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문제 정의
- 그러나, 이러한 낙석방지 울타리는 절개 면의 특성에 상관없이 표준도에 의한 단일 모델이 시공되고 있어 시설의 효용성에 자주 의문이 제기되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 현장 실험을 통해 국내에서 사용 중인 낙석방지 울타리의 기능을 검토해 보고 설계기준을 제시하는데 목적을 두고 있다.
- 본 연구에서 수행된 현장 실험은 현장에서 제작된 콘크리트 볼을 절개면 상부로부터 절개면 하부에 설치 된 낙석방지울타리 로 낙하 시 켜 낙석방지 울타리 의 기능수행 여부와 파손여 부를 검 토함으로써 국내에 서 사용되고 있는 낙석방지 울타리의 설치 적정성 여부과 문제점을 파악하기 위한 목적으로 실시되었다. 이를 위하여 각각 다른 중량의 콘크리트 볼을 제작하여 약 20m 높이의 절개 면으로부터 낙하시키고 낙 석방지시설의 파손 여부와 낙석의 도로 유입 가능성을 평가하였다.
- 4톤을 이용하고 각각 다른 절 개 면과 낙석 특성, 즉 절개면 경사도와 낙하 높이를 고려하여 이격거리에 대한 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 이러한 분석 결과를 이용하여 낙석도약 높이에 대한 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부를 판단 할 수 있는 기준을 제시했다(표 3).
- 본 연구는 절개면과 낙석의 특성을 고려한 낙석방지시설의 설치와 관리에 관한 지침을 마련하기 위해 수행되었다. 연구와 실험을 통하여 국내에서 설치 운용되고 있는 낙석 방지시설의 설치적정성 여부와 문제점을 파악하였으며 이렇게 파악된 방지시설의 특징과 기능을 고려하여 국내 실정에 맞는 설치 및 관리 지침을 제시하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 수행된 현장 실험은 현장에서 제작된 콘크리트 볼을 절개면 상부로부터 절개면 하부에 설치 된 낙석방지울타리 로 낙하 시 켜 낙석방지 울타리 의 기능수행 여부와 파손여 부를 검 토함으로써 국내에 서 사용되고 있는 낙석방지 울타리의 설치 적정성 여부과 문제점을 파악하기 위한 목적으로 실시되었다. 이를 위하여 각각 다른 중량의 콘크리트 볼을 제작하여 약 20m 높이의 절개 면으로부터 낙하시키고 낙 석방지시설의 파손 여부와 낙석의 도로 유입 가능성을 평가하였다.
- 5(65도)로 절취되어 있으며 퇴적암인 사암과 셰일로 구성되어 있다. 각 실험대상 절개 면에 대하여 현장 실험 후의 결과 분석과 시뮬레이션을 위해 절개 면의 경사, 상세 단면, 구성 암석, 절개면 거칠기 등을 정밀하게 조사하였으며 이러한 조사 결과를 바탕으로 절개 면의 단면과 각 단면의 특성을 구성하였다. 또한, 구성 암석의 강도 추정과 낙석이 절개 면과 충돌하여 도약할 경우의 반발계수 추정을 위해 현장에서 슈미트 햄머 반발 수치를 측정하였으며 이로부터 추정한 암의 일축 압축강도는 약 90MPa 정도였다.
- 각 실험대상 절개 면에 대하여 현장 실험 후의 결과 분석과 시뮬레이션을 위해 절개 면의 경사, 상세 단면, 구성 암석, 절개면 거칠기 등을 정밀하게 조사하였으며 이러한 조사 결과를 바탕으로 절개 면의 단면과 각 단면의 특성을 구성하였다. 또한, 구성 암석의 강도 추정과 낙석이 절개 면과 충돌하여 도약할 경우의 반발계수 추정을 위해 현장에서 슈미트 햄머 반발 수치를 측정하였으며 이로부터 추정한 암의 일축 압축강도는 약 90MPa 정도였다.
- 본 실험을 위하여 현장의 4개 절개 면에 대하여 각각 다른 형식의 시설을 설치하였다(그림 3). 낙석 방 지울타리의 설치 위치와 이격거리 등을 결정하기 위해 현장 조사자료를 기초로 구성된 절개면 단면도와 ROCKFALL 프로그램을 이용하여 낙석궤적, 낙석 에너지와 낙석도약 높이에 대한 모의실험을 수행하였으며 모의실험의 결과를 바탕으로 낙석방지 울타리의 특성에 따라 설치 위치 등을 결정하였다. 현장의 4개 절개 면에 설치된 낙석방지 울타리의 특성은 표 1과 같다.
- 다양한 낙석 운동에너지에 대한 낙석방지 울타리의 반응과 흡수 가능 에너지를 파악하기 위해 현장에 대한 사전 시뮬레이션을 실시하였고 二丄 결과를 기초로 0.7톤, 1.3톤, 2.3톤, 그리고 4.3톤의 콘크리트 볼을 제작하였다. 이러한 과정을 거쳐 제작된 콘크리트 볼을 높이 약 20m의 절개 면으로부터 낙하시키고 이를 디지털 캠코더로 촬영하였다.
- 3톤의 콘크리트 볼을 제작하였다. 이러한 과정을 거쳐 제작된 콘크리트 볼을 높이 약 20m의 절개 면으로부터 낙하시키고 이를 디지털 캠코더로 촬영하였다. 낙석의 궤적을 촬영하기 위해 사용된 디지털 캠코더는 다양한 각도에서의 궤적추적을 위해 절개 면의 정면과 측면 그리고 절개 면으로부터 45도의 각도를 갖는 위치에서 촬영하였으며 촬영된 자료는 낙석의 속도와 궤적을 추정하는데 사용되었다.
- 낙석의 궤적을 촬영하기 위해 사용된 디지털 캠코더는 다양한 각도에서의 궤적추적을 위해 절개 면의 정면과 측면 그리고 절개 면으로부터 45도의 각도를 갖는 위치에서 촬영하였으며 촬영된 자료는 낙석의 속도와 궤적을 추정하는데 사용되었다. 각각 다른 크기의 콘크리트 볼을 이용하여 여러 차례 반복 실험함으로써 낙석방지시설에 가해지는 에너지를 다양하게 조절하였으며 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부로부터 낙석방지 울타리의 구조 강도를 추정하였다. 각 실험 후 낙석 방 지시설의 파손 정도 등을 자세히 기록하고 사진을 촬영하여 실험 결과의 분석에 사용하였으며 계산된 낙석의 속도와 운동에너지로부터 낙석방지시설의 흡수 가능 에너지를 파악하였다.
- 각각 다른 크기의 콘크리트 볼을 이용하여 여러 차례 반복 실험함으로써 낙석방지시설에 가해지는 에너지를 다양하게 조절하였으며 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부로부터 낙석방지 울타리의 구조 강도를 추정하였다. 각 실험 후 낙석 방 지시설의 파손 정도 등을 자세히 기록하고 사진을 촬영하여 실험 결과의 분석에 사용하였으며 계산된 낙석의 속도와 운동에너지로부터 낙석방지시설의 흡수 가능 에너지를 파악하였다.
- 비디오테이프 자료의 분석을 통해 현장 실험 시 낙하된 콘크리트 볼의 운동 형태와 속도. 절개 면과의 충돌 위치 그리고 운동궤적 등을 파악하였으며 이러한 자료들을 이용하여 ROCKFALL 프로그램에서 실제 현장에서의 낙하운동과 동일한 형태의 운동궤적을 모 사하였다. 이러한 시뮬레이션 분석을 통해 현장 실험 시 낙석방지 울타리에 작용했던 낙석 에너지와 도약 높이를 획득하였으며 이 분석 결과와 현장에서 관찰된 낙석방지 울타리의 파손 여부를 정리한 결과는 표 2 와 같다.
- 이러한 시뮬레이션 분석을 통해 현장 실험 시 낙석방지 울타리에 작용했던 낙석 에너지와 도약 높이를 획득하였으며 이 분석 결과와 현장에서 관찰된 낙석방지 울타리의 파손 여부를 정리한 결과는 표 2 와 같다. 따라서, 각 실험에서 발생된 낙석 에너지와 울타리의 파손 여부로부터 낙석방지 울타리의 흡수가 능 에너지를 추정하였다.
- A 절개 면에 설치된 낙석방지 울타리는 독립기초를 사용 하치 않고 L형 옹벽 위에 설치된' 형식으로에 뒷채움을 한 상태와 유사한 상황을 만들기 위해 옹벽을 약 1.0m 깊이로 파고 설치하였다. 지주는 지주 정착 구를 사용하여 옹벽 위에 설치하였으며 U형 볼트를 사용하여 와이어로프와 지주를 결착 시 켰다.
- 3톤의 콘크리트 볼이 낙하된 1차 실험에서 발생한 낙석 에너지는 약 532kJ로 낙석의 중량으로 인해 울타리의 그물망 부분에 이완이 많이 발생하였으나 낙석 에너지는 시설의 파손 없이 울타리에 의해 거의 흡수되었다. 큰 규모의 낙석이 발생한 후 울타리에 걸려있는 낙석을 제거하지 못한 상태에서 2차 낙석 이 발생하는 경우의 울타리 기능수행 여부를 점검하기 위해 4.3톤의 콘크리트 볼이 울타리에 걸려 있는 상태에서 다른 쪽 그물망 부분에 2.3톤의 콘크리트 볼을 추가로 낙하시켰다. 시뮬레이션을 통해 추정된 낙석 에너지는 222kJ로 낙석 에너지를 흡수하는 기능을 가진 brake ring의 지름이 약 30% 정도 감소하였으나 그 외의 시설은 파손되지 않았다.
- C 절개 면에 설치된 낙석 방지 울타리는 독립기초를 사용하지 않고 L형 옹벽 위에 설치된 형식으로 옹벽 뒤쪽에 뒷채움을 하지 않아 콘크리트 볼이 낙하할 때 주머니의 역할을 하게 함으로써 낙석의 에너 지를 감소시키는 효과와 함께 옹벽이 낙석 에너지를 흡수하도록 했다.
- 이 구간에 설치된 낙석방지 울타리는 독립기초를 사용하고 지주를 콘크리트 기초 안에 묻어 방지 울타리를를 설치한 형식으로 울타리의 뒤쪽에 뒷채움이 시공된 상태와 유사한 상황을 설정했다. 각 지주에는 일반적인 형식의 와이어로프 고정구를 사용하여 와이어로프를 지주에 고정하였으며 단부 지주를 설치하지 않았다. 또한 낙석 방지 울타리가 최대한의 기능을 발휘할 수 있도록 60m 연장을 설치했다.
- 5m로 감소하였다. 이러한 결과를 바탕으로 현장에서 사용 가능한 설계기준의 제시를 위하여 국내 평균낙석 중량인 0.4톤을 이용하고 각각 다른 절 개 면과 낙석 특성, 즉 절개면 경사도와 낙하 높이를 고려하여 이격거리에 대한 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 이러한 분석 결과를 이용하여 낙석도약 높이에 대한 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부를 판단 할 수 있는 기준을 제시했다(표 3).
- 본 연구는 절개면과 낙석의 특성을 고려한 낙석방지시설의 설치와 관리에 관한 지침을 마련하기 위해 수행되었다. 연구와 실험을 통하여 국내에서 설치 운용되고 있는 낙석 방지시설의 설치적정성 여부와 문제점을 파악하였으며 이렇게 파악된 방지시설의 특징과 기능을 고려하여 국내 실정에 맞는 설치 및 관리 지침을 제시하였다.
대상 데이터
- 실험 현장은 진주-통영 간 고속도로 공사 현장 내의 절개 면으로 높이 약 20m, 연장 30 - 40m 규모인 암반 절개 면이 도로 양쪽으로 위치하고 있다. 각 절개면은 경사도 1:0.
- 이러한 과정을 거쳐 제작된 콘크리트 볼을 높이 약 20m의 절개 면으로부터 낙하시키고 이를 디지털 캠코더로 촬영하였다. 낙석의 궤적을 촬영하기 위해 사용된 디지털 캠코더는 다양한 각도에서의 궤적추적을 위해 절개 면의 정면과 측면 그리고 절개 면으로부터 45도의 각도를 갖는 위치에서 촬영하였으며 촬영된 자료는 낙석의 속도와 궤적을 추정하는데 사용되었다. 각각 다른 크기의 콘크리트 볼을 이용하여 여러 차례 반복 실험함으로써 낙석방지시설에 가해지는 에너지를 다양하게 조절하였으며 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부로부터 낙석방지 울타리의 구조 강도를 추정하였다.
- 본 실험을 위하여 현장의 4개 절개 면에 대하여 각각 다른 형식의 시설을 설치하였다(그림 3). 낙석 방 지울타리의 설치 위치와 이격거리 등을 결정하기 위해 현장 조사자료를 기초로 구성된 절개면 단면도와 ROCKFALL 프로그램을 이용하여 낙석궤적, 낙석 에너지와 낙석도약 높이에 대한 모의실험을 수행하였으며 모의실험의 결과를 바탕으로 낙석방지 울타리의 특성에 따라 설치 위치 등을 결정하였다.
성능/효과
- Spang에 의해 개발된 ROCKFALL(Spang and Sonser, 1995)과 미국 Colorado Highway Department에 의해 개발된 CRSP(Pfeiffer and Bowen, 1989)가 가장 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 프로그램을 사용하여 낙석 에너지를 추정하는 방법은 절개 면의 거칠기, 낙석의 형태 등 낙석에너지에 영향을 줄 수 있는 많은 변수를 고려할 수 있는 장점이 있으며 따라서 현장에서 실제로 발생하는 낙석에 너 지에 매우 가까운 수치를 얻을 수 있다. 그러나, 이 방법은 수학적인 모델을 기초로 프로그램을 개발 해야 하거나 필요에 따라 개발된 프로그램을 구매할 경우 단가가 매우 비싸다는 점과 시뮬레이션을 위한 실내작업이 필수적으로 요구되고 현장으로부터 획득하여 고려해야 할 변수가 너무 많아 낙석 에너지를 얻기까지는 많은 시간이 걸린다는 단점이 있다.
- 4.3톤의 콘크리트 볼이 낙하된 1차 실험에서 발생한 낙석 에너지는 약 532kJ로 낙석의 중량으로 인해 울타리의 그물망 부분에 이완이 많이 발생하였으나 낙석 에너지는 시설의 파손 없이 울타리에 의해 거의 흡수되었다. 큰 규모의 낙석이 발생한 후 울타리에 걸려있는 낙석을 제거하지 못한 상태에서 2차 낙석 이 발생하는 경우의 울타리 기능수행 여부를 점검하기 위해 4.
- 3톤의 콘크리트 볼을 추가로 낙하시켰다. 시뮬레이션을 통해 추정된 낙석 에너지는 222kJ로 낙석 에너지를 흡수하는 기능을 가진 brake ring의 지름이 약 30% 정도 감소하였으나 그 외의 시설은 파손되지 않았다. 3차 실험에서는 지주 부분의 성능 평가를 위해 1.
- 즉, 1차 실험에서는 자유 낙하하던 콘크리트 볼이 한 차례 절개 면과 충돌한 후 다시 자유 낙하하였으나 2차 실험에서는 16m 높이로부터 회전하면서 낙하하여 상대적으로 회전운동에 의해 발생한 에너지가 컸기 때문에 발생한 차이로 보인다. 두 실험에서 모두 콘크리트 볼은 낙석 방지 울타리의 기초 옹벽 부와 충돌하였으며 낙석 에너지는 콘크리트 옹벽 부에 의해 흡수되어 콘크리트 볼은 도로 방향으로 유입됨 없이 정지되었다.
- 콘크리트 볼은 울타리와 충돌 후 시설을 뚫고 약 20m가량 도로 방향으로 이동되었다. 울타리의 파손은 와이어로프와 철망이 낙석 에너지를 흡수하지 못하고 와이어로프가 고정 구로부터 이탈되어 발생하였으며 다른 부분의 손상은 전혀 없는 것으로 보아 와이어로프의 흡수 가능에 너 지가 부족했던 것으로 보이며 특히, 와이어로프와 지주사 이의 결속력이 부족했고 단부가 설치되지 않아 와이어로프에 충분한 인장이 작용하지 않았던 것으로 보인다.
- 1. 현장 실험을 통해 파악된 국내 낙석방지 울타리의 흡수 가능 에너지는 약 50kJ 내외인 것으로 보이며 이는 낙석 대책편람(일본도로협히, 2000)에 제시된 낙석방지 울타리의 흡수 가능 에너지 계산식을 이용하고 국내 낙석 방지 울타리의 형식과 제원을 적용하여 얻은 값과 동일하다.
- 2. A 절개 면의 시설에서 사용되었던 U형 볼트의 성능은 다른 시설에 사용되었던 조립 구보다 뛰어난 것으로 판단된다. 방지 울타리의 파손 상태를 비교해보면 A 절개 면의 경우, 낙석 에너지를 흡수하기 위해 지주와 와이어로프가 동시에 기능을 발휘하였으며 따라서 와이어로프의 파손과 함께 지주도 변형이 발생했다(그림 4(a)).
- 3. 절개면 C의 실험 결과와 같이 낙석방지 울타리의 기초로 사용되는 L형 옹벽은 약 95kJ의 낙석에너지 를 막아내지 못하고 파손되었다. 이는 약 600kJ의 에너지까지 흡수 가능하다고 제시된 외국의 옹벽 구조 물과 비교해 볼 때 매우 작은 수치로 낙석방지 울타리의 기초로서 뒷채움없이 낙석을 막아내기에는 무리 가 있을 것으로 생각된다.
- 이미 여러 논문과 보고서(Ritchie, 1963; Badger and Lowell, 1992)에서 언급된 바와 같이 이격거리와 낙석 방지도랑(ditch)은 낙석방지 울타리 에 작용하는 낙석에너지 와 낙석 도약 높이를 감소시키는 데 매우 중요한 역할을 한다. 시뮬레이션 분석에 의하면 A 절개 면에서 2.3톤의 콘크리트 볼이 18m 높이에서 낙하할 때 lm의 이격거리에 설치된 낙석방지 울타리에 작용한 낙석 에너지가 64.2kJ이었으나 2m 이격거 리에서는 42.3kJ로 줄어들었다. 도약 높이 역시 0.
- 반면에 다른 형식의 조립 구는 이러한 기능을 하지 못하였으며 결과적으로 지주에는 아무런 변형이 발생하지 않고 와이어로프만 이탈되어 콘크리트 볼이 방지 울타리를 뚫고 지나가는 현상이 발생했다(그림 4
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