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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 차량 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 화물차량의 제원과 횡풍의 변화에 따른 사고 위험성을 분석하고 풍속구간별 화물차량의 제한속도를 제안하고자한다. Table 2에 본 연구의 흐름도를 나타내었다.
제안 방법
- 10~14m/s의 풍속구간은 상대적으로 작은 풍속이기 때문에 통행제한은 없으며 제한속도를 50, 80, 100km/h로 구분하였다. 14~21m/s의 풍속구간은 특정 변수의 사고 위험성이 높기 때문에 통행제한이 고려되었으며, 제한속도에서 100km/h를 제외시켰다.
- 이렇게 얻어진 경로이탈 위험풍속과 전도 위험풍속을 종합하여 사고 위험풍속을 도출한 뒤 차량의 사고 유형을 판단하였다. 그리고 Fig. 5와 같이 풍속을 총 4구간으로 나누어 각각의 구간별 통행속도를 설정하였다. 풍속구간의 설정근거는 기상청에서 사용되고 있는 약~강풍의 구간을 Fig.
- 차량 최대속도를 120km/h까지 설정한 이유는 화물차량과 같은 대형차량의 국내 고속도로 통행 제한속도가 최대 110km/h로 규정되어있기 때문이다. 그리고 차량의 제원에 따른 변수로 전고와 전장, 적재중량을 변화시켰으며, 환경조건인 노면마찰계수를 변화시켰다. 차량의 전고를 2~5m로 설정한 근거는 국내 소형트럭의 높이는 약 1.
- Xu와 Guo, Chen과 Cai는 추가적으로 횡력을 고려한 3차원 동적 차량모델을 제안하였다12,15). 그리고, Chen과 Cai는 직선차선뿐만이 아닌 곡선 차선과 같은 다양한 지형 조건을 고려한 사고기준을 제안하였다. 수많은 차량의 거동분석 연구를 통해 여러 차량 시뮬레이션 프로그램이 개발되었다.
- 본 연구에서는 차량 주행 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 횡풍에 의한 화물차량의 사고위험도 평가를 실시하였고, 그 결과를 이용하여 풍속구간별 통행 제한속도를 제안하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 횡풍으로 인해 발생되는 사고유형은 크게 경로이탈과 전도로 나뉜다. 본 장에서는 횡풍에 의한 주행성 상실과 사고유형의 판정기준을 제시하였으며, 이를 통해 정의된 경로이탈량 산정식과 전도 발생풍속 산정식을 나타내었다.
- 경로이탈 위험풍속은 시뮬레이션을 통해 얻어진 차량의 횡방향 이탈거리를 이용하여 앞서 정의된 사고위험도지수로 도출되었다. 사고위험도지수가 1이하로 나타나는 차량속도의 경로이탈 위험풍속을 40m/s로 선정하였으며, 사고 위험도지수가 1이상으로 나타나는 차량속도의 경로 이탈 위험풍속은 설정된 풍속으로 선정하였다. 전도 위험풍속은 타이어 접지력이 0으로 나타나는 풍속으로 선정하였다.
- 그리고 TruckSim은 CarSim과 다르게 트레일러의 외형이나, 적재중량의 모델링이 가능하여 세부적인 평가가 가능하다. 시뮬레이션에 적용된 도로 모델은 도로교 설계기준에 준하여 차선폭을 3.5m로 모델링하였으며, 해석시간과 차량의 최대속도를 고려하여 도로길이를 200m로 모델링하였다. 또한 횡풍의 영향을 명확히 분석하기 위해 차량속도는 일정하게 설정하였으며, 풍향은 가장 큰 영향을 미치는 위치인 차량의 진행방향에 수직한 방향에서 불어오게 하였다.
- 차량 속도를 10∼120km/h까지 10km/h씩 증가시켰으며, 풍속은 10∼40m/s까지 2m/s씩 증가시켰다.
- 1은 운전자의 조향방법에 따른 차량의 슬립량을 측정한 실험결과를 보여준다. 핸들을 고정한 상태와 고정하지 않은 상태, 그리고 운전자의 능동적 판단으로 총 3가지 경우를 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상차량인 화물차량은 승용차보다 윤거가 더 크기 때문에 경로이탈이 훨씬 빠르게 발생될 것으로 판단되어 사고위험도지수가 1이상인 영역을 경로이탈 위험영역으로 적용하였다.
- 시뮬레이션에 사용된 화물차량은 가장 대표적인 화물차량인 Conventional Van을 이용하였으며, 세부적인 차량제원을 Table 3에 나타내었다. 차량 속도를 10∼120km/h까지 10km/h씩 증가시켰으며, 풍속은 10∼40m/s까지 2m/s씩 증가시켰다.
이론/모형
- 횡풍에 영향을 받는 화물차량의 시뮬레이션을 위해 상용프로그램인 TruckSim을 이용하였다1). TruckSim은 다양한 종류의 화물차량이 모델링되어 있으며, 타이어의 종류, 엔진 시스템, 브레이크 시스템, 새로운 외형의 차량 모델링이 가능하다.
성능/효과
- 1) 일반 승용차와 같은 전고가 낮은 차량에 비해 전고가 높은 화물차량은 주로 전도에 의한 사고를 보였으며, 경로이탈과 전도가 복합적으로 발생되었다.
- 2) 경로이탈의 위험성을 증가시키는 주요요인은 차량속도이며, 전도의 위험성을 증가시키는 주요요인은 풍속으로 나타났다.
- 3) 1ton이상의 중량이 적재된 화물차량은 21~25m/s 의 강풍에서 50km/h이하로 운행하여도 사고의 위험이 없었다. 그러나 적재중량이 없는 화물차량은 낮은 풍속에서도 높은 사고 위험성을 보였다.
- 4) 본 연구를 통해 제안된 풍속에 따른 화물차량 통행 속도 제한기준은 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 통해 구축되었으므로 근거자료가 부족한 기존 통행속도 제한 기준을 충분히 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
- 5m/s로 얻어졌다. 그리고 전장이 1m씩 증가할 때마다 동일한 차량속도의 경로이탈 위험풍속은 유사하였으며, 경로이탈 위험성은 감소되었다. 이는 차량의 전장이 증가함에 따라 경로 이탈을 발생시키는 요잉모멘트가 증가하지만 이를 저항하는 타이어의 마찰에 의한 저항모멘트도 증가하여 서로 상쇄되기 때문이다.
- 운전자의 조향방법에 따라 사고위험성이 달라질 수있는 경로이탈에 비해 전도는 사고위험정도가 명확한 사고유형이다. 차량의 전도발생 풍속은 간단한 모델로부터 정의될 수 있다.
- 이렇게 얻어진 경로이탈 위험풍속과 전도 위험풍속을 종합하여 사고 위험풍속을 도출한 뒤 차량의 사고 유형을 판단하였다. 그리고 Fig.
- Basic은 적재중량이 없는 기본상태를 나타낸 것이며 각 변수별 적재중량을 1ton씩 증가시켰다. 적재중량이 1ton씩 증가할수록 경로이탈 위험풍속은 같은 차량속도일 경우 1~3m/s씩 증가하는 것으로 나타났다. 또한 적재중량의 증가로 인해 타이어의 접지력이 증가하여 높은 풍속에서도 전도가 발생되지 않고 경로이탈이 발생되는 것으로 판단된다.
- 또한 적재중량의 증가로 인해 타이어의 접지력이 증가하여 높은 풍속에서도 전도가 발생되지 않고 경로이탈이 발생되는 것으로 판단된다. 적재중량이 1ton씩 증가할수록 경로이탈에 대한 사고위험성이 감소되는 결과를 보였다.
- 6(a)에 전고의 증가에 따른 경로이탈 위험풍속을 나타내었다. 전고가 2m일 때 최대 차량속도에서 28m/s의 경로이탈 위험풍속이 얻어지며, 전고가 1m씩 증가할수록 경로이탈 위험풍속은 2~7m/s씩 감소되었다. 이는 전고가 증가함에 따라 횡력이 증가하여 차량에 작용하는 요잉모멘트가 증가하기 때문이다.
- 6(b)에 전고의 증가에 따른 전도 위험풍속을 나타내었다. 전고가 2m일 때 최대 차량속도에서 전도 위험풍속은 18m/s로 나타났으며, 전고가 1m씩 증가할수록 전도 위험풍속은 2~7m/s씩 감소되었다. 이는 전고가 증가함에 따라 바람의 작용면적이 증가되고, 그로 인해 횡력이 증가하여 타이어의 접지력이 상실되기 쉬워지기 때문이다.
- 7(b)는 전장의 증가에 따른 전도 위험풍속을 보여준다. 전장이 3 m일 때 차량 최대속도에서 전도 위험풍속은 7.6m/s로 나타나며, 전장이 1m씩 증가할수록 전도 위험풍속은 2~4m/s씩 감소되었다. 이는 전장이 증가함에 따라 차량에 작용되는 횡력이 증가하여 전도가 선행되기 때문이다.
- 그리고 차량속도가 40km/h까지 동일한 경로이탈 위험풍속이 얻어졌다. 차량속도 40km/h이후부터 경로이탈 위험풍속이 1~4m/s씩 감소되었으며, 최대 차량속도에서의 경로이탈 위험풍속은 10m/s로 나타났다. 노면마찰계수가 0.
후속연구
- 그러나 적재중량이 없는 화물차량은 낮은 풍속에서도 높은 사고 위험성을 보였다. 따라서, 강풍 발생구간에 화물차량의 중량을 측정할 수 있는 센서나 안내판을 설치하여 본 연구를 통해 제안된 통행속도 제한기준을 권고함으로써 사고를 미연에 방지하여야 한다.
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