[논문]초고속 주행환경에서의 종단경사 설계기준에 관한 기초연구

송민태; 강호근; 김흥래; 이의준; 신준수; 김종원

doi:10.7855/ijhe.2013.15.4.177

[국내논문] 초고속 주행환경에서의 종단경사 설계기준에 관한 기초연구
Theoretical Review on the Vertical Geometric Design Standards for High-speed Roadway 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.15 no.4 = no.60, 2013년, pp.177 - 186

송민태 (평화엔지니어링 기술연구원) , 강호근 (평화엔지니어링 기술연구원) , 김흥래 (평화엔지니어링 기술연구원) , 이의준 (한국도로공사 스마트하이웨이사업단) , 신준수 (한국도로공사 스마트하이웨이사업단) , 김종원 (평화엔지니어링 도로부)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES: The purpose of this study theoretically reviews vertical grade deriving process in super high speed environment and compares overseas design criteria with Domestic Standardization also draws suitable vertical grade design criteria of high standard for Domestic Circumstances in Korea. METHODS : By researching domestic vehicle registration status, calculating typical vehicle, using Vissim which is traffic simulation program, Speed-distance curve of the vehicle is derived under each design speed condition. Through Speed-distance curve, estimating critical length of grade and considering critical length of grade, maximum longitudinal incline is proposed. RESULTS : The result of domestic vehicle registration status, the typical vehicle for deriving vertical grade is calculated based on gravity horsepower ratio 200 lb/hp. For calculating critical length of grade, according to change speed of uphill entry, speed-distance curve is derived by using Vissim. Critical length of grade is calculated based on design speed 20 km/h criteria which is point of retardation. Estimated critical length of grade is 808 m and based on this result, maximum longitudinal incline was confirmed in the design speed between 130km/h to 140km/h. CONCLUSIONS: The case of the typical vehicle(truck) which is gravity horsepower ratio 200 lb/hp, maximum longitudinal incline 2% is desirable at the super high speed environment in the design speed between 130km/h to 140km/h.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 초고속 주행환경에서의 기하구조 설계 시 반드시 고려해야 할 설계요소들을 이론적으로 검토하여 국외설계기준과 비교하고 국내 실정에 맞는 고규격의 설계기준을 도출하는데 그 목적이 있다.
텍사스주 교통국(TxDOT)은 주의 교통시스템 확장을 위해 주 내의 통행을 보다 효율적으로 개선시킬 목적으로 도로설계 시 보다 높은 설계속도(130km/h)를 사용하는데 관심을 갖고 설계속도가 높은 도로시설에 관한 설계기준 개발 연구를 진행하였다. 이 보고서의 목적은 현행 설계지침을 보완하고 설계속도100mph(160km/h)까지에 해당하는 새로운 설계기준을 수립하는데 있다.
본 연구에서는 국내 트럭의 성능 변화와 분포를 조사하고 그에 따른 대표차량을 선정하고자 한다.

제안 방법

이를 위한 연구 수행방법은 국내외 설계기준 및 국외 초고속도로 설계기준 보고서를 검토하여 연구방향을 설정하였고 국내 차량등록현황을 조사하여 대표차량을 선정하였다. 교통 시뮬레이션 프로그램인 Vissim을 사용하여 속도-거리곡선을 도출하였으며 종단경사 임계길이를 이용하여 최대종단경사값을 산정하였다.
이를 위한 연구 수행방법은 국내외 설계기준 및 국외 초고속도로 설계기준 보고서를 검토하여 연구방향을 설정하였고 국내 차량등록현황을 조사하여 대표차량을 선정하였다. 교통 시뮬레이션 프로그램인 Vissim을 사용하여 속도-거리곡선을 도출하였으며 종단경사 임계길이를 이용하여 최대종단경사값을 산정하였다. 수행과정은 다음과 같다.
본 연구에서는 설계속도 140km/h에 해당하는 종단경사값을 도출하기 위해 오르막진입속도를 140km/h, 120km/h, 100km/h로 선정하여 비교·검토하였다.
본 연구에서는 설계속도 140km/h에 해당하는 종단경사값을 도출하기 위해 오르막진입속도를 140km/h, 120km/h, 100km/h로 선정하여 비교·검토하였다. 단,대표차량은 오르막 시점부에서 본 연구에서 선정한 오르막진입속도로 진입이 가능하다는 것을 전제로 시뮬레이션을 수행하였다.
속도-거리곡선의 비교를 위해 중량/마력비 200lb/hp와 150lb/hp의 2가지 타입을 선정하고 경사도는 0~8%까지 변화시켜 시뮬레이션 하였으며 최대가속도 값은 기존 연구에서 사용되었던 값을 참고하였다.
본 연구에서는 종단경사의 임계길이를 200lb/hp 성능을 가진 트럭이 20km/h의 감속이 이루어진 상태로 주행할 수 있는 종단경사의 길이로 정의하여 검토하였으며 앞서 시뮬레이션에서 도출한 속도-거리 곡선을 이용하여 종단경사구간의 임계길이를 1차적으로 산정하였다.
진입속도는 현행 고속도로의 설계속도 범위인100~120km/h로 적용하였으며 종단경사는 설계속도에 맞는 최대종단경사값인 3%를 적용하여 시뮬레이션 하여 속도-거리 곡선을 도출하였다.
앞서 산출된 종단경사의 평균 임계길이가 789m인 경우에 20km/h 감속이 발생하는 종단경사값을 속도-거리곡선을 통해 확인하였다. 결과를 비교 검증하기 위해 200lb/hp, 150lb/hp 두 가지 타입의 트럭 성능 조건을 고려하였으며 진입속도는 140km/h, 130km/h 두가지를 적용하였다.
정된 종단경사의 임계길이를 이용하여 속도저하가 20km/h 이루어지는 지점을 속도-거리 곡선을 이용하여 산출하였다.
둘째, 종단경사 임계길이 산정을 위해 오르막진입속도 변화에 따른 속도-거리곡선을 교통시뮬레이션 프로그램인 Vissim을 이용하여 도출하였다. 종단경사 임계길이는 설계속도 20km/h 감속이 이루어지는 지점을 기준으로 산정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 현재 고속도로와 동일한 주행환경을 전제로 직선부 상향 경사구간을 공간적 범위로 설정하였으며 내용적 범위는 설계속도 140km/h로 적용하였을 때 직접적으로 영향을 받게 될 것으로 예상되는 도로기하구조 설계 요소 중 최대종단경사를 대상으로 한다.
트럭의 오르막 성능 향상으로 표준트럭의 중량-마력비에 대한 연구를 통해 다양한 중량-마력비 값이 제시되었으나 현재 국내 대표트럭은 도로의 구조·시설기준에 관한 규칙(2012)에서는 200lb/hp를 적용하고 있으므로 본 연구에서는 95백분위 수인 192lb/hp를 참고하여 기존의 200lb/hp를 국내 표준트럭으로 선정하였다.
국내 대표차량의 선정은 Table 7과 같이 국토교통부에서 제공하는 자동차 등록현황(2012년 1월 기준)을 근거로 하였으며 등록된 화물자동차의 차종 구성비와 국내 화물자동차의 대부분을 공급하고 있는 현대자동차,대우 상용차 및 기아자동차의 제원표를 토대로 중량-마력비를 산출하였다.
4는 국내 대표 트럭의 총중량을 알기 위한 것으로 국내 트럭의 차량 총중량 누적 분포도에서 알 수 있듯이 95백분위 수인 차량 총중량은 21,500kg이다.따라서 본 연구에서는 차량 총중량 21,500kg을 대표트럭으로 선정하고 시뮬레이션을 수행하였다.

데이터처리

대표차량의 속도-거리 곡선 도출을 위해 교통시뮬레이션 프로그램인 Vissim을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 입력변수는 다음과 같다.

성능/효과

중량/마력비 200lb/hp과 150lb/hp인 트럭이140km/h의 진입속도로 진입하여 감속되는 경우를 비교해 본 결과 종단경사 3% 이내에서는 진입 후 1,000m정도까지는 속도 저하의 차이가 거의 없었으나 5,000m 주행한 경우에는 속도저하의 차이가 벌어졌으며 종단경사가 높아질수록 그 차이는 더 벌어짐을 알 수 있다. 이는 차량의 오르막성능이 종단경사값을 도출하는데 중요한 요소임을 시사하며 초고속도로의 경우 대표차량의 선정이 무엇보다 중요한 요소임을 알 수 있다.
첫째, 국내 자동차등록현황을 조사한 결과 종단경사값 도출을 위한 대표차량은 중량/마력비 200lb/hp로 산정되었다.
셋째, 추정된 종단경사 임계길이는 789m이며 이를 토대로 설계속도 130km/h, 140km/h에서의 최대종단경사값을 확인하였다. 대표차량인 중량/마력비200lb/hp인 트럭인 경우 설계속도 130~140km/h에서 최대종단경사는 2%가 바람직한 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서 도출한 결과는 시뮬레이션 상황에서 도출된 결과로 본 연구에서 제시한 값들에 대한 세부적인 현장조사에 따른 검증이 필요하나 현재 국내에서는 설계속도 140km/h가 적용되는 도로가 없어 현장주행실험을 하기 어려운 한계점이 있다.
향후 추가적으로 대표트럭의 성능 향상을 고려한 설계기준 적용방안 검토가 필요하며 140km/h 이상의 설계속도의 경우에도 본 연구방법에 의하여 결과도출이 가능한지 추가적으로 연구할 필요가 있다. 또한, 설계속도가 높은 도로의 경우 소형차 전용으로 이루어질 수 있기 때문에 소형차 전용에 대한 종단경사에 대한 연구도 필요하다.
향후 추가적으로 대표트럭의 성능 향상을 고려한 설계기준 적용방안 검토가 필요하며 140km/h 이상의 설계속도의 경우에도 본 연구방법에 의하여 결과도출이 가능한지 추가적으로 연구할 필요가 있다. 또한, 설계속도가 높은 도로의 경우 소형차 전용으로 이루어질 수 있기 때문에 소형차 전용에 대한 종단경사에 대한 연구도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1970년 이후 국내 고속도로의 설계기준은?	IT의 급속한 발전, 지능형 자동차 산업의 가속화 등에 따라 빠르고, 안전하고 편안한 이동에 대한 욕구는 증대되고 있어 미국, 독일, 일본과 같은 교통선진국에서는 초고속도로에 연구가 활발히 진행 중이다. 고속주행에 대한 인간의 욕망과 자동차 산업의 발전에 따른 자동차성능 개선으로 선형이 양호한 고속도로에서는 실질적인 주행속도가 140km/h를 넘어서고 있으나 1970년 이후 국내 고속도로의 설계기준은 설계속도 100~120km/h의 동일한 기준으로 설계되고 있는 실정이다.
	교통선진국에서는 초고속도로에 연구가 활발히 진행되는 배경은?	IT의 급속한 발전, 지능형 자동차 산업의 가속화 등에 따라 빠르고, 안전하고 편안한 이동에 대한 욕구는 증대되고 있어 미국, 독일, 일본과 같은 교통선진국에서는 초고속도로에 연구가 활발히 진행 중이다. 고속주행에 대한 인간의 욕망과 자동차 산업의 발전에 따른 자동차성능 개선으로 선형이 양호한 고속도로에서는 실질적인 주행속도가 140km/h를 넘어서고 있으나 1970년 이후 국내 고속도로의 설계기준은 설계속도 100~120km/h의 동일한 기준으로 설계되고 있는 실정이다.
	스마트 하이웨이 사업단을 2007년부터 운영하여 관련 연구를 진행하고 있는 배경은 무엇인가?	IT의 급속한 발전, 지능형 자동차 산업의 가속화 등에 따라 빠르고, 안전하고 편안한 이동에 대한 욕구는 증대되고 있어 미국, 독일, 일본과 같은 교통선진국에서는 초고속도로에 연구가 활발히 진행 중이다. 고속주행에 대한 인간의 욕망과 자동차 산업의 발전에 따른 자동차성능 개선으로 선형이 양호한 고속도로에서는 실질적인 주행속도가 140km/h를 넘어서고 있으나 1970년 이후 국내 고속도로의 설계기준은 설계속도 100~120km/h의 동일한 기준으로 설계되고 있는 실정이다.

참고문헌 (12)

AASHTO(2011), "A policy on geometric design of Highways and Streets"
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Kim Sang-youp, Choi Jae-sung, Lee Seung-yong, Han Hyeonggwan (2007), "Theoretical Review of Highway Grades Considering Vehicle Performances", The journal of Korean society of Transportation, Vol. 25 No. 5, pp.79-90
Kim Yeong-il, Choi Jae-seong(2007), "Theoretical Review on the Geometric Design Standards for High Type Freeways", The journal of Korean society of Transportation, Proceedings of the KOR-KST Conference 2007 no.5
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Lee Seung-yong(2008), "A Study on the Design of Vertical Grade Considering Vehicle Performance", Masters thesis, University of Seoul
Lee Tae-Byung, Lee Kyoung-Hee, Kwon Suk-Hyun, Kim Sang-Bum(2006), "An Analysis of the Environmental Economic Costs with Changing the Vertical Alignment at Road Construction", Korea Institute of Construction Engineering and Management, Proceedings of the KICEM 2010
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Germany, RA Strassen(RAS)
Japan Road Association(2004)", 道路構造令の解說と運用"
(TxDOT)", Criteria For High Design Speed Facilities"

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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