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문제 정의
- 본 연구에서는 평가를 위한 시험조건외의 다양한 조건에서의 충돌현상에 대해 알아보기 위해 국토교통부의 탑승자 보호성능 평가조건외의 다양한 변수를 설정하여 반복 시뮬레이션을 수행 하였다. 변수의 설정을 위해 미국 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administr ation)의 실제사고 데이터베이스인 NASS(National Auto motive Sampling System)[14]에서 가드레일에 차량이 충돌하는 사고를 분석하여 빈번하게 일어나는 충돌속도와 각도의 구간을 도출하였다.
제안 방법
- 완료된 시뮬레이션의 데이터는 해석을 수행하는 과정에서 데이터에 노이즈를 포함하기 때문에 LS-DYNA에서 제공하는 SAE 필터를 사용하였으며, THIV는 SAE 180, PHD는 SAE 60으로 필터 처리하였다. 1.3 ton, 1.6 ton 차량의 결과를 각각 정리하여 기준의 만족 여부를 확인하고, 충돌속도와 각도에 따른 경향을 조사하였다.
- 가드레일의 모델은 지반, 지주, Thrie-Beam, Block-out 로 조합하여 모델링하였으며, 그림 2는 본 연구에서 적용 하는 가드레일의 설계도면[13]를 상세하게 나타낸 것이다.
- 73 kgf로 나타났다. 따라서 이에 근거로 차량중량을 탑승자 보호성능평가 시험조건인 1.3 ton 차량과 국내차량의 평균중량과 운전자의 무게를 포함한 1.6 ton으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하여 차량의 거동과 가드레일의 탑승자 보호성능을 평가하여 분석할 수 있었다. 본 연구에서 수행한 시뮬레이션 입력조건은 표 5에서 나타냈으며, 시뮬레이션 횟수는 총 36회로 진행하였다.
- 방호울타리의 탑승자 보호 안전성능평가를 기준으로 수행한 시뮬레이션 결과에서 THIV와 PHD를 산출하였다. 완료된 시뮬레이션의 데이터는 해석을 수행하는 과정에서 데이터에 노이즈를 포함하기 때문에 LS-DYNA에서 제공하는 SAE 필터를 사용하였으며, THIV는 SAE 180, PHD는 SAE 60으로 필터 처리하였다.
- 본 연구에서는 평가를 위한 시험조건외의 다양한 조건에서의 충돌현상에 대해 알아보기 위해 국토교통부의 탑승자 보호성능 평가조건외의 다양한 변수를 설정하여 반복 시뮬레이션을 수행 하였다. 변수의 설정을 위해 미국 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administr ation)의 실제사고 데이터베이스인 NASS(National Auto motive Sampling System)[14]에서 가드레일에 차량이 충돌하는 사고를 분석하여 빈번하게 일어나는 충돌속도와 각도의 구간을 도출하였다. 또한 차량중량에 따른 판매량[15]을 조사하여 2015년 전체 차량 판매량 중 70%이상의 차량이 1.
- 본 연구를 위한 차량과 가드레일의 충돌은 LS-DYNA 시뮬레이션을 위한 차량과 가드레일을 설계하였다. LSDYNA는 3차원 구조물의 동적 거동해석을 위한 비선형 유한요소 프로그램으로 현재 세계적으로 이용되는 Expli cit 프로그램의 모태로 가장 널리 사용되고 있다.
- 본 연구에서는 차량과 가드레일의 충돌 시 발생하는 현상을 LS-DYNA를 이용하여 해석하기 위해 국토교통부에서 지정한 SB3 등급의 가드레일에 중량 1.3 ton의 차량을 100 km/h, 20° 각도로 충돌하여 모델의 검증을 위한 시뮬레이션을 수행한 후, 충돌속도 , 충돌각도 및 차량중량의 변경인자를 적용하여 충돌해석을 통하여 방호울타리의 탑승자 보호성능 평가항목인 THIV(탑승자 충격속도) PHD(탑승자 가속도)를 산출하여 차량과 가드레일의 충돌에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 챠량과 가드레일의 충돌 후 거동에 관한 해석연구를 위하여 실사고 사례와 차량 판매량 등을 조사하여 입력변수 충돌속도, 충돌각도 및 차량중량의 입력변수를 설정하여 LS-DYNA프로그램을 이용하여 충돌해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 30 s까지 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 충돌 시험에서의 차량 움직임 거동영상과 시뮬레이션의 차량 거동영상을 비교하였을 때 유사한 결과를 얻어 시뮬레이션 모델을 검증하였다.
- 방호울타리의 탑승자 보호 안전성능평가를 기준으로 수행한 시뮬레이션 결과에서 THIV와 PHD를 산출하였다. 완료된 시뮬레이션의 데이터는 해석을 수행하는 과정에서 데이터에 노이즈를 포함하기 때문에 LS-DYNA에서 제공하는 SAE 필터를 사용하였으며, THIV는 SAE 180, PHD는 SAE 60으로 필터 처리하였다. 1.
- 에 사용된 값을 바탕으로 제작하였다. 지반의 경우 정확한 물성 치가 나타나지 않은 관계로 NCAC에서 제공하는 가드레일 모델에서 지반 모델에 들어간 물성치을 참조하여 초기 모델링하였고, 실제 차량 충돌시험과 비교하며 유사한 결과가 나올 때 까지 반복 시뮬레이션을 수행하였다.
- LS-DYNA는 프로그램에서 별도의 단위계를 지정하지 않고, 사용자의 입력 값에 의해 단위가 정해진다. 차량 모델은 NCAC(Na tional Crash Analysis Center)에서 충돌시뮬레이션을 위해 제작한 LS-DYNA용 Ford Taurus 모델[11]을 사용하였으며, SB3 등급 시험인 차량중량 1.3 ton으로 맞추기 위해 부족한 중량은 각 Node에 나누어 질량을 입력하는 방법으로 차량의 중량을 수정하였으며, 그 제원은 표 3과 같다.
대상 데이터
- 6 ton으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하여 차량의 거동과 가드레일의 탑승자 보호성능을 평가하여 분석할 수 있었다. 본 연구에서 수행한 시뮬레이션 입력조건은 표 5에서 나타냈으며, 시뮬레이션 횟수는 총 36회로 진행하였다.
이론/모형
- 가드레일의 재료 특성은 기존의 연구논문[11]에 사용된 값을 바탕으로 제작하였다. 지반의 경우 정확한 물성 치가 나타나지 않은 관계로 NCAC에서 제공하는 가드레일 모델에서 지반 모델에 들어간 물성치을 참조하여 초기 모델링하였고, 실제 차량 충돌시험과 비교하며 유사한 결과가 나올 때 까지 반복 시뮬레이션을 수행하였다.
- 차량용 방호울타리는 국토교통부의 도로안전시설 설치 및 관리지침 제 3편 차량방호 안전시설에 근거하며, 방호울타리의 성능평가 방법은 차량방호안전시설 실물 충돌실험 업무편람에 의해 성능평가방법에 의해 시험을 진행한다. 차량용 방호울타리의 성능평가는 강도성능 평가와 탑승자 보호성능평가가 있으며, 각 시험조건은 표 1과 같다.
성능/효과
- (1) 차량의 충돌속도, 충돌각도, 차량중량이 증가함에 따라 탑승자 보호성능 평가 조건인 THIV와 PHD 값이 증가하는 것을 확인하였으며, 차량이 지주에 걸리는 현상이 나타나는 경우 THIV와 PHD 값이 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.
- (2) 1.3ton 차량으로 충돌속도와 충돌각도의 변화를 주고 시뮬레이션을 수행한 결과로, 10°와 20°는 모든 속도에서 법규를 만족하였으며, 30°에서는 80 km/h 이상의 속도에서 탑승자 보호성능 평가 기준에서 THIV가 33 km/h를 초과하였다.
- (3) 본 연구에 사용된 가드레일 모델은 차량이 지주에 걸리는 현상을 방지하기 위하여 Block-out을 지주와 Thrie-beam사이에 설치하여 개선한 모델이지만 1.3 ton, 30°, 100 km/h 조건과 1.6 ton, 30°, 90 km/h와 100 km/h 조건에서 걸림현상이 발생하였으며, 걸림현상 발생시 탑승자 보호성능 기준을 초과하는 결과를 나타냈으므로 차량 걸림현상이 나지 않도록 구조적 개선이 필요할 것으로 생각된다.
- 1.6 ton 차량의 경우는 1.3 ton 차량조건과 유사하게 충돌각도 10°와 20°는 모든 속도에서 법규를 만족하였으며, 30°, 90 km/h와 100 km/h 조건에서 THIV와 PHD 모두 기준치를 초과하여 기준을 만족하지 못하였다.
- 그 결과로 1.3 ton 차량과 유사하게 THIV 특성은 충돌각도 10°와 20° 조건에서 선형적으로 증가하는 양상을 나타냈으며, 충돌각도 30°조건에서는 70 km/h 이후부터 단계적으로 급격한 변화를 보였다.
- 그 결과로 PHD 특성은 충돌각도 10° 조건에서 2.59g 에서 5.90g의 결과를 나타냈으며, 20° 조건에서는 5.14g 에서 10.40g의 결과를 나타냈다.
- 그 결과로 THIV 특성은 충돌각도 10 deg 조건에서 4.57 km/h에서 9.31 km/h 까지 선형적으로 증가하였으며, 20° 조건에서도 7.23 km/h에서 27.81 km/h까지 선형적으로 증가하였다.
- 그 결과로 THIV 특성은 충돌각도 10°와 20°에서 모두 PHD 기준치인 20g 이하를 만족하였으나 충돌각도 30°의 경우에는 충돌속도 70 km/h까지 PHD 값이 10g 이하로 유지하였고, 충돌속도 80 km/h부터 급격히 증가하였다.
- 그러나 충돌각도 30° 조건에서는 충돌속도 50 km/h에서 90 km/h 에서 충돌각도 10°와 20°와 같이 비례 선형적으로 증가하였으나 그 이후에서 충돌속도 100 km/h영역에서 THIV가 급격히 증가함을 알 수 있었다.
- 그리고 충돌각도 30° 조건에서 충돌속도 50∼80 km/h까지는 6.51g에서 12.05g의 결과를 나타내어 PHD 기준을 만족시켰으며, 80, 90 km/ h 조건에서는 20g를 초과하는 25.49g로 PHD 기준치를만족시키지 못하였다.
- 변수의 설정을 위해 미국 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administr ation)의 실제사고 데이터베이스인 NASS(National Auto motive Sampling System)[14]에서 가드레일에 차량이 충돌하는 사고를 분석하여 빈번하게 일어나는 충돌속도와 각도의 구간을 도출하였다. 또한 차량중량에 따른 판매량[15]을 조사하여 2015년 전체 차량 판매량 중 70%이상의 차량이 1.3 ton을 초과하는 것을 확인하였으며, 전체 판매량과 공차중량을 계산하였을 때 차량의 평균 공차중량은 1,553 kgf 이라는 것을 확인하였다. 또 운전가능한 연령인 19세부터 80세 이상의 평균 체중[16]을 조사한 결과로 2014년 성인의 평균체중은 6,4.
- 이를 분석하기 위해 그림 5와 비슷한 현상으로서 차량충돌 시뮬레이션을 통한 충돌차량의 거동을 관찰한 결과로 충돌각도 30°에서 충돌속도 90 km/h 이후의 경우에 차량이 지주에 걸리는 현상이 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 향후 본 연구의 해석결과를 토대로 충돌에 의한 차량의 속도변화, 진입각과 이탈각, 가드레일의 변형량 등을 심층 분석하여 데이터베이스화가 이루어지면 교통사고 분석을 위한 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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