본 연구에서는 강풍에 의한 차량의 주행안정성 확보를 위해 설치하는 방풍벽의 설치기준을 제안하였다. 이를 위하여 먼저 차량전용해석 수단인 CarSim 및 TruckSim을 사용하여 풍속 및 차량속도에 따른 횡방향 이탈량을 계산하고, 이로부터 차종별 위험 풍속을 결정하였다. 그리고 방풍벽 설치 여부의 판단을 위해 방풍벽 설치로 인해 얻을 수 있는 사고위험과 주행편익 등을 생애주기 동안의 비용으로 환산하였다. 사고위험 계산을 위해 해당지역의 풍속확률분포, 일평균통행량, 차종별 혼입율 및 구간풍속 지속시간 등을 이용하였다. 방풍벽 설치 전과 후의 총 비용과 편익을 비교하여 방풍벽 설치로 인한 편익이 설치 비용보다 큰 경우 방풍벽을 설치하는 것으로 판정하였다. 수치해석을 통해 고속도로 상의 두 곳을 대상으로 방풍벽 설치 여부에 대한 판정을 수행하였다.
본 연구에서는 강풍에 의한 차량의 주행안정성 확보를 위해 설치하는 방풍벽의 설치기준을 제안하였다. 이를 위하여 먼저 차량전용해석 수단인 CarSim 및 TruckSim을 사용하여 풍속 및 차량속도에 따른 횡방향 이탈량을 계산하고, 이로부터 차종별 위험 풍속을 결정하였다. 그리고 방풍벽 설치 여부의 판단을 위해 방풍벽 설치로 인해 얻을 수 있는 사고위험과 주행편익 등을 생애주기 동안의 비용으로 환산하였다. 사고위험 계산을 위해 해당지역의 풍속확률분포, 일평균통행량, 차종별 혼입율 및 구간풍속 지속시간 등을 이용하였다. 방풍벽 설치 전과 후의 총 비용과 편익을 비교하여 방풍벽 설치로 인한 편익이 설치 비용보다 큰 경우 방풍벽을 설치하는 것으로 판정하였다. 수치해석을 통해 고속도로 상의 두 곳을 대상으로 방풍벽 설치 여부에 대한 판정을 수행하였다.
This study presents a decision making process for installation of wind barrier which is used to reduce the wind acting on running vehicle on expressway. At the first stage of this study, the lateral deviations of running vehicles under side winds were computed from the commercial softwares, CarSim a...
This study presents a decision making process for installation of wind barrier which is used to reduce the wind acting on running vehicle on expressway. At the first stage of this study, the lateral deviations of running vehicles under side winds were computed from the commercial softwares, CarSim and TruckSim, and then the critical wind speeds for car accident were evaluated from predefined risk index. To determine whether it is needed to install wind barrier or not, cost and benefit from wind barrier are calculated during lifetime. In obtaining car accidental risk, probabilistic distribution of wind speed, daily traffic volume, mixture ratio in the volume, and duration time for wind speed range are considered. It is recommended to install wind barrier if benefit from the barrier installation exceed construction cost. In the numerical examples, case studies were shown for risk and benefit calculation and main risky regions on Korean highway were all evaluated to identify the number of installation sites.
This study presents a decision making process for installation of wind barrier which is used to reduce the wind acting on running vehicle on expressway. At the first stage of this study, the lateral deviations of running vehicles under side winds were computed from the commercial softwares, CarSim and TruckSim, and then the critical wind speeds for car accident were evaluated from predefined risk index. To determine whether it is needed to install wind barrier or not, cost and benefit from wind barrier are calculated during lifetime. In obtaining car accidental risk, probabilistic distribution of wind speed, daily traffic volume, mixture ratio in the volume, and duration time for wind speed range are considered. It is recommended to install wind barrier if benefit from the barrier installation exceed construction cost. In the numerical examples, case studies were shown for risk and benefit calculation and main risky regions on Korean highway were all evaluated to identify the number of installation sites.
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문제 정의
본 논문에서는 고속도로에서 강풍시 주행안정성을 향상시키기 위해 필요한 방풍벽의 설치여부를 판단하기 위한 방법을 제안하였다. 수치해석을 통해 주행차량이 인접차선을 침범하게 되는 위험풍속을 산정하였으며, 기상청 관측자료를 이용하여 위험풍속을 초과할 확률을 산정하였다.
본 연구에서는 방풍벽 설치 여부의 판단 기준을 마련하기 위하여 풍속의 확률분포를 이용하여 강풍사고 확률을 추정하였으며, 이를 통해 방풍벽 설치로 얻을 수 있는 편익의 기대값을 산정하였다. 산정된 편익이 방풍벽 설치비용을 초과할 경우 방풍벽 설치를 권장할 수 있으며, 반대의 경우 방풍벽 설치를 권장하지 않는 방법이다.
이 값을 어떻게 적용하느냐에 따라 방풍벽의 설치 여부에 대한 판단이 달라질 수 있다. 본 절에서는 조건부 사고확률의 변화에 따라 방풍벽 설치여부에 대한 판단이 어떻게 영향을 받는지를 알아보기 위하여 이 값을 변화시켜가면서 대상지 75개소 중 몇 개의 지역에 방풍벽 설치가 권장되는 지를 평가하였다. 그 결과 그림 11에서 보는 바와 같이 조건부 사고확률이 증가함에 따라 설치개소의 수가 완만하게 증가하며 PAIV+S를 3.
가설 설정
해석시 차량 속도와 풍속은 일정하다고 가정하였고, 바람은 차량의 진행 방향과 직각으로 분다고 가정하였다. 노면 상태의 변화에 따른 결과를 비교하기 위해 노면의 마찰계수를 평상시 0.
제안 방법
확률 분포 추정을 위해 표 1의 4가지 극치분포를 이용하였으며, 주요 10개소 관측기록으로부터 추정한 누적분포함수의 추정 오차 최대값을 비교한 결과 그림 8과 같다. GEV 분포가 다른 세 개의 극치분포형보다 추정오차가 가장 작은 것으로 평가되었으며, 이후의 수치해석에서 풍속의 확률분포함수로는 GEV를 이용하였다.
이와 같은 결과는 차량의 제원에 따라 그 결과가 달라질 수 있으나, 현재 운행중인 모든 차량에 대하여 이와 같은 동적해석 결과를 적용하는 것이 용이치 않고 또한 차량의 제원은 차량 제조사의 기밀사항으로 정확한 제원을 가지고 동적 해석을 수행하기 어려운 점이 있다. 따라서, 본 논문에서 위험풍속은 승용차와 트럭은 35m/s, 버스는 30m/s로 적용하였다.
수치해석을 통해 주행차량이 인접차선을 침범하게 되는 위험풍속을 산정하였으며, 기상청 관측자료를 이용하여 위험풍속을 초과할 확률을 산정하였다. 방풍벽 설치로 얻을 수 있는 위험감소 편익과 주행시간 편익이 방풍벽 설치 비용보다 클 때 방풍벽 설치를 권장함으로써 투자한 건설비가 확률적으로 투자가치를 발휘할 수 있도록 하였다. 차량의 강풍에 의한 사고확률을 추정함에 있어 위험풍속 초과시 사고로 이어질 확률은 방풍벽 설치여부에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었으며 장기간의 사고통계 자료를 확보함으로써 방풍벽 설치 여부 평가의 객관성을 높이는 것이 중요하다.
본 연구에서는 차량 동적해석 전용 프로그램인 Mechanical Simulation Corporation(2007)사의 승용차 해석용 CarSim (v7.1a)과 트럭 해석용 TruckSim(v7.1)을 사용하여 정속 주행중인 차량에 대한 동적 해석을 수행하였다(그림 3). 사용한 차량 모델은 그림 4에 나타내었는데, CarSim과 TruckSim의 라이브러리에서 제공하는 표준적인 차량 12가지를 사용하였다.
산정된 편익이 방풍벽 설치비용을 초과할 경우 방풍벽 설치를 권장할 수 있으며, 반대의 경우 방풍벽 설치를 권장하지 않는 방법이다. 수치해석을 통해 전국의 고속도로 위험구간에 방풍벽 설치가 필요한 위치를 선별하였다.
본 논문에서는 고속도로에서 강풍시 주행안정성을 향상시키기 위해 필요한 방풍벽의 설치여부를 판단하기 위한 방법을 제안하였다. 수치해석을 통해 주행차량이 인접차선을 침범하게 되는 위험풍속을 산정하였으며, 기상청 관측자료를 이용하여 위험풍속을 초과할 확률을 산정하였다. 방풍벽 설치로 얻을 수 있는 위험감소 편익과 주행시간 편익이 방풍벽 설치 비용보다 클 때 방풍벽 설치를 권장함으로써 투자한 건설비가 확률적으로 투자가치를 발휘할 수 있도록 하였다.
앞에서 추정한 조건부 사고확률을 이용하여 중앙선 백운 1교 (연장: 180m, 고도: 30.4m)와 동해선 노동4교(연장: 90m, 고도: 37.1m)에 대한 방풍벽 설치 여부를 판단하였다. 풍속의 고도보정을 통해 교량 위에서의 풍속 확률분포를 추정하였다.
4로 설정하였다(Gillespie, 1992). 차량속도는 20km/h부터 160km/h까지 20km/h 간격으로 변경하였으며, 90km/h와 110km/h에 대해서 추가로 실시하였다. 횡방향 풍속은 10m/s부터 40m/s까지 5m/s 간격으로 설정하였다.
1m)에 대한 방풍벽 설치 여부를 판단하였다. 풍속의 고도보정을 통해 교량 위에서의 풍속 확률분포를 추정하였다. 교통량은 일평균교통량(AADT)을 이용하였으며 승용차, 버스 및 트럭의 혼입비는 0.
횡방향 풍속은 10m/s부터 40m/s까지 5m/s 간격으로 설정하였다. 해석에서는 이렇게 다양한 차량 속도와 풍속에 대하여 차량의 횡방향 이탈거리를 계산하였다.
대상 데이터
사고시 발생비용은 31,750천원을 적용하였으며 차종별 시간당 편익비용은 승용차, 버스, 트럭이 각각 11천원, 44천원 및 12천원으로 하였다(건설교통부, 2007). 방풍벽의 설치비용은 길이당 810천원을 사용하였다. 또한 인플레이션율과 할인율은 1999년~2007년 사이의 평균인 2.
1)을 사용하여 정속 주행중인 차량에 대한 동적 해석을 수행하였다(그림 3). 사용한 차량 모델은 그림 4에 나타내었는데, CarSim과 TruckSim의 라이브러리에서 제공하는 표준적인 차량 12가지를 사용하였다. 해석에 사용된 차량의 제원은 부록에 나타내었다.
위험구간은 방풍벽 적용이 예상되는 교량의 지간과 교량 양단의 속도저감구간(500m×2)을 포함한 총 길이이다.
풍속분석을 위해 고속도로에서 가장 인접한 위치에 있는 기상청 관측소 풍속기록을 이용하였다. 계측기간은 관측소마다 다소 차이가 있으며 최소 3년에서 최대 38년 동안의 풍속을 기록하고 있다.
데이터처리
계측기간은 관측소마다 다소 차이가 있으며 최소 3년에서 최대 38년 동안의 풍속을 기록하고 있다. 주행중 차량에 미치는 위험풍속에 대한 확률분포의 추정은 일최대 3초 평균풍속을 사용하였다. 확률 분포 추정을 위해 표 1의 4가지 극치분포를 이용하였으며, 주요 10개소 관측기록으로부터 추정한 누적분포함수의 추정 오차 최대값을 비교한 결과 그림 8과 같다.
주행중 차량에 미치는 위험풍속에 대한 확률분포의 추정은 일최대 3초 평균풍속을 사용하였다. 확률 분포 추정을 위해 표 1의 4가지 극치분포를 이용하였으며, 주요 10개소 관측기록으로부터 추정한 누적분포함수의 추정 오차 최대값을 비교한 결과 그림 8과 같다. GEV 분포가 다른 세 개의 극치분포형보다 추정오차가 가장 작은 것으로 평가되었으며, 이후의 수치해석에서 풍속의 확률분포함수로는 GEV를 이용하였다.
이론/모형
즉, 사고확률은 횡풍에 의하여 주행중인 차량이 인접 차선을 침범할 확률(PVS)과 옆차선을 침범한 상태에서 나란히 주행하는 차량이 충돌하는 조건부 사고확률(PAIV+S)을 이용하여 계산한다.
3으로 하고 고려하는 최대 풍속을 40m/s로 할 경우 풍속구간별 평균 지속시간을 표 3과 같이 구할 수 있다. 차종별 사고에 의한 평균 부상자 수는 통계치에 의하여 표 4(한국도로공사, 2008)와 같이 적용하였다.
성능/효과
그 결과 그림 11에서 보는 바와 같이 조건부 사고확률이 증가함에 따라 설치개소의 수가 완만하게 증가하며 PAIV+S를 3.0×10-7(β =4.991)까지 증가시킨 경우 전체 대상치 75개소 중 48%인 36개소에 방풍벽 설치가 권장되고 있다.
429배로 나타났다. 또한, 동해선 노동 4교에 대한 평가에서는 편익의 합이 86,957천원이며, 설치비용이 145,800천원으로 설치비용이 더 높은 것으로 평가되었다.
이를 위해 동해선, 영동선, 중부내륙선, 중앙선, 청원상주선, 익산장수선, 중부선 등의 교통량 정보와 각 노선의 주요교량 고도, 풍속확률분포 등을 이용하면 전국고속도로 위험구간별 년간 평균사고회수와 간에 그림 9와 같은 관계를 얻을 수 있다. 조건부 사고확률이 증가할수록 평균사고회수가 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고속도로 상에서 주행중인 차량에 작용하는 강한 횡풍이 미치는 영향은 무엇인가?
고속도로 상에서 주행중인 차량에 작용하는 강한 횡풍은 노면과 타이어 사이에 활동을 유발하여 차량의 주행안정성에 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 심한 경우 인접 차선의 침범을 일으켜 교통사고의 위험을 높일 수 있다. 이러한 횡풍에 의한 차량 주행안정성은 비교적 최근에 대두된 문제로 외국에서도 그 사례가 많지는 않다.
횡방향 바람에 의한 차량의 영향은 어떻게 구분하는가?
횡방향 바람에 의한 차량의 영향은 크게 전도와 주행안정성 위협으로 구분할 수 있다(그림 1). 이중에서 차량의 전도는 비교적 높은 풍속에서 발생하므로 실질적으로 운전자가 받는 위협은 주행안정성, 즉 횡풍에 의하여 운전 중 차량이 직진성을 상실하여 인접차선에서 주행중인 차량과 접촉하거나 도로시설물과 충돌하는 경우이다.
방풍 벽에 투자한 설치비용의 효과를 얻을 수 있는 확률을 높이는 방법은 무엇인가?
어떤 곳에 방풍벽을 설치할 것인가에 대한 하나의 답으로는 비용 측면에서 가능하다. 즉, 방풍벽의 설치로 얻을 수 있는 편익이 방풍벽 설치비용보다 클 때 방풍벽을 설치한다면 투자한 설치비용의 효과를 얻을 수 있는 확률이 높다. 방풍벽 설치로 인해 얻을 수 있는 편익이라 함은 방풍벽 설치로 인해 풍속이 감소하고 이로 인해 사고의 위험이 감소하기 때문에 얻을 수 있는 기대 이익이다.
참고문헌 (18)
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