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문제 정의
- 도로 포장면에 존재하는 수막두께를 미끄럼 저항 예측 모델에 반영시켜 실제 측정과정에서 나타나는 수막현상을 모사하고자 하였다. 식 (6)은 Horne, W.
- 미끄럼 저항이 안전에 심각한 영향을 미치는 상황은 현재 측정 방법으로 평가 할 수 없는 고속 주행 및 강우로 인해 도로에 수막이 발생한 경우이다. 따라서 이러한 상황에서의 미끄럼 저항을 예측 모델을 통해 평가하여 도로 관리자와 이용자에게 제공한다면 보다 안전한 도로를 이룩할 수 있을 것이며, 이를 위해 속도와 수막두께를 고려한 미끄럼 저항 예측 모델을 개발 하고자 한다.
- 도로 주행의 안전을 확보하기 위해 고속 주행 환경과 우천 시의 미끄럼 저항의 관리가 필요하다. 미끄럼 저항 측정 법의 한계를 극복하기 위해 속도와 수막두께를 고려한 미끄럼 저항 예측 모델을 개발하고자 하였으며 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 2. 강우 시 도로면에 형성되는 수막의 두께에 따라 미끄럼저항이 영향을 받게 되며, 이때 발생하는 미끄럼 저항의 감소와 수막현상은 타이어와 수막사이에 발생하는 양력 때문이므로 LS-DYNA를 이용해 접지력의 변화를 해석하였다. 해석 결과 속도가 증가할수록 그리고 수막의 두께가 두꺼울수록 미끄럼 저항이 감소하는 것으로 나타났으며, 해석 결과를 바탕으로 수막두께와 속도에 따라 발생하는 양력을 계산하였다.
- 본 연구에 사용된 PFT 장비는 그림 4와 같은 트레일러에 시험용 바퀴를 장착한 방식이며, 일정한 속도로 주행하면서 측정 장비에 장착된 차륜에 제동을 가하고 이때 작용하는 견인력과 연직하중의 측정을 통해 마찰계수를 계산하여 미끄럼지수(Skid Number, SN)를 구하게 된다. 트레일러 방식의 특성과 안전상의 문제로 인해 주로 국내에서는 60km/h에서 미국에서는 64km/h(40mile)의 속도에서 측정되며, 100km/h 이상의 고속에서는 측정이 어렵다.
- 본 연구에서는 측정된 미끄럼 저항과 MTD를 사용하여 IFI 모델에 적용하여 속도에 따른 미끄럼 저항을 계산하였다. 표면조직상수는 측정된 MTD로 ASTM E 1960에 제시된식 (5)를 사용하여 계산하였다.
- 타이어는 ASTM E 501의 Rib 타이어를 Lagrange 방정식을 이용한 유한요소법(finite element method)으로 모델링하고 유체는 Eulerian 방정식을 이용한 유한 체적법(finite volume method)으로 모델링하여 수막두께와 속도에 따른 수막현상을 해석하였다. 수막두께를 6mm로 하고, 차량의 속도를 40km/h, 60km/h 그리고 80km/h에 대해 해석을 수행하였다. 그림 3과 같이 해석 초기에 4,500N의 접지력을 가하고 차량 이동상황 모사에 따라 타이어의 회전과 수막의 영향으로 접지력이 변화하게 된다.
- 본 측정에 사용된 시험용 타이어는 ASTM E 501의 Rib 타이어를 사용하였으며, 측정 구간은 수원, 예산국도관리사무소에서 관리하는 표 5의 구간에서 실시하였다. 측정은 구간별로 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에서 실시하였으며, 8회에 걸쳐 반복 측정하여 평균값으로 미끄럼 지수(SN)를 구하였다. 측정결과는 표 6과 같으며 포장상태에 따라 미끄럼 저항에 차이가 있고 속도가 증가할수록 미끄럼 저항이 감소함을 알 수 있다(이수형, 2010).
- 앞서 살펴본 미끄럼 저항 해석결과에서도 속도가 증가할수록 그리고 수막두께가 두꺼울수록 미끄럼 저항이 작아지는 것을 알 수 있었으며, 이는 사고의 위험을 높이게 된다. 특히 도로 선형의 개선과 차량 성능의 개선으로 인해 차량의 주행 속도가 증가하고 있는 점을 감안하여 속도 증가에 따른 미끄럼 저항의 변화를 평가 할 필요가 있으며, 이를 위해 PFT 장비를 사용하여 속도 변화에 따른 미끄럼 저항을 측정하였다.
- 강우 시 도로면에 형성되는 수막의 두께에 따라 미끄럼저항이 영향을 받게 되며, 이때 발생하는 미끄럼 저항의 감소와 수막현상은 타이어와 수막사이에 발생하는 양력 때문이므로 LS-DYNA를 이용해 접지력의 변화를 해석하였다. 해석 결과 속도가 증가할수록 그리고 수막의 두께가 두꺼울수록 미끄럼 저항이 감소하는 것으로 나타났으며, 해석 결과를 바탕으로 수막두께와 속도에 따라 발생하는 양력을 계산하였다.
- 형성되는 수막두께가 작기 때문에 이를 해석 모델에 적용해 계산할 경우 모델의 요소를 수막두께에 맞도록 작게 모델링하여야 하고 해석 시간이 길어지기 때문에 해석의 편리성을 위해 수막두께를 약 10배로 가정하여 4.5mm, 6mm와 9mm로 하여 해석을 수행하였다. 표 4에 나타난 것과 같이 동일한 수막두께라고 가정한 상태에서의 해석 결과 값과 수막두께가 변할 경우의 해석 결과에서 접지력의 차이가 있다.
대상 데이터
- 본 측정에 사용된 시험용 타이어는 ASTM E 501의 Rib 타이어를 사용하였으며, 측정 구간은 수원, 예산국도관리사무소에서 관리하는 표 5의 구간에서 실시하였다. 측정은 구간별로 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에서 실시하였으며, 8회에 걸쳐 반복 측정하여 평균값으로 미끄럼 지수(SN)를 구하였다.
이론/모형
- 미끄럼 저항에 영향을 미치는 포장면의 조면조직을 평가하기 위해 ASTM E 965에 따라 샌드패치법(sand patch method)으로 표면 조직 상태를 조사하였다. 샌드패치법은 정해진 부피의 모래를 포장 표면에 고르게 펴서 그림 5와 같이 원을 만들고, 만들어진 원의 면적으로 사용 모래의 부피를 나누어 줌으로써 ASTM E 1845의 식 (2)를 통해 평균 조직깊이(Mean Texture Depth, MTD)를 구해 포장 표면의 조면조직 상태를 평가하는 방법이다.
- 한국건설기술연구원(2010)의 연구에서 수막두께와 미끄럼저항과의 관계를 규명하기 위해 수막현상 해석을 LS-DYNA를 이용하여 수행하였다. 타이어는 ASTM E 501의 Rib 타이어를 Lagrange 방정식을 이용한 유한요소법(finite element method)으로 모델링하고 유체는 Eulerian 방정식을 이용한 유한 체적법(finite volume method)으로 모델링하여 수막두께와 속도에 따른 수막현상을 해석하였다. 수막두께를 6mm로 하고, 차량의 속도를 40km/h, 60km/h 그리고 80km/h에 대해 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 측정된 미끄럼 저항과 MTD를 사용하여 IFI 모델에 적용하여 속도에 따른 미끄럼 저항을 계산하였다. 표면조직상수는 측정된 MTD로 ASTM E 1960에 제시된식 (5)를 사용하여 계산하였다.
- 한국건설기술연구원(2010)의 연구에서 수막두께와 미끄럼저항과의 관계를 규명하기 위해 수막현상 해석을 LS-DYNA를 이용하여 수행하였다. 타이어는 ASTM E 501의 Rib 타이어를 Lagrange 방정식을 이용한 유한요소법(finite element method)으로 모델링하고 유체는 Eulerian 방정식을 이용한 유한 체적법(finite volume method)으로 모델링하여 수막두께와 속도에 따른 수막현상을 해석하였다.
성능/효과
- 1. 자동식 미끄럼 저항 측정 장비는 60km/h에서 600ml/ min·mm의 물을 분사하며 측정하도록 되어 있어, 고속에서의 미끄럼 저항을 측정할 수 없으며, 측정 시 일정하게 분사되는 물로 인해 속도 변화 시 형성되는 수막의 두께가 달라 객관적인 미끄럼 저항을 평가 할 수 없다.
- 3. 기존 IFI 미끄럼 저항 예측 모델과 실측데이터와의 상관관계를 분석한 결과 R2가 0.49였으나, 수막두께에 따른 양력을 반영한 수정 IFI 미끄럼 저항 예측 모델은 R2가0.63으로 높아졌으며, MTD에서 차이를 보이는 82호선을 제외할 경우 수정 IFI 미끄럼 저항 예측 모델의 R2가0.76으로 높은 상관관계를 나타내었다.
- 이와 같은 방식은 일정량의 물을 고정적으로 분사하기 때문에 측정 차량의 속도에 따라 형성되는 수막두께가 변하게 되며, 60 km/h 의 속도로 차량이 진행할 경우 식 (1)과 같이 수막두께를 구할 수 있다. 계산 결과 약 0.6mm 두께의 수막을 형성하는 것을 알 수 있다.
- 기존 IFI 모델 결과에 비해 수막두께를 고려한 미끄럼 저항 예측 모델인 수정 IFI 모델에 의한 값이 실측 미끄럼저항과 더욱 유사하여 예측 효과가 우수한 것으로 나타났다. 다만 82호선의 경우 다른 노선에 비해 수정 IFI 모델에 의해서도 실측 미끄럼 저항과 예측 미끄럼 저항의 차이가 비교적 크게 나타났다.
- 그림 8, 그림 9와 같이 실측치와 미끄럼 저항 예측 모델과의 상관관계를 분석하였다. 기존 IFI 모델을 사용하였을때에 비해 수정 IFI 미끄럼 저항 예측 모델을 사용한 경우, R2가 0.49에서 0.63으로 상관관계가 높아지는 것으로 나타났으며, 4개 측정 지점 중 MTD에서 차이가 있는 82호선을 제외하면 기존 IFI 모델의 R2가 0.58이고 수정 IFI 모델의경우 0.76으로 높아진다.
- 와 60km/h에서 측정된 미끄럼 저항인 F60을 통해 10km/h~150km/h까지의 미끄럼 저항을 계산한 결과와 PFT 장비를 사용하여 40km/h, 60km/h, 80km/h에서 실측한 미끄럼 저항인 표 6의 값을 비교한 것이 그림 6이다. 도로구조령에서 도로의 선형 설계시 반영하는 미끄럼 저항은 그림 6에서 보이는 바와 같이 실제 측정이 가능한 40km/h~80km/h 에서는 기준을 만족하여 충분한 미끄럼 저항성을 나타냄을 알 수 있었다. 반면 100km/h 이상에서는 예측식에 의한 미끄럼 저항이 도로 구조령의 기준치에 비해 낮아짐을알 수 있다.
- 표 4에 나타난 것과 같이 동일한 수막두께라고 가정한 상태에서의 해석 결과 값과 수막두께가 변할 경우의 해석 결과에서 접지력의 차이가 있다. 수막현상 해석 결과 미끄럼 저항은 속도가 높아질수록, 수막 두께가 두꺼울수록 작아지는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 4. 본 연구에서 개발한 수정 IFI 미끄럼 저항 예측 모델을 통해 고속 주행용 도로의 미끄럼 저항을 관리 할 수 있으며, 강우 시 포장에 발생하는 수막두께와 이에 따른 미끄럼 저항의 변화를 예측하여 사용자에게 제공함으로써 도로 주행시의 안전을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
- 다만 82호선의 경우 다른 노선에 비해 수정 IFI 모델에 의해서도 실측 미끄럼 저항과 예측 미끄럼 저항의 차이가 비교적 크게 나타났다. 82호선의 경우 다른 포장과 MTD에서 차이가 있으며 이는 표면 조직 상태가 다른 것을 의미하고, 이로 인해 실제 발생하는 수막두께 및 표면조직상수의 차이로 인한 것으로 추후 포장면의 상태 차이로 발생하는 수막 두께의 변화와 양력에 대해서 검토가 필요할 것이다.
- 본 연구에서의 미끄럼 저항 측정은 측정 노선의 제한 최고 속도인 80km/h까지 측정하였으나, 국도의 경우 100km/h 이상의 설계 속도를 갖는 도로가 계획 중에 있으며, 현재 고속도로는 제한속도가 110km/h인 구간이 있고 앞으로도 더 높은 주행 속도의 도로 건설이 이루어질 것으로 예상되기 때문에 고속에서의 미끄럼 저항에 대한 고려가 반드시 필요하다. 미끄럼 저항 측정방법의 한계와 안전 및 비용의 문제를 감안하였을 때, 80km/h 이상 고속에서의 측정은 어려운 상황이며, 강우로 인한 수막 형성시의 미끄럼 저항도 실측을 통해 평가하기에는 무리가 있다.
- 미끄럼 저항 측정방법의 한계와 안전 및 비용의 문제를 감안하였을 때, 80km/h 이상 고속에서의 측정은 어려운 상황이며, 강우로 인한 수막 형성시의 미끄럼 저항도 실측을 통해 평가하기에는 무리가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 미끄럼 저항의 예측모델을 수립하여 미끄럼 저항을 예측하고 도로 설계와 관리에 적용한다면 도로의 안전 확보에 큰 효과가 있을 것이다.
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