[논문]해석적-수치해석적 방법을 통한 낙석방지울타리에 작용하는 에너지 분석

김희수; 황영철; 장현익; 반호기

doi:10.14481/jkges.2019.20.12.57

[국내논문] 해석적-수치해석적 방법을 통한 낙석방지울타리에 작용하는 에너지 분석
Integrated Analytical-Numerical Approach to Compute the Energy on Rock-fall Protection Fence 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.12, 2019년, pp.57 - 64

김희수 (Department of Civil Engineering, Kangwon National University) , 황영철 (Department of Civil Engineering, Sang Ji University) , 장현익 (Korea Expressway Corporation) , 반호기 (Department of Civil Engineering, Kangwon National University)

초록
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우리나라의 국토는 약 70% 이상 산악지형으로 사업화와 도시화로 인한 도로의 확장과 연장으로 인해 사면을 변형시키는 규모가 매년 증가하고 있다. 이렇게 변형된 사면은 집중호우와 지진 등의 자연재해로 인해 낙석발생의 위험이 높아지고 있다. 국토교통부(2016) 도로안전시설 설치 및 관리지침 중 낙석방지시설 편에는 48~61kJ에 상응하는 와이어로프, 지주, 망의 규격 등이 제시가 되어있으나 낙석방지울타리의 흡수에너지와의 상관관계는 명확하게 제시되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 해석적, 수치해석적 방법을 통해 낙석방지울타리에 작용하는 에너지를 계산하고 비교 분석하였다. 그 결과 낙석방지울타리 흡수에너지의 경우 지주의 형태가 H형강인 경우 1경간과 3경간일 때 수치해석의 경우가 2.3, 4.4kJ 정도 크게 계산되었다. 지주의 형태가 각형강관인 경우는 3경간인 경우 오히려 해석적 방법이 34.4kJ 정도 크게 계산되었다. 이는 수치해석에서는 중간지주 부분은 각형강관이 아닌 H형강을 사용하여 수행되었기 때문에 상대적으로 작은 흡수에너지를 보여주고 있다. 향후 각형강관으로 이루어진 3경간에 대해 추가적으로 수치해석을 수행 예정이며, 이들을 검징하기 위한 실물낙석시험을 실시할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A man-made slope has been increased due to the construction of road. This slope lies at risk of rock falling, induced mostly by heavy rainfall. The MOLIT (Ministry of Land, Infrastructure and Transport) recommends the specific dimension of rockfall protection fence (post, wire-rope, and mesh) which should resist 48~61 kJ. However, the energy absorption capacity of each component of rockfall protection fence is not clearly presented. Hence, this study made an effort to compute the energy absorption capacity of each component in analytical and numerical method, and compared with each other.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Finite element mesh and boundary conditions for the simulations
표 Table 1. Physical properties used for simulations
그림 Fig. 3. Absorbable energy of wire rope, post, mesh (H-beam, 3span)
그림 Fig. 2. Results of numerical analysis (H-beam, 3 span)
그림 Fig. 4. Results of numerical analysis (H-beam, 1 span)
표 Table 2. Summary of absorbed energy at each component of rock-fence (H-beam, 3 span)
그림 Fig. 5. Absorbable energy of wire rope, post, mesh (H-beam, 1 span)
그림 Fig. 6. Results of numerical analysis (□-beam, 3 span)
그림 Fig. 7. Absorbable energy of wire rope, post, mesh (□-beam, 3 span)
표 Table 3. Summary of absorbed energy at each component of rock-fence (H-beam, 1 span)
표 Table 4. Summary of absorbed energy at each component of rock-fence (□-beam, 3 span)
표 Table 5. Physical properties of H-beam and □-beam
표 Table 6. Physical properties of wire rope
표 Table 7. Support and wire rope conditions for H-beam, 3 span
표 Table 8. Calculation of absorbed energy for H-beam, 3 spans
표 Table 9. Support and wire rope conditions for H-beam, 1 span
표 Table 10. Calculation of absorbed energy for H-beam, 1 spans
표 Table 11. Support and wire rope conditions for □-beam, 3 span
표 Table 12. Calculation of absorbed energy for □-beam, 1 spans
표 Table 13. H-shaped steel, 3 spans of absorbable energy
표 Table 14. H-shaped steel, 1 spans of absorbable energy
표 Table 15. □-shaped steel, 3 spans of absorbable energy

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 해석적-수치해석적 방법을 통해 낙석방지 울타리에 작용하는 에너지를 살펴보았으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

낙석 볼의 경우 낙석 실물시험에서 사용 중인 ETAG 027(2012)에서 제안한 형상(400kg)을 사용하였다. 낙석 볼은 울타리 구성요소들에 비해 강도가 크기 때문에 4절점 강체요소인 R3D4(ABAQUS)를 사용하여 변형이 되지 않는 강체로 모델링하였다. 낙석방지울타리의 와이어로프와 중간지주는 x방향(Fig.
낙석방지울타리의 흡수에너지를 산정하기 위해 낙석방지울타리를 구성하고 있는 와이어로프, 지주, 철망 등의 변화로 흡수가능에너지에 미치는 영향을 분석하였다. 이때 사용된 H형강과 각형강관, 와이어로프의 물성치는 Table 5와 6에 나타내었다.
, 2015)에 제시된 낙석시험방법, 지주의 변위측정, 낙석의 충돌위치, 각도, 속도 등이 제시가 되어 국내보다 정확한 낙석방지울타리 설계가 가능하다. 따라서 본 연구에서는 낙석방지울타리를 구성하는 와이어로프, 지주, 망의 흡수가능에너지에 대한 상관관계를 해석적방법과 수치 해석방법으로 분석하였다.
낙석방지울타리의 경우 크게 망, 지주, 와이어로프로 구성되어있지만 실제로는 이보다 복잡하게 구성되어있다. 따라서 수치해석을 통해 이를 모사하고자 하였으며, 해석적 방법을 통한 흡수 가능에너지와 분석하고자 와이어로프의 흡수가능에너지를 Wire rope, Spacer, Friction을 합친 흡수에너지로 계산하였다.
81m/s로 설정하였다. 또한 General contact 옵션(ABAQUS)를 사용 하여 부재간의 접촉을 모사하였으며, 마찰계수는 0.2를 사용하였다. 수치해석은 지주의 형태와 설치구간에 따라 총 3 가지의 형태로 1)H형강으로 이루어진 3경간인 경우, 2)H형강으로 이루어진 1경간인 경우, 3)각형강관으로 이루어진 3 경간인 경우에 대하여 수행하였다.
모의시험결과 상단부에 충돌 시 28.8kJ, 하단 부에 충돌 시 20∼51.2kJ의 충돌에너지를 흡수함을 보고하였으며, 이를 통해 새로운 낙석방지울타리를 제안하였다.
2를 사용하였다. 수치해석은 지주의 형태와 설치구간에 따라 총 3 가지의 형태로 1)H형강으로 이루어진 3경간인 경우, 2)H형강으로 이루어진 1경간인 경우, 3)각형강관으로 이루어진 3 경간인 경우에 대하여 수행하였다.
(2003)은 LS-DYNA3D를 이용하여 기존의 낙석방지울타리에 대한 모의시험을 수행하였다. 수행방법은 낙석방지울타리의 상단부, 하단부에 400kg의 낙석 볼을 사용하여 낙석의 충돌속도를 달리함으로써 낙석방지울타리의지지 능력을 평가하였다. 모의시험결과 상단부에 충돌 시 28.
수치해석에 사용된 물성치는 한국도로공사 낙석방지울타리 50kJ 표준규격을 사용하였다(Table 1). 이때 낙석방지울타리의 와이어로프, 지주, 망은 3차원 2절점 보요소(B31)를 사용하여 모델링 하였다. 낙석 볼의 경우 낙석 실물시험에서 사용 중인 ETAG 027(2012)에서 제안한 형상(400kg)을 사용하였다.
H형강으로 이루어진 3경간에 대한 흡수가능에너지를 해석적-수치해석적 방법을 통해 분석한 결과를 Table 13에 나타내었다. 이때, 낙석방지울타리 설치 시 와이어로프의 초기장력이 생기기 때문에 해석적 방법에서 초기장력 고려한 흡수가능에너지와 분석하였다. 흡수에너지는 수치해석적 방법의 경우 50kJ, 해석적 방법의 경우 45.
따라서 충격에너지 50kJ를 모두 흡수함을 확인하였다. 이때, 와이어로프는 Wire rope, Spacer, Friction을 합친 흡수에너지로 계산을 하였다. 낙석방지울타리의 경우 크게 망, 지주, 와이어로프로 구성되어있지만 실제로는 이보다 복잡하게 구성되어있다.

대상 데이터

이때 낙석방지울타리의 와이어로프, 지주, 망은 3차원 2절점 보요소(B31)를 사용하여 모델링 하였다. 낙석 볼의 경우 낙석 실물시험에서 사용 중인 ETAG 027(2012)에서 제안한 형상(400kg)을 사용하였다. 낙석 볼은 울타리 구성요소들에 비해 강도가 크기 때문에 4절점 강체요소인 R3D4(ABAQUS)를 사용하여 변형이 되지 않는 강체로 모델링하였다.

데이터처리

낙석방지울타리를 구성하는 와이어로프, 지주, 망의 흡수 가능에너지에 대한 상관관계를 분석하고자 상용수치해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 물성치는 한국도로공사 낙석방지울타리 50kJ 표준규격을 사용하였다(Table 1).

이론/모형

(2013)은 펜듈럼 시험을 통해 낙석방지울타리 성능평가를 진행하였다. 낙석 볼의 밀도와 모양은 ETAG-027(EOTA, 2008)의 지침에 따라 제작하였다. 낙석 볼의 충격에너지의 경우 35kJ로 총 4 회 진행하였으며, 시험결과 낙석방지울타리가 모든 시험에서 방호가 가능함을 보고하였다.
(2016)은 유한요소 프로그램인 LS-DYNA을 사용하여 흡수에너지가 50kJ인 기존 낙석방지울타리를 개선하여 100kJ의 낙석충돌 에너지를 견딜 수 있는 낙석방지울타리를 설계하였다. 설계된 낙석방지울타리에 대해 2회 성능평가 시험을 진행하였으며, 낙석방지울타리의 방호능력 평가는 ETAG-027에 제시된 성능평가기준을 적용하였다. 시험결과 충격에너지 100kJ 에 대해 방호능력을 보유하고 있음을 보고하였다.
낙석방지울타리를 구성하는 와이어로프, 지주, 망의 흡수 가능에너지에 대한 상관관계를 분석하고자 상용수치해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 물성치는 한국도로공사 낙석방지울타리 50kJ 표준규격을 사용하였다(Table 1). 이때 낙석방지울타리의 와이어로프, 지주, 망은 3차원 2절점 보요소(B31)를 사용하여 모델링 하였다.

성능/효과

(1) 수치해석 방법을 통해 낙석방지울타리 흡수에너지 분석결과 H형강으로 이루어진 3경간인 경우, 각형강관으로 이루어진 3경간인 경우에 충격에너지(50kJ)를 모두 흡수함을 확인하였다. 하지만 H형강으로 이루어진 1경간일 때 42kJ로 충격에너지를 모두 흡수하지 못함을 확인하였다.
(2) 해석적 방법을 통해 낙석방지울타리 흡수에너지 분석 결과 H형강으로 이루어진 3경간일 45.6kJ, H형강으로 이루어진 1경간일 때 39.7kJ, 각형강관으로 이루어진 3 경간일 때 84.4kJ를 흡수함을 확인하였다. 각형강관으로 이루어진 3경간인 경우 H형강으로 이루어진 3경강 보다 38.
(3) 각형강관으로 이루어진 3경간 낙석울타리의 흡수가능 에너지를 해석적인 방법과 수치해석적 방법을 이용하여 분석한 결과 해석적인 방법으로 계산된 흡수에너지가 84.4kJ로 수치해석적 통해 얻은 50kJ보다 34.4kJ 더 많은 에너지를 흡수하는 것으로 나타났다. 이는 수치해석에서는 중간지주 부분은 각형강관이 아닌 H형강을 사용하여 수행되었기 때문에 상대적으로 작은 흡수에너지를 보여주고 있다.
4kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. H형강, 3경간인 경우 1경간인 경우와 달리 초기장력을 미 고려시 16.2kJ이 더 흡수함을 확인하였다.
4kJ를 흡수함을 확인하였다. 각형강관으로 이루어진 3경간인 경우 H형강으로 이루어진 3경강 보다 38.8kJ의 충격에너지를 더 흡수가능 함을 확인하였다.
7과 Table 4에 보듯이 와이어로프는 4kJ, 지주는 37kJ, 망은 9kJ로 모든 충격에너지(50kJ)를 흡수함을 확인하였다. 동일한 3경간일 때 각형 관의 경우 H형강에 비해 지주가 21kJ을 더 흡수함을 확인 하였다. 이는 지주에서 더 많은 충격에너지를 흡수하였기 때문에 망의 변위가 작음을 확인하였다.
77m임을 확인하였다. 동일한 3경간일 때 각형관의 경우 H형강에 비해 망의 최대변위가 0.59m 작음을 확인하였다. 흡수에너지의 경우 Fig.
7kJ의 충격 에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 따라서 초기장력을 고려 시 0.6kJ의 충격에너지를 더 흡수함을 확인하였다.
6kJ의 충격 에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 따라서 초기장력을 고려 시 5.4kJ의 충격에너지를 더 흡수함을 확인하였다.
표에 보듯이 와이어로프(Wire rope)은 10kJ, 지주 (Post)은 16kJ, 망(Mesh)은 24kJ로 낙석방지울타리의 총 흡수에너지가 50kJ이다. 따라서 충격에너지 50kJ를 모두 흡수함을 확인하였다. 이때, 와이어로프는 Wire rope, Spacer, Friction을 합친 흡수에너지로 계산을 하였다.
3kJ 크게 나타났다. 또한 모든 경우의 흡수가능에너지가 50kJ미만으로 낙석방지울타리 표준규격의 충격에너지인 50kJ을 흡수하지 못함을 확인하였다.
하지만 H형강으로 이루어진 1경간일 때 42kJ로 충격에너지를 모두 흡수하지 못함을 확인하였다. 망의 최대변위는 동일한 3경간일 때 H형강 보다 각형강관인 경우에 0.59m 작음을 확인하였다. 이는 동일한 충격에너지를 가했을 경우 지주가 형태가 각형강관일 때 더 많은 충격에너지를 흡수가능 함을 확인 하였다.
59m 작음을 확인하였다. 이는 동일한 충격에너지를 가했을 경우 지주가 형태가 각형강관일 때 더 많은 충격에너지를 흡수가능 함을 확인 하였다.
1kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 초기장력 고려 시 총 39.7kJ의 충격 에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 따라서 초기장력을 고려 시 0.
2kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 초기장력 고려 시 총 45.6kJ의 충격 에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 따라서 초기장력을 고려 시 5.
6kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 초기장력 고려 시 총 84.4kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. H형강, 3경간인 경우 1경간인 경우와 달리 초기장력을 미 고려시 16.
각형강관으로 이루어진 3경간에 대한 흡수가능에너지를 분석한 결과를 Table 12에 나타내었다. 표에 보듯이 초기장력을 미 고려 시 총 100.6kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 초기장력 고려 시 총 84.
H형강으로 이루어진 1경간에 대한 흡수가능에너지를 분석한 결과를 Table 10에 나타내었다. 표에 보듯이 초기장력을 미 고려 시 총 39.1kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 초기장력 고려 시 총 39.
H형강으로 이루어진 3경간에 대한 흡수가능에너지를 분석한 결과를 Table 8에 나타내었다. 표에 보듯이 초기장력을 미 고려 시 총 40.2kJ의 충격에너지를 낙석방지울타리가 흡수함을 확인하였다. 초기장력 고려 시 총 45.
H형강으로 이루어진 1경간에 대한 흡수가능에너지를 해석적-수치해석적 방법을 통해 분석한 결과를 Table 14에 나타내었다. 흡수에너지는 수치해석적 방법의 경우 42kJ, 해석적 방법의 경우 39.7kJ로 수치해석적 방법으로 해석 시 흡수가능에너지가 2.3kJ 크게 나타났다. 또한 모든 경우의 흡수가능에너지가 50kJ미만으로 낙석방지울타리 표준규격의 충격에너지인 50kJ을 흡수하지 못함을 확인하였다.
이때, 낙석방지울타리 설치 시 와이어로프의 초기장력이 생기기 때문에 해석적 방법에서 초기장력 고려한 흡수가능에너지와 분석하였다. 흡수에너지는 수치해석적 방법의 경우 50kJ, 해석적 방법의 경우 45.6kJ로 수치해석적 방법으로 해석 시 흡수가능에너지가 4.4kJ 크게 나타났다.

후속연구

(4) 향후 각형강관으로만 이루어진 3경간에 대한 수치해석이 추가적으로 수행 예정이며, 이들을 검증하기 위한 실물낙석시험을 실시할 예정이다.
따라서 향후 각형강관으로만 이루어진 3경간에 대한 수치해석이 추가적으로 필요하다. 또한 이들을 검증하기 위한 실물낙석시험을 향후 실시할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	낙석방지울타리의 구성은?	낙석방지울타리를 구성하는 와이어로프, 지주, 망의 흡수 가능에너지에 대한 상관관계를 분석하고자 상용수치해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 물성치는 한국도로공사 낙석방지울타리 50kJ 표준규격을 사용하였다(Table 1).
	낙석방지울타리의 흡수에너지 시험방법은?	이러한 낙석의 위험을 방지하고자 낙석방지울타리에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 낙석방지울타리의 흡수에너지 시험방법은 대표적으로 실제사면낙석시험(Koo et al., 2001; Hwang, 2002), 펜듈럼시험(Buzzi et al., 2013), 런칭시험(右城猛, 2009a; 2009b), 수직낙하시험(Han et al., 2016)이 있다. Koo et al.
	산악지형을 사면으로 변형시킨 것의 영향은?	우리나라의 국토는 약 70% 이상이 산악지형으로 산업화와 도시화로 인한 도로의 확장과 연장으로 인해 사면을 변형시키는 규모가 매년 증가하고 있다. 하지만 변형시킨 사면은 집중호우와 지진 등의 자연재해로 인해 낙석발생의 위험이 높아지고 있다. 이러한 낙석의 위험을 방지하고자 낙석방지울타리에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (10)

국토교통부 (2008), 도로안전시설 설치 및 관리지침-낙석방지 시설편, pp. 1-71.
右城猛 (2009a), 富士山新五合目駐車場における落石事故の？？, (株)第一コンサルタンツ, pp. 1-15 (In Japan).
右城猛 (2009b), 新しく開？した落石防護柵用柵端金具の？？？？, (株)第一コンサルタンツ, pp. 1-15 (In Japanese).
Ben, A., Jerry, D. and Paul, T. (2015), Guidelines for certification and management of rockfall fence systems, Transportation Research Board of The National Academies of Sciences, Engineering and Medicine, pp. 1-87.
Buzzi, O., Spadari, M., Giacomini, A., Fityus, S. and Sloan, S. (2013), Experimental testing of rockfall barriers designed for the low range of impact energy, Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 46, No. 4, pp. 701-712.

상세보기
European Organization for Technical Approvals (2008), Guideline for European Technical Approval of Falling Rock kits, ETAG-027, European organization for technical approvals, pp. 1-59.
Han, K., Mon, B., Ko, M. and Kim, K. (2016), Performance assessment of rockfall protection fences for the rockfall energy of 100kJ using ETAG 27, Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 16, No. 2, pp. 247-259.
Hwang, Y. C. (2002), Estimation of absorbing capacity from rockfall protection fences, Korean Geo-Environmental Society, Vol. 3, No. 4, pp. 59-66.
Koo, H. B., Park, H. J. and Paik, Y. S. (2001), Characteristics and energy absorbing capacity for rockfall protection fence from in-situ rockfall tests, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 17, No. 6, pp. 111-121.
Moon, Y. J., Jung, H. J., Park, K. J. and Lee, I. (2003), Characteristics and energy absorbing capacity for new rockfall protection fence, KSCE 2003 Convention program, pp. 1559-1562.

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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].

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