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문제 정의
- 33kJ의 충격량으로 Bogie 차량을 충돌시켰다. 1/3의 충격량을 가한 이유는 너무 큰 에너지로 충격을 가할 경우에 계측데이터의 오차가 클 것으로 예상됨으로, 해석모델의 적정성평가 및 충돌시험분석이 기본자료 제시에 필요한 적정 충격량을 충돌함으로써 지주의 충돌 거동을 좀 더 정확하게 분석하기 위해서이다.
- 그러므로 본 연구에서는 3차원 지반재료모델(Soil Material Model)을 통해 성토구배의 변화시 적절한 지주의 매입깊이(Embedded depth)의 상관관계에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위해서는 정적재하실험을 통한 검증을 실시하고, Bogie Car를 이용하여 동적실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 3차원 지반재료모델을 통해 성토구배의 변화시 적절한 지주의 매입깊이의 상관관계에 대하여 알아보고, 가드레일의 동적성능에 대한 평가를 실시하였다.
가설 설정
- 7g로 승용차량의 경우 SB2등급일 때 큰 영향은 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러므로 본 연구에서는 비탈구배를 1:1로 설정하여 가파른 것으로 가정하였으며, 지반강도도 표준지반(Standard Soil)로 가정하였다. 이에, 지주위치를 Break Point(BP: 성토부 비탈면 경사가 시작되는 점)에 더욱 근접시켜서 실물충돌시험을 할 때 적용해 볼 수 있을 것이다.
제안 방법
- 가드레일의 강도성능 평가는 사면의 성토구배 1:1에 대하여 SB-2등급을 해석하였다. SB-2등급은 8톤 차량이 65km/h의 속도, 15˚충돌각도로 설정하였다.
- 지주의 정적해석 후 최대처짐이 작아지는 구간인 150cm의 매입깊이에 대해서 Bogie Car를 이용한 동적해석을 수행하였다. 가드레일의 지주 해석을 위한 강도성능 평가기준을 적용하여 SB-3 등급 130 kJ에 해당하는 충격량의 1/3인 43.33kJ의 충격량으로 Bogie 차량을 충돌시켰다. 1/3의 충격량을 가한 이유는 너무 큰 에너지로 충격을 가할 경우에 계측데이터의 오차가 클 것으로 예상됨으로, 해석모델의 적정성평가 및 충돌시험분석이 기본자료 제시에 필요한 적정 충격량을 충돌함으로써 지주의 충돌 거동을 좀 더 정확하게 분석하기 위해서이다.
- 가드레일의 탑승자 보호성능평가는 강도성능평가와 마찬가지로 사면의 성토구배 1:1에 대하여 SB-2등급을 해석하였고, [Fig. 8]과 같은 시간대별 궤적을 나타내었다. 그리고 [Fig.
- 국내충돌시험 기준인 2010년 도로안전시설 설치 및 관리지침(차량방호 안전시설 편)의 충돌등급을 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 차량의 중량은 강도성능 평가시험용으로 사용되고 있는 8톤 차량을 사용하였으며, 본 연구에서는 8톤 차량을 차량의 모델에 따라 카고차와 탑차를 사용하였다.
- 지금까지 횡하중을 받는 말뚝기초에 대한 연구는 대부분이 평지에 국한되었다. 그러나 최근 비탈사면에 설치된 횡하중을 받는 말뚝에 관한 실험적 연구와 수치해석 연구를 통해 흙의 밀도, 비탈각도 및 횡하중의 방향과 크기에 따른 지반의 극한지지력과 p-y곡선을 규명하였다.6)
- 이를 위해서는 정적재하실험을 통한 검증을 실시하고, Bogie Car를 이용하여 동적실험을 수행하였다. 그리고 가드레일에 대한 강도 성능 평가 및 탑승자에 대한 보호성능평가를 실시하였다.
- 3) 하지만 이러한 기준은 국내 연구나 시험에서 수행된 경우가 없기 때문에 통상 150cm의 매입깊이가 사용되고 있다. 따라서, 사면에 대한 적정한 매입깊이 산정을 위해 ANSYS 프로그램을 이용하여 실험변수별 지주의 매입조건에 따라 지주의 변위를 비교 분석하였다. 해석모델로써 쉘요소는 적분점을 3개로 수치적분이 가능한 Belytschko-Tsay의 쉘요소를 사용하였다.
- 세번째 성능평가는 지주의 매입깊이를 170cm로 해서 지주의 강도를 증진시켜 해석을 진행하였다. 세 번째의 경우 최대변형거리가 0.
- 그러므로 본 연구에서는 3차원 지반재료모델(Soil Material Model)을 통해 성토구배의 변화시 적절한 지주의 매입깊이(Embedded depth)의 상관관계에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위해서는 정적재하실험을 통한 검증을 실시하고, Bogie Car를 이용하여 동적실험을 수행하였다. 그리고 가드레일에 대한 강도 성능 평가 및 탑승자에 대한 보호성능평가를 실시하였다.
- 지주의 정적해석 후 최대처짐이 작아지는 구간인 150cm의 매입깊이에 대해서 Bogie Car를 이용한 동적해석을 수행하였다. 가드레일의 지주 해석을 위한 강도성능 평가기준을 적용하여 SB-3 등급 130 kJ에 해당하는 충격량의 1/3인 43.
- 첫번째 강도성능 평가는 실물충돌해석에 사용되고 있는 유사모델인 카고 차량의 강도성능 평가를 실시하였고, [Fig. 4]와 같은 시간대 별 궤적을 나타내었다. 카고 차량의 지주 최대변위 98.
- 재료모델은 Isotropic_Piecewise_Linear_Plasticity 모델이 채택되었다. 첫번째 실험변수는 지주의 매입깊이로 100cm부터 10cm씩 증가시켜 170cm까지 고려하였고, 두번째는 흙지반에 대한 탄성계수를 12Mpa, 18Mpa 두개의 구간을 검토하였다. 비탈구배는 1:1.
- 3톤 차량을 사용하였다. 충돌속도는 등급에 따라 강도성능평가를 위한 해석의 경우 50, 65, 80km/h의 속도를 적용하며, 탑승자 보호성능 평가를 위한 해석의 경우 60, 80, 100km/h를 적용하였다. 강도성능 평가를 위한 화물차 충돌속도의 기준은 사고차량의 브레이크 작동과 차로별 이용차량의 구분 및 감속을 감안하여 설계속도의 80%를 적용한 것이다.
- 5와 1:1(45도 경사)로 지주의 제원은 표준 가드레일의 원형지주를 사용하였으며, 지반의 물성치는 보통의 사질토 지반의 표준관입시험 N값인 10~30 중에서 N=20, N=30 두개를 사용하였다. 하중은 차량의 평균 범퍼 위치인 지반에서부터 60cm인 지점에 10톤의 하중을 가하였으며, 지주에 대한 최대 처짐을 비교 검토하였다. 그 중에서 가장 위험구간인 1:1(45도 경사)비탈사면의 모델링은 [Fig.
- 해석모델은 지반의 성토구배 1:1에 대하여, 지반 강도 N=30에 대하여, B.P(Break Point)로부터 원형지주의 중심까지 40cm 떨어진 모델에 대하여 SB-2 등급의 강도성능 평가와 탑승자보호 성능평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 두번째 강도성능 평가에 사용된 모델은 8톤 탑차를 충돌시켰고, [Fig. 5]와 같은 시간대 별 궤적을 나타내었다. 탑차의 경우 스내깅(Snagging)현상으로 인한 전복으로 인해 강도성능평가를 평가할 수가 없었다.
- 첫번째 실험변수는 지주의 매입깊이로 100cm부터 10cm씩 증가시켜 170cm까지 고려하였고, 두번째는 흙지반에 대한 탄성계수를 12Mpa, 18Mpa 두개의 구간을 검토하였다. 비탈구배는 1:1.5와 1:1(45도 경사)로 지주의 제원은 표준 가드레일의 원형지주를 사용하였으며, 지반의 물성치는 보통의 사질토 지반의 표준관입시험 N값인 10~30 중에서 N=20, N=30 두개를 사용하였다. 하중은 차량의 평균 범퍼 위치인 지반에서부터 60cm인 지점에 10톤의 하중을 가하였으며, 지주에 대한 최대 처짐을 비교 검토하였다.
- 충돌 지점(Impact Point)는 일반적으로 가드레일의 접합부 등 강도의 변화점이나 취약점에 충돌중 가장 큰 힘이 모아지도록 충돌지점을 설정한다. 이 과제에서는 SB-2 등급의 충돌조건을 가지며, 충돌지점은 전체 32m 모델의 1/3지점 부근이다.
- 국내충돌시험 기준인 2010년 도로안전시설 설치 및 관리지침(차량방호 안전시설 편)의 충돌등급을 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 차량의 중량은 강도성능 평가시험용으로 사용되고 있는 8톤 차량을 사용하였으며, 본 연구에서는 8톤 차량을 차량의 모델에 따라 카고차와 탑차를 사용하였다.
이론/모형
- Bogie Car는 모형차량 앞에 펜들럼을 장착한 차량을 의미하고, 이를 위해 사용된 프로그램은 LS / DYNA-3D를 사용하였으며, 지반의 물성치는 앞에서 사용된 값과 동일하다. 즉, N=30이고 지주위치는 Break Point에서 40cm 떨어진 지점이다.
- 해석모델로써 쉘요소는 적분점을 3개로 수치적분이 가능한 Belytschko-Tsay의 쉘요소를 사용하였다. 재료모델은 Isotropic_Piecewise_Linear_Plasticity 모델이 채택되었다. 첫번째 실험변수는 지주의 매입깊이로 100cm부터 10cm씩 증가시켜 170cm까지 고려하였고, 두번째는 흙지반에 대한 탄성계수를 12Mpa, 18Mpa 두개의 구간을 검토하였다.
- 따라서, 사면에 대한 적정한 매입깊이 산정을 위해 ANSYS 프로그램을 이용하여 실험변수별 지주의 매입조건에 따라 지주의 변위를 비교 분석하였다. 해석모델로써 쉘요소는 적분점을 3개로 수치적분이 가능한 Belytschko-Tsay의 쉘요소를 사용하였다. 재료모델은 Isotropic_Piecewise_Linear_Plasticity 모델이 채택되었다.
성능/효과
- (1) 지주의 매입 깊이에 따른 지주의 처짐 변화에 대해 연구한 결과 매입깊이가 150cm일 때부터 완화되는 것을 알 수 있다. 그리고 지반이 평면 상태에 비해 성토사면의 비탈구배가 평지에 비해 1:1.
- (3) 평지부와 성토부의 강도성능평가에 대해 살펴보면 평지의 경우 강도성능평가 기준을 만족하였다. 하지만 1:1의 해석모델에서 매입깊이가 150cm일 때 성토부에서의 강도성능평가는 평지부와 비교하면 최대 처짐은 40% 더 처지는 것으로 나타났으며, 이탈각도는 12%정도 감소하였다.
- 이탈 각도의 경우 강도성능평가 기준에는 만족하지 못하였다. 1:1의 해석모델에서 매입깊이 170cm일 때 최대처짐은 21%가 더 처짐이 발생하는 것으로 나타났으며, 이탈각도는 2%로 강도성능평가 기준에 만족하는 것으로 나타났다. 그러므로 기존에 설치되어 있는 가드레일의 지주 근입깊이를 더 깊게 보강하거나 혹은 추가 보강대책을 마련해야 할 것으로 사료된다.
- 아울러, 각 지주형상에 따른 차량 충돌시 충돌에 대한 저항능력과 충격완화 등의 구조적 적합성뿐만 아니라 충돌 후 차량의 궤적 및 탑승자 안전도를 평가할 수 있어야 하는 점이 포함된다.5) 고층빌딩, 송전탑, 교각 등은 많은 경우 비탈사면 근처에 시공되어야 하고 말뚝기초에 의해 지지될 수 있으며, 비탈사면의 경우 평지에 비해 지반의 지지력이 저하되는 영향을 고려해야 한다. 지금까지 횡하중을 받는 말뚝기초에 대한 연구는 대부분이 평지에 국한되었다.
- 1g로 탑승자 보호성능 평가 기준을 만족하였다. 8톤 차량과 다르게 성토부에서의 탑승자 보호 성능의 경우 THIV의 경우 27.7km/h, PHD의 경우 8.7g로 승용차량의 경우 SB2등급일 때 큰 영향은 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러므로 본 연구에서는 비탈구배를 1:1로 설정하여 가파른 것으로 가정하였으며, 지반강도도 표준지반(Standard Soil)로 가정하였다.
- 2]에서 보는 바와 같이 지주 매입깊이는 150cm 이상이면 지주의 처짐 변화가 완화되는 것을 알 수 있다. 그리고 지반이 평면 상태에 비해 성토사면의 비탈구배가 평지에 비해 1:1.5와 1:1로 증가됨에 따라 지주의 처짐은 매입깊이 150cm에서 18Mpa에서는 각각 1.6%와 2.5% 증가됨을 알 수 있다. 그리고 12Mpa에서는 각각 2.
- (1) 지주의 매입 깊이에 따른 지주의 처짐 변화에 대해 연구한 결과 매입깊이가 150cm일 때부터 완화되는 것을 알 수 있다. 그리고 지반이 평면 상태에 비해 성토사면의 비탈구배가 평지에 비해 1:1.5와 1:1로 증가됨에 따라 지주의 처짐은 매입깊이 150cm에서 18Mpa에서는 각각 1.6%와 2.5% 증가하고, 12Mpa에서는 각각 2.6%, 3.6% 증가됨을 알 수 있다. 따라서 150cm 정도의 지주 매입깊이가 적정한 것으로 사료된다.
- 4]와 같은 시간대 별 궤적을 나타내었다. 카고 차량의 지주 최대변위 98.4cm로 설계 기준인 110cm 이내에 들어오는 것을 확인하였다. 하지만 차량의 이탈각도는 9.
- 3톤 차량의 탑승자 보호 성능평가에 대한 해석 결과를 나타내었다. 탑승자 위험도 지수는 [Fig. 4]와 [Fig. 5]를 사용하여 산정되었는데 THIV 27.7m/s, PHD 8.7g로 국내기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다. 그리고 이탈속도는 68.
- 12km/h로 차량속도의 60%의 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 탑승자 위험도 지수를 평지모델과 비교를 하면, 오히려 탑승자 위험도 지수는 사면모델이 더 안전한 것으로 나타났다. 이것은 지주의 처짐이 더 발생하면서 충격을 더 완화한 것으로 판단되며, 다만 지주의 처짐으로 인한 차량의 끼임 현상이 발생한다면, 사면의 모델에 대한 추가 연구가 필요하다고 볼 수 있다.
- 3]은 지주 매입깊이 150cm일 때 구배별 해석 결과를 나타낸 것이고, [Table 1] 구배별 최대 처짐을 나타내었다. 해석한 결과 평지에 비해 12Mpa에서는 1:1.5 비탈사면의 경우 14.3%의 처짐이 더 발생하였으며, 최대 위험사면인 1:1 사면에서는 20.8% 처짐이 더 발생하였다. 18Mpa에서는 1:1.
후속연구
- 1:1의 해석모델에서 매입깊이 170cm일 때 최대처짐은 21%가 더 처짐이 발생하는 것으로 나타났으며, 이탈각도는 2%로 강도성능평가 기준에 만족하는 것으로 나타났다. 그러므로 기존에 설치되어 있는 가드레일의 지주 근입깊이를 더 깊게 보강하거나 혹은 추가 보강대책을 마련해야 할 것으로 사료된다.
- 이에, 지주위치를 Break Point(BP: 성토부 비탈면 경사가 시작되는 점)에 더욱 근접시켜서 실물충돌시험을 할 때 적용해 볼 수 있을 것이다. 또한, 본 연구를 통해 알 수 있듯이 앞으로는 소형차보다는 대형차의 거동에 대해 안전화 할 수 있는 방안이 마련되어야 할 것으로 사료된다.
- 탑승자 위험도 지수를 평지모델과 비교를 하면, 오히려 탑승자 위험도 지수는 사면모델이 더 안전한 것으로 나타났다. 이것은 지주의 처짐이 더 발생하면서 충격을 더 완화한 것으로 판단되며, 다만 지주의 처짐으로 인한 차량의 끼임 현상이 발생한다면, 사면의 모델에 대한 추가 연구가 필요하다고 볼 수 있다.
- 그러므로 본 연구에서는 비탈구배를 1:1로 설정하여 가파른 것으로 가정하였으며, 지반강도도 표준지반(Standard Soil)로 가정하였다. 이에, 지주위치를 Break Point(BP: 성토부 비탈면 경사가 시작되는 점)에 더욱 근접시켜서 실물충돌시험을 할 때 적용해 볼 수 있을 것이다. 또한, 본 연구를 통해 알 수 있듯이 앞으로는 소형차보다는 대형차의 거동에 대해 안전화 할 수 있는 방안이 마련되어야 할 것으로 사료된다.
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