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문제 정의
- 나무 가드레일은 환경 친화적이며 미관이 뛰어나지만 철재 가드레일에 비해 단면이 커지므로 무겁고 경제성이 떨어지게 된다. 따라서 FRP로 보강하여 단면을 감소시켜 경제성을 향상시킨 FRP보강목재 가드레일을 제안하였다. FRP 보강목재 가드레일은 기존의 강재 가드레일에 비해 강도성능이 뛰어나고 환경 친화적이며 미관이 우수하지만 목재 연결부위가 쉽게 쪼개지고 목재의 단면이 커서 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
- 그런데 실물 충돌 시험에 소요되는 비용과 시간이 과대하므로 유한요소 기법을 활용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하면 비용과 시간을 극소화할 수 있어 매우 효과적이다. 따라서 본 논문에서는 기존의 강재 교량용 방호울타리와 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 충돌 시뮬레이션을 실시하여 성능을 비교 평가하였다.
- 최근 충격 흡수 능력과 추락방지 성능을 만족하는 강재 교량용 방호울타리와 고강도 알루미늄 교량용 방호울타리가 개발되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 충격 흡수 능력과 추락방지 성능이 우수한 복합소재 교량용 방호울타리를 개발하고 강재 교량용 방호울타리와 그 성능을 비교하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 복합소재 교량용 방호울타리를 개발하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 강재 교량용 방호울타리와 복합소재 교량용 방호울타리의 성능을 비교하는 것이다. 복합소재란 재료의 성질이 서로 다른 두 종류 이상의 재료가 서로 일체화되어서 하나의 재료로 거동하도록 구조적 성능을 크게 향상 시킨 새로운 재료를 지칭하며 일반적으로 섬유보강플라스틱(Fiber-reinforced Plastics, FRP)을 의미한다.
제안 방법
-
2.4 충돌 조건
건설교통부의 차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람에 근거한 차량 충돌 시험 조건에 따라 승용차의 충돌 속도는 100km/hr를 적용하였으며, 교량용 방호울타리에 대한 충돌 각도는 20도를 적용하였다. 트럭의 충돌 속도는 80km/hr를 적용하였으며, 충돌 각도는 15도를 적용하였다.
- 경계 조건으로 콘크리트 연석 바닥과 앵커를 변위 및 회전에 대하여 구속하였다. 도로는 강체로 모델링하였으며, 도로와 차량 바퀴는 LS-DYNA의 라이브러리에서 제공하고 있는 RIGIDWALL-PLANAR를 사용하여 접촉조건을 부여하였다.
- 복합소재 교량용 방호울타리의 경우가 강재 교량용 방호울타리의 경우 보다 트럭의 변형이 83%로 감소하므로서 상대적으로 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 교량용 방호울타리에 대한 차량의 변형을 그림성능에서 비교하였다.
- Atahan과 Cansiz(2005)는 차량 충돌 시험 및 충돌 시뮬레이션을 통해 W-beam 가드레일과 Thrie-beam 가드레일을 비교 연구하였다. 기존 W-beam 가드레일은 폭이 좁아 승용차에만 적용이 가능하고 차량이 전복될 위험이 크기 때문에 폭이 넓은 Thrie-beam 가드레일을 제안하였다. Thrie-beam 가드레일은 W-beam 가드레일에 비해 폭이 넓어 다양한 차량에 대응가능하고 차량의 전복도 적으며 충격에너지 흡수능력이 뛰어나다는 장점이 있다.
- 경계 조건으로 콘크리트 연석 바닥과 앵커를 변위 및 회전에 대하여 구속하였다. 도로는 강체로 모델링하였으며, 도로와 차량 바퀴는 LS-DYNA의 라이브러리에서 제공하고 있는 RIGIDWALL-PLANAR를 사용하여 접촉조건을 부여하였다. 도로에 대한 바퀴의 마찰계수는 주행 중 마찰계수인 0.
- 따라서 본 논문에서는 차량과 교량용 방호울타리 사이에 마찰계수를 적용하여 충돌해석을 수행하였다.
- 3, 항복응력 245MPa을 사용하였다. 복합소재 교량용 방호울타리 빔은 LS - DYNA에서 제공하고 있는 Material model 58을 사용하여 8층으로 적층하였으며 사용된 적층재료의 물성치는 표 2와 같고, 적층설계는 표 3에 나타내었다. 승용차 충돌시 강재 교량용 방호울타리의 경우와 복합소재 교량용 방호울타리의 경우에서 파단변형률은 나타나지 않았다.
- 2mm가 사용되었다. 복합소재 교량용 방호울타리의 형상 및 두께는 복합소재로 제작된 상단빔, 하단빔은 8mm, 중간단빔은 16mm를 제외하고, 강재 교량용 방호울타리와 동일하게 계획하였다. 충돌 후 차량의 진행을 고려하여 교량용 방호울타리의 길이 30m를 모델링하였으며, 이는 실제 충돌 시험시 교량용 방호울타리 설치 길이와 동일하다.
- 본 논문에서는 복합소재 교량용 방호울타리를 개발하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 강재 교량용 방호울타리와 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 차량 충돌 시뮬레이션을 수행하여 교량용 방호울타리의 성능을 비교 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 사용된 지주, 리브, 상단빔, 중간단빔, 하단빔 및 충격완화부재는 쉘 요소로 Belythchko-Tsay 요소모델을 사용하였고, 앵커, 콘크리트 연석은 솔리드 요소로 Constant stress solid element를 사용하여 모델링하였으며, 총 34,492개의 요소를 사용하였다. 빔과 지주리브의 볼트연결부위에서 절점을 공유하여 일체화하였다. 구조단면의 모양과 크기 및 구조형상은 그림 2와같고, 3차원 교량용 방호울타리 모델은 그림 3과 같다.
- 차량과 교량용 방호울타리의 접촉 조건은 AUTO-SURFACE-TOSURFACE를 사용하여 부여하였다. 차량의 도색에 의한 표면의 미끄러움을 고려하고, 승용차와 트럭 범퍼의 각기 다른 재료의 물성을 고려하여 표 4와 같이 정지마찰계수와 운동마찰계수를 적용하였다(Eugene A. Avallone, 2006).
- 트럭 충돌 시의 교량용 방호울타리가 강도성능평가에 만족한다면 중량이 작은 승용차 충돌의 경우는 자연히 강도성능 평가를 만족하게 되므로 트럭을 대상으로 강도 성능 평가를 실시한다. 강재 교량용 방호울타리의 경우 트럭은 주로 앞 범퍼에 최대 25.
대상 데이터
- 지주, 리브는 SM400, 상단빔, 중간단빔 및 하단빔은 SS400, 충격완화부재는 SPSR400이 사용되었다. 각 부재의 두께로써 지주는 8mm, 리브는 12mm, 상단빔, 하단빔은 4mm, 중간단빔은 8mm, 충격완화부재는 3.2mm가 사용되었다. 복합소재 교량용 방호울타리의 형상 및 두께는 복합소재로 제작된 상단빔, 하단빔은 8mm, 중간단빔은 16mm를 제외하고, 강재 교량용 방호울타리와 동일하게 계획하였다.
- 구조단면의 모양과 크기 및 구조형상은 그림 2와같고, 3차원 교량용 방호울타리 모델은 그림 3과 같다. 강재 교량용 방호울타리 빔의 물성치는 밀도 7.85t/㎥, 탄성계수 210,000MPa, 포아슨비 0.3, 항복응력 245MPa을 사용하였다. 복합소재 교량용 방호울타리 빔은 LS - DYNA에서 제공하고 있는 Material model 58을 사용하여 8층으로 적층하였으며 사용된 적층재료의 물성치는 표 2와 같고, 적층설계는 표 3에 나타내었다.
- 강재 교량용 방호울타리는 현재 일반도로 및 고속도로에서 널리 적용 가능한 SB5등급을 선정하였다. 이 모델은 지주, 리브, 앵커, 콘크리트 연석, 상단빔, 중간단빔, 하단빔 및 충격완화부재로 구성되어 있다.
- 3톤으로 트럭의 중량 14톤보다 현저히 작기 때문에 승용차가 교량용 방호울타리에 충돌 시 운전자에게 미치는 충격이 트럭보다 크다. 따라서 탑승자 보호성능을 평가하는 THIV, PHD값은 승용차를 대상으로 구하면 된다. THIV는 차량이 차량방호 안전시설에 충돌할 때 탑승자의 충격 위험도를 평가하는 지수로서 운전자나 탑승자의 머리가 충돌시 속도와 각도로 등속운동을 한다고 할때 차량의 좌,우 공간에 부딪힐 때까지 이동하는 속도를 말한다.
- 미국의 NCAC(National Crash Analysis Center)가 제공하는 1.3톤의 승용차(Ford Taurus)모델과 8톤 트럭(Ford single unit truck)모델을 사용하였다. 승용차는 28,578개의 요소로 이루어졌고, 트럭은 20,727개의 요소로 이루어졌다.
- 복합재료에 많이 사용되고 있는 섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유가 있으며 수지에는 에폭시, 비닐에스테르, 폴리에스테르, 폴리우레탄이 있다. 본 연구에 적용된 복합소재의 구성요소는 현재 건설 분야에서 가장 많이 사용되는 유리섬유와 폴리우레탄 수지이다. 유리섬유는 강도가 우수하고 탄성계수는 낮아 충격 흡수 능력이 우수한 소재이며 폴리우레탄 수지는 강도 및 충격성능이 우수하고 가벼운 소재이다.
- 충돌 후 차량의 진행을 고려하여 교량용 방호울타리의 길이 30m를 모델링하였으며, 이는 실제 충돌 시험시 교량용 방호울타리 설치 길이와 동일하다. 사용된 지주, 리브, 상단빔, 중간단빔, 하단빔 및 충격완화부재는 쉘 요소로 Belythchko-Tsay 요소모델을 사용하였고, 앵커, 콘크리트 연석은 솔리드 요소로 Constant stress solid element를 사용하여 모델링하였으며, 총 34,492개의 요소를 사용하였다. 빔과 지주리브의 볼트연결부위에서 절점을 공유하여 일체화하였다.
- 3톤의 승용차(Ford Taurus)모델과 8톤 트럭(Ford single unit truck)모델을 사용하였다. 승용차는 28,578개의 요소로 이루어졌고, 트럭은 20,727개의 요소로 이루어졌다. 트럭의 경우 제공된 모델의 중량이 8톤으로써 “차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람”의 충돌 차량 기준인 14톤에 맞추기 위하여 단위 중량을 증가시켰다.
- 강재 교량용 방호울타리는 현재 일반도로 및 고속도로에서 널리 적용 가능한 SB5등급을 선정하였다. 이 모델은 지주, 리브, 앵커, 콘크리트 연석, 상단빔, 중간단빔, 하단빔 및 충격완화부재로 구성되어 있다. 지주, 리브는 SM400, 상단빔, 중간단빔 및 하단빔은 SS400, 충격완화부재는 SPSR400이 사용되었다.
- 이 모델은 지주, 리브, 앵커, 콘크리트 연석, 상단빔, 중간단빔, 하단빔 및 충격완화부재로 구성되어 있다. 지주, 리브는 SM400, 상단빔, 중간단빔 및 하단빔은 SS400, 충격완화부재는 SPSR400이 사용되었다. 각 부재의 두께로써 지주는 8mm, 리브는 12mm, 상단빔, 하단빔은 4mm, 중간단빔은 8mm, 충격완화부재는 3.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 LS-DYNA는 1970년대 저속 충돌 문제를 해석하기 위해 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 개발된 것이다. 1980년 후반 LSTC사의 설립과 함께 다양한 접촉 문제와 충돌 해석 분야의 광범위한 적용 등을 통해 안정성이 입증된 프로그램이며, 특히 교량용 방호울타리와 차량 부재 모델링에 유용한 요소들을 가지고 있다.
- 01을 적용하였다(EDVAP Program Manual, 1994). 차량과 교량용 방호울타리의 접촉 조건은 AUTO-SURFACE-TOSURFACE를 사용하여 부여하였다. 차량의 도색에 의한 표면의 미끄러움을 고려하고, 승용차와 트럭 범퍼의 각기 다른 재료의 물성을 고려하여 표 4와 같이 정지마찰계수와 운동마찰계수를 적용하였다(Eugene A.
성능/효과
- 고만기와 김기동(2001)은 정적 실내 실험, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실물 충돌 시험을 통해 W-beam 가드레일 시스템과 충격 흡수재를 이용한 Thriebeam 가드레일 시스템을 비교 연구하였다. 기존의 W형 보에 비하여 보의 높이가 증가된 트라이 빔 가드레일 시스템은 범퍼 높이가 다른 다양한 차종에 보다 좋은 수용능력을 보였고 강성과 충격 흡수 능력 또한 W형 보 가드레일 시스템에 비하여 크게 향상되었다.
- 넷째, 충돌 후 차량의 거동 측면에서, 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 이탈속도가 승용차, 트럭 충돌 시 각각 2.4% 증가, 6.2% 증가하고 이탈각도가 각각 1.0%, 13.4% 감소하였다. 이탈 속도가 증가하고 이탈각도가 감소할수록 충돌 후 차량의 거동에 의한 2차 충돌 사고 위험이 줄어든다.
- 둘째, 구조적 강도 성능 측면에서, 복합소재 교량용 방호울타리의 경우 강재 교량용 방호울타리 보다 교량용 방호울타리의 변형이 트럭 충돌 시 17.0%로 감소하였다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재교량용 방호울타리 보다 강도 성능이 우수하였다.
- 이탈 속도가 증가하고 이탈각도가 감소할수록 충돌 후 차량의 거동에 의한 2차 충돌 사고 위험이 줄어든다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 충돌 후 차량의 거동이 우수하였다.
- 0%로 감소하였다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 탑승자 보호성능이 우수하였다.
- 0%로 낮게 나왔다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 탑승자 보호성능이 우수함을 알 수 있다. 강재 교량용 방호울타리 및 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 탑승자 보호성능을 표 6에 요약하였다.
- 878로 나타났고 복합소재 교량용 방호울타리의 경우는 나타나지 않았다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리에 비하여 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
- 0%로 감소하였다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재교량용 방호울타리 보다 강도 성능이 우수하였다.
- 0%로 감소하여 기준치 60%이하를 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호 울타리 보다 이탈 각도가 1.0%작았다. 트럭이 15도로 충돌할 시 강재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 각도는 5.
- 3%로 감소하여 기준치 60%이하를 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 이탈 각도가 13.4% 작았다. 이탈 각도가 작을수록 옆에서 오는 차량에 의한 2차 충돌 사고가 적어지므로 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 2차 충돌 사고에 대해 안전함을 알 수 있다.
- 9%로 감소하여 기준치 60%이상을 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 이탈 속도가 2.4% 큰것으로 평가되었다. 트럭이 80km/hr로 충돌할 시 강재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 속도는 60.
- 8%로 감소하여 기준치 60%이상을 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리보다 이탈 속도가 6.2% 큰 것으로 평가되었다. 이탈 속도가 클수록 뒤따라오는 차량에 의한 2차 충돌 사고가 감소하므로 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 뒤따라오는 차량에 의한 2차 충돌 사고에 대해 안전함을 알 수 있다.
- 8m/s2이다. 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 PHD가 강재 교량용 방호울타리에 대한 PHD보다 49.0%로 낮게 나왔다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 탑승자 보호성능이 우수함을 알 수 있다.
- 5m/s로써 성능평가 기준인 9m/s이하를 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 THIV가 강재 교량용 방호울타리에 대한 THIV보다 47.1%로 낮게 평가되었다. 차량 충돌 시 강재 교량용 방호울타리에 대한 PHD는 19.
- 4mm 뒤로 밀리면서 변위가 발생되었다. 복합소재 교량용 방호울타리의 경우 강재 교량용 방호울타리 보다 교량용 방호 울타리의 변형이 17.0%로 감소하므로서 상대적으로 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 교량용 방호울타리의 변형을 그림 5에 비교하였다.
- 4cm의 변형이 발생하였다. 복합소재 교량용 방호울타리의 경우가 강재 교량용 방호울타리의 경우 보다 트럭의 변형이 83%로 감소하므로서 상대적으로 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 교량용 방호울타리에 대한 차량의 변형을 그림성능에서 비교하였다.
- 셋째, 탑승자 보호 성능 측면에서, 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 THIV 47.1%, PHD 49.0%로 감소하였다. 따라서 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 탑승자 보호성능이 우수하였다.
- 승용차가 100km/hr로 충돌할 시 강재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 속도는 68.5km/hr로써 충돌속도대비 68.5%로 감소하였고 복합소재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 속도는 70.9km/hr로써 충돌속도대비 70.9%로 감소하여 기준치 60%이상을 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 이탈 속도가 2.
- 승용차가 20도로 충돌할 시 강재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 각도는 4.0도로써 충돌각도대비 20.0%로 감소하였고, 복합소재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 각도는 3.8도로써 충돌각도대비 19.0%로 감소하여 기준치 60%이하를 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호 울타리 보다 이탈 각도가 1.
- 윤태양 등(2002)은 실물 차량 충돌 시험과 유한요소해석을 통해 강재 교량용 방호울타리의 성능을 평가하였다. 알루 미늄 보다 강도가 높은 강재를 사용하여 교량용 방호울타리의 추락방지 성능을 높였고 충격완화장치를 사용하여 충격 흡수 능력을 향상시켰다. 고만기와 김기동(2001)은 정적 실내 실험, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실물 충돌 시험을 통해 W-beam 가드레일 시스템과 충격 흡수재를 이용한 Thriebeam 가드레일 시스템을 비교 연구하였다.
- Reid와 Sicking(1998) 및 Coon과 Reid(2006)는 차량 충돌 시험과 유한요소해석을 통해 박판이 부착된 충격 흡수용 가드레일을 연구하였다. 차량 충돌 시 가드레일에 부착된 박판이 심하게 변형되면서 에너지를 급속히 소산시키므로 인명 피해가 감소할 수 있으며, 가드레일의 변형도 줄어듦을 확인하였다. Atahan과 Cansiz(2005)는 차량 충돌 시험 및 충돌 시뮬레이션을 통해 W-beam 가드레일과 Thrie-beam 가드레일을 비교 연구하였다.
- 1%로 낮게 평가되었다. 차량 충돌 시 강재 교량용 방호울타리에 대한 PHD는 19.9g이며, 복합 소재 교량용 방호울타리에 대한 PHD는 9.8g로써 성능평가 기준인 20g 이하를 만족한다. 이 때 g는 중력가속도 9.
- 첫째, 복합소재 교량용 방호울타리는 차량방호 안전시설 실물충돌 시험 업무 편람에 따른 교량용 방호울타리의 성능 평가 기준을 만족하였다. 강재 교량용 방호울타리는 강도성능을 만족하지 못하였다.
- 0%작았다. 트럭이 15도로 충돌할 시 강재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 각도는 5.8도로써 충돌각도대비 38.7%로 감소하였고 복합소재 교량용 방호 울타리의 경우 이탈 각도는 3.8도로써 충돌각도대비 25.3%로 감소하여 기준치 60%이하를 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리 보다 이탈 각도가 13.
- 4% 큰것으로 평가되었다. 트럭이 80km/hr로 충돌할 시 강재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 속도는 60.5km/hr로써 충돌속도대비 75.6%로 감소하였고 복합소재 교량용 방호울타리의 경우 이탈 속도는 65.4km/hr로써 충돌속도대비 81.8%로 감소하여 기준치 60%이상을 만족한다. 복합소재 교량용 방호울타리가 강재 교량용 방호울타리보다 이탈 속도가 6.
- 따라서 교량용 방호울타리의 비산 여부는 2차적인 사고를 고려하여 충돌 후 차량의 거동만큼이나 중요하다. 해석 결과 강재 교량용 방호울타리의 경우와 복합소재 교량용 방호울타리의 경우 모두 승용차, 트럭 충돌 시 교량용 방호울타리의 구성부재가 비산하지 않았다.
후속연구
- 향후 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 실물충돌시험이 필요하다. 시뮬레이션 결과값의 정확도가 검증된다면 향후 다양한 종류의 복합소재 교량용 방호울타리의 개발시 실물충돌시험에 소요되는 과대한 비용과 시간을 절감할 수 있다.
- 강재 및 복합소재의 강도 성능을 표 5에 비교하였다. 향후 복합소재 교량용 방호울타리에 대한 실물충돌시험이 필요하다. 시뮬레이션 결과값의 정확도가 검증된다면 향후 다양한 종류의 복합소재 교량용 방호울타리의 개발시 실물충돌시험에 소요되는 과대한 비용과 시간을 절감할 수 있다.
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