최근 산업의 발달로 증가하는 도로와 이를 이용하는 차량의 증가로 인한 교통사고가 지속적으로 증가하고 있다. 교통사고는 운전자과실, 차량결함, 주행도로상태, 자연환경 등의 다양한 불안정 인자들로 인하여 발생한다. 방호울타리의 한 종류인 가드레일은 교통사고 및 이탈을 방지하여 탑승자의 상해와 차량의 파손을 최소로 줄여 차량을 정상주행 시키는 것을 목적으로 한다. 가드레일은 8 tonf 차량이 $15^{\circ}$로 80 km/h의 속도로 가드레일에 충돌하는 시험으로 가드레일의 안정성을 평가하며, 지반은 상대적으로 지지력이 큰 무한평지에서 평가된다. 하지만 국내의 경우 성토사면에 설치된 가드레일은 보호길어깨에 설치되며, 이로 인해 가드레일의 지지력 저하 및 성능저하로 가드레일의 안정성에 문제가 발생할 가능성이 있다. 이러한 가드레일에 대한 기존 연구는 무한평지에 설치된 가드레일 및 차량의 안정성에 대한 연구가 수행되었다. 하지만 차량 충돌 시 가드레일이 설치된 성토사면의 거동에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 차량 충돌 시 성토사면의 거동을 확인하기 위해 유한요소프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 성토사면에 설치된 가드레일의 지주 매입깊이를 변화시켜 수치해석을 수행하였다. 그리고 수치해석은 NCAN(National Crash Analysis Center)에서 제공하는 8 tonf 트럭을 이용하여 성토사면에서 가드레일 지주의 매입깊이를 변화시키면서 충돌 해석을 수행하였다. 그 결과, 가드레일 지주의 매입깊이가 증가함에 따라 성토사면의 변위와 응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 450 mm 깊이에서 지반지지력이 저하되는 것으로 나타났다.
최근 산업의 발달로 증가하는 도로와 이를 이용하는 차량의 증가로 인한 교통사고가 지속적으로 증가하고 있다. 교통사고는 운전자과실, 차량결함, 주행도로상태, 자연환경 등의 다양한 불안정 인자들로 인하여 발생한다. 방호울타리의 한 종류인 가드레일은 교통사고 및 이탈을 방지하여 탑승자의 상해와 차량의 파손을 최소로 줄여 차량을 정상주행 시키는 것을 목적으로 한다. 가드레일은 8 tonf 차량이 $15^{\circ}$로 80 km/h의 속도로 가드레일에 충돌하는 시험으로 가드레일의 안정성을 평가하며, 지반은 상대적으로 지지력이 큰 무한평지에서 평가된다. 하지만 국내의 경우 성토사면에 설치된 가드레일은 보호길어깨에 설치되며, 이로 인해 가드레일의 지지력 저하 및 성능저하로 가드레일의 안정성에 문제가 발생할 가능성이 있다. 이러한 가드레일에 대한 기존 연구는 무한평지에 설치된 가드레일 및 차량의 안정성에 대한 연구가 수행되었다. 하지만 차량 충돌 시 가드레일이 설치된 성토사면의 거동에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 차량 충돌 시 성토사면의 거동을 확인하기 위해 유한요소프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 성토사면에 설치된 가드레일의 지주 매입깊이를 변화시켜 수치해석을 수행하였다. 그리고 수치해석은 NCAN(National Crash Analysis Center)에서 제공하는 8 tonf 트럭을 이용하여 성토사면에서 가드레일 지주의 매입깊이를 변화시키면서 충돌 해석을 수행하였다. 그 결과, 가드레일 지주의 매입깊이가 증가함에 따라 성토사면의 변위와 응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 450 mm 깊이에서 지반지지력이 저하되는 것으로 나타났다.
Recently, the number of road construction is increasing by industrial development. According to this industrial tendency, the number of traffic accidents are consistently increasing due to increasing number of vehicle on the road. This is mainly because traffic accidents are occurred by various para...
Recently, the number of road construction is increasing by industrial development. According to this industrial tendency, the number of traffic accidents are consistently increasing due to increasing number of vehicle on the road. This is mainly because traffic accidents are occurred by various parameter such as negligence of driver, vehicle defects, state of unstable road, natural environment etc. Lane department of vehicles from guardrail is occurring frequently. This type of accident is caused by vehicle performance improvement and shape of vehicle, weak guardrail installation and maintenance. Guardrail has the purpose on prevention such as prevention of traffic accident and prevention of deviating out of road, minimizing damage of driver and vehicle by collision as well as entry into the road through guardrail. Stability evaluation test of guardrail verifies the behavior of guardrail through the crash of truck. At this time, the crash condition has 100 km/h of velocity and $15^{\circ}$ of impact angle. In the case of ground condition, filling slope condition has relatively high bearing capacity of infinite ground towards the test. Guardrail is generally installed on road of shoulder in fill slope in korea. It is possible for stability problem to deteriorate ground bearing capacity in Guardrail in fill slope. The existed study towards stability of guardrail has been carried out in the infinite ground. However, the study on the behavior of fill slope with guardrail is not performed by vehicle collision. Therefore, In this study, the numerical analysis using LS-DYNA was executed for verification on behavior of fill slope with guardrail through vehicle collision. This numerical analysis was carried out with change of embedded depth on installed guardrail post in shoulder of fill slope by vehicle collision and 8 tonf truck crash providing at NCAN (National Crash Analysis Center). As the result, displacement and stress on fill slope are decreased in accordance with the increase of embedded depth of guardrail post. Ground bearing capacity is deteriorated at depth of 450 mm form shoulder of road on fill slope.
Recently, the number of road construction is increasing by industrial development. According to this industrial tendency, the number of traffic accidents are consistently increasing due to increasing number of vehicle on the road. This is mainly because traffic accidents are occurred by various parameter such as negligence of driver, vehicle defects, state of unstable road, natural environment etc. Lane department of vehicles from guardrail is occurring frequently. This type of accident is caused by vehicle performance improvement and shape of vehicle, weak guardrail installation and maintenance. Guardrail has the purpose on prevention such as prevention of traffic accident and prevention of deviating out of road, minimizing damage of driver and vehicle by collision as well as entry into the road through guardrail. Stability evaluation test of guardrail verifies the behavior of guardrail through the crash of truck. At this time, the crash condition has 100 km/h of velocity and $15^{\circ}$ of impact angle. In the case of ground condition, filling slope condition has relatively high bearing capacity of infinite ground towards the test. Guardrail is generally installed on road of shoulder in fill slope in korea. It is possible for stability problem to deteriorate ground bearing capacity in Guardrail in fill slope. The existed study towards stability of guardrail has been carried out in the infinite ground. However, the study on the behavior of fill slope with guardrail is not performed by vehicle collision. Therefore, In this study, the numerical analysis using LS-DYNA was executed for verification on behavior of fill slope with guardrail through vehicle collision. This numerical analysis was carried out with change of embedded depth on installed guardrail post in shoulder of fill slope by vehicle collision and 8 tonf truck crash providing at NCAN (National Crash Analysis Center). As the result, displacement and stress on fill slope are decreased in accordance with the increase of embedded depth of guardrail post. Ground bearing capacity is deteriorated at depth of 450 mm form shoulder of road on fill slope.
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문제 정의
본 연구에서는 고속국도 구간의 성토사면에 설치된 가드레일에 차량 충돌 시 지주주변 성토사면의 거동특성을 확인하기 위해 충돌 시점으로 판단되는 0.09초일 때의 가드레일 지주주변 성토사면의 거동특성을 비교･분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 3D 비선형 동적 해석 유한요소 프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 고속도로상의 성토사면에 설치된 가드레일에 차량 충돌 시 성토사면의 거동을 분석하기 위하여 성토사면에 설치된 가드레일에 8 tonf 트럭이 100 km/h 속도로 15°로 충돌하는 조건으로 해석을 수행하였다.
이에 본 연구에서는 범용 유한요소 프로그램인 LS-DYNA 를 이용하여 고속도로상의 성토사면에 설치된 가드레일에 8 tonf 차량이 100 km/h 속도로 15°로 충돌 시 지주주변 성 토사면의 거동특성을 분석하기 위하여 성토사면에 설치된 가드레일 지주의 매입 깊이를 변화시켜 성토사면의 거동을 분석하였다.
제안 방법
해석에 사용된 가드레일은 Table 3과 같은 제원으로 LS-DYNA에서 제공하는 Table 4와 같은 재료특성을 적용하였다. 본 연구에서는 가드레일 지주의 매입깊이를 975 mm, 1,300 mm, 1,625 mm로 변화시켜 해석을 수행하였다.
가드레일은 각 도로여건이나 시설물 개발 수준에 따라 사용이 권장되는 등급이 다르며, 이 등급은 SB1～SB7까지 구분된다. 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 SB3 등급의 가드레일을 사용하였으며, 가드레일의 정확한 성능 평가를 위해서는 가드레일을 실물과 유사하게 모델링 하여야 한다. 이에 한국도로공사에서 적용되는 Fig.
성토사면을 구성하는 각 지층의 재료적 특성은 도로설계 기준 및 한국형 도로포장 구조 설계 요령에 제시된 값 중 평균값을 고려하여 LS-DYNA에서 제공하고 미국 연방 고속도로 관리국(FHWA)에서 제안한 재료적 특성을 Table 5와 같이 적용하였다.
(2004)은 지주설계에 필요한 지반공학적 물성치 획득을 위해 모형실험을 실시하였다. 이러한 실험과 해석적 연구는 도로안전시설 설치 기준에 제시된 가드레일의 성능평가 기준을 기반으로 동일한 무한평지의 지반조건에서 가드레일의 거동 및 차량의 거동을 통한 안정성을 평가한다. 하지만 최근 Jung(2013)이 국도 및 고속도로상의 비탈면을 갖는 성토부에 설치되어 있는 가드레일 지주의 지지력 저하에 대하여 성토부에 적합한 가드레일 시스템을 평가하기 위해 수치해석을 통해 평지부와 성토부에서의 차량거동의 영향을 비교･분석하여 안정성을 평가하였다.
이는 차량의 충격량이 가드레일에 전달되는 충돌 시점으로 판단된다. 이에 차량 충돌 시 가드레일 지주 매입 깊이 변화에 따른 성토사면의 거동을 분석하기 위해 0.09초에서 Fig. 10과 같이 차량이 직접 충돌하는 가드레일 지주(IP, Impact Post)와 충돌에 영향을 받는 주변 지주(API, Affeced Post by Impact)로 구분하여 가드레일 매입 지주 깊이에 따른 지주주변 성토사면의 거동을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 미국의 차량 충돌 연구 센터인 NCAC(National Crash Analysis Center)에서 제공하는 차량 13개의 차량 모델 중 Fig. 5와 같은 3차원 8 tonf 트럭모델인 Ford Single Unit Truck 모델을 선정하였으며, 제원은 Table 2와 같다.
본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 SB3 등급의 가드레일을 사용하였으며, 가드레일의 정확한 성능 평가를 위해서는 가드레일을 실물과 유사하게 모델링 하여야 한다. 이에 한국도로공사에서 적용되는 Fig. 6과 같은 SB3 등급의 가드레일을 해석에 적용하였으며 가드레일과 블록 아웃, 지주를 부착시켜 지주 간 간격을 2 m, 총 16 m로 Fig. 7과 같이 모델링을 하였다. 해석에 사용된 가드레일은 Table 3과 같은 제원으로 LS-DYNA에서 제공하는 Table 4와 같은 재료특성을 적용하였다.
7과 같이 모델링을 하였다. 해석에 사용된 가드레일은 Table 3과 같은 제원으로 LS-DYNA에서 제공하는 Table 4와 같은 재료특성을 적용하였다. 본 연구에서는 가드레일 지주의 매입깊이를 975 mm, 1,300 mm, 1,625 mm로 변화시켜 해석을 수행하였다.
성능/효과
(1) 차량 충돌 시 성토사면의 최대 지반변위는 가드레일 지주의 매입 깊이가 25% 증가함에 따라 2.2∼5.0% 감소하는 것으로 나타났으며, 50% 증가시키면 4.3∼10.0% 감소시키는 것으로 나타났다.
(2) 차량 충돌 시 성토사면의 최대 지반변위 및 응력은 충돌지점의 경우 지면으로부터 75 mm에서 나타났으며, 주변 지점은 190 mm에서 나타났다. 이는 차량 충돌 시 충돌위치에 따라 지반에 미치는 영향이 다른 것으로 판단된다.
(3) 가드레일에 차량이 충돌 시 충돌지주 및 주변 지주에서 유사하게 지주주변 성토사면에서 지면으로부터 450 mm 깊이에서 회전지점이 발생하였으며, 회전지점을 기준으로 하부 지주는 충돌 시 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다. 이는 성토사면에 설치된 가드레일 지주가 지면으로부터 450 mm 깊이까지 지반 지지력 저하로 인하여 발생하는 것으로 판단된다.
0% 감소하는 것으로 나타났다. API-2에서 지반의 최대변위는 API-1과 동일한 깊이에서 발생하였으며, 가드레일 지주의 매입깊이가 975 mm인 경우 최대 지반변위는 1.0 mm로 나타났으며, 1,300 mm인 경우는 0.95 mm로 가드레일 지주의 매입 깊이를 25%증가시키면 지반변위는 5.0% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 매입 깊이가 1,625 mm인 경우 지반변위는 0.
4% 감소하는 것으로 나타났다. API-2에서 최대지반응력은 API-1과 동일한 깊이에서 발생하였으며, 가드레일 지주의 매입깊이가 975 mm인 경우 최대지반응력은 0.43 MPa로 나타났으며, 1,300 mm인 경우는 0.39 MPa로 가드레일 지주의 매입 깊이를 25%증가시키면 지반응력은 9.3% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 매입 깊이가 1,625 mm인 경우 지반응력은 0.
5% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 가드레일 지주 매입깊이가 1,625 mm인 경우 지반응력은 0.50 MPa로 975 mm인 경우에 비해 매입 깊이를 50%로 증가시키면 지반응력은 7.4% 감소하는 것으로 나타났다. 충돌에 영향을 받는 주변 지주인 API-1에서 지반의 최대응력은 지면으로부터 190 mm 깊이에서 나타났으며, 매입 깊이가 975 mm인 경우 최대지반응력은 0.
2% 감소되는 것으로 나타났다. 그리고 가드레일 지주 매입깊이가 1,625 mm인 경우지반변위는 1.97 mm로 975 mm인 경우에 비해 매입 깊이를 50%로 증가시키면 지반변위는 4.3% 감소하는 것으로 나타났다. 충돌에 영향을 받는 주변 지주인 API-1에선 지반의 최대변위는 지면으로부터 190mm 깊이에서 나타났으며, 매입 깊이가 975 mm인 경우 최대 지반변위는 1.
3% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 매입 깊이가 1,625 mm인 경우 지반응력은 0.35 MPa로 975 mm인 경우에 비해 매입 깊이를 50% 증가시키면 지반응력은 18.6% 감소하는 것으로 나타났다.
그리고 충돌에 따른 성토사면의 최대지반응력은 지주 매입깊이가 25% 증가함에 따라 3.5∼9.3% 감소하는 것으로 나타났으며, 50% 증가시키면 7.4∼18.6% 감소시키는 것으로 나타났다.
4% 감소하는 것으로 나타났다. 충돌에 영향을 받는 주변 지주인 API-1에서 지반의 최대응력은 지면으로부터 190 mm 깊이에서 나타났으며, 매입 깊이가 975 mm인 경우 최대지반응력은 0.35 MPa로 나타나고, 1,300 mm인 경우는 0.33 MPa로 나타나 지주 깊이를 25% 증가시키면 지반응력은 5.7% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 가드레일 지주 매입깊이가 1,625 mm인 경우 지반응력는 0.
3% 감소하는 것으로 나타났다. 충돌에 영향을 받는 주변 지주인 API-1에선 지반의 최대변위는 지면으로부터 190mm 깊이에서 나타났으며, 매입 깊이가 975 mm인 경우 최대 지반변위는 1.0 mm로 나타나고, 1,300 mm인 경우는 0.96 mm로 나타나 지주 깊이를 25% 증가시키면 지반변위는 4.0% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 가드레일 지주 매입깊이가 1625 mm인 경우 지반변위는 0.
충돌지주인 IP에서 충돌 시 지반의 최대변위는 지면으로부터 75 mm 깊이에서 나타났으며, 매입 깊이가 975 mm인 경우 최대 지반변위는 2.07 mm로 나타나고, 1,300 mm인 경우는 2.03 mm로 나타나 가드레일 지주의 매입 깊이를 25% 증가시키면 지반변위는 2.2% 감소되는 것으로 나타났다. 그리고 가드레일 지주 매입깊이가 1,625 mm인 경우지반변위는 1.
충돌지주인 IP인 경우 충돌 시 지반의 최대응력은 지면으로부터 75 mm 깊이에서 나타났으며, 매입 깊이가 975 mm인 경우 최대지반응력은 0.54 MPa로 나타나고, 1,300 mm인 경우는 0.52 MPa로 나타나 가드레일 지주의 매입 깊이를 25% 증가시키면 지반응력은 3.5% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 가드레일 지주 매입깊이가 1,625 mm인 경우 지반응력은 0.
트럭이 가드레일에 충돌함에 따라 가드레일 지주 매입 깊이별 트럭의 속도변화는 Fig. 9와 같이 시간에 따라 트럭의 속도가 감소하는 것으로 나타났으며, 충돌 후 0.09초에 트럭의 속도가 급격히 감속하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가드레일의 목적은?
교통사고는 운전자과실, 차량결함, 주행도로상태, 자연환경 등의 다양한 불안정 인자들로 인하여 발생한다. 방호울타리의 한 종류인 가드레일은 교통사고 및 이탈을 방지하여 탑승자의 상해와 차량의 파손을 최소로 줄여 차량을 정상주행 시키는 것을 목적으로 한다. 가드레일은 8 tonf 차량이 $15^{\circ}$로 80 km/h의 속도로 가드레일에 충돌하는 시험으로 가드레일의 안정성을 평가하며, 지반은 상대적으로 지지력이 큰 무한평지에서 평가된다.
충격도란?
차량방호 안전시설의 성능 확인은 Table 1과 같은 설계 기준에서 제시한 등급에 따른 충격도를 실물차량의 충돌시험을 통해 평가하는 것으로 한다. 충격도(IS, Index of Severity)란 차량 충돌 시 생기는 운동에너지이다. 충격도는 Fig.
차량방호 안전시설 실물충돌시험에 규정된 가드레일의 성능평가 시험조건과 실제 고속도로에서의 조건이 다름으로 발생할 수 있는 문제점은 무엇인가?
‘차량방호 안전시설 실물충돌시험’에 규정된 가드레일의 성능평가 시험조건에서 차량이 가드레일을 충돌하는 경우 가드레일에 8 tonf 차량이 15°, 80 km/h의 속도로 충돌하는 경우를 일반적으로 사용하며, 지반은 상대적으로 지지력이 강한 무한평지에서 시험을 실시하여 가드레일의 안정성을 평가하고 있다. 하지만 실제 고속도로에서 가드레일이 설치된 지반의 경우 무한평지만이 아니라 도로 성토사면 경사의 시작 점 부근에 설치된 가드레일이 존재하며, 차량의 운행속도는 80 km/h보다 큰 속도로 운행되고 있다. 무한평지의 지지력과 동일한 지지력을 얻기 위한 비탈면 시점으로부터 지주까지의 최소거리인 60 cm를 확보하기가 현실적으로 힘들기 때문에 가드레일에 작용하는 지지력의 저하는 방호울타리 시스템의 전반적인 성능저하로 가드레일의 안정성에 문제를 발생시킬 가능성을 내포하고 있다. 따라서 이러한 문제점을 개선하여 가드레일의 효율성을 증가시켜 안정적인 방호울타리의 역할을 수행할 수 있는 다양한 연구가 활발히 진행되어야 할 필요가 있다.
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