[논문]강재 레일과 CFRP 기둥으로 이루어진 방호울타리의 최적화 설계

김정중; 김승억

doi:10.11004/kosacs.2013.4.2.025

강재 레일과 CFRP 기둥으로 이루어진 방호울타리의 최적화 설계
Design Optimization of Safety Barrier Consisting of Steel Rail and CFRP Post 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.4 no.2, 2013년, pp.25 - 30

김정중 (세종대학교 건설환경공학과) , 김승억 (세종대학교 건설환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study a hybrid safety barrier system consisting of steel rail and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) post is considered. W hile CFRP post is selected for impact energy reflection due to its high strength, steel rail is selected for impact energy absorption due to its high ductility. A numerical model considering the elastoplastic behavior of steel is formulated to simulate the dynamic responses of the hybrid system subject to an impact load. A hybrid roadside guard rail system of steel rail and CFRP post is proposed and analyzed with a case study. The numerical model for the hybrid roadside guard rail system is used to find optimized design of the proposed hybrid system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

강재 레일의 사용 목적은 가해진 충돌하중에 항복하여 강재의 연성으로 에너지를 흡수하는 것이다. 그러므로 강재 레일의 한계상태는 레일의 최대 변형에 의해 결정되어야 할 것이다.
충돌하중의 불확실성을 고려하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 강재레일의 두께를 제안된 설계 신뢰성 지수를 가지도록 최적화 하는 방안이 사례연구와 함께 소개 되었다. 향후 충격흡수와 저항에 최적화된 강재판과 CFRP 기둥의 설계에 사용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 CFRP 기둥과 강재판으로 이루어진 도로용 방호 울타리가 제안되었다. 이에 대한 재료의 탄소성 거동을 고려한 동적 해석모형이 개발되었다.
본 연구에서는 CFRP와 강재레일로 구성된 도로용 방호 울타리의 설계에 설계신뢰성 지수를 도입하여 강재레일의 두께를 최적화 하였다. 이는 차량 충돌시 가해지는 하중의 불확실성을 고려하여 주어진 충돌하중의 변동폭에 대하여 방호 울타리의 최대변위가 0.
본 연구에서는 충격을 흡수하고 저항하는 복합 구조를 CFRP 기둥과 강재 레일로 구성된 도로용 방호 울타리에 적용하고 차량 충돌에 대한 동적 해석모형을 개발하였다. 충돌하중에 대한 강재와 CFRP 복합 구조의 탄소성 (elastoplastic) 거동이 고려되었다.
제안된 최적화 설계방법을 CFRP 기둥과 강재 레일의 방호 울타리에 적용하기 위하여 사례연구를 수행 하였다. 사례연구를 위한 CFRP와 강재의 물성치가 Table 1에 제시되었다.

가설 설정

본 연구에서는 CFRP 기둥의 강성도의 산정에 있어서 지반의 탄성을 고려하지 않았다. 이러한 경우 교량용 방호 울타리로 고려할 수 있을 것이나 평면 도로용 방호 울타리의 설계에 있어서 지반의 탄성도를 고려해야 할 것이다.
그러므로 최적화 설계를 위한 결과는 "type 1" CFRP 기둥에 대해서만 계산하였다. 충돌하중의 크기가 30%의 변동폭을 가지는 정규분포로 가정하여 신뢰성 지수를 산정하였다.
충돌하중에 의한 불확실성을 고려하기 위하여 신뢰성 해석을 수행 하였다 (Nowak 2000, Melchers 1999). 충돌하중의 크기를 확률분포로 가정하였고 CFRP 기둥과 강재 레일의 한계상태를 위반할 확률을 산정하였다. CFRP 기둥의 사용 목적은 가해진 충돌 하중에 저항하는 것이므로 CFRP기둥에 작용하는 모멘트가 기둥의 저항 모멘트 강도를 초과해서는 안 될 것이다.

제안 방법

강재 레일은 두께 2.4 mm부터 4.0 mm까지의 W형 단면을 사용하여 차량 충돌시 강재레일의 최대변 위와 CFRP 기둥에 작용하는 최대하중을 산정하였다. Fig.
CFRP 기둥의 경우 H형 단면을 사용하였다. 두 가지 규격에 대하여 충돌하중에 대한 동적해석을 수행하였다. CFRP 기둥의 규격은 Table 2에 제시된 두 가지 규격을 사용하였다.
그러므로 강재 레일의 한계상태는 레일의 최대 변형에 의해 결정되어야 할 것이다. 설계 기준에서는 울타리의 최대변위를 0.3 m 이내가 되도록 울타리를 설계하도록 제안하고 있다. 이러한 기준을 적용하여 본 연구에서는 울타리의 변위에 의한 한계상태 방정식을 식 (3)과 같이 결정하였다.
충돌 하중의 불확실성을 고려하기 위하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 세가지 치수의 H형 CFRP기둥에 대하여, 적절한 강재레일의 두께를 제안된 설계 신뢰성 지수를 가지도록 최적화 하였다.
충돌하중에 대한 강재와 CFRP 복합 구조의 탄소성 (elastoplastic) 거동이 고려되었다. 충돌 하중의 불확실성을 고려하기 위하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 세가지 치수의 H형 CFRP기둥에 대하여, 적절한 강재레일의 두께를 제안된 설계 신뢰성 지수를 가지도록 최적화 하였다.
이에 대한 재료의 탄소성 거동을 고려한 동적 해석모형이 개발되었다. 충돌하중의 불확실성을 고려하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 강재레일의 두께를 제안된 설계 신뢰성 지수를 가지도록 최적화 하는 방안이 사례연구와 함께 소개 되었다.

데이터처리

충돌하중에 의한 불확실성을 고려하기 위하여 신뢰성 해석을 수행 하였다 (Nowak 2000, Melchers 1999). 충돌하중의 크기를 확률분포로 가정하였고 CFRP 기둥과 강재 레일의 한계상태를 위반할 확률을 산정하였다.

이론/모형

3의 강재의 이상화된 탄소성 구성방정식을 사용하였다. 강판에 직렬로 연결된 CFRP 기둥은 충돌하중을 저항하는 구조로 고려되었으므로 선형탄성 구성방정식을 사용하였다. Fig.
3 m 이내가 되도록 울타리를 설계하도록 제안하고 있다. 이러한 기준을 적용하여 본 연구에서는 울타리의 변위에 의한 한계상태 방정식을 식 (3)과 같이 결정하였다.
충돌하중을 흡수하는 구조용 강판의 탄소성 거동을 구현하기 위하여 Fig.3의 강재의 이상화된 탄소성 구성방정식을 사용하였다. 강판에 직렬로 연결된 CFRP 기둥은 충돌하중을 저항하는 구조로 고려되었으므로 선형탄성 구성방정식을 사용하였다.

성능/효과

0을 달성할 수 있음을 알 수 있다. 결과적으로 변동폭 30%인 충돌하중의 크기 80 kN에 대하여 방호울타리의 최대변위가 0.3 m를 초과하지 않도록 신뢰성 지수 2.0으로 강재 레일의 두께가 결정되었다.

후속연구

3 m 이내에서 되돌려 놓을 것을 제안하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport 2009). 이러한 구조적 성능을 만족하기 위하여 도로용 방호 울타리는 충돌에너지를 적절히 흡수하고 저항하는 구조로 설계되어야 할 것이다.
강재레일의 두께를 제안된 설계 신뢰성 지수를 가지도록 최적화 하는 방안이 사례연구와 함께 소개 되었다. 향후 충격흡수와 저항에 최적화된 강재판과 CFRP 기둥의 설계에 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 제안되고 있는 도로용 방호 울타리의 구조적 성능 기준은 얼마인가?	교량이나 도로에 사용되는 방호 울타리의 구조적 성능 목표는 차량 충돌시 울타리의 제한된 변위 이내에서 충돌 차량을 적정한 속도와 각도로 도로상으로 되돌려 놓는 것이다. 국내의 경우 도로용 방호 울타리의 구조적 성능 기준으로 충돌속도 65 km/h, 충돌각도 15°로 충돌하는 14,000 kg의 차량을 충돌속도의 60% 이상, 충돌각도의 60% 이하로 울타리의 최대변위 0.3 m 이내에서 되돌려 놓을 것을 제안하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport 2009). 이러한 구조적 성능을 만족하기 위하여 도로용 방호 울타리는 충돌에너지를 적절히 흡수하고 저항하는 구조로 설계되어야 할 것이다.
	도로용 방호울타리에 탄소섬유보강 폴리머(CFRP)를 사용할 경우 가질 수 있는 이점은?	2011). 높은 인장강도를 가지지만 연성을 가지고 있지 않은 CFRP를 우수한 연성을 가지고 있는 구조용 강과 결합함으로써, 충격하중에 의한 에너지를 CFRP의 강도로 저항하고 구조용 강의 연성 변형으로 흡수할 수 있을 것이다.
	방호 울타리의 구조적 성능 목표는 무엇인가?	교량이나 도로에 사용되는 방호 울타리의 구조적 성능 목표는 차량 충돌시 울타리의 제한된 변위 이내에서 충돌 차량을 적정한 속도와 각도로 도로상으로 되돌려 놓는 것이다. 국내의 경우 도로용 방호 울타리의 구조적 성능 기준으로 충돌속도 65 km/h, 충돌각도 15°로 충돌하는 14,000 kg의 차량을 충돌속도의 60% 이상, 충돌각도의 60% 이하로 울타리의 최대변위 0.

참고문헌 (10)

Altunc, A. B., Kim, J. J., Al-Haik, M., and Reda Taha, M. M. (2011), "Reliability-Based Design of Blast-Resistant Composite Laminates Incorporating Carbon Nanotubes," Comp. Struct., Vol. 93, pp. 2042-2048.

상세보기
Biggs, J. M. (1982), Introduction to Structural Dynamics, McGraw-Hill, Inc, New York, NY.
Chopra, A. K. (2001), Dynamics of Structures, Theory and Applications to Earthquake Engineering, 2nd Ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ.
Kim, J. J. and Noh, H. C. (2012), "Design optimization of blast resistant CFRP-steel composite structure based on reliability analysis," J. korean Soc. Adv. Comp. Struc, Vol. 3, No. 4, pp. 10-16.

원문보기 상세보기
Sheyka, M. P., Kim, J. J., Altunc, A. B., and Reda Taha, M. M. (2011), A Reliability-Based Energy Approach for Design Optimization of Blast Resistant Composites, Proceedings of ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Nov. 17-20, Denver, CO.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2009), Concordance of car crushing test for roadside safety facilities.
Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., and Ramsay, J. (2007), "Blast Loading and Blast Effects on Structures - An Overview," J. Struct. Eng. ASCE, Vol. 7, pp. 76-91.
Nowak, A. S. and Collins, K. (2000), Reliability of Structures, McGraw-Hill, New York, NY.
Melchers, R. E. (1999), "Structural Reliability Analysis and Prediction," Second Edition, John Wiley & Sons, New York, NY.
Park, H., Lee, K., Lee, S. W., and Kim, K. (2006), "Dynamic Analysis of Nonlinear Composite Structures under Pressure Wave Loading," J. Comp. Mat., Vol. 40, pp. 1361-1383.

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