선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 운전자 과실 및 가드레일의 성능결함으로 년평균 고속도로 가드레일 추락사고가 29건 발생하고 있어, 본 논문에서는 현 지침 이전에 고속도로에 설치되어 사용중인 구형 가드레일에 대해 성능평가 후 분석을 실시하였고 이에 대한 성능향상 방안을 개발하였다. 또한 향후 전면교체가 아닌 성능 개선된 가드레일 적용 방안에 대해 검토 분석하였다.
- 하루빨리 교체작업이 필요한 실정이지만 신규 가드레일 교체시 수천억원의 교체비용이 발생하기 때문이다. 본 논문에서는 구형 가드레일을 최대한 이용해 보강한 개선방안 가드레일을 개발하여 사업비를 절감하고자 하였다.
- 운전자 과실 및 가드레일의 성능결함으로 년평균 고속도로 가드레일 추락사고가 29건 발생하고 있어, 본 논문에서는 현 지침 이전에 고속도로에 설치되어 사용중인 구형 가드레일에 대해 성능평가 후 분석을 실시하였고 이에 대한 성능향상 방안을 개발하였다. 또한 향후 전면교체가 아닌 성능 개선된 가드레일 적용 방안에 대해 검토 분석하였다.
가설 설정
- 부재의 연결은 Beam 요소를 사용하여 볼트연결을 구성하였고 지반 모델은 Spring Element로, 부재 상호간의 힘의 전달을 위해 인접한 부재사이의 접촉면에 Contact 옵션을 사용하여 충돌로 인한 힘의 전달을 고려하였다. 가드레일은 승용차와 트럭에 대하여 15경간(30m)을 모델링하였으며, 양끝 단부는 가드레일의 설치길이가 충분하다고 가정하여 변위를 구속하였다.
제안 방법
- 2001년부터 가드레일에 대한 실물차량 충돌시험이 의무화되어 구기준에 의거하여 설치된 구형 가드레일의 성능개선방안을 본 연구에서 개발하였고 이 개선방안은 국내 최초 가드레일 보강공법으로 가드레일 전면교체가 아닌 기존 가드레일을 사용하면서 보강하는 저비용, 고효율 성능향상 방안이다.
- 구형 가드레일을 충분히 이용하기 위해 기존 W형 빔 레일과 원형지주를 그대로 사용하였다. SB1등급의 경우 기존 형태에 블록아웃 충격흡수재를 추가하였고 특히 SB3등급의 경우 기존 가드레일과 동일한 지주간격 4m를 고수하기 위해 지주간격 사이 중간인 2m마다 블록아웃을 추가 설치하였고 구조적인 강도보강을 위해 지주 후면에 사각보를 추가 설치하였다.
- SB5등급 고성토부 가드레일 보강방안은 W형 빔 2단 가드레일에 상하로 블록아웃 간격재로 보강하여 탑승자의 안전도를 향상시켰다. 그림 5는 구형 가드레일과 보강 개선방안 가드레일의 형태를 비교해 나타내었다.
- 공용중인 고속도로의 구형 노측용 가드레일은 성능 부적합으로 검증되어 도로 이용객의 안전을 위협하는 차량방호울타리로 판명됨으로써 이를 개선하고자 구조 검토 및 충돌 시뮬레이션을 통해 보강개선된 가드레일의 최종안을 확정하였다.
- 구형 가드레일 성능상의 문제점인 충돌차량의 지주걸림현상(Snagging)방지를 위하여 일반빔형 가드레일에서 블록아웃형 구조로 형식을 변경하고 기존 지주에 보강재를 추가 설치함으로써 강도성능 및 탑승자 보호성능의 향상을 도모하는 방안을 수립하였다.
- 기존의 구형 가드레일의 경우 성능시험 없이 설치되었으므로 가드레일의 성능을 검증해 보아야만 했다. 국내지침에서는 고속도로에 적용되는 기본등급으로 SB3등급을 규정하고 있어서 이에 맞는 충돌시험 조건으로 충돌시험을 실시하였다.
- 그리고 최종 검증단계인 실물차량 충돌시험을 통해 보강방안의 성능을 평가하였다. 충돌시뮬레이션의 성능 평가 결과와 실물차량 충돌시험 결과를 표 3에 비교 정리했다.
- 본 논문에서는 구형 가드레일의 성능을 개선한 SB1, 3, 5등급에 대해 충돌시뮬레이션을 통해 최적의 도면을 도출하였고 충돌시험을 수행하여 검증하였다. 검증결과 모든 개선안이 국내 지침에 만족스러운 결과를 보였다.
- 차량방호울타리의 빔, 지주 및 블록아웃 부재는 Shell 요소를 사용하여 모델링 하였으며, 강재는 SS400의 재료적 특성을 고려하였다. 부재의 연결은 Beam 요소를 사용하여 볼트연결을 구성하였고 지반 모델은 Spring Element로, 부재 상호간의 힘의 전달을 위해 인접한 부재사이의 접촉면에 Contact 옵션을 사용하여 충돌로 인한 힘의 전달을 고려하였다. 가드레일은 승용차와 트럭에 대하여 15경간(30m)을 모델링하였으며, 양끝 단부는 가드레일의 설치길이가 충분하다고 가정하여 변위를 구속하였다.
- 성능평가기준에서 기존 평가항목 보완을 통해 중복되는 평가항목을 흡수함으로써 평가항목을 간소화하였고 충돌 후 차량의 부위별 변형기준을 제시하여 탑승자의 안전성능을 확보하였다.
- 수정된 내용은 방호울타리의 충돌시험기준에서 소형 차량의 무게를 0.7ton과 0.82ton의 무게를 통합하여 1.1ton으로 간소화되었고 픽업트럭은 자국의 실정에 맞도록 2.27ton으로 개정하였으며 또한 소형차량의 충돌 각도는 20° 에서 25° 상향하였다.
- 차량방호울타리의 빔, 지주 및 블록아웃 부재는 Shell 요소를 사용하여 모델링 하였으며, 강재는 SS400의 재료적 특성을 고려하였다. 부재의 연결은 Beam 요소를 사용하여 볼트연결을 구성하였고 지반 모델은 Spring Element로, 부재 상호간의 힘의 전달을 위해 인접한 부재사이의 접촉면에 Contact 옵션을 사용하여 충돌로 인한 힘의 전달을 고려하였다.
- 현재 공용중인 고속도로의 구형 노측용 가드레일은 국내 차량방호울타리 성능기준에 미흡한 채로 설치되어 도로 이용객의 안전을 위협함으로 국내 성능기준에 만족한 보강, 개선된 SB1, 3, 5등급 가드레일을 개발하였다.
대상 데이터
- 구형 가드레일을 충분히 이용하기 위해 기존 W형 빔 레일과 원형지주를 그대로 사용하였다. SB1등급의 경우 기존 형태에 블록아웃 충격흡수재를 추가하였고 특히 SB3등급의 경우 기존 가드레일과 동일한 지주간격 4m를 고수하기 위해 지주간격 사이 중간인 2m마다 블록아웃을 추가 설치하였고 구조적인 강도보강을 위해 지주 후면에 사각보를 추가 설치하였다.
- 성능이 미흡한 구형 가드레일을 대신할 신형 노측용 가드레일은 2006년에 개발되었다. 국내 최초로 개발된 SB3등급 차량방호울타리로 Thrie beam형 레일과 지주보강재가 추가된 원형지주(지주간격 2m) 및 충격흡수재인 V자형 블록아웃 구조를 갖추었다. 고속도로 기본등급인 SB3등급뿐만 아니라 고속도로 나들목에 사용되는 저속구간용 SB1등급, 고성토구간인 절대위험지역에 적용되는 SB5등급 방호울타리도 차례로 개발되어 신설 고속도로에 설치되고 있다.
이론/모형
- 기존 노측용 가드레일을 개선 보강한 SB1, SB3, SB5등급 가드레일에 대해 현지침의 충돌조건에 따라 충돌 시뮬레이션을 수행하였고 개선방안 충돌시뮬레이션에는 그림 6, 7의 NCAC(National Crash Analysis Center at George Washington University)에서 개발한 Ford Taurus 차량의 Reduce 모델(NCAC, 2000)과 Ford Single Unit Truck 모델을 사용하였다.
성능/효과
- H형지주(100×100×8×6)를 2m 간격으로 타입하고 지주에 350mm 길이의 H형지주 형태의 블록아웃을 설치한 후, W형 빔 레일을 체결하여 사용한 구형 가드레일에 대한 대형차량 충돌시험 결과, 차량의 거동은 차량이 방호울타리에 충돌하여 전복되거나 급정지하지 않고 원활히 유도되었으나, 충돌 과정에서 다소 큰 차량의 Rolling과 Pitching이 계측되었다.
- SB5등급 개선안에 대한 충돌시뮬레이션과 실차 충돌 시험의 충돌차량 거동을 비교한 결과 유사한 거동을 보였고 차량과 가드레일의 접촉시간 및 통과시간은 마찰력이 작은 시뮬레이션 상에서 좀 더 빠른 것으로 나타났다.
- 27％)로 모두 평가기준에 만족한 결과를 보였다. 가드레일의 강도성능을 나타내는 방호울타리의 충돌 최대 변형거리는 19번 지주와 20번지주의 사이에서 74.3cm의 최대변형거리를 보였다. 지주는 총 13본이 파손되었으며, 레일도 7장이 파손되었다.
- PHD값은 국내 기준값인 한계값 20g를 벗어나는 값으로 나타났다. 가드레일의 구성요소가 탈락되어 차량 컴파트먼트를 뚫고 들어가지 않았으며, 구성부재가 도로상이나 도로밖으로 비산하여 탑승자나 제 3자에게 피해를 주는 어떠한 요소도 발견되지 않았으나 결과적으로 일반 가드레일 충돌시험 결과 소형차의 탑승자 보호 성능에서 기준에 만족하지 못한 결과를 보였다.
- 충돌시뮬레이션을 통해 도면을 완성했고 최종 검증단계인 실물차량 충돌시험 결과, 탑승자보호성능, 구조성능, 충돌 후 차량의 거동성능 등이 우수한 것으로 나타났다. 개발된 보강 개선방안 가드레일은 구형 노측용 가드레일을 그대로 사용하면서 최소한의 부재 보강을 통해 개발함으로써 전면 교체보다 많은 예산절감을 할 수 있는 것으로 조사되었다. 기존의 구형 가드레일은 검증된 안전한 차량방호울타리로 보강됨으로써 고속도로를 이용하는 운전자의 안전성이 제고될 것이고 차량 충돌로 인한 교통사고의 치명도 및 재산피해가 감소할 것으로 예상된다.
- 본 논문에서는 구형 가드레일의 성능을 개선한 SB1, 3, 5등급에 대해 충돌시뮬레이션을 통해 최적의 도면을 도출하였고 충돌시험을 수행하여 검증하였다. 검증결과 모든 개선안이 국내 지침에 만족스러운 결과를 보였다.
- 비교 결과, 차량의 거동 또한 아주 흡사한 거동을 보였으며 동적 최대변위도 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 탑승자보호지수 계산 결과도 큰 차이를 보이지 않았으므로 충돌시뮬레이션은 초기 설계 단계에서 가드레일의 전반적인 에너지소산 거동을 예측하고 설계초안을 작성하기에는 충분하였다.
- 모두 만족스러운 결과를 보여주었으며 시뮬레이션의 결과가 실차 충돌시험 결과와 유사하게 측정되어 시뮬레이션의 신뢰성이 입증되었고 개선방안인 노측 가드레일의 성능은 실차 충돌시험을 통해 최종 검증되었다.
- 본 논문의 충돌시뮬레이션에 사용된 프로그램은 LSDYNA 3D로 다양한 충돌하중에 대한 해석을 위해 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 John O. Hallquist박사에 의해 최초로 개발되기 시작하여, 충돌차량과 방호울타리와의 다양한 충돌시뮬레이션이 실시되어 높은 신뢰도를 보여주고 있다.
- 비교 결과, 차량의 거동 또한 아주 흡사한 거동을 보였으며 동적 최대변위도 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 탑승자보호지수 계산 결과도 큰 차이를 보이지 않았으므로 충돌시뮬레이션은 초기 설계 단계에서 가드레일의 전반적인 에너지소산 거동을 예측하고 설계초안을 작성하기에는 충분하였다.
- 앞절의 구형 노측용 가드레일(원형지주 간격 4m) 성능시험 결과, 고속도로 설치 등급인 SB3등급의 충돌조건을 만족시키지 못하는 것으로 충돌시험 결과 판명되었다.
- 이 저비용 고효율 성능개선 방안은 기존 가드레일, 지주를 재활용함으로써 새로운 타입으로 가드레일을 전면 교체 시 드는 비용의 약 30% 정도(부재별 단가 산출을 근거로 계산한 결과) 소요된다. 먼저 개선방안은 고속도로 위험도가 큰 구간을 선정하여 우선 추진될 예정이고 이후 가장 연장이 긴 본선구간의 기존 가드레일을 개선할 것이다.
- 지주간격 4m의 원형지주를 사용한 W형 빔 가드레일에 대한 성능시험 결과는 대형충돌차량의 승월 및 관통으로 인해 가드레일의 강도성능이 현 기준을 만족시키지 못한 것으로 나타났다.
- 충돌시뮬레이션을 통해 도면을 완성했고 최종 검증단계인 실물차량 충돌시험 결과, 탑승자보호성능, 구조성능, 충돌 후 차량의 거동성능 등이 우수한 것으로 나타났다. 개발된 보강 개선방안 가드레일은 구형 노측용 가드레일을 그대로 사용하면서 최소한의 부재 보강을 통해 개발함으로써 전면 교체보다 많은 예산절감을 할 수 있는 것으로 조사되었다.
- 충돌차량의 이탈속도는 49.45km/hr(충돌속도의 60.76％)였으며 이탈각도는 7.39°(충돌각도의 49.27％)로 모두 평가기준에 만족한 결과를 보였다.
- 탑승자 보호성능을 평가하는 소형차량 충돌시험 결과 탑승자 충돌속도(THIV:차량이 시설물과 충돌하여 운전자의 머리가 차량 내부공간의 가상면에 부딪칠 때까지 이동하는 속도)는 0.1289sec에서 24.84km/hr의 값을 보였으며 탑승자 가속도(PHD: 탑승자가 차량 내부공간의 가상 면에 부딪힐 때 머리가 받게 되는 가속도 중에서 최대값)는 0.2038sec에서 31.6g의 값을 보였다.
후속연구
- 국내 차량방호안전시설에 대한 성능평가기준을 제시하였을 뿐만 아니라 일반사항과 구조 및 형식을 소개한 2001년 도로안전시설 설치 및 관리지침(차량방호 안전 시설 편, 국토해양부)은 국내 차량방호울타리의 성능 향상에 기초가 되었고 향후 세계적인 수준의 차량방호안전시설 개발에 크게 기여할 것이다.
- 이 저비용 고효율 성능개선 방안은 기존 가드레일, 지주를 재활용함으로써 새로운 타입으로 가드레일을 전면 교체 시 드는 비용의 약 30% 정도(부재별 단가 산출을 근거로 계산한 결과) 소요된다. 먼저 개선방안은 고속도로 위험도가 큰 구간을 선정하여 우선 추진될 예정이고 이후 가장 연장이 긴 본선구간의 기존 가드레일을 개선할 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.