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문제 정의
- 본 논문에서는 스마트하이웨이 도로안전시설 성능평가를 위한 충돌조건과 충돌조건의 결정방법을 제시한다. 그리고 기존의 국내 최고성능등급의 종방향 방호울타리에 대하여 다양한 충돌조건을 적용한 시뮬레시션을 수행하고 그 결과를 분석하여 제시된 스마트하이웨이 충돌조건에 대한 물리적 의미를 파악하고자 한다.
- 본 논문에서는 스마트하이웨이 도로안전시설 성능평가를 위한 충돌조건과 충돌조건의 결정방법을 제시한다. 그리고 기존의 국내 최고성능등급의 종방향 방호울타리에 대하여 다양한 충돌조건을 적용한 시뮬레시션을 수행하고 그 결과를 분석하여 제시된 스마트하이웨이 충돌조건에 대한 물리적 의미를 파악하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 스마트하이웨이 도로 설계속도 120km/h이상에 대한 사고 충돌속도의 분포를 예측하기 위하여 도로 설계속도 110 km/h에 대한 실제 사고 충돌속도 분포(Fitzpatrick, 2007)를 “Gamma 분포 함수”로 정의 하였다.
- 본 연구에서는 스마트하이웨이 도로안전시설 탑승자 안전성 평가를 위한 충돌속도를 120 km/h로 제시하였다. 이는 도로설계속도 120 km/h를 적용한 경우 70%의 예상 누적 사고 충돌속도를 포함하며 도로설계속도 140 km/h를 적용한 경우에는 60%의 예상 누적 사고 충돌속도를 포함하는 값이다.
제안 방법
- 충돌조건은 도로의 특성을 고려하여 최악의 조건을 반영하도록 결정되어야 한다. 본 논문에서는 충돌사고시 스마트하이웨이의 정시성과 안전성의 손상정도를 최소화 하도록 고속주행환경을 고려한 충돌조건이 선정 되었다.
- 사망자 비율 또한 SUV 차량이 20%를 상회하였다(도로교통공단, 2008). 따라서 위의 사항들을 고려하기 위하여 스마트하이웨이 충돌차량으로 SUV 차량을 선택적으로 적용하도록 하였다.
- 대형충돌차량 선정을 위해서 중량별 트럭판매 현황(한국자동차 공업협회, 2008)을 조사하였다. 스마트하이웨이 특수등급의 충돌차량으로 트럭 4년간 질량순 누적 판매량 평균 97.
- 제시된 스마트하이웨이 종방향 방호울타리의 충돌조건이 탑승자 안전에 미치는 영향을 파악하기 위하여 다양한 충돌조건을 적용한 시뮬레이션을 수행하였다. 해석대상으로 기존의 국내 최고성능등급(SB5)의 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리 중에서 가장 성능이 우수한 시설물을 선정하였다.
- Dodge NEON 차량모델은 실물충돌시험과 Calibration을 통하여 검증된 차량 모델이다. 차량의 가속도와 각속도 데이터를 구하기 위하여 무게중심점에 ACCELERO METER 요소를 모델하였고 데이터는 CFC 180 필터를 적용하여 탑승자 안전지수 산정에 사용하였다. 콘크리트 방호울타리는 Solid 요소를 사용하여 모델하였고 노측용 방호울타리는 Shell 요소를 사용하여 모델하였다.
- 차량의 가속도와 각속도 데이터를 구하기 위하여 무게중심점에 ACCELERO METER 요소를 모델하였고 데이터는 CFC 180 필터를 적용하여 탑승자 안전지수 산정에 사용하였다. 콘크리트 방호울타리는 Solid 요소를 사용하여 모델하였고 노측용 방호울타리는 Shell 요소를 사용하여 모델하였다. 노측용 방호울타리에 대하여 SS400 강재의 재료적 특성을 적용하였다.
- 콘크리트 방호울타리는 Solid 요소를 사용하여 모델하였고 노측용 방호울타리는 Shell 요소를 사용하여 모델하였다. 노측용 방호울타리에 대하여 SS400 강재의 재료적 특성을 적용하였다. 방호울타리모델과 차량모델 상호간의 충돌거동을 모델하기 위하여 접촉면에 Contact 조건을 적용하였다.
- 노측용 방호울타리에 대하여 SS400 강재의 재료적 특성을 적용하였다. 방호울타리모델과 차량모델 상호간의 충돌거동을 모델하기 위하여 접촉면에 Contact 조건을 적용하였다.
- 그림 10을 나타나있는 실물 충돌시험과 시뮬레이션에 의해 얻은 충돌 후 차량 축방향 속도 비교를 통하여 실물 충돌시험 결과와 시뮬레이션 결과가 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 충돌시험 결과와 시뮬레이션 결과를 이용하여 국내지침(건설교통부, 2003)에 따라 산출된 탑승자 안전지수 THIV(Theoretical Head Impact Velocity)값과 PHD(Post-impact Head Deceleration)값을 표 9에 요약하였다. THIV는 충돌 시 탑승자의 머리를 자유비행하는 물제로 보고 머리가 차량 내부공간의 가상면에 부딪칠 때의 속도이며 PHD는 탑승자 머리가 차량내부공간에 부딪친 후 머리가 받는 가속도중 가장 큰 값이다.
- 실물 충돌시험 결과와 시뮬레이션 결과 비교를 통하여 검증된 해석모델을 이용하여 다양한 충돌조건에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌조건을 구성하는 충돌차량 질량, 충돌속도, 충돌각도의 증/감이 승용차 탑승자 안전에 주는 영향을 파악할 수 있도록 시뮬레이션 충돌조건을 구성하였다.
- 실물 충돌시험 결과와 시뮬레이션 결과 비교를 통하여 검증된 해석모델을 이용하여 다양한 충돌조건에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌조건을 구성하는 충돌차량 질량, 충돌속도, 충돌각도의 증/감이 승용차 탑승자 안전에 주는 영향을 파악할 수 있도록 시뮬레이션 충돌조건을 구성하였다.
- 5%의 안전을 확보하도록 900 kg의 승용차를 스마트하이웨이 충돌차량으로 결정하였다. 기존의 사고 충돌속도 분포를 조사하여 스마트하이웨이 사고 충돌속도 분포를 예측하고 예측된 사고 충돌속도 분포로부터 70%의 누적 사고 충돌속도를 포함하는 120 km/h를 스마트하이웨이 충돌속도로 결정하였다. 누적 사고 충돌각도 98%를 포함하도록 스마트하이웨이 충돌각도를 25o 제시하였다.
- 제시된 스마트하이웨이 종방향 방호울타리의 충돌조건이 탑승자 안전에 미치는 영향을 파악하기 위해서 기존의 국내 최고 성능등급의 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리 중에서 가장 성능이 우수한 시설물을 선정하고 충돌차량질량, 충돌속도, 충돌각도를 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였다. 해석결과 충돌속도 증가에 대하여 중앙분리대용 방호울타리는 THIV값과 PHD값이 모두 증가하였으며 PHD값의 증가가 크게 나타났다.
대상 데이터
- 대형충돌차량 선정을 위해서 중량별 트럭판매 현황(한국자동차 공업협회, 2008)을 조사하였다. 스마트하이웨이 특수등급의 충돌차량으로 트럭 4년간 질량순 누적 판매량 평균 97.8%에 해당하는 총중량 36,000 kg 차량을 선정하였다. 상위등급에는 질량순 누적 판매량 평균 94.
- 8%에 해당하는 총중량 36,000 kg 차량을 선정하였다. 상위등급에는 질량순 누적 판매량 평균 94.6%에 해당하는 총 중량 14,000 kg 차량을, 표준 등급에는 질량순 누적 판매량 평균 89.8%에 해당하는 총중량 8,000 kg 차량을 각각 선정하였다. 이러한 대형 충돌차량 질량은 기존 국내지침과 동일한 충돌차량 질량이다.
- 따라서 본 연구에서는 충돌각도의 결정을 위해서 도로환경이 국내와 유사한 유럽의 연구(RISER, 2005)사례를 분석하여 국내 사고사례에 대한 자료를 대신하였다. “RISER Project(2005)”에서는 유럽 각국의 사고 자료에서 도로안전시설과 관련한 교통사고를 분류하여 Database를 구축하였다.
- 제시된 스마트하이웨이 종방향 방호울타리의 충돌조건이 탑승자 안전에 미치는 영향을 파악하기 위하여 다양한 충돌조건을 적용한 시뮬레이션을 수행하였다. 해석대상으로 기존의 국내 최고성능등급(SB5)의 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리 중에서 가장 성능이 우수한 시설물을 선정하였다. 선정된 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리가 그림 7과 그림 8에 각각 나타나 있다.
- 컴퓨터 시뮬레이션은 도로안전시설물 해석에 광범위하게 쓰이고 있는 3D 비선형 동적 해석프로그램인 LS-DYNA(Hallquist, 1998)를 이용하였다. 충돌차량은 국산 차량에 대해 검증된 FEM 모델이 극히 제한되어 있고 차량모델의 개발에 소요되는 비용이 대단히 크기 때문에 그림 9에 나타나 있는 Dodge NEON의 해석 Model(NCAC, 2006)을 사용하였다. Dodge NEON 차량모델은 실물충돌시험과 Calibration을 통하여 검증된 차량 모델이다.
- 충돌사고시 스마트하이웨이의 정시성과 안전성의 손상정도를 최소화 하기 위해서 국내/외 관련기준의 충돌조건을 검토한 결과 스마트하이웨이의 주행특성을 고려하지 못하였다. 국내 승용차 중량별 판매량 조사를 통하여 승용차 92.5%의 안전을 확보하도록 900 kg의 승용차를 스마트하이웨이 충돌차량으로 결정하였다. 기존의 사고 충돌속도 분포를 조사하여 스마트하이웨이 사고 충돌속도 분포를 예측하고 예측된 사고 충돌속도 분포로부터 70%의 누적 사고 충돌속도를 포함하는 120 km/h를 스마트하이웨이 충돌속도로 결정하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 스마트하이웨이 도로 설계속도 120km/h이상에 대한 사고 충돌속도의 분포를 예측하기 위하여 도로 설계속도 110 km/h에 대한 실제 사고 충돌속도 분포(Fitzpatrick, 2007)를 “Gamma 분포 함수”로 정의 하였다. Gamma 분포 함수의 평균값은 설계속도에 비례한다고 가정하고 분산은 외삽법을 적용하였다. 도로설계속도 110 km/h에 대한 실제 사고 충돌속도 누적분포를 나타낸 그림 3을 살펴보면 누적 사고 충돌속도 60%를 포함하도록 하는 충돌속도는 약 100 km/h이고 누적 사고 충돌속도 70%를 포함하도록하는 충돌속도는 약 110 km/h임을 알 수 있다.
- 컴퓨터 시뮬레이션은 도로안전시설물 해석에 광범위하게 쓰이고 있는 3D 비선형 동적 해석프로그램인 LS-DYNA(Hallquist, 1998)를 이용하였다. 충돌차량은 국산 차량에 대해 검증된 FEM 모델이 극히 제한되어 있고 차량모델의 개발에 소요되는 비용이 대단히 크기 때문에 그림 9에 나타나 있는 Dodge NEON의 해석 Model(NCAC, 2006)을 사용하였다.
성능/효과
- 충돌각도 25° 98%의 누적 사고 충돌각도를 포함하는 것으로 나타났다.
- THIV는 충돌 시 탑승자의 머리를 자유비행하는 물제로 보고 머리가 차량 내부공간의 가상면에 부딪칠 때의 속도이며 PHD는 탑승자 머리가 차량내부공간에 부딪친 후 머리가 받는 가속도중 가장 큰 값이다. 시뮬레이션 결과로부터 얻어진 탑승자 안전지수 THIV값과 PHD값의 최대 오차가 3.2%이하로 나타나 시뮬레이션 모델이 실물 충돌시험 결과를 적절하게 반영하고 있는 것을 알 수 있다. 실물 충돌시험과 시뮬레이션의 충돌조건(충돌차량 질량, 충돌속도, 충돌각도)은 같지만 충돌차량 종류는 다르다.
- 표 10에 시뮬레이션 대상 방호울타리에 대하여 충돌차량 질량변화에 따른 시뮬레이션 결과를 정리하였고 그림 11과 그림 12에는 THIV값과 PHD값의 변화를 나타내었다. 중앙분리대용 방호울타리는 충돌차량 질량 감소에 따라 THIV값이 거의 유사하게 나타났고 노측용 방호울타리의 경우 THIV값이 감소하는 경향을 보였다. 중앙분리대용 방호울타리의 경우 충돌차량 질량 감소에 따라 PHD값이 감소하는 경향을 보였으며 노측용 방호울타리는 PHD값 변화가 불규칙하게 나타났다.
- 중앙분리대용 방호울타리는 충돌차량 질량 감소에 따라 THIV값이 거의 유사하게 나타났고 노측용 방호울타리의 경우 THIV값이 감소하는 경향을 보였다. 중앙분리대용 방호울타리의 경우 충돌차량 질량 감소에 따라 PHD값이 감소하는 경향을 보였으며 노측용 방호울타리는 PHD값 변화가 불규칙하게 나타났다. 일반적으로 승용차가 충격흡수시설에 정면으로 충돌하는 경우 충돌차량의 질량이 감소함에 따라 THIV값이 증가하여 탑승자 안전 확보에 좋지 않은 영향을 주게 된다.
- 표 11에 시뮬레이션 대상 방호울타리에 대해 충돌속도 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 정리하였고 그림 13와 그림 14에는 THIV값과 PHD값의 변화를 나타내었다. 중앙분리대용 방호울타리의 경우 충돌속도 20% 증가에 대하여 THIV 값이 6.8%증가하였고 PHD값은 113% 증가하였다. 노측용방호울타리의 경우에는 THIV값이 38.
- 8%증가하였고 PHD값은 113% 증가하였다. 노측용방호울타리의 경우에는 THIV값이 38.7% 증가하였고 PHD값은 27.6% 감소하였다. 이러한 결과는 충돌속도 증가가 강성이 큰 콘크리트 중앙분리대용 방호울타리의 경우 PHD값 증가를 유발하고 연성이 큰 노측용 방호울타리의 경우 THIV값 증가를 유발하기 때문인 것으로 판단된다.
- 표 12에 충돌각도 변화가 탑승자 안전 확보에 주는 영향을 파악하기 위해서 대상 방호울타리에 대해 충돌각도 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 정리하였고 그림 15와 그림 16에는 THIV값과 PHD값의 변화를 나타내었다. 중앙분리대용 방호울타리의 경우 충돌각도 10o 대하여 THIV값이 53.9% 증가하였고 PHD값은 82.6% 증가하였다. 노측용 방호울타리의 경우 THIV값이 33.
- 6% 증가하였다. 노측용 방호울타리의 경우 THIV값이 33.4% 증가하였고 PHD값은 74.3% 증가하였다.
- 제시된 스마트하이웨이 종방향 방호울타리의 충돌조건이 탑승자 안전에 미치는 영향을 파악하기 위해서 기존의 국내 최고 성능등급의 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리 중에서 가장 성능이 우수한 시설물을 선정하고 충돌차량질량, 충돌속도, 충돌각도를 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였다. 해석결과 충돌속도 증가에 대하여 중앙분리대용 방호울타리는 THIV값과 PHD값이 모두 증가하였으며 PHD값의 증가가 크게 나타났다. 노측용 방호울타리의 경우에는 THIV값이 크게 증가하였고 PHD값은 약간 감소하였다.
- 노측용 방호울타리의 경우에는 THIV값이 크게 증가하였고 PHD값은 약간 감소하였다. 충돌각도 증가에 대하여 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리 모두 THIV값과 PHD값의 큰 증가를 보였다. 종방향 방호울타리에 대해서 충돌차량 질량감소가 탑승자 안전에 미치는 영향은 정확하게 파악되지 못하였다.
후속연구
- 그러나 종방향 방호울타리에 측면으로 충돌하는 경우에는 방호울타리 강성에 따라서 충돌후 Yaw(평면회전) 각도 변화와 연관되어 충돌차량 질량 감소가 THIV값 증가에 직접적인 영향을 주지 않는 것으로 판단된다. 충돌차량 질량변화가 탑승자 안전에 미치는 영향을 정확하게 파악하기 위해서 다양한 충돌각도별 충돌차량 질량변화에 대한 시뮬레이션과 실물차량 충돌시험을 통한 보다 광범위한 연구가 필요하다. 현시점에서는 일반적으로 보다 위험하다고 간주되는 작은 질량의 차량을 충돌차량으로 선정하는 것이 탑승자 안전 확보를 위해 필요하다고 판단된다.
- 그러나 중앙분리대용 방호울타리는 시뮬레이션의 한계를 감안하면 스마트하이웨이 충돌조건을 만족시킬 가능성이 일부 있다고 판단된다. 제시된 스마트하이웨이 충돌조건에 대한 기존 중앙분리대용 방호울타리와 노측용 방호울타리의 최종적인 성능평가는 실물 차량 충돌시험을 통하여 검증 되어야 하지만 충돌사고시 스마트하이웨이 안전성과 정시성의 손상정도를 최소화 하기 위해서 충분한 안전율을 갖는 보다 고성능의 종방향 방호울타리의 개발이 필요하다고 판단된다.
- 종방향 방호울타리에 대해서 충돌차량 질량감소가 탑승자 안전에 미치는 영향은 정확하게 파악되지 못하였다. 충돌차량 질량변화가 탑승자 안전에 미치는 영향을 정확하게 파악하기 위해서 보다 다양한 충돌각도별 시뮬레이션과 실물차량 충돌시험을 통한 연구가 필요하다고 판단된다. 제시된 스마트하이웨이 충돌조건이 기존 충돌조건에 비하여 상당히 상향된 것임을 알 수 있었고 국내 최고 등급의 종방향 방호울타리는 제시된 스마트하이웨이 충돌조건을 만족하지 못하였다.
- 충돌차량 질량변화가 탑승자 안전에 미치는 영향을 정확하게 파악하기 위해서 보다 다양한 충돌각도별 시뮬레이션과 실물차량 충돌시험을 통한 연구가 필요하다고 판단된다. 제시된 스마트하이웨이 충돌조건이 기존 충돌조건에 비하여 상당히 상향된 것임을 알 수 있었고 국내 최고 등급의 종방향 방호울타리는 제시된 스마트하이웨이 충돌조건을 만족하지 못하였다. 충돌사고시 스마트하이웨이 정시성과 안전성의 손상정도를 최소화 하기 위해서 새로운 고성능의 종방향 방호울타리의 개발이 필요하다고 판단된다.
- 제시된 스마트하이웨이 충돌조건이 기존 충돌조건에 비하여 상당히 상향된 것임을 알 수 있었고 국내 최고 등급의 종방향 방호울타리는 제시된 스마트하이웨이 충돌조건을 만족하지 못하였다. 충돌사고시 스마트하이웨이 정시성과 안전성의 손상정도를 최소화 하기 위해서 새로운 고성능의 종방향 방호울타리의 개발이 필요하다고 판단된다.
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