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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 고속도로 나들목에서 과속으로 인해 발생하는 도로이탈사고를 감소시키는 방안으로 주행속도를 고려하여 편경사 개선방향에 대하여 기술하고자 한다.
- 도로이탈사고 방지를 위해 연결로 주행차량을 설계속도 이하로 주행할 수 있도록 속도를 제한하는 방법이 타당하나 모든 운전자에게 주행속도를 제한하도록 하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 고속도로 나들목에서 설계속도 이상으로 주행하는 자동차가 주행 안정성을 확보할 수 있도록 도로시설요소들 중 하나인 편경사를 조정하여 운전자에게 보다 안전하고 쾌적한 주행환경을 제공하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 편경사 범위를 조정하기 위해 현재 사용되고 있는 편경사와 횡방향마찰계수 배분방법을 동일하게 사용하는 것으로 하였다. 다만 기존 편경사 범위는 최대편경사를 8.
가설 설정
- 2 편경사 계산방법’에 따라 주행속도와 설계속도가 동일하다는 가정 아래 결정된 것이다. 그러나 실제 주행속도는 설계속도와 동일하지 않으므로 본 절에서는 횡방향마찰계수 및 편경사 계산 시 앞서 가정한 연결로의 평균주행속도(V85)를 적용하였다.
제안 방법
- Loop연결로의 평균주행속도는 자동차가 Loop연결로의 최소곡선구간을 통과하는 구간에서 25m 간격으로 주행속도를 측정하여 85Percentile 속도를 산정하였다. Loop연결로에서 최소곡선구간은 나들목 계획에 따라 곡선반지름과 곡선연장에 일부 차이가 있으나, 조사대상 나들목의 곡선반지름은 R=53m, 원곡선길이 L=120m 내외를 적용하고 있었다.
- 김동영(2004)은 유입연결로의 가속차로 길이를 산정하기 위해 국도에 설치된 설계속도 80km/h 입차교차로에서 연결로 형식에 따라 주행속도를 측정하고, 다중선형회귀분석을 통해 노즈부 통과속도 추정모형식을 제시하였다. 가속차로 소요길이는 추정모형식을 이용하여 초기속도를 산정하고 본선설계속도에 적합한 도달속도까지 5km/h씩 속도구간을 설정하여 각 구간별 가속길이를 합산하는 방법을 이용하여 연결로 형식별 가속차로 소요길이를 산정하였다.
- 본 연구에서는 편경사 범위를 조정하기 위해 현재 사용되고 있는 편경사와 횡방향마찰계수 배분방법을 동일하게 사용하는 것으로 하였다. 다만 기존 편경사 범위는 최대편경사를 8.0%로 하고 계산값을 반올림하여 정수값의 편경사를 적용하도록 하였으나, 개선방향에서는 계산값을 소수점에서 올림하여 최대편경사 및 편경사 범위를 적용하도록 하였다. 이와 같은 방법에 따라 최대 편경사는 설계속도 50km/h, 40km/h일 경우 각각 9.
- 9km/h 이상 높은 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서의 연결로 평균주행속도(V85)를 위 조사결과를 토대로 설계속도 40km/h일 때 50km/h, 설계속도 50km/h일 때는 주행속도가 가장 높은 우직결 유출연결로의 주행속도를 고려하여 65km/h로 추정하였다. 그러나 설계속도에 따른 평균주행속도는 편경사와 횡방향마찰계수 배분을 위해 위 조사결과를 토대로 추정된 속도로서 향후 추가연구를 통해 보다 신뢰성 있는 평균주행속도 산정이 필요하다.
- 또한 조사의 정확성을 위해 주말 및 출·퇴근 교통정체가 발생하는 시간은 피하여 조사를 실시하였다.
- 본 연구에서는 현재 공용중인 고속도로 나들목에서 연결로 형식별 최소곡선구간에서 자동차 주행속도를 측정하고 평균주행속도(V85)를 추정하였다. 또한 평균주행속도를 적용하여 편경사와 횡방향마찰계수를 재배분하고 Joseph Craus가 제시한 원심가속도의 비(ratio)를 이용하여 편경사 변화에 따른 안전도(Degree of Safety)를 분석하였다.
- 본 연구에서는 현재 공용중인 고속도로 나들목에서 연결로 형식별 최소곡선구간에서 자동차 주행속도를 측정하고 평균주행속도(V85)를 추정하였다. 또한 평균주행속도를 적용하여 편경사와 횡방향마찰계수를 재배분하고 Joseph Craus가 제시한 원심가속도의 비(ratio)를 이용하여 편경사 변화에 따른 안전도(Degree of Safety)를 분석하였다.
- 산정된 평균주행속도를 적용하여 A Policy on Geometric Design of Highways and Street(2001)에서 제시한 방법으로 편경사와 횡방항마찰계수를 재배분하였으며, 평균주행속도를 이용한 방법과 설계속도를 이용한 방법을 비교하여 편경사 조정방안을 도출하였다. 그리고 편경사 조정에 대한 안전성은 Joseph Craus가 제시한 윈심가속도 비(Ratio)를 이용하여 안전도(Degree of Safety)를 검증하였다.
- 우직결연결로의 평균주행속도는 Loop 구간과 마찬가지로 자동차가 최소곡선구간을 통과하는 구간에서 25m 간격으로 주행속도를 측정하여 85Percentile 속도를 산정하였다. 그러나 우직결연결로는 Loop연결로와 달리 그 형식이 정형화 되어 있지 않고, 나들목의 입지여건에 따라 다양한 크기의 곡선반지름이 적용되므로 연결로의 기하구조에 따라 주행속도 편차가 크게 발생할 수 있다.
- 또한 조사의 정확성을 위해 주말 및 출·퇴근 교통정체가 발생하는 시간은 피하여 조사를 실시하였다. 주행속도 측정은 먼저 한국도로공사에서 보유하고 있는 준공도를 이용하여 연결로별 최소곡선구간을 확인하고 현장에서 25m 간격으로 측정지점을 표시하였다. 주행속도는 드론(Drone)을 이용하여 주행중인 자동차를 촬영하고 이동거리에 따른 주행 시간을 측정하여 순간속도를 계산하였다.
- 최석근(2006)은 전국 고속도로를 대상으로 본선 및 연결로의 설계속도와 연결로 형식별로 구분하여 Nose부 주행속도를 측정하였다. 주행속도는 Speed meter 및 DGPS를 이용하여 측정하였으며, 기상상태에 따라 노면건조와 습윤 상태로 분류하였다. 연구결과에 따르면 본선유출부의 주행속도는 기상상태에 따라 큰 변화는 없으나, 본선 및 연결로의 주행속도와 연결로 접속형식에 따라 차이를 보이고 있음을 알 수 있다.
- 주행속도 측정은 먼저 한국도로공사에서 보유하고 있는 준공도를 이용하여 연결로별 최소곡선구간을 확인하고 현장에서 25m 간격으로 측정지점을 표시하였다. 주행속도는 드론(Drone)을 이용하여 주행중인 자동차를 촬영하고 이동거리에 따른 주행 시간을 측정하여 순간속도를 계산하였다. Table 4는 나들목 지점별 속도측정 데이터의 최소값, 중간값 및 최대값을 나타낸 테이블이다.
- 준직결연결로의 평균주행속도는 앞서 언급한 연결로와 마찬가지로 자동차가 최소곡선구간을 통과하는 구간에서 25m 간격으로 주행속도를 측정하여 85 Percentile 속도를 산정하였다. 준직결연결로는 Loop 및 우직결연결로와 달리 배향곡선을 이루고 있으며, 일반적으로 Loop와 접속된 곡선에서 최소곡선반지름을 취하게 된다.
대상 데이터
- 속도측정 데이터는 지점 당 차종에 관계없이 20대를 측정하였으며, 측정된 속도의 85 Percentile 속도를 그 지점의 평균주행속도(V85)로 결정하였다.
- 연결로 주행속도의 측정은 고속도로에 일반적으로 설치·운영되고 있는 트럼펫형나들목 중 왜관나들목 외 7개소를 대상으로 하였으며, 조사기간은 2016년 6월 7일 부터 약 2주간 실시하였다.
이론/모형
- 산정된 평균주행속도를 적용하여 A Policy on Geometric Design of Highways and Street(2001)에서 제시한 방법으로 편경사와 횡방항마찰계수를 재배분하였으며, 평균주행속도를 이용한 방법과 설계속도를 이용한 방법을 비교하여 편경사 조정방안을 도출하였다. 그리고 편경사 조정에 대한 안전성은 Joseph Craus가 제시한 윈심가속도 비(Ratio)를 이용하여 안전도(Degree of Safety)를 검증하였다.
- 편경사 조정에 대한 안전성 검증은 앞서 설명한 Joseph Craus의 방정식을 이용하였다. Eq.
성능/효과
- (13)을 이용하여 안전도(Degree of Safety)를 계산해 보면 Table 12와 Table 13과 같이 계산되며. 개선된 편경사는 같은 곡선반지름에서 최소 11.1%에서 최대 20.0%까지 안전도(Degree of Safety)가 증가되는 것을 알 수 있다. 따라서 주행속도가 설계속도보다 높은 경우 편경사 상향조정을 통해 안전한 도로환경을 제공할 것으로 판단된다.
- 즉, 개선된 편경사 범위는 설계속도로 주행할 경우 필요한 편경사를 모두 만족하고, 주행속도를 적용할 경우에도 대부분 범위 내에 위치하고 있음을 알 수 있다. 따라서 횡방향마찰계수는 기존보다 하향 조정되어 운전자에게 보다 안전하고 쾌적한 주행환경을 제공할 것으로 판단된다.
- 0%으로 계산되었고, 곡선반지름에 따른 편경사 범위는 설계속도 및 평균주행속도에 필요한 편경사 범위를 대부분 만족하였다. 또한 그에 따른 안전도(Degree of Safety)는 기존 편경사 범위보다 약 10%~20% 이상 증가되는 것으로 나타났다.
- 분석결과 연결로의 평균주행속도(V85)는 설계속도 40km/h일 때는 50km/h, 설계속도 50km/h일 때는 연결로의 주행속도가 가장 높은 우직결 유출연결로의 주행속도를 고려하여 65km/h로 추정하였다. 평균주행속도(V85)를 이용하여 편경사 및 횡방향마찰계수를 재배분해 보면 최대편경사는 설계속도 50km/h, 40km/h일 때 각각 9.
- 정승원(2013)은 고속도로의 설계속도를 140km/h를 적용함에 있어 자동차가 곡선부에서 안전하게 주행할 수 있도록 인간공학적 특성인 뇌파를 분석하여 곡선반지름에 따른 편경사와 횡방향마찰계수 배분에 관한 연구를 수행하였다. 설계속도 140km/h일 경우 편경사와 마찰계수와의 배분을 검토한 결과 편경사는 상향조정되고 횡방향마찰계수는 하향조정되는 것으로 조사되었으며, 최대편경사와 횡방향마찰계수가 각각 2%정도 조정되어 운전자는 고속에서 보다 쾌적한 주행을 할 수 있을 것으로 예상하였다.
- 주행속도는 Speed meter 및 DGPS를 이용하여 측정하였으며, 기상상태에 따라 노면건조와 습윤 상태로 분류하였다. 연구결과에 따르면 본선유출부의 주행속도는 기상상태에 따라 큰 변화는 없으나, 본선 및 연결로의 주행속도와 연결로 접속형식에 따라 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 따라서 Nose부 설계 시 적정설계속도를 다음과 같이 적용하도록 제안하였다.
- Table 6은 왜관나들목 외 3개소에서 우직결연결로 최소곡선구간에서의 주행속도(V85)를 산정한 도표이다. 우직결연결로의 주행속도를 유출, 유입으로 구분하여 평균주행속도를 계산해보면 유입연결로에서는 58.4km/h, 유출연결로에서는 66.9km/h로 계산되며, 유출입 구분없이 평균주행속도는 63.2km/h로 계산되었다.
- Table 7은 북대구나들목 외 4개소에서 최소곡선구간에서의 주행속도를 산정한 도표이다. 준직결연결로의 평균주행속도를 유출, 유입으로 구분하여 계산해보면 유입연결로에서는 59.7km/h, 유출연결로에서는 57.4km/h로 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 유출입 구분없이 평균주행속도는 58.3km/h로 계산되었다.
- 옥진규(2006)는 편경사와 마찰계수 변화에 따라 자동차의 주행안전성을 평가하기 위해 국내에서 생산되는 중형 SUV를 대상으로 차량모델을 구성하여 노면의 마찰계수(노면건조, 습윤, 결빙) 및 편경사(0%, 4%, 6%)를 차량의 주행속도에 따라 변화시켜가며 주행시뮬레이션을 수행하여 횡방향가속도 변화를 측정하였다. 직선, 완화곡선 및 원곡선으로 구성된 도로에서 편경사 증가에 따라 차량의 이탈속도를 측정한 결과 동일한 곡선반지름에서 편경사가 증가할수록 횡방향가속도는 감소하고, 편경사의 기울기가 커질수록 자동차가 안전성을 확보할 수 있는 한계속도가 증가하는 것으로 조사되었다.
- 분석결과 연결로의 평균주행속도(V85)는 설계속도 40km/h일 때는 50km/h, 설계속도 50km/h일 때는 연결로의 주행속도가 가장 높은 우직결 유출연결로의 주행속도를 고려하여 65km/h로 추정하였다. 평균주행속도(V85)를 이용하여 편경사 및 횡방향마찰계수를 재배분해 보면 최대편경사는 설계속도 50km/h, 40km/h일 때 각각 9.0%와 10.0%으로 계산되었고, 곡선반지름에 따른 편경사 범위는 설계속도 및 평균주행속도에 필요한 편경사 범위를 대부분 만족하였다. 또한 그에 따른 안전도(Degree of Safety)는 기존 편경사 범위보다 약 10%~20% 이상 증가되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에서의 연결로 평균주행속도(V85)를 위 조사결과를 토대로 설계속도 40km/h일 때 50km/h, 설계속도 50km/h일 때는 주행속도가 가장 높은 우직결 유출연결로의 주행속도를 고려하여 65km/h로 추정하였다. 그러나 설계속도에 따른 평균주행속도는 편경사와 횡방향마찰계수 배분을 위해 위 조사결과를 토대로 추정된 속도로서 향후 추가연구를 통해 보다 신뢰성 있는 평균주행속도 산정이 필요하다.
- 0% 기준 때문에 지금 당장 적용은 곤란하다. 그러나 편경사의 상향 조정은 운전자에게 쾌적한 주행환경을 제공하고 도로이탈사고를 예방하는 등 도로의 주행안전성 측면에서 유리할 것으로 예상되는 바 향후 추가연구를 통해 평균주행속도(V85)를 고려한 최대편경사 개선방안이 마련되어야 할 것이다.
- 최재성(2008)은 도로설계 시 적용하는 설계속도와 운영 시 발생하는 주행속도와의 차이로 인해 예상되는 문제점을 개선하기 위해 전국적으로 표본을 선택하여 주행차량의 속도를 조사하고, 속도에 영향을 미치는 설계요소들을 통계분석을 통해 양방향 2차로와 4차로에 대한 주행속도 모형을 제시하였다. 이러한 주행속도 모형은 설계속도에 의해 평면선형을 설계하는 것이 아니라 자동차의 실제 주행속도에 따라 평면선형을 설계하여 기존 설계기법이 갖고 있는 문제점을 해소하고 향후 도로설계에 있어 설계일관성을 확보할 수 있을 것으로 예상하였다.
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