[논문]복합재 지주를 적용한 가드레일 구조체의 비선형 유한요소 충돌 해석

김규동; 이상열

doi:10.7234/composres.2016.29.6.363

복합재 지주를 적용한 가드레일 구조체의 비선형 유한요소 충돌 해석
Nonlinear Finite Element Crash Analysis of Guardrail Structures Using Supports Made of Composite Materials 원문보기

Composites research = 복합재료, v.29 no.6, 2016년, pp.363 - 368

김규동 (Department of Civil Engineering, Andong National University) , 이상열 (Department of Civil Engineering, Andong National University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 복합소재를 적용한 가드레일 구조체에 대하여 비선형 유한요소 충돌해석을 수행하였다. 충돌에 대한 영향에 저항하기 위하여 [0/90/90/0]으로 적층된 Boron 계열의 보강섬유가 함침된 복합소재를 적용하였다. 또한, 지반-구조물 상호작용 모델을 적용하여 가드레일 구조체의 충돌 시 적합한 지반의 물리적 상수를 도출하였다. 특히, 가드레일의 복잡한 충돌 메커니즘을 다양한 변수 해석을 통하여 규명하였다. 변수 해석은 복합소재 지주의 두께변화와 이에 대한 충돌 성능의 영향에 초점을 두었다. 다양한 변수에 대한 해석 결과는 기존 강재를 사용한 결과와 비교하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study performed a nonlinear finite element crash analysis of guardrail structures using supports made of composite materials. In this study, we used a new [0/90/90/0] laminated Boron fiber composite for resisting the crash effects. Based on the improved ground-structure interaction model, appropriate ground properties to the support were determined. In particular, the complex crash mechanism of guardrails was studied using various parameters. The parametric studies are focused on the various effects of car crash on the structural performance and thickness of supports. The numerical results for various parameters are verified by comparing those using existing steel materials.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

가드레일에 연결된 지주가 충돌 시뮬레이션 상에서 밀리지 않고 꺾이는 현상은 구조해석 시 고려되는 지반 지지력이 너무 크기 때문인 것으로 추정된다. 따라서 본 연구에서는 지반효과를 고려한 지주 모델에 대해서 정적해석을 수행하였다. 하중을 2,500 kgf으로 고정하고 k값을 변화시키면서 한국도로공사 도로교통연구원에서 수행한 실제 정적실험에 의한 지주구조의 하중-처짐 그래프의 최대 처짐과 동일한 최대 처짐(350 mm)이 발생하였을 때의 k값을 스프링 강성으로 결정하였다.
본 연구에서는 비선형 동적해석 전용 프로그램인 LS-DYNA 프로그램을 적용하여 출동해석을 수행하였다. 또한, 기존의 기둥구조에 대한 충돌연구를 복합재 지주를 갖는 가드레일 구조체로 확장하여 중차량 충돌 시 가드레일의 구조 성능 평가 및 지주 두께 변화에 따른 기존 강재 구조와의 구조적 성능을 비교 분석하고자 한다.
본 논문에서는 SB4등급 신규 가드레일 구조를 대상으로 차량 충돌 시뮬레이션에 의한 고등 동적 해석을 수행하여 방호 울타리의 구조성능을 평가하였다. 지주에 적용한 재료는 일반 강재와 복합재료를 적용하였고 복합재료는 [0/90/90/0]으로 적층시켰다.

제안 방법

가드레일 충돌해석 시 구조성능 평가 기준은 “차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람”의 강도성능평가를 위한 시험방법을 적용하였으며 시험등급은 SB4등급이고 대형차량충돌에 대한 해석을 수행하였다[10,11].
2 mm가 적용되었고 복합소재는 일반 강재보다 일반적으로 강성이 높지만 고가인 던점을 가진다. 따라서 지주의 두께를 4.0 mm, 3.8 mm, 3.6 mm로 각각 감소시키며 해석을 수행하였다.
지주에 적용한 재료는 일반 강재와 복합재료를 적용하였고 복합재료는 [0/90/90/0]으로 적층시켰다. 또한 지주의 꺽임 현상을 방지하기 위하여 지반-구조물 상호모델을 구현하여 해석에 적용 하였다.
전술한 바와 같이 지주의 꺽임 현상을 방지하기 위해 지반을 스프링으로 구현하였고 지주 내부에 파이프형 보강재로 보강하였다. 본 연구에서 적용한 가드레일 구조는 신규 구조이므로 보다 상세한 단면 공개는 생략하기로 한다.
0 m이다. 전술한 바와 같이 지주의 꺽임 현상을 방지하기 위해 지반을 스프링으로 구현하였고 지주 내부에 파이프형 보강재로 보강하였다. 본 연구에서 적용한 가드레일 구조는 신규 구조이므로 보다 상세한 단면 공개는 생략하기로 한다.
본 연구에서 산정한 스프링 강성값은 실제 지주 성능을 위한 성토부 시험 환경과 유사하게 구현하기 위하여 시행 착오법에 의하여 임의로 결정된 값으로 실제 지반 환경에서의 물리적 의미와는 다소 상이할 수 있다. 지반 깊이에 따라 근입되는 지주에 미치는 토압의 영향이 각각 달라지므로 깊이에 따른 스프링 강성도 다르게 적용하였다. 지표면으로부터 0~800 mm 깊이에서는 k = 13.
본 논문에서는 SB4등급 신규 가드레일 구조를 대상으로 차량 충돌 시뮬레이션에 의한 고등 동적 해석을 수행하여 방호 울타리의 구조성능을 평가하였다. 지주에 적용한 재료는 일반 강재와 복합재료를 적용하였고 복합재료는 [0/90/90/0]으로 적층시켰다. 또한 지주의 꺽임 현상을 방지하기 위하여 지반-구조물 상호모델을 구현하여 해석에 적용 하였다.
따라서 본 연구에서는 지반효과를 고려한 지주 모델에 대해서 정적해석을 수행하였다. 하중을 2,500 kgf으로 고정하고 k값을 변화시키면서 한국도로공사 도로교통연구원에서 수행한 실제 정적실험에 의한 지주구조의 하중-처짐 그래프의 최대 처짐과 동일한 최대 처짐(350 mm)이 발생하였을 때의 k값을 스프링 강성으로 결정하였다. 본 연구에서 산정한 스프링 강성값은 실제 지주 성능을 위한 성토부 시험 환경과 유사하게 구현하기 위하여 시행 착오법에 의하여 임의로 결정된 값으로 실제 지반 환경에서의 물리적 의미와는 다소 상이할 수 있다.

대상 데이터

4와 같으며, 이 차량은 미국 차량 충돌 연구 센터인 NCAC(National crash analysis center)가 제공하는 트럭(CME-HGV Truck) 사양을 적용하였다. 31,166개의 Shell 요소와 1,550개의 Solid 요소 및 62개의 Beam 요소, 30개의 기타 요소로 총 32,808개의 요소로 구성되어 있다. 대형차량 대부분의 물성치는 항복응력 610 MPa, 탄성계수 207,000 MPa인 강재로 되어 있다.
해석 변수는 Table 3과 같으며 지주에 일반강재가 적용되는 Case I의 경우 가로보와 각 부품을 연결해주는 볼트는 SS490 강종이 적용되었고 나머지 부품들은 SS400 강종이 적용되었다. 복합재료의 경우에는 지주에 대해서만 적용하였고 나머지 부품에 적용된 물성은 Case I과 동일하다.
0 ton, 충돌각도는 15°, 충돌속도는 65 km/h이다. 해석에 사용된 대형차량 모델은 Fig. 4와 같으며, 이 차량은 미국 차량 충돌 연구 센터인 NCAC(National crash analysis center)가 제공하는 트럭(CME-HGV Truck) 사양을 적용하였다. 31,166개의 Shell 요소와 1,550개의 Solid 요소 및 62개의 Beam 요소, 30개의 기타 요소로 총 32,808개의 요소로 구성되어 있다.
해석에 적용된 복합소재는 충격 하중에 대하여 우수한 성능을 갖는 BFRP를 지주에 적용하였다. BFRP 계열은 N5505 Matrix에 Boron(4) Fiber가 함침된 재료이며 [0/90/90/0]로 두께방향으로 중립축을 기준으로 대칭 적층하였다[7].

이론/모형

BFRP에 대한 상세 재료 물성은 Table 1과 같다. 강재의 경우 적용된 재료모델은 LS-DYNA에서 제공하는 Mat24_piecewise linear plasticity를 적용하였다[8]. 이 재료모델은 Cowper-symonds 모델을 적용할 수 있으며 충돌속도에 따라서 유동응력-소성변형률 선도를 직접 입력하거나 Cowper-symonds 재료상수를 입력하여 변형률 속도를 정의할 수 있다[9].
본 연구에서는 전술한 비선형 동적 거동이론을 기반한 충돌해석을 위하여 LS-DYNA를 적용하였다. 복합소재의 경우 LS-DYNA에서 제공하는 재료모델인 Mat22_composite damage 모델을 사용하였다. 이 재료 모델은 Solid와 Shell 모델을 지원하며 2장에서 기술한 Chang-chang 파괴이론이 적용되었다.
Kim and Lee는 도로에 설치된 각종 기둥구조에 대하여 다양한 복합소재를 적용하여 충돌해석을 수행하여 적용성을 입증하였다[3]. 본 연구에서는 비선형 동적해석 전용 프로그램인 LS-DYNA 프로그램을 적용하여 출동해석을 수행하였다. 또한, 기존의 기둥구조에 대한 충돌연구를 복합재 지주를 갖는 가드레일 구조체로 확장하여 중차량 충돌 시 가드레일의 구조 성능 평가 및 지주 두께 변화에 따른 기존 강재 구조와의 구조적 성능을 비교 분석하고자 한다.
BFRP 계열은 N5505 Matrix에 Boron(4) Fiber가 함침된 재료이며 [0/90/90/0]로 두께방향으로 중립축을 기준으로 대칭 적층하였다[7]. 본 연구에서는 전술한 비선형 동적 거동이론을 기반한 충돌해석을 위하여 LS-DYNA를 적용하였다. 복합소재의 경우 LS-DYNA에서 제공하는 재료모델인 Mat22_composite damage 모델을 사용하였다.
이러한 복합소재에 대한 대표적인 Chang-Chang 파괴이론은 Hasin의 고전적 파괴이론의 수정된 형태이다. 본 파괴 이론은 연속적인 단층이 일어날 경우 점진적인 파괴거동을 구현하기 위해서 파손 후 강도저하기법을 적용하였으며, 4가지의 각 파괴 유형에 대한 파괴 기준식은 식 (5)-(8)과 같다. 이 식들에서 1-방향은 섬유 방향이고 2-방향은 섬유와 수직하는 방향이다[5].
복합소재의 경우 LS-DYNA에서 제공하는 재료모델인 Mat22_composite damage 모델을 사용하였다. 이 재료 모델은 Solid와 Shell 모델을 지원하며 2장에서 기술한 Chang-chang 파괴이론이 적용되었다. 또한 본 재료 모델은 층간분리(Delamination) 현상에 대한 구현이 가능하다.

성능/효과

1 sec 기준으로 충돌시 가로보에서 발생하는 최대 변위를 나타낸 것이다. 이 결과로부터 지주두께를 감소시켰음에도 불구하고 최대변위는 거의 동일하여 지주 단면의 감소가 가능하다는 것을 보여준다. 따라서, 복합소재를 적용하는 경우, 단면의 두께를 감소시켜 경제성을 확보하고 구조적 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
7은 시간에 따른 충돌해석 결과 형상을 보여주며 스프링 지반에 대한 효과로 인하여 지주의 꺽임 현상이 방생하지 않는 것을 알 수 있다. 충돌시 발생하는 가로보의 최대 변위는 0.768 m으로 기준치에 만족하는 것으로 나타났다. 복합재료가 지주에 적용된 케이스에서 충돌시 발생한 내부에너지는 Case I과 같이 가로보에서 가장 크게 발생하였다.

후속연구

이는 고탄성을 갖는 복합 재료의 경우 단면의 감소 및 적층배열의 최적화로 경제적인 가드레일 구조를 설계할 수 있음을 보여준다. 본 연구에서 제시한 유한요소 상세해석 결과는 다양한 첨단 소재를 적용한 가드레일 구조형식의 실용적 개발을 위한 기반자료 및 설계 가이드라인으로 충분히 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 상세구조단면 설계 및 실험을 통하여 시뮬레이션 결과를 검증하고 보완하는 연구가 수행되어할 것이다.
본 연구에서 제시한 유한요소 상세해석 결과는 다양한 첨단 소재를 적용한 가드레일 구조형식의 실용적 개발을 위한 기반자료 및 설계 가이드라인으로 충분히 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 상세구조단면 설계 및 실험을 통하여 시뮬레이션 결과를 검증하고 보완하는 연구가 수행되어할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재료의 장점은 무엇인가?	복합재료는 강도에 비해 경량이고, 열전도율이 매우 낮아서 항공 및 우주, 선박, 기계 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다. 또한, 적층배열에 따라 상이한 구조적 성능을 나타낸다.
	복합재료는 주로 어디에 사용되는가?	복합재료는 강도에 비해 경량이고, 열전도율이 매우 낮아서 항공 및 우주, 선박, 기계 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다. 또한, 적층배열에 따라 상이한 구조적 성능을 나타낸다.
	복합재료를 건설 분야에 활용하기 어려운 이유는 무엇인가?	최근 복합재료 시장이 활성화됨에 따라 가격대비 우수한 역학적인 장점이 부각되어 건설 분야에서도 응용 및 활용하고자 하는 다양한 연구개발이 수행되고 있다. 하지만 기존의 건설재료인 강재 및 콘크리트 등에 비해서 여전히 고가인 편이다. 따라서 복합재료를 건설 구조물에 적용하는 경우에는 기존 강재와 같은 동일한 두께로 설계하는 것보다는 최적화된 형상 설계가 필요하다.

참고문헌 (11)

Kim, S.E., Jeon, S.Y., Hong, K.E., and Lee, M.C., "Performance Evaluation of Composite Safety Barrier for Bridge by Vehicle Impact Simulation," Journal of COSEIK, Vol. 24, No. 5, 2011, pp. 499-506.
Lee, M.C., Kwon, K.Y., and Kim, S.E., "Performance Analysis of Steel-FRP Composite Safety Barrier by Vehicle Crash Simulation", Journal of KOSACS, Vol. 2, No. 4, 2011, pp. 11-18.
Kim, G.D., and Lee, S.Y., "Finite Element Crash Analysis of Support Structures Made of Various Composite Materials", Journal of KOSACS, Vol. 6, No. 1, 2015, pp. 45-50.
LSTC, "LS-DYNA Keyword User's Manual(version 971)", 2007.
Kim, Y.A., Woo, K.S., Yoo, W.Y., Kim, I.G., and Kim, J.H., "High Velocity Impact Analysis of Carbon/Epoxy Composite Laminates", Composites Research, Vol. 25, No. 6, 2012, pp. 191-197 (in Korean).
Jones, R.M., Mechanics of Composite Materials (2nd ed.), Taylor & Francis Inc., New York, 1999.
Kim, G.D., and Lee, S.Y., "Determination of Degraded Properties of Vibrating Laminated Composite Plates for Different Layup Sequences", Composites Research, Vol. 28, No. 5, 2015, pp. 277-284 (in Korean).

원문보기 상세보기
LSTC (2006) LS-DYNA Keyword User's Manual, Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA
Cowper, G., and Symonds, P., Strain Hardening and Strain Rate Effects in the Loading of Cantilever Beams, Brown Univ. Applied Mathematics Report, Report No. 28, 1957.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), "Guideline for Installation and Management of Road Safety Facilities", MOLIT, Korea, 2014.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), "Manual for Full-scale Vehicle Crash Testing of Safety Features", MOLIT, Korea, 2015

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