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문제 정의
- 해석결과에서 공통적으로 나타나는 문제점은 충돌 시 발생하는 전이구간의 과도한 후방 변형 및 이로 인한 충돌차량과 콘크리트 방호벽 단부의 충돌이다. 따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위하여 추가의 부재를 적용한 개선 사양을 제안하였다.
- 본 연구에서는 2012년 지침에 따라 강성 콘크리트(교량용)와 연성(노측용) 방호울타리를 연결하는 SB3등급의 전이구간용 방호울타리를 개발하였으며, 수치해석 및 실물차량 충돌시험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
제안 방법
- 수치해석을 통한 충돌 시뮬레이션은 실제 현상을 모사한다는 점이 실물시험과 가장 큰 차이점으로, 실제 현상을 완벽하게 표현할 수 없지만 실제 현상에 영향을 미치는 요소들을 분석하고 그 개선점을 찾는 가장 효과적인 방법이다. 따라서, 시뮬레이션은 실제 현상에 가장 영향을 많이 미치는 인자들의 조합으로 이상화하고 이 이상화된 모델을 적절한 방법을 이용하여 해석한 후 그 결과를 검토하는 일련의 과정으로 구성된다. 본 연구에서는 미국의 TTI(Texas Transportation Institute)에서 사용하는 Mechanical CAE 소프트웨어의 대표적인 프로그램인 LS-Dyna를 이용하여 3차원 해석을 수행하였다(LSTC, 2012).
- 본 연구에서는 2012년에 개정된 “도로안전시설 설치 및 관리지침”에 따라 교량용 강성 콘크리트 방호울타리와 노측용 연성 방호울타리를 연결하는 SB3등급의 전이구간용 방호울타리를 개발하였으며, 수치해석 및 실물차량 충돌시험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
- 따라서, 시뮬레이션은 실제 현상에 가장 영향을 많이 미치는 인자들의 조합으로 이상화하고 이 이상화된 모델을 적절한 방법을 이용하여 해석한 후 그 결과를 검토하는 일련의 과정으로 구성된다. 본 연구에서는 미국의 TTI(Texas Transportation Institute)에서 사용하는 Mechanical CAE 소프트웨어의 대표적인 프로그램인 LS-Dyna를 이용하여 3차원 해석을 수행하였다(LSTC, 2012).
- , 2014). 본 연구의 충돌해석을 위하여 전이구간의 3차원 수치해석모델을 작성하였으며, 승용차 및 화물차 수치모델은 해외의 기관에서 개발하여 공개한 모델을 활용하였다. 수치해석을 통하여 사전 성능확인을 수행한 후 실물차량 충돌시험을 실시하였으며, 충돌시험은 한국도로공사 도로교통연구원 도로안전시설 성능시험장에서 수행되었다.
- 본 연구의 충돌해석을 위하여 전이구간의 3차원 수치해석모델을 작성하였으며, 승용차 및 화물차 수치모델은 해외의 기관에서 개발하여 공개한 모델을 활용하였다. 수치해석을 통하여 사전 성능확인을 수행한 후 실물차량 충돌시험을 실시하였으며, 충돌시험은 한국도로공사 도로교통연구원 도로안전시설 성능시험장에서 수행되었다.
- 수치해석은 충돌해석에 가장 널리 이용되고 있는 상용 소프트웨어인 LS-DYNA를 사용하여 수행하였다. 전이 구간의 3차원 수치해석모델을 작성하였으며, 승용차 및 화물차 수치모델은 해외의 기관에서 개발하여 공개한 모델을 기본으로 하고, 국내에서 충돌시험에 사용되는 차량의 제원을 반영하여 수정하여 사용하였다. 수치해석을 통하여 사전 성능확인을 수행한 후 실물차량 충돌시험을 실시하였으며, 충돌시험은 한국도로공사 도로교통연구원 도로안전시설 성능시험장에서 수행되었다.
- 차량 방호울타리의 빔, 지주 및 블록아웃 부재는 4절점 Shell 요소를 사용하여 모델링하였으며, 강재는 SS400의 재료물성을 적용하였다. 충돌 시 발생하는 강재의 강도 증가효과(strain rate 효과)를 고려하였으며, 부재의 연결은 *CONSTRAINED_SPOTWELD 기능을 사용하여 모델링하였다. 지반은 8절점 Solid 요소를 사용하여 모델링하였으며, *MAT_SOIL_AND_FOAM 재료모델을 사용하였다.
- 충돌차량과 콘크리트 방호벽 단부의 충돌을 방지하고, 연결부위의 강성을 보강하기 위한 두께 6.8mm의 상, 하부 보강판을 적용하였으며, 상, 하부 보강판이 적용된 개선 사양은 Fig. 6에 나타난 바와 같다.
대상 데이터
- 탑승자 보호 성능 평가를 위해 사용되는 승용차는 총 질량 1300kg으로 규정되어 있다. 미국 NCAC에 공개되어 있는 차량 모델 중 이 조건에 가장 가까운 Dodge-Neon 모델을 사용하여 해석을 수행하였으며, 다음 Fig. 7에 Dodge-Neon 모델의 형상을 나타내었다.
- 지반 재료모델의 물성 입력값은 이전에 수행된 수평지지력 시험결과를 사용하여 적절성을 확인하였다. 실물차량 충돌시험 조건을 고려하여 승용차의 충돌해석에는 30m, 대형차의 충돌해석에는 50m 길이의 전이구간 모델을 사용하였으며, 충돌 각도, 속도 및 충돌위치는 충돌시험의 조건과 동일하게 하였다.
- 실물차량을 사용한 충돌시험은 2016년 12월 6일 한국도로공사 도로교통연구원 충돌시험장에서 수행되었다. 충돌시험 시 측정된 시험조건은 Table 4와 같다.
- 승용차의 스내깅 방지 및 대형차의 원활한 유도를 위해 상, 하부 보강판을 적용하였다. 차량 방호울타리의 빔, 지주 및 블록아웃 부재는 4절점 Shell 요소를 사용하여 모델링하였으며, 강재는 SS400의 재료물성을 적용하였다. 충돌 시 발생하는 강재의 강도 증가효과(strain rate 효과)를 고려하였으며, 부재의 연결은 *CONSTRAINED_SPOTWELD 기능을 사용하여 모델링하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 미국의 NCAC(National Crash Analysis Center)에서 제공한 모델을 근간으로 우리나라에서 현재 사용되고 있는 소형차량의 제원을 최대한 반영하여 수정한 모델을 사용하였다(NCAC, 2012). 탑승자 보호 성능 평가를 위해 사용되는 승용차는 총 질량 1300kg으로 규정되어 있다.
- 수치해석은 다양한 충돌해석에 널리 이용되고 있는 상용 소프트웨어인 LS-DYNA를 사용하여 수행하였다(LSTC, 2012). LS-DYNA는 도로시설물과 차량의 충돌을 비롯하여 다양한 구조물 사이의 충돌해석에 다수 활용된 바 있다(Chung et al.
- 수치해석은 충돌해석에 가장 널리 이용되고 있는 상용 소프트웨어인 LS-DYNA를 사용하여 수행하였다. 전이 구간의 3차원 수치해석모델을 작성하였으며, 승용차 및 화물차 수치모델은 해외의 기관에서 개발하여 공개한 모델을 기본으로 하고, 국내에서 충돌시험에 사용되는 차량의 제원을 반영하여 수정하여 사용하였다.
- 충돌 시 발생하는 강재의 강도 증가효과(strain rate 효과)를 고려하였으며, 부재의 연결은 *CONSTRAINED_SPOTWELD 기능을 사용하여 모델링하였다. 지반은 8절점 Solid 요소를 사용하여 모델링하였으며, *MAT_SOIL_AND_FOAM 재료모델을 사용하였다. 지반 재료모델의 물성 입력값은 이전에 수행된 수평지지력 시험결과를 사용하여 적절성을 확인하였다.
성능/효과
- 5에 나타내었으며, 대형차의 경우와 유사하게 충돌측 차량 바퀴와 강성방호벽 하단 돌출부와의 충돌이 발생하였고, 이로 인한 안전지수의 초과가 발생하였다. SB2등급 시뮬레이션의 결과로 얻어진 THIV와 PHD 지수는 각각 39.4km/h와 55.5g로 기준값인 33km/h와 20g를 초과하는 것으로 나타났다(KICT, 2013).
- 공용중인 가드레일 전이구간에 대한 충돌 시뮬레이션을 수행한 결과, 탑승자 보호성능을 만족하지 못하였고 강도성능 기준은 만족하였지만 충돌 후 차량이 급격한 감속을 보이는 등 불안정한 거동을 보이는 것으로 나타났다. 먼저 대형차의 경우를 살펴보면, Fig.
- 구조성능의 경우 시험차의 충돌에 충분히 견딜 수 있는 강도를 유지하였으며, 최대 충돌 변형 거리의 경우 0.19m로 변형이 발생하여 기준치 0.8m 이내로 측정되어 만족하는 결과를 나타냈다. 또한 차량 충돌 시에 파편이 비산하여 탑승자나 제3자에게 피해를 주는 시험부재가 없었다.
- 기존의 연구사례를 분석한 결과, LS-DYNA를 사용한 충돌 시뮬레이션을 통하여 다양한 시설물을 대상으로 한 성능평가 연구가 이루어져 왔음을 확인할 수 있었으나, 전이구간을 대상으로 한 연구사례는 상대적으로 많지 않았으며, 충돌 시뮬레이션과 실물차량 충돌실험을 병행하고 그 결과를 새로운 전이구간 사양의 개발에 활용한 사례는 발견할 수 없었다.
- 또한, 제안 사양은 기존 사양에 상, 하부 보강판을 추가한 형태로 복잡하지 않게 기존 사양의 보강이 가능하므로 향후 전이구간의 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어, 시험결과와 수치해석결과의 비교를 통하여 수치해석이 시험결과를 적절히 모사하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 또한 충돌 후 차량의 거동에서는 차량이 방호울타리에 충돌하여 전복되거나 급정지하지 않고 원활히 유도되는 충돌거동을 보였으며, 차량충돌 시 방호울타리의 부분적인 탈락을 보였다. 하지만 충돌차량의 궤적은 탈출박스 B선을 침범하지 않았고 Roll, Pitch의 회전각은 기준치 75° 이하인 8.
- 본 연구를 통하여 개발된 전이구간의 사양은 기존에 사용되어 온 전이구간의 문제점을 해소하기 위한 상, 하부의 보강판이 추가로 적용되었으며, 수치해석 및 실차충돌시험을 통하여 그 성능이 기준에 만족함을 확인하였다. 또한, 제안 사양은 기존 사양에 상, 하부 보강판을 추가한 형태로 복잡하지 않게 기존 사양의 보강이 가능하므로 향후 전이구간의 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 소형차 충돌시험에서 측정된 탑승자 충격속도(THIV)는 30.0km/hr으로 기준치인 33.0km/hr 이하였으며, 탑승자 가속도(PHD)는 13.0g으로 기준치 20g 이하로 측정되어 모두 기준에 만족하는 결과로 나타났다. 방호 울타리의 구성요소가 탈락되어 차량 컴파트먼트를 뚫고 들어가지 않았으며, 차량충돌 시에 파편이 비산하여 탑승자나 제 3자에게 피해를 주는 시험부재가 없었다.
- 승용차 충돌 시뮬레이션 결과를 사용하여 탑승자 안전지수(THIV 및 PHD)를 산출하였으며, 그 결과는 다음 Table 3과 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 THIV 및 PHD 모두 기준치를 만족하였다. 탑승자 안전지수의 산출은 ORI ver 2.
- 14에 충돌시험 및 수치해석에서 얻어진 차량의 거동을 비교하여 나타내었으며, 수치해석의 결과가 충돌시험의 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있다. 이상의 결과로부터 수치해석이 충돌시험의 결과를 적절히 모사하고 있는 것으로 판단된다.
- 지반은 8절점 Solid 요소를 사용하여 모델링하였으며, *MAT_SOIL_AND_FOAM 재료모델을 사용하였다. 지반 재료모델의 물성 입력값은 이전에 수행된 수평지지력 시험결과를 사용하여 적절성을 확인하였다. 실물차량 충돌시험 조건을 고려하여 승용차의 충돌해석에는 30m, 대형차의 충돌해석에는 50m 길이의 전이구간 모델을 사용하였으며, 충돌 각도, 속도 및 충돌위치는 충돌시험의 조건과 동일하게 하였다.
- 대형차 충돌의 경우에도 Table 6과 같이 수치해석 및 충돌시험 결과가 모두 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 최대 변형량은 수치해석 결과가 충돌시험 결과의 약 84%로 더 작게 계산되어 비안전측의 결과를 나타내었으나, 성능기준 (0.8m)에 비해 충분히 작은 변형이기 때문에 큰 의미는 없는 것으로 판단된다.
- 충돌 후 차량의 거동에서는 차량이 전복·급정지하지않고 원활하게 유도되었고 무게중심이 방호울타리 중심선을 넘지 않았으며, 궤적은 탈출박스의 B선을 침범하지 않음으로써 기준에 만족하는 결과를 보였다.
- 하지만 충돌차량의 궤적은 탈출박스 B선을 침범하지 않았고 Roll, Pitch의 회전각은 기준치 75° 이하인 8.8°, 6.2°로 측정됨으로써 기준에 만족하는 결과를 보였다.
- 화물차의 충돌 해석을 통하여 기존 사양에서와 같은 차량과 콘크리트 방호벽 단부 사이의 충돌이 발생하지 않으며, 안정적인 차량의 유도가 이루어지는 것을 확인하였다. 수치해석의 결과로 얻어진 승용차와 화물차의 충돌 거동은 실험결과와 비교하여 다음의 5장에 수록하였다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 개발된 전이구간의 사양은 기존에 사용되어 온 전이구간의 문제점을 해소하기 위한 상, 하부의 보강판이 추가로 적용되었으며, 수치해석 및 실차충돌시험을 통하여 그 성능이 기준에 만족함을 확인하였다. 또한, 제안 사양은 기존 사양에 상, 하부 보강판을 추가한 형태로 복잡하지 않게 기존 사양의 보강이 가능하므로 향후 전이구간의 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어, 시험결과와 수치해석결과의 비교를 통하여 수치해석이 시험결과를 적절히 모사하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 지금까지 수행된 연구는 대부분 수치시뮬레이션 결과와 실물차량 충돌시험 결과의 비교를 통하여 수치시뮬레이션의 결과가 타당하며, 향후 관련 연구에 수치시뮬레이션의 활용이 가능할 것이라는 결론을 도출하고 있다. 또한 Kim 등(Kim et al.
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