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문제 정의
- 3(d)와 같이 단부고정 볼트의 끝부분에 철망이 걸려있다. 따라서 이 연결은 단부고정 볼트와 철망에 접촉면을 설정하여 단부고정 볼트와 철망의 contact 해석이 가능하도록 모델링한 것이다.
- 본 연구는 낙석방지울타리에 대한 성능평가기준을 제안하고 이를 이용하여 낙석방지울타리를 평가하는 것이다. 동반논문(Kim et al.
- 본 연구에서는 간격유지대의 설치로 인하여 보다 안정적이고 보다 큰 에너지 소산이 예상되는 고속도로용 낙석방지울타리에 대해서 성능평가를 수행하였다. 낙석방지울타리의 성능평가는 동반논문에 제시된 방법을 적용한 실물충돌시험과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 이루어졌다.
- 본 연구에서는 동반논문에 제시된 유럽통합의 설계지침 ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 이용하여 표준도에 제시된 국내 낙석방지울타리의 성능을 평가하고자 하였다. 고속도로용 낙석방지울타리는 50kJ의 낙석이 발생하는 장소에서 적절하게 낙석을 방어하고 50kJ 정도의 낙석이 충돌한 직후에도 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 평가되었다.
- 동반논문의 서론에서 언급하였듯이 표준도에 제시된 낙석방지울타리의 성능이 의문시 되고 있음에도 불구하고 표준화된 시험방법이 제시되어 있지 않아서 합리적인 평가가 원활히 이루어지지 않고 있다. 이러한 상황을 개선하기 위하여 동반논문에 제시된 유럽통합의 설계지침 ETAG 27 (EOTA, 2008)에 근거한 성능평가 기준을 이용하여 합리적으로 기존의 국내 낙석방지울타리의 성능을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- S8, S9, 그리고 S10의 경우에 8번째 와이어로프까지 와이어로프 사이 간격은 200mm이고 이후의 간격을 333mm로 조정하였다.
- 낙석방지울타리의 성능평가를 안전 측으로 수행할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션에 재료실험으로 결정된 철선의 최소 파단변형률을 적용하였다.
- 와이어로프에 대한 적절한 해석요소를 결정하기위하여 Fig. 10(a)와 같이 3경간 낙석방지울타리에 대하여 2개의 해석모델을 구성하고 50kJ의 낙석에너지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 두 해석모델의 차이는 하나는 와이어로프를 cable요소로 모델하고 다른 하나는 beam요소로 모델한 점이다.
- 고속도로용 낙석방지울타리의 50kJ의 낙석에너지에 대한 성능평가를 수행하기 위하여 3개의 시험체에 대하여 실물충돌시험을 수행하였다. 3개의 시험체는 단부경간에 사재가 생략된 점을 제외하고 Fig.
- 두 번째는 간격유지대와 지주 사이에 낙석이 충돌할 경우에 낙석의 관통여부를 검토하기 위하여 낙석 충돌위치를 경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 6번째와 7번째 와이어로프 사이로 고려하였다. 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안을 조사하기 위하여 구성된 3개의 해석모델에 대해서는 실물충돌시험 충돌위치에서의 낙석크기에 따른 낙석방지울타리의 거동을 자세히 조사하기 위하여 낙석 충돌 위치를 실물충돌시험의 충돌위치(지주의 1/2 높이)와 동일하게 적용하였다.
- 낙석방지울타리와 낙석 사이의 마찰과 낙석방지울타리 구성요소 간의 마찰의 영향을 조사하기 위하여 마찰계수를 변화시키면서 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. Table 9에는 마찰계수의 변화에 따른 낙석방지울타리의 변형에너지와 운동에너지의 합으로 구성된 소산에너지가 나타나있다.
- 본 연구에서는 간격유지대의 설치로 인하여 보다 안정적이고 보다 큰 에너지 소산이 예상되는 고속도로용 낙석방지울타리에 대해서 성능평가를 수행하였다. 낙석방지울타리의 성능평가는 동반논문에 제시된 방법을 적용한 실물충돌시험과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 이루어졌다.
- 낙석에너지의 소산은 구성요소의 탄소성변형에너지로 주로 이루어지기 때문에 각 구성요소의 비탄성 거동을 적절히 정의할 수 있도록 각 구성요소별로 KS규격에 따른 재료실험을 수행하여 재료모델을 결정하였다.
- 세 번째 실물충돌시험 T3은 간격유지대가 설치되지 않은 단부경간의 높이 1/2위치에 365g의 낙석을 충돌시키는 시험이다. 낙석의 충돌에너지는 측면과 정면에 설치된 1초당 1000 frames를 제공할 수 있는 고속카메라를 이용하여 계측한 충돌 직전의 낙석속도와 낙석무게를 이용하여 산정하였다.
- 다양한 충돌조건에 대하여 고속도로용 낙석방지울타리의 거동을 조사하기 위하여 3경간 시험체에 대한 10개의 해석모델을 구성하고 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 성능평가를 수행하였다. 7개의 해석모델은 기존 고속도로용 낙석방지울타리에 관한 것이고 나머지 3개의 해석모델은 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안을 조사하기 위하여 구성되었다.
- 본 연구는 낙석방지울타리에 대한 성능평가기준을 제안하고 이를 이용하여 낙석방지울타리를 평가하는 것이다. 동반논문(Kim et al., 2014)에서는 성능평가기준을 제시하였고 본 논문에서는 동반논문에 제시된 성능평가기준을 이용하여 국내 낙석방지울타리의 성능평가를 수행하였다.
- 첫 번째는 실물충돌시험 충돌위치에서 낙석크기에 따른 낙석방지울타리의 거동을 자세히 조사하기 위하여 낙석 충돌위치를 실물충돌시험의 충돌위치(지주의 1/2 높이)와 동일하게 적용하였다. 두 번째는 간격유지대와 지주 사이에 낙석이 충돌할 경우에 낙석의 관통여부를 검토하기 위하여 낙석 충돌위치를 경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 6번째와 7번째 와이어로프 사이로 고려하였다. 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안을 조사하기 위하여 구성된 3개의 해석모델에 대해서는 실물충돌시험 충돌위치에서의 낙석크기에 따른 낙석방지울타리의 거동을 자세히 조사하기 위하여 낙석 충돌 위치를 실물충돌시험의 충돌위치(지주의 1/2 높이)와 동일하게 적용하였다.
- 실물충돌시험의 단부지주 횡 변위는 71cm이고 시뮬레이션에 의한 단부지주 횡 변위는 69cm로 실물충돌시험에 비하여 약 3% 정도 작게 예측되었다. 실물충돌시험에 의한 와이어로프의 총 변형길이는 소성 변형길이에 0.11m의 탄성변형길이를 더하여 결정하였다. 시뮬레이션에 의한 와이어로프 전체 변형길이는 0.
- 그러나 시험체 T3의 경우와 같이 간격유지대가 없는 국도용 낙석방지울타리는 상당히 작은 낙석충돌에너지에 대해서도 낙석의 관통가능성이 높기 때문에 고속도로용과 같이 간격유지대를 설치할 필요가 있다고 판단된다. 실물충돌시험을 이용하여 파악하기 어려운 낙석방지울타리의 구성요소별 에너지 소산능력과 간격유지대의 역할 그리고 낙석무게의 영향을 보다 자세히 조사하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
- 와이어로프, 철망, 결속선은 길이에 비하여 단면이 아주 작기 때문에 대부분의 외력을 축 방향력으로 저항하는 구성요소이고, LS-DYNA 해석 프로그램에서 축 방향 변형을 고려할 수 있는 해석 요소는 케이블 요소, 트러스 요소, 그리고 보(Hughes-Liubeam)요소 등이 있다. 와이어로프, 철망, 그리고 결속선에 대한 해석요소로 여러 개의 해석요소 중에서 보다 안정적인 해석결과를 낳는 해석요소를 선택하였다. 지주와 간격유지대는 shell요소로 모델링하였다.
- 와이어로프, 철망, 그리고 결속선에 대한 해석요소로 여러 개의 해석요소 중에서 보다 안정적인 해석결과를 낳는 해석요소를 선택하였다. 지주와 간격유지대는 shell요소로 모델링하였다.
- 철망에 대한 적절한 해석모델을 결정하기위하여 1 경간의 철망에 대해서 상하좌우 단부지점들의 변위를 구속하고 10kJ의 낙석에너지를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 철망을 구성하기위한 철선의 연결방법으로 실제 형상과 같도록 철선을 꼬아서 접촉면을 고려한 contact모델과 철선을 격자로 직접 연결한 격자모델을 고려하였다.
- 철망에 대한 적절한 해석모델을 결정하기위하여 1 경간의 철망에 대해서 상하좌우 단부지점들의 변위를 구속하고 10kJ의 낙석에너지를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 철망을 구성하기위한 철선의 연결방법으로 실제 형상과 같도록 철선을 꼬아서 접촉면을 고려한 contact모델과 철선을 격자로 직접 연결한 격자모델을 고려하였다. 2개의 해석모델에 대하여 철선은 보와 트러스 요소를 각각 사용하여 정의하였다.
- 기존 고속도로용 낙석방지울타리에 대한 7개의 해석모델에는 2종류의 충돌조건이 고려되었다. 첫 번째는 실물충돌시험 충돌위치에서 낙석크기에 따른 낙석방지울타리의 거동을 자세히 조사하기 위하여 낙석 충돌위치를 실물충돌시험의 충돌위치(지주의 1/2 높이)와 동일하게 적용하였다. 두 번째는 간격유지대와 지주 사이에 낙석이 충돌할 경우에 낙석의 관통여부를 검토하기 위하여 낙석 충돌위치를 경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 6번째와 7번째 와이어로프 사이로 고려하였다.
- 해석모델은 Fig. 4와 같이 주요한 연결부분의 거동이 실제와 유사하게 나타날 수 있도록 3D로 구성되었고, 지주, 와이어로프, 그리고 철망 등과 같은 각 구성요소에 대한 해석요소와 재료모델은 각 구성요소의 역학적 거동을 적절하게 정의할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션의 보정(calibration)과정과 정적재료 실험을 통하여 결정하였다.
대상 데이터
- 1의 표준도와 동일하게 제작되었으며, 3개중의 1개 시험체에는 간격유지대의 역할을 조사하기 위하여 단부경간에 간격유지대를 설치하지 않았다. 3경간 9m 길이의 시험체에 대한 낙석의 충돌높이는 낙석방지울타리높이의 1/2위치이고, 낙석무게는 첫 번째 논문의 Table 4에 제시된 160kg과 400kg의 국내지침 평균낙석무게의 두 종류를 사용하였다. 50kJ의 낙석에너지는 Fig.
- 고속도로용 낙석방지울타리의 3경간 시험체에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S1, S2, 그리고 S3을 구성하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S1, S2, 그리고 S3에 각각 160kg, 320kg, 그리고 400kg의 낙석을 사용하였다.
- 다수의 cable요소를 사용하여 와이어로프와 같은 선형 부재를 모델링하는 경우에 해석모델이 불안정하게 되기 때문에 에너지 비가 1 근처로 안정적이고 부재 축 방향의 대 변형을 고려할 수 있는 보 요소(Hughes-Liu beam)가 와이어로프에 대한 적절한 해석요소로 간주될 수 있다. 단부지주와 와이어로프의 연결은 SS400 강종의 단부고정 볼트를 이용하여 이루어지며 단부고정 볼트의 해석모델은 와이어로프에 적용된 보 요소를 사용하여 구성하였다.
- 와이어로프의 양 끝단을 KS D ISO 7595규정에 따라 소켓팅하여 인장시험이 3회 시행하였다. 와이어로프의 단면적으로 소선 단면적의 합(131.9mm2)을 사용하였고, 평균 탄성계수 E는 55400MPa이고 평균 인장강도 Fu는 1505MPa 이었다. 그리고 파단변형률은 0.
- 고속도로용 낙석방지울타리의 3경간 시험체에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S1, S2, 그리고 S3을 구성하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S1, S2, 그리고 S3에 각각 160kg, 320kg, 그리고 400kg의 낙석을 사용하였다. 낙석의 충돌에너지는 50kJ이고 낙석의 충돌위치는 중앙경간의 중앙에서 지주의 1/2 높이(아래에서 7번째 와이어로프)이다.
- 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S4, S5, 그리고 S6에 160kg, 320kg,그리고 400kg의 낙석을 각각 사용하였고 각 모델의 변형형상이 Figs. 14(a), (b) and (c)에 나타나있다.
- 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S8, S9, 그리고 S10에 160kg, 320kg, 그리고 400kg의 낙석을 각각 사용하였고 각 모델의 변형형상이 Figs. 15(a), (b) and (c)에 나타나있다.
데이터처리
- 실물충돌실험 T3에 대한 해석모델을 구성하고 철망의 파단변형률을 0.068의 재료실험 최소값, 0.103의 평균값, 0.143의 최대값, 그리고 0.2까지 증가시키면서 해석을 수행하였다.
- 낙석충돌에너지는 충돌에너지의 목표 값이 발생되도록 낙석모델에 초기속도를 설정하여 정의하였다. 해석모델과 해석결과는 앞 장의 실물충돌시험에 사용한 시험방법과 평가기준을 이용하여 구성하고 분석하였다.
이론/모형
- 와이어로프의 양 끝단을 KS D ISO 7595규정에 따라 소켓팅하여 인장시험이 3회 시행하였다. 와이어로프의 단면적으로 소선 단면적의 합(131.
- 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 성능평가는 3D 비선형 동적 contact 해석이 가능한 해석프로그램인 LS-DYNA (LSTC, 2007)를 사용하여 수행하였다. 해석모델은 Fig.
성능/효과
- 4회 시행된 인장시험의 평균 인장강도 Fu는 456MPa이고 파단변형률 εf은 0.068에서 0.15까지의 범위로 나타났다.
- Table 2를 살펴보면 트러스요소-contact모델을 제외한 모든 모델의 경우에서 변형에너지가 운동에너지에 비하여 매우 크게 나타났다. Contact모델과 격자모델 각각에 대해서 보요소는 트러스요소에 비하여 변형에너지가 크게 나타났으나 운동에너지는 상당히 작게 나타났다. 보요소-contact모델과 트러스 요소-격자모델의 경우에 낙석이 철망을 관통한 시간에 운동에너지가 비슷하였고 변형에너지의 차이도 크지 않았다.
- 본 연구에서는 동반논문에 제시된 유럽통합의 설계지침 ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 이용하여 표준도에 제시된 국내 낙석방지울타리의 성능을 평가하고자 하였다. 고속도로용 낙석방지울타리는 50kJ의 낙석이 발생하는 장소에서 적절하게 낙석을 방어하고 50kJ 정도의 낙석이 충돌한 직후에도 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 평가되었다. 그러나 유럽지침의 수준으로 50kJ의 낙석 에너지를 항상 소산시키기 위해서는 아래에서 8번째 와이어로프까지 와이어로프의 간격을 200mm로 조정하고 간격유지대를 연결하여야 한다고 판단되었다.
- 1 and 4로부터 실제 꼬아진 철선의 연결을 가장 정확하게 모델링한 보-contact을 사용한 해석모델이 실물충돌시험의 변형형상과 가장 유사한 변형형상을 보였고 node를 공유한 보-격자모델의 변형형상은 철선의 접촉거동을 강결연결로 모델링하였기 때문에 실물충돌시험의 변형형상에 비하여 보다 유연하지 않은(stiff) 형상이었다. 그리고 트러스-격자모델의 변형형상은 철선의 접촉거동을 강결연결로 모델링하였음에도 불구하고 보다 유연하였으며 트러스 요소를 선형부재로 모델링하는 경우에 발생하는 불안정한 특성 때문에 불안정하게 나타났다. 보-contact모델이 철망에 대한 가장 적절한 모델인 것으로 판단된다.
- 간격유지대가 설치되지 않은 T3의 경우에 와이어로프의 사이가 벌어지면서 낙석이 관통하였다. 낙석방지울타리가 소산시킨 에너지는 6.5kJ 정도로 매우 작다는 것을 확인할 수 있었다. T3에 대한 실물충돌시험으로 부터 간격유지대가 낙석의 철망 관통을 방지하는데 주요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
- 11m의 탄성변형길이를 더하여 결정하였다. 시뮬레이션에 의한 와이어로프 전체 변형길이는 0.15m이고 실물충돌시험의 변형길이는 0.17m로 나타나 시뮬레이션에 의한 와이어로프 변형길이가 약 11% 작게 예측되었다. 시뮬레이션에 의한 낙석방지울타리의 최대변위는 실물충돌시험에 비하여 약 9% 작게 예측되었다.
- 045까지의 범위로 나타났다. 와이어로프에 대한 재료모델은 bi-linear 모델이 적절하였고, bi-linear 모델의 항복강도 Fy와 항복 후 기울기 Ep는 인장시험 결과와 bi-linear 모델의 변형에너지가 같도록 각각 0.904Fu와 0.174E로 결정하였다. Bi-linear 모델을 적용한 cable요소와 보 요소의 해석결과는 Fig.
- 11에는 실물충돌실험의 철망 파괴형상과 시뮬레이션의 철망 파괴형상이 나타나 있고 Table 3에는 시뮬레이션에 의한 각 구성요소의 소산에너지가 제시되어 있다. 철망의 파단변형률이 0.068에서 0.2까지 약 3배 증가함에 따라 철망이 소산시킨 총 에너지는 0.8kJ에서 3.1kJ까지 약 4배 증가하였고 낙석방지울타리의 전체 소산에너지는 6.3kJ에서 11.6kJ까지 약 1.8배 증가하였다. 철선의 파단변형률이 증가할수록 철망이 파괴되는 시간이 지체되기 때문에 와이어로프, 지주, 그리고 철망 등이 변형을 겪고 운동하는 시간이 증가하고 전체 소산 에너지가 증가하였다.
- 철선에 대한 재료모델은 탄성-완전소성 모델이 적절하였고, 탄성-완전소성 모델의 항복강도 Fy는 인장시험 결과와 탄성-완전소성 모델의 변형에너지가 같도록 0.974Fu로 결정하였다. 4회 시행된 인장시험의 평균 인장강도 Fu는 456MPa이고 파단변형률 εf은 0.
- 8m로 조정되었다. 첫 번째 논문의 성능등급별 낙석무게에 대한 설명에서와 같이 동일한 낙석에너지에 대하여 낙석무게가 감소될수록 힘이 작용하는 면적의 감소로 인하여 낙석이 철망을 관통할 가능성이 증가된다. 따라서 동일한 낙석에너지에 대해서 낙석무게가 작은 경우가 보다 엄격한 시험방법으로 간주될 수 있을 것이다.
- Table 8로부터 지주가 대부분의 충돌에너지를 소산시키고(약 67%) 와이어로프와 철망이 각각 약 15%와 12%의 충돌에너지를 소산시켰다. 해석모델이 실물충돌시험에 비하여 약간 유연하지 않은 거동을 보였으나 대체적으로 합리적인 에너지 소산 능력을 보이는 것으로 파악되었다.
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