A Study of the Influence of Water Film Thickness on Wet Pavement Friction for Tined Concrete Pavement
수막두께가 타이닝 콘크리트 포장의 노면 마찰에 미치는 영향에 관한 연구
- 주제(키워드) 도움말 wet pavement friction , water film thickness , British pendulum number , Prediction model , pavement slope , rainfall intensity , drainage path length
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 이승우
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 토목공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000011792
- UCI I804:42001-000000011792
- 본문언어 영어
초록/요약 도움말
Based on vehicle crash data, the possibility of causing accidents on wet pavements is 10 times greater than on dry pavements. This significant increase in the ratio of vehicle crash occurrences has been a primary concern for drivers, resulting from the decrease in wet pavement friction caused by the increase in water film thickness (WFT). Therefore, water film thickness and wet pavement friction are significant parameters in both roadway geometric design and pavement management systems (PMS), ensuring road traffic safety. Excessive splash and spray are another phenomenon linked to WFT, which causes a nuisance to motorists and decreases a road’s safety. When rainwater does not drain off a pavement surface rapidly, a water film thickness forms on the top of the surface, separating a portion of the vehicle’s tires from the pavement surface, and acting as a lubricant layer thereby reducing pavement skid resistance. The uplift force increases with increasing vehicle speed until the full separation of the tire from the pavement. The water film thickness was affected by various factors such as the rainfall intensity, the pavement slope, surface texture type, and drainage path length, which refers to the distance water travels along the pavement surface before reaching a drainage system. To ensure reliable wet pavement friction for roadway geometry design, the prediction of a water film thickness model should be carried out. Furthermore, Tinning is one of the widely used textures for concrete pavements, however, since previous WFT models have been developed based on the asphalt pavement texture and broom concrete, it may not give reliable predictions for Water film thickness for tinned concrete. To address these issues, WFTs were measured using artificial rainfall simulated with a rainfall simulator across various pavement slopes (0-10%), rainfall intensities (0-130mm/h), drainage path lengths (0-5m), and surface texture. Additionally, the British pendulum number (BPN) is one of the methods used to measure the wet pavement friction for the input of geometry design and pavement management systems. The British pendulum number (BPN) in wet conditions varies with Water film thickness (WFT). Therefore, this dissertation aims to propose a reliable WFT prediction equation on tined concrete pavement and investigate the influence of the water film thickness (WFT) on wet pavement friction as indicated by the British Pendulum Number (BPN). The result demonstrated the Gallaway, PAVDRN, and RRL models, underestimated WFT on concrete pavement surface because these prediction models were developed based on asphalt concrete texture. Furthermore, the GWNU equation provides reliable predictions of WFT in tined concrete pavement when compared with the measurement data, considering various factors including rainfall intensity, drainage path length, pavement slopes, and mean texture depth. Consequently, the wet pavement friction, represented by the British pendulum number (BPN), decreased with an increase in the water film thickness across various surfaces. Moreover, the decrease in friction for each surface followed a different trend. Notably, the non-tined and longitudinal tined surfaces (with 16mm and 25mm spacing) exhibited a significant decrease compared to the transverse tined surface (with 16mm and 25mm spacing). This difference can be attributed to the transverse tined surface allowing water to flow more rapidly than the longitudinal tined surface. Overall, Major finding of this study offers valuable insights for road engineers to efficiently design roadway geometry and pavement management systems (PMS). By confidently selecting design parameters such as pavement slope, drainage path length, and surface characteristics, engineers can accurately predict water film thickness (WFT), thus minimizing hydroplaning risk and enhancing overall safety, particularly during wet weather conditions.
more초록/요약 도움말
교통사고 데이터에 따르면 습윤 상태의 노면에서 교통사고 가능성이 건조한 노면보다 10배 더 큰것으로 확인되었다. 습윤 상태의 노면에서 교통사고 발생 비율의 증가는 운전자들에게 주요한 관심사로 떠오르고 있으며, 이는 수막두께(WFT, Water Film Thickness)의 증가로 인해 노면 마찰력이 감소하여 발생하는 현상으로 알려져 있다. 이에 따라 수막 두께와 습윤 상태의 노면 마찰력은 도로의 기하학적 설계 및 포장 관리 시스템(PMS, Pavement Management System)에서 교통 안전을 위한 중요한 매개변수로써 사용되고 있다. 빗길 주행 시 발생하는 물보라 현상은 수막 두께와 관련된 또 다른 현상으로, 이는 운전자의 불안감을 발생시키고 도로의 안정성을 감소시킨다. 빗물이 포장 표면에서 배수되지 않으면 노면에 수막이 형성되어 차량 타이어와 노면을 분리시키고, 윤활제 역할을 하여 노면의 마찰력을 감소시킨다. 수막 두께는 강우 강도, 포장 경사, 표면 질감 및 도로의 배수 시스템에 의해 물이 포장 표면을 따라 이동하는 거리를 나타내는 배수 길이와 같은 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 도로 기하학적 설계에 고려되는 습윤 상태의 노면 마찰력을 확보하기 위해서는 수막 두께의 예측이 필요하다. 이에 관련하여, 타이닝은 콘크리트 포장에 주로 사용되는 표면 처리 기법 중 하나이나, 이전의 WFT 모델은 아스팔트 포장 또는 마대 끌기 공법을 사용한 콘크리트 포장을 기반으로 개반되었기 때문에 타이닝 콘크리트 포장의 수막 두께를 예측하기에 어려움이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 종류의 포장 경사, 강우 강도(0-130mm/h), 배수 길이(0-5m), 및 노면 조직에서 모의 강우 장비를 사용하여 WFT를 측정하였다. BPN(British Pendulum Number)는 도로의 기하학적 설계 및 PMS의 입력 변수로 사용되는 노면 마찰력 측정 방법 중 하나로써, 습윤 상태의 노면에서 BPN은 WFT에 따라 달라진다. 따라서 본 연구에서는 타이닝 콘크리트 포장에서 신뢰할 수 있는 WFT 예측 방정식을 제안하고, 수막두께가 습윤 상태의 노면 마찰력인 BPN(wet)에 미치는 영향을 검토하였다. 실험 결과 Gallaway, PAVDRN 및 RRL 모델이 콘크리트 포장의 표면에서 WFT를 과소 예측 하는 경향이 확인되었으며, 이는 기존 모델이 아스팔트 콘크리트의 표면에서 개발되었기 때문으로 판단된다. 이에 따라 강우 강도, 배수 길이, 포장 경사, 평균 조직 깊이 등의 다양한 요인을 고려한 GWNU 모델을 제안하였고, 이는 타이닝 콘크리트 포장에서 신뢰할 수 있는 수막 두께 예측 식으로 판단된다. 또한 BPN(wet)의 경우 다양한 노면 조건에서 수막 두께가 증가함에 따라 감소하였으며, 타이닝의 종류에 따라 노면 마찰력의 감소하는 경향이 다른 것을 확인하였다. 특히, 표면 처리를 하지 않은 포장 노면과 세로 방향으로 타이닝 된 포장의 노면(16mm 및 25mm 간격)은 가로 방향으로 타이닝 된 포장의 노면(16mm 및 25mm 간격)과 비교하여 노면 마찰력이 현저히 감소하였다. 이러한 차이는 가로 방향의 타이닝이 세로 방향 타이닝에 비해 포장 표면의 물이 더 빠르게 흐르게 배수되기 때문으로 판단된다. 본 연구의 결과는 도로 엔지니어가 도로 기하학적 설계 및 PMS를 효율적으로 설계하는데 있어 중요한 자료로써 사용될 것으로 판단된다. 포장 경사, 배수 길이, 노면 조직 특성 등의 설계 변수를 선택함으로써 수막 두께를 정확하게 예측하여 수막 현상을 최소화하고 우천 시 전반적인 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
more목차 도움말
TABLE OF CONTENTS
Abstract i
Abstract iii
TABLE OF CONTENTS v
LIST OF TABLES vii
LIST OF FIGURES viii
LIST OF ACRONYMS AND SYMBOLS x
CHAPTER 1 INTRODUCTION
1.1 Research Background and Motivation 1
1.2 Objectives 4
1.3 Scopes 4
1.4 Dissertation outline 5
CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW
2.1 Water Film Thickness Overviews 7
2.1.1 Water film thickness definitions 7
2.1.2 Factors affect the water film thickness 7
2.2 The existing WFT prediction model 8
2.3 Mechanism of the wet pavement friction generation 11
2.4 Mechanism of the British Pendulum Number 13
2.5 Summary of the literature review 14
CHAPTER 3 DEVELOPING A WATER FILM THICKNESS PREDICTION MODEL FOR TINED CONCRETE PAVEMENt
3.1 Strategy 15
3.2 Equipment and data collection 15
3.2.1 Test Section 15
3.2.2 Test Condition 16
3.2.3 Measurement 17
3.3 Analysis of test results 21
3.3.1 Test result 21
3.3.2 Sensitive analysis 23
3.3.3 GWNU Prediction Equation 32
3.4 Conclusion 36
CHAPTER 4 Investigating the influence of the water film thickness on British pendulum number
4.1 Strategy 38
4.1.1 Experiment Conditions 38
4.1.2 Measurement of the British pendulum numbers 39
4.2 Result and Discussion 41
4.2.1 Test Result 41
4.2.2 The Effect of Water Film Thickness on British Pendulum Numbers in Various Pavement Surfaces 44
4.2.3 Determination of the water film thickness corresponding with the British pendulum number 45
4.3 Conclusion 49
CHAPTER 5 CONCLUSIONS 51
5.1 Summary and Conclusion 51
5.2 Recommendations for Future Study 54
REFERENCES 55
ACKNOWLEDGMRNTS 58
