[논문]시뮬레이션을 통한 강결된 원형지주의 정면충돌에 대한 위험도 및 분리식 지주의 효과 분석

고만기; 김기동; 김경주; 성정곤; 윤덕근

시뮬레이션을 통한 강결된 원형지주의 정면충돌에 대한 위험도 및 분리식 지주의 효과 분석
Study on the Hazardousness of a Rigidly Connected Circular Post and Crash Worthiness of a Circular Post with Release Mechanism for Head-on Impacts Using Impact Simulation 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.12 no.4 = no.46, 2010년, pp.197 - 202

고만기 (공주대학교 건설환경공학부) , 김기동 (공주대학교 건설환경공학부) , 김경주 (공주대학교 건설환경공학부) , 성정곤 , 윤덕근

초록
AI-Helper

차선을 벗어난 승용차가 기초에 강결된 표지판 지주에 충돌할 경우 차량이 받는 충격과 변형은 탑승자의 안전을 위협하게 되므로 분리지주를 쓰는 것이 일반적이다. 국도에서 $1200mm{\times}1200mm$의 단일노선표지에 사용되는 직경 101.6mm, 두께 4.0mm의 강관지주가 기초에 강결되었을 때와 Clip형 분리장치를 갖는 경우에 대한 820kg-50kg-정면 충돌 시 차량과 지주의 거동을 LS-DYNA 시뮬레이션을 통하여 비교 분석하였다. 분리식 지주 충돌 시뮬레이션 결과는 동일한 조건의 충돌실험 결과와 비교하여 신뢰도를 높였다. 강결된 원형지주에 대한 충돌 시뮬레이션 결과 탑승자 안전지수(THIV, PHD)와 차량의 변위가 탑승자의 안전을 위협하는 수준으로 나타났으나 Clip형 분리장치를 갖는 지주에 대한 충돌 시뮬레이션 결과 충돌 시 지주의 분리로 감속도가 현저히 줄어들어 안전한 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Post release mechanism is generally used to reduce the severity of the occupant of an errant vehicle impacting a roadside posts. The 820kg-50km/h head-on impact simulations were made using LS-DYNA program for the posts of 101.6mm Dia(t=4.0mm) with and without clip-type release mechanism. The simulation result was compared with impact test result to enhance the credibility of simulation model. The study shows that the high impact severity (THIV, PHD) and excessive deformation threatens the safety of the occupant when a car impacts a rigidly connected posts, while a post with clip-type slip base reduce the impact severity to a safe level.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 국도에서 1200mm×1200mm의 단일노선표지에 사용되는 직경 101.6mm, 두께 4.0mm의 강관지주가 기초에 강결 되었을 때와 Clip형 분리장치를 갖는 경우 충돌거동을 LS-DYNA 시뮬레이션을 통하여 비교 분석함으로써 강결지주의 충돌에 대한 위험성과 지주단부 장치의 효용성을 보여주기 위한 것이다.
앞절에서 강결된 지주에 충돌하는 차량의 탑승자가 받는 충격이 크고 차량 파손이 심각한 사실을 확인하였다. 본절에서는 단부분리장치를 갖는 동일한 지주에 동일한 충격력(820kg-50km/h-정면)으로 충돌하는 경우 탑승자가 받는 충격력 및 차량 파손 정도를 충돌 실험과 시뮬레이션을 통하여 알아보기로 한다.
충돌 실험 및 시뮬레이션을 통하여 분리형 지주가 충돌 차량의 충격을 얼마나 감소시킬 수 있는지 확인된다. 표 3에서 보인 바와 같이 시뮬레이션 결과를 기준으로 강결지주와 Clip형 분리지주를 갖는 경우 THIV는 79%, PHD는 95%, 50m/sec 최대 가속도는 88% 감소함이 확인된다.

제안 방법

충돌 위치인 범퍼에서의 차량 최대변형은 528mm 발생하였으며 차체 하부의 변형형상은 그림 5와 같다. 변형은 Engine, Lower Plate, Fire Wall 및 Floor Board까지 진행되었고, 지주는 차량진행방향으로 기울어졌으며 지주의 최대변형은 3092mm이다. 또한, 충돌중 지주와 표지판은 분리되는 것으로 관찰되었다.
이 경우 풍하중 보다 큰 충돌에 의한 전단력으로 분리가 일어나 충돌 강도를 줄여준다. 본 연구에서는 볼트형태에 비하여 그 구조가 훨씬 간단하고 다방향 분리가 가능하며, 사고 시 복구가 간편하고 다양한 형태나 크기의 지주에 적합한 Clip형태의 Slip Base를 개발하여 적용하였다. Clip 조인트의 중요한 기능은 풍하중에 대한 모멘트에 저항하는 것이다.
지주의 강종은 SS400이다. 지주 단부의 강결을 위하여 지면 이하의 지주에 대하여 SPC(Single Point Constraints)를 사용하여 6방향 자유도를 구속하였다. 지주`-`차량 충돌 시뮬레이션에서는 NCAC(National Crash Analysis Center at George Washington University)에서 개발한 Geo Metro 차량의 Reduce 모델(NCAC, 2000)을 사용하였으며 중량은 820kg이고, 사용된 요소들은 다음과 같다.
지주 및 표지판은 그림 1과 같이 Shell Element를 사용하여 모델링하였으며, 지주와 표지판의 연결은 Beam Element와 Contact 조건을 적용하여 상호 전달력 및 마찰력을 고려하였다. 지주의 강종은 SS400이다.
차량의 가속도 데이터 및 각속도 데이터를 획득하기 위하여 무게중심점에 ELEMENT_SEATBELT_ACCELEROMETER 요소를 사용하였으며, 획득한 데이터는 SAE 60Hz 필터링을 사용하여 안전도 계산에 사용하였다.
차량이 강결된 지주에 충돌할 때 표지판 지주 및 소형차의 거동과 탑승자의 안전도를 보기 위하여 Pipe형 단주식 표지판에 820kg-50km/h-0deg의 충돌조건으로 충돌하는 충돌 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션에 사용된 지주는 직경 101.
클립타입 단부분리장치를 갖는 지주의 충돌 시 거동에 대한 시뮬레이션에 앞서 시뮬레이션과의 비교를 위하여 시뮬레이션에 사용된 지주와 동일한 지주에 동일한 중량과 충돌속도로 충돌실험을 실시하였다. 충돌실험에 사용된 단부는 삼각형의 Base Plate의 모서리를 Clip 형태의 고정 장치로 연결시킨 형태로서, 충돌시 Clip이 이탈하여 지주가 분리되는 개념의 장치이다.

대상 데이터

시뮬레이션에 사용된 지주는 직경 101.6mm, 두께 4.0mm의 강관을 사용하였으며, 표지판의 제원은 단주식의 경우 1200mm×1200mm로 건교부 도로표지 관련 규정집에 수록된 단일노선표지에 해당된다.
시뮬레이션에 사용된 표지판은 충돌실험에 사용된 제원과 동일하며, 충돌차량은 강결지주의 충돌 시뮬레이션에서 사용한 모델과 동일한 NCAC에서 개발한 Geo Metro 모델을 사용하였다. 시뮬레이션에 사용된 차량과 충돌실험에 사용된 차량 모델이 다른 것은 시뮬레이션 모델과 동일한 모델을 국내에서 구할 수 없는 반면 주요 차량제원이 표 2과 같이 유사하기 때문이다.
지주는 직경 101.6mm에 두께 4.0mm로 고정단 충돌실험에 사용된 지주와 동일하며, 충돌 차량은 Pride β로 그림 9와 같고 정면으로 지주 중앙에 충돌시켰다.
클립타입 단부분리장치를 갖는 지주의 충돌 시 거동에 대한 시뮬레이션에 앞서 시뮬레이션과의 비교를 위하여 시뮬레이션에 사용된 지주와 동일한 지주에 동일한 중량과 충돌속도로 충돌실험을 실시하였다. 충돌실험에 사용된 단부는 삼각형의 Base Plate의 모서리를 Clip 형태의 고정 장치로 연결시킨 형태로서, 충돌시 Clip이 이탈하여 지주가 분리되는 개념의 장치이다. 지주는 직경 101.

데이터처리

국도에서 1200mm×1200mm의 단일노선표지에 사용되는 직경 101.6mm, 두께 4.0mm의 강관지주가 기초에 강결되었을 때와 Clip형 분리장치를 갖는 경우 충돌거동을 LS-DYNA 시뮬레이션을 통하여 비교 분석하였다.
0mm의 강관지주가 기초에 강결되었을 때와 Clip형 분리장치를 갖는 경우 충돌거동을 LS-DYNA 시뮬레이션을 통하여 비교 분석하였다. 특히, 분리식 지주 충돌 시뮬레이션 결과는 동일한 조건의 충돌실험 결과와 비교하여 신뢰도를 높였다. 두 가지 지주에 대하여 820kg-50kg-정면 충돌 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.

이론/모형

본 연구에서 강결된 지주와 분리식 지주에 대한 충돌 시뮬레이션은 비선형충돌해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다. LS-DYNA는 도로안전시설과 차량의 부재를 모델링할 수 있는 다양한 요소들을 갖추고 있으며, 부재의 복잡한 비탄성 및 비선형 거동을 정의할 수 있다.
지주 단부의 강결을 위하여 지면 이하의 지주에 대하여 SPC(Single Point Constraints)를 사용하여 6방향 자유도를 구속하였다. 지주`-`차량 충돌 시뮬레이션에서는 NCAC(National Crash Analysis Center at George Washington University)에서 개발한 Geo Metro 차량의 Reduce 모델(NCAC, 2000)을 사용하였으며 중량은 820kg이고, 사용된 요소들은 다음과 같다.

성능/효과

1. 강결지주에 대한 820kg-50kg-정면 충돌 시뮬레이션 결과 탑승자 안전지수인 THIV 및 PHD가 각각 8.1m/sec 및 33.7g로 일반적인 안전시설 설계 시 허용기준인 3m/sec 와 15g를 크게 웃돌았고 범퍼에서의 차량 최대변형은 528mm 발생하였으며 차량의 변형은 Engine, Lower Plate, Fire Wall 및 Floor Board까지 진행되어 탑승자의 안전을 위한 대책이 필요함을 보여 주었다.
2. 클립형 단부분리장치를 갖는 지주에 대한 820kg-50kg-정면 충돌 시뮬레이션 결과 탑승자 안전지수인 THIV 및 PHD가 각각 1.7m/sec 및 1.6g로 강결지주 충돌에 비하여 THIV는 79%, PHD는 95%, 50msec 최대 가속도는 88% 감소하여 안전시설 설계 시 허용치를 크게 믿돌아 탑승자의 안전을 확보할 수 있음이 확인되었다. 이는 지주의 분리로 가능한 것이다.
3. 시뮬레이션과 동일한 조건의 충돌시험을 실시하였는데 안전도 및 최대 가속도, 감속도 모두 시뮬레이션결과가 충돌실험 결과에 비하여 약간 크게 나타났으나 충돌속도의 차이(시뮬레이션 50km/h, 충돌실험 48.9km/h)와 충돌실험장 부지의 경사를 고려하면 시뮬레이션 결과에 대한 타당성을 나타내 주는 유사한 결과이다. 충돌 중 표지판과 차량의 거동도 전반적으로 유사하게 나타났다.
차량 중심의 x-방향(차량진행 방향), y-방향 가속도와 yaw rate를 측정하여 SAE 60Hz로 필터링 된 데이터와 50m/s 평균값을 그림 2, 그림 3, 그림 4에 나타내었고 이를 기준으로 안전도 계수인 THIV 및 PHD값을 국내 도로안전시설 설치 및 안전 관리지침의 안전지수 산정절차에 따라 계산하여 표 1에 나타내었다. 가속도 및 각속도를 보면 차량진행방향(x-방향)의 가속도 변화외에 y-방향 가속도 및 yaw rate는 미미한 것으로 나타났다. 탑승자 안전도는 THIV 가 8.
충돌실험과 시뮬레이션 결과 차량의 가속도와 속도는 그림 11과 그림 12에 각각 비교하였으며 가속도를 이용한 탑승자 안전도, 최대가속도 및 감속도는 표 3과 같고 시간대별 지주와 차량의 거동을 그림 12에 나타내었다. 안전도 및 최대 가속도, 감속도 모두 시뮬레이션결과가 충돌실험결과에 비하여 약간 크게 나타났으나 충돌속도의 차이와 충돌실험장 부지의 경사를 고려하면 시뮬레이션 결과에 대한 타당성을 나타내 주는 결과이다. 충돌중 표지판의 거동은 그림 12와 같이 시간대별로 비교하였으며, 전반적인 거동이 매우 유사하게 나타난 것을 확인할 수 있다.
안전도 및 최대 가속도, 감속도 모두 시뮬레이션결과가 충돌실험결과에 비하여 약간 크게 나타났으나 충돌속도의 차이와 충돌실험장 부지의 경사를 고려하면 시뮬레이션 결과에 대한 타당성을 나타내 주는 결과이다. 충돌중 표지판의 거동은 그림 12와 같이 시간대별로 비교하였으며, 전반적인 거동이 매우 유사하게 나타난 것을 확인할 수 있다.
가속도 및 각속도를 보면 차량진행방향(x-방향)의 가속도 변화외에 y-방향 가속도 및 yaw rate는 미미한 것으로 나타났다. 탑승자 안전도는 THIV 가 8.1m/s, PHD가 33.7g로 측정되어 기준값을 모두 초과하여 탑승자 안전 기준치를 크게 초과하였다.
충돌 실험 및 시뮬레이션을 통하여 분리형 지주가 충돌 차량의 충격을 얼마나 감소시킬 수 있는지 확인된다. 표 3에서 보인 바와 같이 시뮬레이션 결과를 기준으로 강결지주와 Clip형 분리지주를 갖는 경우 THIV는 79%, PHD는 95%, 50m/sec 최대 가속도는 88% 감소함이 확인된다. 이는 그림 13에서 보여준 지주의 분리로 가능한 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로변의 각종 지주의 문제를 해결하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	도로변의 각종 지주는 충돌 시 큰 위험 요소이며 이를 해결 하기 위해서는 안전한 거리 밖으로 옮기거나 가드레일로 감싸는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 각종 도로 표지판처럼 지주가 도로변 가까이에 있어야 할 필요성이 있기 때문에 옮기는 데는 한계가 있다.
	분리지주를 쓰는 이유는 무엇인가?	차선을 벗어난 승용차가 기초에 강결된 표지판 지주에 충돌할 경우 차량이 받는 충격과 변형은 탑승자의 안전을 위협하게 되므로 분리지주를 쓰는 것이 일반적이다. 국도에서 $1200mm{\times}1200mm$의 단일노선표지에 사용되는 직경 101.
	도로변의 각종 지주를 옮기는 데 한계가 있는 이유는 무엇인가?	도로변의 각종 지주는 충돌 시 큰 위험 요소이며 이를 해결 하기 위해서는 안전한 거리 밖으로 옮기거나 가드레일로 감싸는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 각종 도로 표지판처럼 지주가 도로변 가까이에 있어야 할 필요성이 있기 때문에 옮기는 데는 한계가 있다. 또한 가드레일은 기본적으로 필요 길이가 있고 단부처리가 필요하기 때문에 표지판의 지주를 가드레일로 방호하는 것은 경제적인 해결책이 되지 못한다.

참고문헌 (8)

건설교통부, "도로안전시설 설치 및 관리지침-차량방호안전시설편", 2001.
건설교통부, "도로 부대시설-안전시설편", 1998.
건설교통부, "보도 설치 및 관리지침", 2007.
Hallquist, J.O., "LS-DYNA Theoretical Manual", Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA. 2001.
LSTC, "LS-DYNA Keyword User's Manual", Livemore Software Technology Corporation, 2001.
NCAC Public Finite Element Model Archive, "FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center website page(www.ncac.gwu.edu)", Washington, D.C., 2000.
American Association of State Highway and Transportation Officials, "Roadside Design Guide", Washington D.C., 2002
American Association of State Highway and Transportation Officials", The Safety Journey", Washington D.C., 2003

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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