국내에 설치되고 있는 가드레일의 단부처리시설(end treatments)은 차량의 관통이나 전복을 유발할 수 있는 형상을 하고 있어 사고 시 탑승자가치명상을 입을 가능성이 매우 높다. 실제로 차량이 가드레일의 단부에 충돌하였을 경우, 가드레일이 차량내부를 관통하여 탑승자에게 직접적인 상해를 입히는 경우가 발생되고 있다. 본 연구에서는 미국과 유럽의 성능평가기준(performance evaluation criteria)에 근거하여 국내 실정에 적합한 단부처리시설에 관한 성능평가기준(안)을 제시하였다. 또한 외국의 설치사례 및 연구사례를 조사하여 단부처리시설의 mechanism을 파악하고 국내 도로환경 에 적합한 단부처리시설을 제안하였다. LS-DYNA 프로그램을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안된 단부처 리시설에 대한 성능을 검증한 결과 성능평가기준(안)에 모두 만족한 결과를 보였으며, 개발 단부처리시설에 대한 실물차량 충돌시험을 수행한 결과 성능평가기준(안)의 탑승자 보호성능, 단부처리시설의 거동, 충돌 후 차량의 거동을 모두 만족하였다. 국내 최초로 탑승자의 안전을 고려하여 개발된 단부처리시설이 고속도로나 국도에 설치된다면 단부충돌사고의 심각성을 감소시켜 도로의 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
국내에 설치되고 있는 가드레일의 단부처리시설(end treatments)은 차량의 관통이나 전복을 유발할 수 있는 형상을 하고 있어 사고 시 탑승자가치명상을 입을 가능성이 매우 높다. 실제로 차량이 가드레일의 단부에 충돌하였을 경우, 가드레일이 차량내부를 관통하여 탑승자에게 직접적인 상해를 입히는 경우가 발생되고 있다. 본 연구에서는 미국과 유럽의 성능평가기준(performance evaluation criteria)에 근거하여 국내 실정에 적합한 단부처리시설에 관한 성능평가기준(안)을 제시하였다. 또한 외국의 설치사례 및 연구사례를 조사하여 단부처리시설의 mechanism을 파악하고 국내 도로환경 에 적합한 단부처리시설을 제안하였다. LS-DYNA 프로그램을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안된 단부처 리시설에 대한 성능을 검증한 결과 성능평가기준(안)에 모두 만족한 결과를 보였으며, 개발 단부처리시설에 대한 실물차량 충돌시험을 수행한 결과 성능평가기준(안)의 탑승자 보호성능, 단부처리시설의 거동, 충돌 후 차량의 거동을 모두 만족하였다. 국내 최초로 탑승자의 안전을 고려하여 개발된 단부처리시설이 고속도로나 국도에 설치된다면 단부충돌사고의 심각성을 감소시켜 도로의 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
Since the end treatments of guardrails installed on domestic roads have the shapes which can easily penetrate and turnover a vehicle, the occupant can be subjected to severe injury when a vehicle impacts the end treatments. In this study, the criteria of performance evaluation for end treatments are...
Since the end treatments of guardrails installed on domestic roads have the shapes which can easily penetrate and turnover a vehicle, the occupant can be subjected to severe injury when a vehicle impacts the end treatments. In this study, the criteria of performance evaluation for end treatments are suggested which are suitable to domestic road circumstances. Based on the investigation for the installation and studies instances of end treatments, the mechanism of end treatments is examined and the new end treatment suitable to domestic road circumstances is suggested. The suggested end treatment was verified by computer simulation using d LS-DYNA programs and satisfied the suggested performance evaluation criteria for end treatments. And the developed end treatment was verified by full-scale vehicle crash test and satisfied the following three primary appraisal factors of the suggested performance evaluation criteria for end treatments; occupant risk criteria, structural adequacy, and after-collision vehicle trajectory. This study is the first to develop end treatments considering the occupant safety in Korea. Therefore, If the developed end treatments is installed on roads and highways, it can be expected that it will reduce the grave situation of end treatment accidents and increase the safety of roads.
Since the end treatments of guardrails installed on domestic roads have the shapes which can easily penetrate and turnover a vehicle, the occupant can be subjected to severe injury when a vehicle impacts the end treatments. In this study, the criteria of performance evaluation for end treatments are suggested which are suitable to domestic road circumstances. Based on the investigation for the installation and studies instances of end treatments, the mechanism of end treatments is examined and the new end treatment suitable to domestic road circumstances is suggested. The suggested end treatment was verified by computer simulation using d LS-DYNA programs and satisfied the suggested performance evaluation criteria for end treatments. And the developed end treatment was verified by full-scale vehicle crash test and satisfied the following three primary appraisal factors of the suggested performance evaluation criteria for end treatments; occupant risk criteria, structural adequacy, and after-collision vehicle trajectory. This study is the first to develop end treatments considering the occupant safety in Korea. Therefore, If the developed end treatments is installed on roads and highways, it can be expected that it will reduce the grave situation of end treatment accidents and increase the safety of roads.
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문제 정의
국내에는 성능평가를 통해 검증된 노측용 방호 울타리는 약 10여종이 있으며, 그 중 고속도로에 설치되는 노측용 방호울타리(SB3등급)에 설치할 수 있는 단부처리시설을 개발하고자 하였다. 뿐만 아니라노측용으로 폭넓게 사용되고 있는 Thrie-Beam, 원형지주를 사용한 노측용 방호울타리에도 손쉽게 적용이 가능하도록 하였다.
또한 충돌 차량의 충격하중에 저항하는 단부처리시설 시스템의 복잡한 충돌거동을 각 부재별로 구조계산한다는 것은 사실상 불가능하다. 다만 기존의 개발사례를 조사하고 면밀히 검토하여 각 부재의 구조적 특성에 적합하도록 시스템을 구성하는 것이 중요하며 최종적으로 시뮬레이션을 통해 단부처리시설 시스템의 충돌 거동을 파악하고자 했다. 각 주요 부재의 구조적인 검토사항을 나타내면 다음과 같다.
또한 가드레일 단부처리에 대한 현재의 설치 관행이 얼마나 위험한 것인지를 깊이 인식하고, 더 이상 탑승자의 안전을 위협하는 시설이 아닌 탑승자를 보호할 수 있는 단부처리시설을 개발함으로써 도로의 안전도를 개선 및 향상시키고자 하였다.
본 연구는 충돌 시뮬레이션을 통해 새로 개발된 단부처리시설의 성능검증을 위해 국내 최초로 실물차량 충돌시험을 실시하여 성능이 검증된 단부처리시설을 개발하였다. 노측용 방호울타리로 폭넓게 사용되고 있는 Thrie-Beam, 원형지주를 사용한 노측용방호울타리에도 손쉽게 적용이 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 90년대 초반부터 단부처리시설에대한 연구개발이 수행되어진 외국의 설치사례 및 성능평가 기준을 검토하여 국내실정에 적합한 단부처리시설 성능평가기준(안)을 수립하고 중돌 시뮬레이션과 실물차량충돌시험을 통해 검증된 단부처리시설을개발하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 도로환경에 적합하면서 탑승자의 안전성능을 만족하는 노측용 가드레일의 단부처리시설을 개발함으로써 보다 안전한 도로 환경을 제공하고자 하였다. 또한 도로관리자는 기존 단부 처리 방법의 치명적인 위험성을 깊이 인식하여야 할 필요성 이 있으며 본 연구를 시작으로 보다 다양하고 폭넓은 관련연구가 촉발될 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구에서는 새로운 노측 가드레일용 단부처리시설을 개발하기 앞서 기존 단부처리시설의 성능 및 성능평가 기준(안)을 파악하고자 한국도로공사 고속도로 표준도의 원형 가드레일 단부처리시설을 시험대상으로 삼아 성능평가를 수행했다. 성능시험에 사용된 단부처리시설은 다음 그림 6과 같다.
단부처리시설을 개발하고자 하였다. 뿐만 아니라노측용으로 폭넓게 사용되고 있는 Thrie-Beam, 원형지주를 사용한 노측용 방호울타리에도 손쉽게 적용이 가능하도록 하였다.
이러한 현실적인 이유로 인하여 본 연구에서는 도로 이용객의 안전을 위해 기존의 노측 단부처리시설을 대신할 성능이 검증된 새로운 단부처리시설을 개발하고자 하였다.
가설 설정
있으며, (b), ("와 같이 검증되지 않은 가드레일 단 부처 리시설은 차량의 내부를 관통하여 탑승자에게 치명적인 상해를 입힐 수 있다.
- 단부처리시설의 부재가 차량의 내부공간을 관통하지 말아야 하며 탑승자에게 큰 부상을 줄 수 있는 차량 내부공간의 변형이 없어야 한다.
-단부처리시설은 충돌차량이 단부에 정면충돌하는 경우와 레일의 측면에 충돌하는 경우를 모두 고려하여 설계하여야 했다. 차량이 단부처리시설의 측방향에 충돌할 경우 레일은 인장력으로 충돌하중에 저항하여 야 하고 지주는 길이 방향 강성으로 레일을 잡아주어 야 한다.
제안 방법
수행하였다. ET2등급의 충돌시험은 총 3회를 수행하도록 하였으나 노측용이나 교량용 방호울타리의 단부 처리시설의 경우 시험 ③을 생략할 수 있으므로 시험 ①과 시험 ②를 수행하였다.
국내 도로의 설계속도를 감안하여 차량의 충돌속도는 시험등급에 따라 60km/h, 80km/h,100km/h로 구분하였으며 , 충돌각도는 일반적인 충 돌차량의 진입각도를 고려하고 외국의 시험기준을참고하여 0°, 15°, 165° 하였다.
개발하였다. 노측용 방호울타리로 폭넓게 사용되고 있는 Thrie-Beam, 원형지주를 사용한 노측용방호울타리에도 손쉽게 적용이 가능하도록 하였다. 단부처리시설을 개발함에 있어서 검토하여야 할 세부적인 항목을 모두 고려하고 성능평가기준(안)을 적용한 성능검증을 통해 단부처리시설 시스템을 표 4와 같이 개발하였다.
단부처 리시설은 탑승자의 안전성능을 평가하기 위하여 표 2의 탑승자 충돌속도 (THIV) 와 탑승자 가속도(PHD)를 제안하였다. 표 2의 탑승자 안전도 평가 기준(안) 한계값은 탑승자를 보호할 수 있는 최소한의 기준값으로 유럽기준 및 국내 차량방호 안전시설탑승자 보호성능 기준값과 동일한 한계값을 사용하였다.
노측용 방호울타리로 폭넓게 사용되고 있는 Thrie-Beam, 원형지주를 사용한 노측용방호울타리에도 손쉽게 적용이 가능하도록 하였다. 단부처리시설을 개발함에 있어서 검토하여야 할 세부적인 항목을 모두 고려하고 성능평가기준(안)을 적용한 성능검증을 통해 단부처리시설 시스템을 표 4와 같이 개발하였다.
본 연구에서 제시하는 단부처리시설의 충돌시험 조건 및 성능평가기준(안)은 미국(NCHRP 350) 과유럽(CEN) 단부처리시설 성능평가기준을 참조하여 국내 여건에 맞게 기준을 정 립하였다.
본 연구에서는 국내실정에 알맞은 단부 처리시설의 개발을 위하여 LS-DYNA 프로그램을 이용하여 충돌 시뮬레이션을 수십차례 수행하여 표 4의 가드레일용 단부처리시설을 개발하였다.
충돌시험 조건은 단부처리 시 설의 성 능평 가기 준 (안) ET2등급을 적용하여 충돌시험을 수행하였다. ET2등급의 충돌시험은 총 3회를 수행하도록 하였으나 노측용이나 교량용 방호울타리의 단부 처리시설의 경우 시험 ③을 생략할 수 있으므로 시험 ①과 시험 ②를 수행하였다.
탑승자 안전지수를 계산하기 위하여 차량의 무게중심점에 X축, Y축 Z축 가속도와 Yaw 각속도를 계측하였으며 데이터의 Sampling Rate는 10, 000Hz로 하였다. 계측된 데이터를 처리하여 탑승자 안전지수를 계산한 결과는 표 3에 나타내었으며 그림 10은 THIV, PHD 그래프를 각각 나타낸 것이다.
대상 데이터
단부처리시설의 설치목적은 대형차량의 방호성 능을 위한 것이기보다는 소형차량이 방호울타리의 단부에 충돌할 경우 단부가 차량을 찌르거나 차량이 전복되는 충돌상황을 방지하여 탑승자의 안전을 확보하기 위한 시설이므로 성능평가용 충돌차량의 중량은 1.3ton 소형차량으로 하였다.
Reduce 모델 (NCAC, 2000)을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌조건으로 ET2등급을 적용하였으며 시험차량은 1.3ton 소형차를 대상으로 모델링을 하였다. 현재 국내의 지침에는 단부처리시설에 대한 성능평가기준이 없으므로 모의충돌시험을 위한 시험조건은 본 연구를 통해 제안된 단부처리시설의 성능평가기준(안)을 따랐다.
따랐다. 충돌조건으로 ET2등급을 적용하였으며, 시험차량은 1.3ton 소형차를 대상으로 충돌속도 80km/h, 정면으로 충돌하였다.
이론/모형
본 연구에서는 그림 11과 같은 Ford Taurus 차량의 Reduce 모델 (NCAC, 2000)을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌조건으로 ET2등급을 적용하였으며 시험차량은 1.
현재 국내의 지침에는 단부처리시설에 대한 성능평가 기준이 없으므로 충돌시험을 위한 시험 조건은 본 연구를 통해 제안된 단부처리시설의 성능평가 기준(안)을 따랐다. 충돌조건으로 ET2등급을 적용하였으며, 시험차량은 1.
3ton 소형차를 대상으로 모델링을 하였다. 현재 국내의 지침에는 단부처리시설에 대한 성능평가기준이 없으므로 모의충돌시험을 위한 시험조건은 본 연구를 통해 제안된 단부처리시설의 성능평가기준(안)을 따랐다.
성능/효과
LS-DYNA를 사용한 시 뮬레 이션을 통하여 차량의Rolling, Pitching, Yawing의 발생여부를 살펴본 결과 정면충돌의 경우 차량의 충돌과정에서의 회전은 거의 없는 것으로 나타났고 측면 15° 충돌의 경우Pitchinge 9°, Yawinge 32° 의 회 전을 보였다.
개발단부처 리시설의 검증을 위해 실물차량 충돌시험을 실시하였으며 ET2등급의 시험 ①과 시험 ②를시험한 결과 모든 성능평가기준에 만족하였다.
수행한.결과, 탑승자 보호성능, 단부처리시설의 거동, 충돌후 차량의 거동이 모든 성능평가기준에 만족하는 결과를 보였다.
발생하는 것으로 나타났다. 그 뿐 만 아니라 탑승자보호성능 수치도 위험수치를 넘어서 탑승자의 안전을 지키지 못하는 시설물로 평가되었다.
탑승자 안전지수를 계산한 결과는 표 6에나타내었으며 그림 17은 정면충돌의 THIV, PHD그래프를 나타낸 것이다. 단부처리시설의 성능평가 기준(안)에 따라 정면충돌 및 측면 15° 충돌에서 모두 THIV와 PHD가 모두 만족하는 결과를 보였다.
시뮬레이션 결과에 의하면 노측 단부 처리시설의 정면, 측면충돌에서 THIV 및 PHD로 나타나는 탑승자 안전지수는 모든 충돌조건에 만족하는 것으로 확인되었다.
이 성능평가를 통해 , 도로를 주행하는 차량과 탑승자의 안전을 위해 설치되는 기존의 가드레일 단부처리시설이 오히려 탑승자의 안전을 위협하는 무기가 될 수 있다는 것이 확인되었다.
탑승자의 이론적 머리가 차량내부에 충돌하는 상대 속도 (THIV)는 정 면 충돌시 0.104초 에24.2km/h, 측면 15° 충돌시 0.200초에 26.4km/h의 값을 보이고 있으며, 탑승자의 머리가 받는 최대가속도(PHD)는 정면충돌시 0.129~0.139초 사.이의 10ms 이동평균 최대가속도가 11.
특히, 기존 단부처리시설을 시험한 결과 차량 내부로의 관통이 있어서 탑승자에게 매우 위험한 거동을 보인 반면, 새로 개발한 단부처리시설의 경우 차량 내부로의 관통이 발생하지 않았으며 탑승자 안전지수도 모두 만족한 결과를 보였다.
후속연구
하였다. 또한 도로관리자는 기존 단부 처리 방법의 치명적인 위험성을 깊이 인식하여야 할 필요성 이 있으며 본 연구를 시작으로 보다 다양하고 폭넓은 관련연구가 촉발될 수 있을 것이라 기대된다.
위와 같은 결과를 유럽기준이나 성능기준(안)에적용한다면, THIV는 44km/h 이하여야 하지만 초과하여 만족하지 못한 결과로 나타나 탑승자의 안전도는 취약했으며 기존 노측 단부처리시설은 성능상 문제점이 입증돼 새로운 시설물의 개발이 필요했다.
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