[논문]이상기후 대비 노면배수 3D유체시뮬레이션 활용방안

송연수; 복진훈

이상기후 대비 노면배수 3D유체시뮬레이션 활용방안 원문보기

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문제 정의

또한, 현재 노면배수 설계법은 등류해석을 통한 길어깨 통수량 만을 고려한 수리계산법으로 강우가 내리는 지속시간과 노면에서 발생하는 유량의 유입 되는 도달시간 등을 고려하지 않고 최대 강우강도 시 발생되는 유량과 통수단면만을 고려한 수리계산법이며, 배수시설까지 도달하는 동안의 배수피해를 고려하지 않는다는 한계성을 갖고 있으므로 실제 고속도로 노면상의 문제가 되는 구간에 대한 분석과 3D유체시뮬레이션 적용사례, 앞으로 도래할 스마트하이웨이 고속화도로 건설과 맞물려 이상기후에 대응하기 위한 향후 방법론에 대해서 제시하고자 한다.

성능/효과

5% 다양하게 적용하고 있다. 물론, 2.5%횡단경사 시 집수면적 증가, 신속한 노면배수 등 분명히 효과는 있으나, 아직 2.0%에 대한 문제점이 대두되고 있지 않은 상황에서 적용할만한 근거가 미비하고, 특히, 주행쾌적성 측면에서 쏠림(요잉)현상이 발생되는 문제가 있는데 이에 대한 운전자 행태 분석이나 Human Factor적 요인분석의 어려움이 있으므로 보다 나아가 유체시뮬레이션과 VR시뮬레이션이 융복합된 실사모형을 통한 시뮬레이션이 이루어지면 표준횡단경사 2.5%에 따른 근거가 보다 명확해 질 것으로 판단된다.
최근들어 이상기후에 의한 토목인들의 책임감은 날로 커져가고 있고, 이에 대한 해결방안으로 도로 배수시설 설계빈도 강화, 수문설계 강화, 도시부 도로배수시설의 하수도 시설 연계처리, 선배수 개념 도입, 노면배수시설 체계화, 도로저류시설 도입 등 많은 각계각층의 전문가들이 이상기후에 적극 대응하기 위한 방법론을 제기하고 있다. 본 고에서는 3D 유체시뮬레이션 적용을 통해 배수불량구간 및 선배수 적용성 검토 등 실사를 모사하여 실제 강우가 발생할 때 적용된 강우강도가 일정시간동안 지속될 경우 시간적 요소에 유입되는 여러 변수 등에 따른 유량 변화 및 배수구조물의 용량 및 효율을 검증하는 측면에서 현존하는 좋은 방법일 수 있다. 그러나, 장래 스마트하이웨이(초고속도로)시대가 도래하고 고속주행시 노면마찰력 관계, 미끄럼마찰계수 등 주행안전성과 노면배수와의 관계를 명확히 하기 위해서는 3D유체시뮬레이션과 더불어 VR주행시뮬레이터 등과 융복합된 노면방재 시뮬레이터 개발이 필수적이며, 이로 인해 결국 노면배수에 의한 방재 안전성 측면에서 신뢰도가 크게 향상되고, 나아가 기술융복합에 따른“기후변화 대응 창조경제”라는 정부기조에 적극 부흥할 수 있는 방향이 되지 않을까 기대해 본다.
분석결과, 횡단경사 상향에 따른 기하구조는 평면 곡선반경에 따른 편경사와 편경사 접속설치 길이가 변경되긴 하나 기하구조에 큰 영향을 미치지 않고, 이를 유체시뮬레이션 프로그램(3DMFC)으로 성능 검토를 한 결과, 동일한 편경사에서 종단경사 변화에 따른 유속은 증가하지만 배수효율을 알 수 있는 유하시간은 큰 변화가 없는 것으로 분석되었으며, 강우 시 배수효율이 미치는 경사는 종단경사보다는 편경사에서 더 큰 영향을 발생시키고, 표준횡단경사 상향에 따른 강우의 차로내 유하시간을 평균 4.03초 단축시켜, 표준횡단경사 2.0% 대비 약 14.8%강우배제 효과가 있는 것으로 실사조건에서 분석되었다.

후속연구

본 고에서는 3D 유체시뮬레이션 적용을 통해 배수불량구간 및 선배수 적용성 검토 등 실사를 모사하여 실제 강우가 발생할 때 적용된 강우강도가 일정시간동안 지속될 경우 시간적 요소에 유입되는 여러 변수 등에 따른 유량 변화 및 배수구조물의 용량 및 효율을 검증하는 측면에서 현존하는 좋은 방법일 수 있다. 그러나, 장래 스마트하이웨이(초고속도로)시대가 도래하고 고속주행시 노면마찰력 관계, 미끄럼마찰계수 등 주행안전성과 노면배수와의 관계를 명확히 하기 위해서는 3D유체시뮬레이션과 더불어 VR주행시뮬레이터 등과 융복합된 노면방재 시뮬레이터 개발이 필수적이며, 이로 인해 결국 노면배수에 의한 방재 안전성 측면에서 신뢰도가 크게 향상되고, 나아가 기술융복합에 따른“기후변화 대응 창조경제”라는 정부기조에 적극 부흥할 수 있는 방향이 되지 않을까 기대해 본다.
시공 및 유지관리 시에 나타나는 사례로는 시공 시 발생하는 포장 시공불량구간과 구조물 접속부의 침하, 길어깨 포장의 접속오류, 집수정 등의 배수구조물의 설치오류 등 각종 시공불량으로 인한 물고임이 상당수를 차지하고 있다. 따라서 설계법의 개선을 통한 배수효율을 증대하는 방안과 더불어 시공 상의 공정관리와 품질 및 유지보수에 이르는 종합적인 대책이 필요하다고 하겠다.
그래서 최근도로분야에서 VR활용 및 차량시뮬레이터인 국민대학교(KMUDS-3), 자동차부품연구원(KAAS), 도로교통안전관리공단(RTSADS), 한국건설기술연구원(HuRoSAS) 등 실제 도로에서와 같은 주행실험 및 운전자 행태를 평가하는 연구에서 주로 많이 사용되고 있다. 이에 설계속도 변화나 횡단경사 변화에 따른 유체시뮬레이션(유체해석)과 차량시뮬레이터의 결합으로 노면배수의 흐름뿐만 아니라 운전자의 안전성 측면도 융복합된 시뮬레이터 개발이 필요할 것으로 판단된다.
평면선형 변화구간에서 발생하는 편경사의 변화구간을 최소화하고, 물고임의 우려가 많은 편경사 변화구간과 종단곡선의 변화구간이 겹치지 않도록 하는 선형설계가 필요하며, 편경사 변화구간에 우수 집중현상이 발생하는 등 현 배수 설계법에서 검토하기 어려운 구간에 대하여 유체해석 및 시뮬레이션 프로그램을 통한 분석기법을 개발하여 배수 취약구간에 대한 보완설계가 필요하다. 결국 3D유체시뮬레이션이란, 실제로 강우가 발생하여 적용된 강우강도가 일정시간동안 지속될 경우 시간적인 요소를 적용하고 노면에서 발생하여 유입되는 여러 변수 등으로 인한 유량의 변화 등을 실제와 같은 상황에서 시뮬레이션을 하고, 일정시간동안 도로에서 유량을 만들어 설치되는 배수구조물의 용량 및 효율을 검증할 수 있는 영상기술과 유체공학 수치해석을 조합한 결과물이라 할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

3D유체시뮬레이션기법을 통한 유체실험으로 정의하여 설계 시 참고자료 및 설계기준으로의 정립이 필요한 이유는 무엇인가?

이에 현재 고속도로의 경우 설계강우강도를 일반 적인 도로의 10년 빈도보다는 강화하여 적용하고 있고, 2011년 12월 국토부에서 개정된 IDF곡선을 적용하면 기본적으로 강우강도는 강화되어 적용될 수 있다. 그러나, 도로의 평면 및 종단선형과 편경사의 관계를 고려한 배수설계는 현재 적용되는 배수설계 법이 존재하지 않고, 그 관계를 수리학적으로 풀어내기 힘든 부분이 있으므로 편경사 변화구간에 대한 물고임 우려구간의 길이 산정, 종단곡선 오목부의 물고임구간 길이 산정 등 3D유체시뮬레이션기법을 통한 유체실험으로 정의하여 설계 시 참고자료 및 설계기준으로의 정립이 필요하다.

비가 왔을 때 사고의 직접적인 요인으로 작용하고 있는 이유는 무엇인가?

9명으로 맑은 날 대비 1.3배나 높게 나타나는 등 노면배수가 불량하여 우수가 직접 배제되지 않을 경우에 고속으로 주행하는 차량의 타이어 접속면과 노면사이 우수의 영향으로 발생하는 수막현상 및 물튀김에 의한 시거불량 등은 사고의 직접적인 요인으로 작용하고 있다.

도로에서 발생하는 노면배수가 발생한 사례는 무엇인가?

특히, 노면배수 배수불량구간 개선방법은 강우강도 상향조정 등의 이유로 설계 당시에 고려되어야 할 구간과 시공 및 유지관리 측면에서 고려되어야 할 구간으로 나뉠 수 있다. 그 사례로 남해고속도로(동광양IC)는 평면선형 S커브구간(편경사 변화구간)과 완만한 종단선형으로 인한 물고임이 발생하였는데, 이는 설계당시부터 평면선형 변화부의 편경사와 종단곡선의 SAG와는 겹치지 않게 설치하고 종단곡선이 +에서 -로 변화되는 종단곡선 SAG부에서는 기준보다 더 많은 집수정 및 도수로를 설치하여 종단곡선으로 인한 물고임 현상을 설계당시부터 대비하는 노력이 필요하다.

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