[논문]선운동량 보존의 법칙을 활용한 감충지주의 충돌거동

고만기; 김기동; 노민형; 윤덕근

doi:10.5762/kais.2015.16.12.8966

선운동량 보존의 법칙을 활용한 감충지주의 충돌거동
Impact Performance of Crashworthy Post Utilizing Conservation of Linear Momentum 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.12, 2015년, pp.8966 - 8976

고만기 (공주대학교 건설환경공학부) , 김기동 (공주대학교 건설환경공학부) , 노민형 (공주대학교 건설환경공학부) , 윤덕근 (한국건설기술연구원 도로연구소)

초록
AI-Helper

도로변에 노출된 지주는 충돌 시 탑승자 안전에 치명적인 위험물이다. 노출된 지주에 충돌하는 차량의 탑승자 안전을 도모하기 위하여 차량과 지주가 소성충돌로 일체화 되는동안 충돌차량의 선형운동량이 지주로 전달되어 충돌에너지의 일부가 1차적으로 소산되고 감소된 속도로 이동하는 지주의 베이스가 기초에 매입된 충격에너지 흡수용 모듈을 충격하여 변형시킴으로써 나머지 에너지가 소산되는 감충지주를 개발하였다. LS-DYNA프로그램을 이용한 충돌 해석을 실시하여 강결된 지주의 문제점을 보이고 개발 단계별 감충지주와 차량의 거동을 분석하여 최종 설계된 감충지주가 노출상태에서 0.9ton-80km/h의 속도로 정면충돌하는 경우에 안전하게 대응할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Unshielded posts on roadside are a critical hazard to the safety of impact vehicle to the posts. A crashworthy post is developed. In the first phase, it dissipates the impact energy by the linear momentum conservation principle while the plastic impact between the post and vehicle takes place, then, the second phase dissipation follows by the deformation of the energy absorbing modules embedded in the guide trough of the foundation. Simulations of impacts to a rigidly connected post and crashworthy post were made using LS-DYNA program, which demonstrated the danger of unshielded rigidly connected post and the effectiveness of the proposed crashworthy post to the 0.9ton-80km/h impact.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

신호등지주나 전주등의 지름은 이보다 작다. 따라서 본 논문에서는 대표적으로 편지식지 주를 선택하여 강결된 경우 충격도를 분석하고 2차충돌의 위험을 낮추며 충돌 시 탑승자안전도를 향상시킬 수 있는 지주고정방법을 연구하는 것이다. Table 1은 편지식지주의 형상 및 치수를 보인 것이다.
본 논문에서는 표지판 지주로 많이 쓰이는 대표적인 원형지주(D=355.6mm)가 노출되는 경우에 대하여 직접 충돌시 탑승자의 안전을 확보할 수 있는 방법을 제시한다. 지금까지 국내의 도로안전시설 설치 및 관리지침[7]에는 지주의 충돌대책에 대한 내용이 전무하고 국토부 R&D로 중소형지주에 대한 Breakaway 단부고정장치 개발만이 이루어진 상태이다.
본 연구에서는 기존의 문제점을 해결하기 위하여 지주의 Size에 관계없이 지주의 구조적 강도를 약화시키지 않고 충격을 흡수할 수 있는 Crashworthy Post의 mechanism을 개발하는 것이다. 이 방법은 초기에 지주 자체의 관성을 이용하여 충돌차량의 속도를 저감시킨 후 기초부에 매립된 충격흡수부재 (Energy Absorbing module : EAM)의 충격흡수능력을 이용하여 차량을 정지시키며 탑승자의 안전을 확보하는 것이다.
본 연구에서는 충돌의 1단계로 차량과 지주가 소성충돌로 일체화되어 감속이동 하다가 지주의 Base 하단부에 설치된 Key가 Guide에 매립된 Energy Absorbing module(EAM)을 충격하여 연쇄적으로 변형시켜 차량의 속도를 감소시켜 탑승자의 안전을 확보하는 것이다. 즉, 차량과 지주의 소성충돌 과정에서 생기는 선형운동량의 전달 및 EAM의 변형과정을 통하여 충돌에너지를 감소시키는 것이다.
이 원리를 이용하여 충돌 후 두 물체의 속도를 구해보자. 물체 A와 B의 질량을 m_A와 m_B , 충돌직전 속도를 v_Ai와 v_Bi , 충돌 후의 속도를 v_Af와 v_Bf 라 하자.

가설 설정

5m 떨어진 곳에 가이드가 통과하는 공간(Guide Trough)에 공간에 맞는 직경 55mm, 길이 140mm의 철재 파이프를 삽입하였다. 차량이 지주와 충돌하여 운동량이 지주에 전달되어 지주와 차량이 같은 속도로 운동하게 되는 거리를 대략 1.5m로 가정하여 모듈은 지주와 차량의 속도가 같아지는 위치 이후에 설치한 것이다. 본 연구를 통하여 고안된 감충형 지주 베이스는 1차적으로 선형운동량보존의 원리를 이용하여 충돌차량의 속도를 감속시키고 차량과 기둥이 감속된 속도로 운동하게 되며, 완전소성충돌로 일체화된 차량과 지주의 잔존 운동에너지는 2차적으로 Guide Trough에 인입된 EAM이 변형되면서 소산되는 구조이다.

제안 방법

9ton-80km/h 충돌 시뮬레이션을 실시하였다. 2차 충돌 초기의 급속한 감속을 제어하기 위하여 EAM의 두께를 2.5mm(4개)에서 4.5mm(4개)로 점증시켰다. 이 충돌에서 THIV는 41.
키의 두께는 50mm이고 길이는 200mm 이다. Base 플레이트는 600mm를 한 변으로 하는 정사각형이며 충돌 시 변형이 일어나지 않도록 50mm두께로 모델링 하였다.
탑승자 위험도를 줄이기 위한 방안으로 운동량 보존의법칙을 이용한 감충베이스를 고안하고 매커니즘을 설명한다. LS-DYNA 시뮬레이션으로 감충베이스로 지지된 지주 충돌시 지주와 차량의 거동 및 탑승자안전도를 분석하고 감충베이스를 보완한다. 충돌차량은 도로 안전시설 설치 및 관리지침의 충격흡수시설편에서 제시된 소형차 0.
노출된 지주에 충돌하는 차량의 탑승자 안전을 도모하기 위하여 소성충돌로 차량과 지주가 일체로 되는 동안 충돌차량의 선형운동량이 지주로 전달되어 충돌에너지의 일부가 1차적으로 소산되고 감소된 속도로 이동하는 지주의 베이스가 기초에 매립된 Energy Absorption module (EAM) 을 충격하여 변형시킴으로써 나머지 에너지가 소산되는 감충지주(Crashworthy Post)를 개발하였다. 표지판용 지주 노출빈도가 많은 편지식 철제 원형지주(D×t=355.
배로 감속되는 것을 알 수 있다. 본 논문에서 보이는 지주는 1단계로 이러한 선운동량보존의 원리를 이용하여 충돌차량의 속도를 낮추며 이때 차량 자체의 변형을 통하여 충돌시간을 길게 하여 충격력을 낮추는 것이다. 따라서 본 논문에서 사용한 차량의 질량 0.
5m로 가정하여 모듈은 지주와 차량의 속도가 같아지는 위치 이후에 설치한 것이다. 본 연구를 통하여 고안된 감충형 지주 베이스는 1차적으로 선형운동량보존의 원리를 이용하여 충돌차량의 속도를 감속시키고 차량과 기둥이 감속된 속도로 운동하게 되며, 완전소성충돌로 일체화된 차량과 지주의 잔존 운동에너지는 2차적으로 Guide Trough에 인입된 EAM이 변형되면서 소산되는 구조이다.
본 절은 Guide Trough의 시점으로부터 1.5m지점에 충격흡수형모듈(D=55mm, t=2.5-4.5mm, l=140mm인 물성치 SS400 강관)을 20개 설치하여 전체 모듈의 설치길이를 확장하고 그 모듈의 강도를 조절하는 방안으로 모듈의 두께를 2.5mm에서 4.5mm로 다음과 같이 달리 한 것이다. 마지막 단부는 밀폐하여 EAM이 변형되어 차량의 속도를 감속시키면서 차량이 멈추도록 하였으며, 현실적인 편주식 지주로 높이를 7.
우선 선정된 지주의 표지판은 지주만 기초에 강결된 것으로하여 LS-DYNA[9,10] 충돌해석프로그램을 사용하여 충돌 시 지주와 차량의 거동 및 탑승자안전도를 분석한다. 탑승자 위험도를 줄이기 위한 방안으로 운동량 보존의법칙을 이용한 감충베이스를 고안하고 매커니즘을 설명한다.
-. 지주의 초기위치로부터 1.5m 떨어진 Guide Trough 에 직경 55mm, 길이 140mm의 철재(SS400) 원형관 20개를 EAM으로 삽입하여 구성한 감충지주에 대한 0.9ton-80km/h 충돌 시뮬레이션을 실시하였다. 2차 충돌 초기의 급속한 감속을 제어하기 위하여 EAM의 두께를 2.
최종적인 시스템의 완성을 위하여 단계적으로 다음과 같은 베이스구조를 고안하여 충돌해석을 실시한다.
우선 선정된 지주의 표지판은 지주만 기초에 강결된 것으로하여 LS-DYNA[9,10] 충돌해석프로그램을 사용하여 충돌 시 지주와 차량의 거동 및 탑승자안전도를 분석한다. 탑승자 위험도를 줄이기 위한 방안으로 운동량 보존의법칙을 이용한 감충베이스를 고안하고 매커니즘을 설명한다. LS-DYNA 시뮬레이션으로 감충베이스로 지지된 지주 충돌시 지주와 차량의 거동 및 탑승자안전도를 분석하고 감충베이스를 보완한다.
9ton으로 하고 충돌속도는 80km/h에서 탑승자를 보호하는 것을 목표로 한다. 탑승자의 안전도는 충돌 중 가속도로부터 도로안전시설지침의 THIV 및 PHD값을 계산하여 분석한다.
표지판용 지주 노출빈도가 많은 편지식 철제 원형지주(D×t=355.6mm×9mm)에 0.9ton 차량이 정면충돌 하는 경우에 대하여 LS-DYNA 충돌해석 프로그램을 이용하여 성능을 검증하였다.
현재 지주설계에 대한 충돌기준이 없으므로, 각 설계 단계에서 개발된 안이 충격흡수시설의 CC2등급 (0.9ton-80km/h)의 정면 충돌시 성능을 만족하는지 LS-DYNA 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 실시하여 분석한다.

대상 데이터

12-b는 측면을 보여준다. Guide Trough의 시점으로부터 1.5m 지점에 EAM을 20개 설치한 것이다. Fig.
8-b는 측면을 보여준다. Guide Trough의 시점으로부터 2.23m 지점에 EAM을 5개 설치한 것이다. Fig.
를 구하게 된다. 본 논문에서는 A를 충돌차량으로 B를 지주로 본다. 지주가 정지해 있는 상태이므로 vBi 를 0으로 하고 충돌 후 속도를 구한다.
본 연구에서, 충돌 시뮬레이션에 사용한 차량 모델은 NCAC (National Crash Analysis Center at George Washington University)에서 개발한 Dodge Neon차량[11,12] 이다. 지주모델에 사용한 Element 및 재료특성은 Table 2와 같다.
본 절의 연구에서는 지주의 표지판은 생략하고 지주만을 대상으로 하였다. 대표적인 충돌시(0.

데이터처리

2.1절에서 설명한 철제원형 지주(D=355.6mm, t=9mm)에 0.9ton 차량이 40km/h 에서 100 km/h 까지 20km/h 간격으로 정면충돌하는 것을 LS-DYNA 프로그램을 이용하여 분석하였다. 이때 지주는 기초에 강결된 것이다.

성능/효과

1988년부터 2004년까지 발생한 차량 단독 교통사고를 고려할 때 전신주, 표지, 중앙분리대, 교통섬 등 도로의 고정된 시설물과 충돌한 사고는 전체 사고의 약 33%를 차지하고 있으며, 그 중 전주와 표지지주와 충돌한 사고의 경우 치사율이 20%를 넘는 것으로 조사되었다. 안전시설의 개선, 차량 성능 개선 등 전반적인 도로 안전환경의 개선에 따라 전체적인 교통사고 치사율은 매년 지속적으로 감소하고 있으나, 도로변 지주와 충돌하는 경우 치사율은 오히려 증가하고 있는 것이다.
-. 개발된 감충지주는 EAM의 강도 및 설치길이를 조절하여 다양한 충돌 조건에서 탑승자의 안전도를 만족시킬 수 있음을 보여준다.
Case 2에서는 전반부에 차량전반부가 지주와 소성충돌 하여 차량의 운동량을 지주로 옮김으로써 차량의 속도를 낮추고 추가적인 EAM의 충돌로 차량을 완전히 정지 시킬 수 있음을 보였다. 그러나 베이스키가 EAM을 충돌할 때 급격한 감속이 일어나지 않도록 EAM의 강도를 조절하고 모듈의 수를 늘리는 것이 타당한 것으로 예측되었다.
본 논문에서 보이는 지주는 1단계로 이러한 선운동량보존의 원리를 이용하여 충돌차량의 속도를 낮추며 이때 차량 자체의 변형을 통하여 충돌시간을 길게 하여 충격력을 낮추는 것이다. 따라서 본 논문에서 사용한 차량의 질량 0.9ton과 지주의 질량 1.2ton을 고려하면 운동량의 질량을 통하여 57%의 속도를 감소시킬수 있다고 보는 것이다.
이 결과로부터 특별한 충격흡수장치 없이 차량의 소성변형으로 인한 충돌 전후의 운동량이 보존된다는 원리로부터 차량의 속도는 80km/h 에서 35 km/h로 약 56% 감소되며 충돌이 완료되는 시점 즉, 차량과 지주가 일체로 움직이는 시점은 충돌 후 0.05초에서 0.07초로 전과 동일하다. 이후 0.
LS-DYNA는 충돌이 일어나는 동안 지주와 차량의 변형과 속도, 가속도를 볼 수 있다. 이 결과로부터 특별한 충격흡수장치 없이 차량의 소성변형으로 인한 충돌 전후의 운동량이 보존된다는 원리로부터 차량의 속도는 80km/h에서 35 km/h로 약 56% 감소되며 충돌이 완료되는 시점 즉 차량과 지주가 일체로 움직이는 시점은 충돌 후 0.05초에서 0.07초로 되는 것이 확인된다.
14의 가속도-시간 이력으로부터 확인할 수 있다. 이 시뮬레이션으로부터 전반부에 차량전반부가 강체로 볼 수 있는 지주와 소성충돌 하여 차량의 운동량을 지주로 옮김으로써 차량의 속도를 낮추고 추가적인 EAM의 충돌로 차량을 완전히 정지 시킬 수 있으며 EAM의 강도 및 설치길이를 조절하여 탑승자의 안전도를 만족시킬 수 있음을 보여준다.
4g로 허용치 20g에 크게 못 미친다. 이 시뮬레이션으로부터 전반부에 차량전반부가 지주와 소성충돌 하여 차량의 운동량을 지주로 옮김으로써 차량의 속도를 낮추는 방법은 지주의 충돌대책의 유력한 방안이 될 수 있음을 알 수 있다.
5mm(4개)로 점증시켰다. 이 충돌에서 THIV는 41.9km/h로 Crash Cushion의 성능 인정기준 44km/h에 비하여 안전하고, PHD는 13.2g로 허용치 20g에 비하여 매우 안전한 것으로 확인되었다.

후속연구

10의 가속도-시간 이력으로부터 확인할 수 있다. 이 시뮬레이션으로부터 전반부에 차량전반부가 지주와 소성충돌 하여 차량의 운동량을 지주로 옮김으로써 차량의 속도를 낮추고 추가적인 EAM의 충돌로 차량을 완전히 정지 시킬 수 있으나 베이스키가 EAM을 충돌할 때 급격한 감속이 일어나지 않도록 EAM의 강도를 조절할 필요성이 제기된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로변의 안전을 확보하는 방법에는 어떤 것이 있는가?	도로변의 안전을 확보하는 방법은, 1) 모든 노변 시설물을 제거, 2) 노변 시설물을 부딪쳐도 안전하게 설계,3) 시설물을 부딪칠 위험이 적은 곳으로 이전설치, 4) 지주에 특별한 장치를 설치하여 충돌 시 위험도를 경감, 5) 지주 주변에 종 방향 방호시설을 설치하는 방법 등이 있다. 모든 노변 시설물을 도로 노변 위험지역 밖에 설치하는 것이 노변 안전에 가장 확실한 해법이나 공간상 제약이 크고, 표지판, 신호등, 조명주 등의 시설물은 제 기능을 하기 위해서 도로변 가까이 위치해야 한다.
	충격흡수형 지주의 문제점은?	충격흡수형 지주(Energy Absorbing Post(EAP))는 충돌 시 지주가 파손됨으로써 충돌차량과 탑승자의 피해를 최소화 시키는 방법인데 이 방법에는 명확한 한계가 있다. 우선 지주는 기본적으로 풍하중에 대하여 구조적으로 안전해야 한다. 충돌 시 지주가 쉽게 파괴되어 충돌 차량 탑승자의 안전을 확보하기 위해서는 지주의 구조적인 강도를 약화시키지 않을 수 없는데 EAP의 문제점이 있다. 재료를 복합소재로 사용하는 등의 시도가 있으나 아직 문제를 완전히 해소시킬 수준이 아니다.
	Breakaway Sign Support은 무엇인가?	노출된 도로변 지주의 충돌시 위험을 해소하기 위해서 미국은 AASHTO Roadside Design Guide[2]를 제정하여 도로변 지주의 충돌피해저감 대책을 상세히 제시하였으며 이미 1960년대 중반부터 Breakaway Sign Support 개념을 개발하여 대부분의 도로변 표지판 지주나 조명주에 사용하고 있다. Breakaway Sign Support는 지주와 기초의 연결부를 강결하는 대신 풍하중에 대한 구조적 안전성은 확보하면서 충격하중 작용 시 연결부가 분리되어 소형차의 충돌에 대한 충격력, 또는 속도변화를 최소화시킴으로써 탑승자의 위험요인을 제거하는 개념으로, 여러 가지 특별한 장치가 고안되어 1975년에는 AASHTO의 설계기준으로 채택되었다.

참고문헌 (14)

KOROD, "2005 Traffic Accident Statistics", 2005
American Association of State Highway and Transportation Officials, "Roadside Design Guide", Washington, D.C., 2011
Department of Infrastructure, Energy and Resources, "Road Hazard Management Guide" RO-96-SC.204, Autralia, Tasmania, 1996
"Roadside Design Guide" Alberta Infrastructure and Transportation, Edmonton, AB, 2013
RISER D07 - Summary of Maintenance and Operational Procedures for Roadside Infrastructure, European Community R&TD Project, 5th Framework Programme "Growth", Project "RISER" GRD2/2001/50088, 2006
EN12767 : 2007, "Passive Safety of Support Structure for Road Equipment-Requirements, Classification and Test Methods," CEN, 2007
MOLIT, "Roadside Design and Management", 2014
MOLIT, "Statistics, Integrated Management Center for Road Signs", 2015
Hallquist, J.O., "LS-DYNA Theoretical Manual", Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA, 2001.
LSTC, "LS-DYNA Keyword User's Manual", Livemore Software Techonology Corporation, 2001
FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center, "Finite Element Model of Dodge Neon", 1996
NCAC Public Finite Element Model Archive, "FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center website page(www.ncac.gwu.edu)", Washington, D.C., 2000
Engineering Mechanics-Dynamics, A. Bedford, W. Fowler, Addison-Wesley Company, Inc., pp186-208, 1995
Engineering Mechanics-Dynamics, W.F. Riley, L. D. Sturges, John Wiley & Sons, Inc., pp429-453, 1996

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증