[국내논문]육각 낙석방지망의 성능평가를 위한 실내 및 실대형실험 Laboratory and Full-scale Testing to Investigate the Performance of Rock Fall Protection System with Hexagonal Wire Net원문보기
기존에 사용되던 사각형 낙석방지망은 낙석에 의한 충격 완화를 위한 장치가 없어 적층 현상 등을 해결할 수 없으며 과도한 충격으로 철망이 파괴되는 문제 등이 지적되고 있었다. 여러 문제점이 복합적으로 발생하면서 매년 낙석 방지망 자체의 파괴에 의해 많은 피해가 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 표준형 낙석방지망의 낙석방호 실패 원인을 고찰하고 설계 시 예상 낙석에너지를 파악하여 적정한 흡수에너지를 가진 육각 낙석방지망을 개발하였다. 또한 실내실험과 실대형실험을 통해 기존 낙석 방지망과의 성능차를 파악하여 육각 낙석방지망의 적용 가능성을 파악하고자 하였다. 실내실험과 실대형실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지 장치에 의해 응력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면 사각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 낙석방지망에 작용함으로써 하중에 대한 저항력이 육각 낙석방지망보다 효율이 적은 것으로 판단된다.
기존에 사용되던 사각형 낙석방지망은 낙석에 의한 충격 완화를 위한 장치가 없어 적층 현상 등을 해결할 수 없으며 과도한 충격으로 철망이 파괴되는 문제 등이 지적되고 있었다. 여러 문제점이 복합적으로 발생하면서 매년 낙석 방지망 자체의 파괴에 의해 많은 피해가 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 표준형 낙석방지망의 낙석방호 실패 원인을 고찰하고 설계 시 예상 낙석에너지를 파악하여 적정한 흡수에너지를 가진 육각 낙석방지망을 개발하였다. 또한 실내실험과 실대형실험을 통해 기존 낙석 방지망과의 성능차를 파악하여 육각 낙석방지망의 적용 가능성을 파악하고자 하였다. 실내실험과 실대형실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지 장치에 의해 응력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면 사각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 낙석방지망에 작용함으로써 하중에 대한 저항력이 육각 낙석방지망보다 효율이 적은 것으로 판단된다.
Rock fall protection system installed against rock slope is one of the most conventional way to protect nearby infra structures. Despite of wide application of typical rectangular nets, virtually installed to protect rock slope face, several problems have also been pointed out up to date. Rectangula...
Rock fall protection system installed against rock slope is one of the most conventional way to protect nearby infra structures. Despite of wide application of typical rectangular nets, virtually installed to protect rock slope face, several problems have also been pointed out up to date. Rectangular draped nets are vulnerable to a sudden external shock such as rock fall, because it doesn't have any systematical buffers or shock absorbers. Furthermore, it has been widely recognized from the some cases of rock fall accident in Korea that rock fall protection nets cause wide range of failure in the rock slope faces due to insufficient pullout bearing capacity of fixing parts. Therefore, in this study, we tried to make a consideration about the problems of existing standard rock fall protection nets in Korea, and develop a new type of hexagonal net with a shock absorber based on design rock fall energy. In this paper, laboratory and full scale test procedure is described to analysis the performance of newly developed hexagonal rock fall net, and the key results are presented and discussed.
Rock fall protection system installed against rock slope is one of the most conventional way to protect nearby infra structures. Despite of wide application of typical rectangular nets, virtually installed to protect rock slope face, several problems have also been pointed out up to date. Rectangular draped nets are vulnerable to a sudden external shock such as rock fall, because it doesn't have any systematical buffers or shock absorbers. Furthermore, it has been widely recognized from the some cases of rock fall accident in Korea that rock fall protection nets cause wide range of failure in the rock slope faces due to insufficient pullout bearing capacity of fixing parts. Therefore, in this study, we tried to make a consideration about the problems of existing standard rock fall protection nets in Korea, and develop a new type of hexagonal net with a shock absorber based on design rock fall energy. In this paper, laboratory and full scale test procedure is described to analysis the performance of newly developed hexagonal rock fall net, and the key results are presented and discussed.
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문제 정의
5 m의 높이에서 자유 낙하시켰다. 각 하중에 따른 변위와 변위양상을 계측하여 두 형태의 낙석방지망의 성능을 평가하고자 하였다.
따라서 동일한 조건하에 간편하게 실험이 가능하며, 하중-변위관계에 의한 정량적인 실험데이타 획득이 가능한 인장실험을 육각 낙석방지망과 사각 낙석방지망에 대하여 각각 수행하고, 각각의 낙석방지망에 대해 하중-변위 특성에대한 효과적인 비교･분석을 수행하는데 그 목적이 있다.
따라서 본 연구에서는 기존의 표준형 낙석방지망의 낙석방호 실패 원인을 고찰하고 설계 시 예상 낙석에너지를 파악하여 적정한 흡수에너지를 가진 육각 낙석방지망을 개발하였으며 실내실험과 실대형실험을 통해 기존 낙석방지망과의 성능차를 파악하는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
와이어로프에 걸리는 변위는 스트레인 게이지를 활용하였다. 게이지는 각 와이어로프별로 설치되어 상호 비교 및분석이 가능하도록 위치를 결정하였으며 데이터로거를 통해 취득하도록 계획하였다.
8은 실험에 사용된 낙석모형과 실대형실험전경을 보이고 있다. 낙석모형은 약 2.94 kN의 콘크리트 박스를 사용하고 무게의 증감이 가능하도록 분리형으로 제작하여 결합할 수 있도록 하였다. 낙석방지망은 육각형과 사각 낙석방지망을 실제 스케일로 제작하였으며 콘크리트 박스형의 낙석모형을 이용하여 6.
낙석방지망 설치를 위한 고정틀을 H빔을 이용하여 제작하였으며, 방지망을 인장하기 위한 유압실린더, 인장하중을 취득하기 위한 로드셀, 인장 시의 변위량을 측정하기 위한 줄 변위계, 인장 시의 변위 상세관측을 위한 고속영상촬영장치 및 데이터 획득장치 등으로 구성되어 있다. 실험에 사용된 장치구성은 Fig.
낙석방지망에 적용되는 와이어로프를 이용함이 월등한 효과가 있음을 인식하면서도 강선을 꼬아 형성한 와이어로프의 직조가 거의 불가능하다는 이유로 종래의 낙석방지망은 철선을 합성수지로 피복시킨 직선형상의 피복철선을 지그재그로 절곡하여 일정한 피치를 갖도록 하고 이러한 피복철선을 회전시켜 순차적으로 피복철선과 피복철선의 절곡부분이 상호 걸리도록 하여 제조하였다.
94 kN의 콘크리트 박스를 사용하고 무게의 증감이 가능하도록 분리형으로 제작하여 결합할 수 있도록 하였다. 낙석방지망은 육각형과 사각 낙석방지망을 실제 스케일로 제작하였으며 콘크리트 박스형의 낙석모형을 이용하여 6.86～20.58 kN까지 하중을 증가시키면서 1.5 m의 높이에서 자유 낙하시켰다. 각 하중에 따른 변위와 변위양상을 계측하여 두 형태의 낙석방지망의 성능을 평가하고자 하였다.
따라서 본 공법은 두 가닥의 와이어로프를 가이드구에 끼워 합체하고, 합체된 와이어로프의 하측에 압축스프링을 끼운 다음 합체된 와이어로프를 중앙지지구의 가이드홈에 유도하여 고정시키고 중앙지지구의 하측에 압축스프링과 하측 가이드구를 결합한다.
또한 일반적으로 널리 사용되고 있는 낙석망과 비교하기 위하여 동일한 방법으로 사각 낙석방지망에 대해서도 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 조립구와 와이어로프 연결부, 주고정핀과 와이어로프 연결부위, 스프링형 지지, 장치와 와이어로프 연결부위의 하중지지력을 유압장치를 사용하여 단계별 인장하중을 재하하였다.
3과 같다. 사각 낙석방지망과 육각 낙석방지망모두 가급적 현장에서 시공되는 상황을 그대로 재현하기 위해서 일반적으로 사용되는 치수를 적용하였으며 프레임을 제외한 내부 면에 한 세트의 낙석방지망이 위치하도록 설계하였다.
실내실험을 위해 H-빔으로 제작한 낙석망 고정틀에 1/5 축척으로 육각 와이어를 설치하여 로드셀이 부착된 인발장치에 고정한 후 하중강도에 따른 낙석망의 변위를 측정하였다.
실대형실험에서는 고속영상기반 측정 장비와 변위계를 이용하여 충격하중에 따른 순간 변위와 각 와이어로프에 걸리는 변위를 측정하였다(Fig. 7).
초고속 카메라 분석 시 필요한 Target을 스트레인 게이지 옆으로 유색을 띠는 표식을 설치하여 촬영하였다. 실대형실험치 초고속 촬영은 실험시간을 고려하여 64 fps로 촬영하여 분석하였다.
육각 낙석방지망과 사각 낙석방지망에 대해 각각 인장실험을 수행하였으며, 인장실험을 위해 제작한 낙석방지망의 제원은 Fig. 3과 같다. 사각 낙석방지망과 육각 낙석방지망모두 가급적 현장에서 시공되는 상황을 그대로 재현하기 위해서 일반적으로 사용되는 치수를 적용하였으며 프레임을 제외한 내부 면에 한 세트의 낙석방지망이 위치하도록 설계하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 육각 낙석방지망은 와이어로프를 이용한 낙석방지망은 두 가닥의 와이어로프를 관통시켜 합체하거나 분리하는 상하 한 쌍의 가이드구와, 상기 상하 한 쌍의 가이드구 사이에 설치하여 가이드구를 탄력 설치하는 한 쌍의 압축스프링과 상기 한 쌍의 압축스프링 사이에서 와이어로프를 결합하여 지중에 고정시키는 중앙지지구로 구성하였다.
일반적인 사각 낙석방지망에 대해서도 육각 낙석방지망과 비교 분석을 위해 동일한 방법으로 인장실험을 수행하였다.
재하 하중은 유압장치에 설치된 로드셀로 측정하였고, 와이어에 설치한 줄변위계를 이용하여 데이터로거에 자동으로 취득되도록 연결하여 하중단계에 따른 낙석망의 변위를 측정하였다.
초고속 카메라를 이용한 분석은 구조물과 90°의 방향으로 촬영을 하는 것을 기준으로 하며 오차를 줄일 수 있는 방법이기도 하다. 초고속 카메라 분석 시 필요한 Target을 스트레인 게이지 옆으로 유색을 띠는 표식을 설치하여 촬영하였다. 실대형실험치 초고속 촬영은 실험시간을 고려하여 64 fps로 촬영하여 분석하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 육각 낙석방지망의 구성 중 실험체로 이용된 와이어는 실제 현장에서 사용하는 와이어보다 약 3 mm 정도 가는 직경 16 mm의 와이어를 사용하였으며, 스프링과 와이어로프 클립을 이용하여 체결한 후 인발실험을 수행하였다. 또한 일반적으로 널리 사용되고 있는 낙석망과 비교하기 위하여 동일한 방법으로 사각 낙석방지망에 대해서도 실험을 실시하였다.
성능/효과
(1) 실대형실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지장치에 의해 응력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이우수한 반면, 사각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 와이어로프에 작용함으로써 하중에 대한저항력이 육각 낙석방지망보다 효율이 적은 것으로 판단된다.
(2) 낙석방지망 종류에 따라 낙하실험을 실시하고 고속영상기반 측정 장치를 이용한 변위량 분석결과 콘크리트 낙석규모가 증가할수록 사각 낙석방지망의 변위는 육각 낙석방지망의 변위 보다 증가하는 것으로 나타났다.이는 육각 낙석방지망에 설치된 스프링형 지지장치에서 낙석을 모사한 콘크리트 구조물의 하중이 완화되어 와이어로프에 작용하는 응력의 크기 및 충격의 감소가 크기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 완충장치가 장착된 육각 낙석방지망의 실내 인발실험결과 하중이 재하되는 초기에는 하중단계에서 변위가 급격히 증가하는 경향을 보이고 있으며, 변위량이 일정시점을 넘어서면서 변위가 일정하게 증가하는 양상을 보이고 있다. 이는 완충장치의 영향에 의한 것으로 판단된다.
Fig. 6에 나타낸 바와 같이 사각 낙석방지망 실험 결과 변위가 하중증가에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보이고, 32 mm의 변위가 발생한 지점에서 항복이 발생하였으며, 항복하중은 약 27.44 kN인 것으로 나타났다.
고속영상기반 측정장치를 이용한 변위량 분석결과 콘크리트 낙석규모 6.86 kN에서 육각 낙석방지망과 사각 낙석방지망의 변위량 차이는 미미한 것으로 나타나고 있으나, 낙석규모가 13.72 kN, 20.58 kN으로 증가할수록 사각 낙석방지망의 변위는 육각 낙석방지망의 변위보다 각각 42 %, 264 % 증가하는 것으로 나타났다. Fig.
실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지장치에 의해 응력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면 사각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 와이어로프에 작용함으로써 하중에 대한 저항력이 육각 낙석방지망보다 효율이 적은 것으로 판단된다.
콘크리트 구조물 하중의 재하 시 육각 낙석방지망의 평균적인 변위량은 약 608.59 mm, 사각 낙석방지망의 변위는 767.95 mm로 나타났으며, 시간 - 진폭의 관계 곡선에서 스트레인 게이지 Channel 1에서 5까지 진폭을 분석한 결과 최대값 평균은 육각 낙석방지망의 경우 13,160 dB, 사각 낙석방지망의 경우 7,120 dB로 나타났다.
후속연구
또한 기술수준이 미약하여 전적으로 해외 기술력에 의존하고 있으며, 일체화가 되지 못하는 등 낙석방지망의 부분적 취약점으로 인해 낙석방지망이 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 문제가 발생하여 매년 낙석 및 산사태로 인한 피해가 반복되고 있다. 따라서 국내에서도 보다 높은 낙석에너지를 지지할 수 있는 낙석방지망에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
낙석방지망은 어디에 설치하는가?
낙석방지망은 비탈면에 강재 또는 합성섬유로 제작된 망을 설치하여 낙석 등이 주는 직접적인 피해를 막거나 경감시킬 목적으로 행하는 공법으로, 낙석의 발생을 미연에 방지함과 동시에 만일 낙석이 발생한 경우에는 돌이 튀기지 않도록 비탈 끝으로 인도하는 것을 목적으로 설치하는 시설물이다. 따라서 낙석방지망은 암깍기 비탈면에서 낙석의 우려가 있는 연암 또는 돌이 섞인 토사 구간에서 우수로 인한 세굴 등으로 돌, 암편의 낙하가 예상되는 장소에 설치한다(Brawner, 1994; Bertolo et al., 2009).
낙석방지망은 무엇인가?
낙석방지망은 비탈면에 강재 또는 합성섬유로 제작된 망을 설치하여 낙석 등이 주는 직접적인 피해를 막거나 경감시킬 목적으로 행하는 공법으로, 낙석의 발생을 미연에 방지함과 동시에 만일 낙석이 발생한 경우에는 돌이 튀기지 않도록 비탈 끝으로 인도하는 것을 목적으로 설치하는 시설물이다. 따라서 낙석방지망은 암깍기 비탈면에서 낙석의 우려가 있는 연암 또는 돌이 섞인 토사 구간에서 우수로 인한 세굴 등으로 돌, 암편의 낙하가 예상되는 장소에 설치한다(Brawner, 1994; Bertolo et al.
현재 시공되고 있는 낙석방지망의 문제점은?
기존 연구 결과를 참고하면 현재 시공되고 있는 낙석방지망은 다음과 같은 문제점을 갖고 있는 것으로 판단된다. 먼저 기존 낙석방지망의 적층현상은 이완성이 없는 횡방향 와이어로프에 의해 발생하며, 적층현상이 심화될 경우 낙석방지망과 사면과의 이격이 발생하여 더 많은 낙석과 대형 낙석의 발생을 초래할 우려가 있다. 또한 낙석이 횡방향 와이어로프에 걸리면서 과도한 충격이 상대적으로 유연한 철망에 급격히 전가되어 철망의 파손이 빈번하게 발생하는 문제가 있다(Paronuzzi, 1989; Spang, 1995).
참고문헌 (8)
Bertolo, P., Oggeri, C. and Pelia, D. (2009), Full-scale testing of draped nets for rock fall protection, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 46, No. 3, pp. 306-317.
Brawner, C. O. (1994), Rock fall hazard mitigation methods, Participant workbook: FHWA Report. FHWA-SA-93-085, pp. 345-412.
Hoek, E. (1998), Practical rock engineering, Rocscience, Vancouver, B.C., pp. 115-123.
Hungr, O. and Evans, S. G. (1988), Engineering evaluation of fragmental rock fall hazard, Proceeding of 5th International Symposium on Landslide, Lausanne, Switzerland, pp. 685-690.
Koo, H. B., Park, H. J. and Paik, Y. S. (2001), Characteristics and energy absorbing capacity for rockfall protection fence form in-situ rock fall tests, Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 17, No. 6, pp. 111-121 (in Korean).
Lee, Y. J., Na, S. N., Hwang, Y. C. and You, B. O. (2008), Evaluation of absorbing rockfall energy for the rockfall protection fence comprising various arrangements of high carbon steel wire rods, Proceedings of Annual Conference of KSCE, pp. 869-872 (in Korean).
Paronuzzi, P. (1989), Probabilistic approach for design optimization of rockfall protective barrier, Quaterly Journal of Engineering Geology, Vol. 22, No. 3, pp. 135-146.
Spang, R. M. (1995), Optimized rock fall protection by rockfall, Proceedings of 8th International Conference on Rock Mechanics, Tokyo, Japan, pp. 1233-1242.
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