Image
Cropped (16 bit)
Cropped (1 bit)
Otsu’s Method(Otsu et al., 1979)
Porosity X-Ray Image Analysis: Porosity
19
2D X-Ray
25 27 29 31 33 35 370
5
10
15
20
25
30
35
Porosity(%)
Dep
th(m
m)
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 400
5
10
15
20
25
30
35
Porosity(%)
Dep
th(m
m)
3D X-Ray
Porosity = 30.9 % Porosity = 35.2 %
Porosity Porosity from Weight Measurements
20
Montes et al. (2005)
Porosity Porosity from Weight Measurement
21
Equipment to Measure Submerged Weight
Porosity = 29.2 %
Ahn et al. (2013)
Porosity Comparison of Porosity
22
2D X-Ray
25 27 29 31 33 35 370
5
10
15
20
25
30
35
Porosity(%)
Dep
th(m
m)
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 400
5
10
15
20
25
30
35
Porosity(%)
Dep
th(m
m)
3D X-Ray
Porosity = 30.9 % Porosity = 35.2 % Porosity = 29.2 %
Weight Mea-surements
Summary and Conclusions
Research on traffic LID facilities has been ini-tiated.
Porous pavements are already widely used for parking lots and even for roadways under traffic.
The porosity of pervious concrete was suc-cessfully estimated based on X-Ray image analysis.
The density of pervious concrete may in-crease with depth.
Porosity estimate based on weight measure-ments was close to that from 2D X-Ray im-ages but not 3D X-Ray images.
X-Ray image analysis can further utilized to investigate the performance of porous pave-ment such as clogging.
23
I. 연구개발 개요
Thank you
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