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문제 정의
- 이용한 낙석방지울타리를 고안하게 되었다. 따라서, 본 연구에서는 실내시험을 통해 고안된 팽창메탈형 낙석방지울타리의 주 재료인 팽창메탈의 구조적 성능을 확인하고 현장 실물실험을 통하여 현행 낙석 방지울타리의 실제 흡수가능에너지를 확인하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 현행 낙석방지울타리의 부분적으로 취약한 부분의 개선을 통하여 전체적인 성능향상을 도모하고자 하였으며, 이를 위하여 재료의 변경을 통한 부분적 취약부를 제거하고자 하였다. 본 연구에서 대상으로 한 대체 재료는 팽창메탈을 이용하고자 하였다.
- 본 연구는 팽창메탈(Expanded Metal)을 이용한 낙석방지울타리의 적용성을 평가하기 위하여 실내시험과 현장 실물 낙석시험을 실시한 결과를 분석한 것이다. 현재 사용되고 있는 낙석방지울타리의 구조는 지주와 철망 및 와이어로프의 조합으로 구성되어 있으며, 이 세 구성요소의 조합에 의해 적절한 낙석지지 성능을 발휘하도록 되어있다.
- 본 연구에서는 기존의 ‘지주+와이어로프+철망’ 이라는 형태에 사용된 PVC 코팅망과 팽창메탈 (Expanded Metal)의 낙석지지능력을 비교.평가하기 위하여 실내시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 도로주변에 설치되는 낙석 방지울타리의 성능개선기술을 개발하기 위하여 기존 와이어로프와 PVC 코팅망의 대체 재료로서 팽창메탈(expanded metal)을 이용한 낙석방지울타리를 개발, 그 성능을 평가하기 위하여 실내시험 및 현장시험을 수행하였으며, 이에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 팽창메탈(expanded metal)에 대한 하중지지능력 및 제작방향별 변형능력을 평가하기 위하여, 실내시험을 실시하였다. 실내시험에서는 양단을 고정하고 중앙부분에 하중을 가하여 순수하게 팽창메탈의 변형 정도를 파악하고자 하였으며, 제작 강판의 두께별로 6t, 4.
- - 변위측정 : 팽창메탈의 변위측정은 1,000mm정도의 대변위가 발생하는 관계로 5m까지 측정 가능한 줄변위계를 설치하여 측정하였으며, 측정빈도는 1회/초 간격으로 측정하였다.
- - 시험체 : 시험체로 이용된 팽창메탈은 6.5T, 4.5T와 3.2T의 세가지 경우에 대하여 시험하고, 제작 방향별 특성을 파악하기 위하여 각각 제작 방향별로 2~3회씩 시험하였다(그림 7). 또한 현행낙석방지 울타리에 사용되는 PVC 코팅망의 성능을 평가하기 위하여 PVC 코팅망에 대해서도 동일한 방법으로 시험을 실시하였다.
- 팽창메탈의 설치 : 팽창메탈을 지주에 지지하기 위하여 볼트체결을 하였으며, 볼트간격은 2개의 볼트를 1조로 하여 CTC=300mm로 하였다(그림 6).
- - 하중재하장치 : 하중재하장치는 팽창메탈의 특성상 1,000mm 정도의 대변위가 예상되어 케이블 윈치를 이용하여 재하하였으며, 현장 낙석에 의한 하중형태와 유사하도록 원형의 하중인장용 플레이트를 제작하여 설치후 인장할 수 있도록 하였다.
- - 현행 낙석방지울타리(와이어로프+지주+PVC코팅망) 양끝 단부 포함 5경간 설치(경간 C.T.C 2.0m)와 Expanded Metal을 이용한 낙석방지울타리 5경간 설치 : XS-62(3.2T), XG-21(4.5T), 22(6T), 23(6T) 각각 설치 하였고 제작된 콘크리트 볼(50kg, 100kg, 250kg, 400kg, 1000kg)을 크레인을 이용하여 현행 낙석에너지 규정에 맞도록 일정 높이에서 자유 낙하시킨 후 낙석방지울타리에 미치는 영향 평가하였다(그림 3.13참조)
- 5m에서 낙하, 50KJ)의 콘크리트볼 자유낙하시 팽창메탈이 손상여부에 따라 규격을 조정하여 실험을 실시하였다. XG-21(4.5T)에 대한 낙석충돌후 팽창메탈이 파손되었을 경우 규격을 상향 조정하여 XG-22(6T)에 대하여 낙석실험을 실시할 예정이며, 파손이 없을 경우 XS-62(3.2T)규격을 이용한 낙석방지 울타리에 대한 실험을 실시한다(표 2 참조).
- XG-21(4.5T)에 대한 현장실험에서 팽창메탈이 파손되지 않아 더 높은 강성의 규격에 대한 실험을 생략하고 좀 더 낮은 강성의 XS-62(3.2T) 규격의 재료를 이용한 낙석방지울타리에 대한 낙석시험을 실시하였다. 그 결과 팽창메탈(XS-62(3.
- 그러나 현장 실물 낙석시험시 부분적인 취약점으로 인하여 기존 낙석방지울타리가 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 경우도 있는 것으로 평가되었기에 이에대한 대체방안으로 부분적 취약점이 없는 팽창메탈을 이용한 낙석방지울타리를 고안하게 되었다. 따라서, 본 연구에서는 실내시험을 통해 고안된 팽창메탈형 낙석방지울타리의 주 재료인 팽창메탈의 구조적 성능을 확인하고 현장 실물실험을 통하여 현행 낙석 방지울타리의 실제 흡수가능에너지를 확인하였다.
- 기존의 현장시험은 사면에서 콘크리트 볼을 하부로 굴려 낙석방지울타리의 낙석지지능력을 평가하였으나 이는 절개면의 불규칙성과 콘크리트 볼의 충격위치가 일정하지 않은 단점이 있으며, 콘크리트볼이 절개면에서 직접적으로 낙석방지 울타리를 충격하는 경우보다 먼저 지면에 충격된 후 낙석방지울타리에 도달하는 현상 등의 단점으로 정확한 낙석에너지 산정이 불가능하였다. 따라서 본 현장시험에서는 낙석의 정확한 위치와 에너지를 쉽게 산정하고 취약부에 대한 검증을 위하여 크레인을 이용한 콘크리트볼을 자유낙하 하였다.
- 또한 방향성에 따른 메탈의 성능을 평가하기 위하여 3.2T와 4.5T 메탈을 가로방향으로 설치, 하중을 재하하였다. 4.
- 2T의 세가지 경우에 대하여 시험하고, 제작 방향별 특성을 파악하기 위하여 각각 제작 방향별로 2~3회씩 시험하였다(그림 7). 또한 현행낙석방지 울타리에 사용되는 PVC 코팅망의 성능을 평가하기 위하여 PVC 코팅망에 대해서도 동일한 방법으로 시험을 실시하였다.
- 또한, 현행 낙석방지울타리에 사용되는 PVC 코팅망의 지지능력에 대한 시험도 동일한 방법으로 병행하여 성능을 비교하였다.
- 설치된 시험거치대에 1200X2400(가로X세로mm)로 제작된 Expanded Metal의 세로, 가로 방향과능형망을 각각 일반볼트를 이용하여 결속하고 메탈의 중앙부에 Plate를 체결한 후 Winch Wire Cable 과 작용하중 측정을 위한 로드셀(정격하중 5ton)을 연결하였으며, 메탈중앙부에 변위 측정을 위한 줄 게이지를 부착하였다. 메탈에 연결된 로드셀과 줄게이지는 Winch가 메탈과 연결된 와이어로프를 연속적 혹은 단계적으로 하중을 가할 때 각각의 재료에 대한 극한하중과 최대 변형량을 측정하였다.
- 본 개발기술에 대한 현장시험은 XG-21(4.5T)규격을 기준으로 현행 낙석에너지 규정(400kg하중을 12.5m에서 낙하, 50KJ)의 콘크리트볼 자유낙하시 팽창메탈이 손상여부에 따라 규격을 조정하여 실험을 실시하였다. XG-21(4.
- 본 시험에서는 기존의 ‘지주+와이어로프+철망’형태, PVC 코팅망과 팽창메탈(Expanded Metal)을 이용한 낙석방지울타리의 낙석 흡수 가능에너지를 비교.평가하기 위하여 현장 낙석시험을 실시하였다.
- 설치된 시험거치대에 1200X2400(가로X세로mm)로 제작된 Expanded Metal의 세로, 가로 방향과능형망을 각각 일반볼트를 이용하여 결속하고 메탈의 중앙부에 Plate를 체결한 후 Winch Wire Cable 과 작용하중 측정을 위한 로드셀(정격하중 5ton)을 연결하였으며, 메탈중앙부에 변위 측정을 위한 줄 게이지를 부착하였다. 메탈에 연결된 로드셀과 줄게이지는 Winch가 메탈과 연결된 와이어로프를 연속적 혹은 단계적으로 하중을 가할 때 각각의 재료에 대한 극한하중과 최대 변형량을 측정하였다.
- 잡아당겨 늘여서 그물 모양으로 만든 재료를 말한다. 이러한 재료를 이용하여 기존 낙석방지 울타리 형태에서 지주는 동일한 규격을 사용하고, 와이어로프와 철망재료 대신 팽창메탈을 이용하고자 하였다. 연구대상인 팽창메탈에 대한 규격은 다음 그림 3과 같이 정해진다.
- 팽창메탈의 변형특성을 파악하기 위하여 현장 설치조건을 반영하여 실물크기의 실내시험을 실시하였다. 설치된 시험거치대에 1200X2400(가로X세로mm)로 제작된 Expanded Metal의 세로, 가로 방향과능형망을 각각 일반볼트를 이용하여 결속하고 메탈의 중앙부에 Plate를 체결한 후 Winch Wire Cable 과 작용하중 측정을 위한 로드셀(정격하중 5ton)을 연결하였으며, 메탈중앙부에 변위 측정을 위한 줄 게이지를 부착하였다.
- Metal)의 낙석지지능력을 비교.평가하기 위하여 실내시험을 실시하였다.
- 낙석방지울타리의 낙석 흡수 가능에너지를 비교.평가하기 위하여 현장 낙석시험을 실시하였다. 본 현장시험 결과 현행 낙석방지망은 50KJ(하중0.
- 현장시험에서는 XS-62(3.2T), XG-21(4.5T), 22(6T), 23(6T) 4개 규격의 팽창메탈을 이용한 낙석방지 울타리와 현행 낙석방지울타리(와이어로프+지주+PVC코팅망) 양끝 단부 포함 5경간 설치(경간 C.T.C 2.0m)에 대하여 낙석충돌시 흡수 가능한 에너지를 평가하였다. 기존의 현장시험은 사면에서 콘크리트 볼을 하부로 굴려 낙석방지울타리의 낙석지지능력을 평가하였으나 이는 절개면의 불규칙성과 콘크리트 볼의 충격위치가 일정하지 않은 단점이 있으며, 콘크리트볼이 절개면에서 직접적으로 낙석방지 울타리를 충격하는 경우보다 먼저 지면에 충격된 후 낙석방지울타리에 도달하는 현상 등의 단점으로 정확한 낙석에너지 산정이 불가능하였다.
- 현장시험을 기준은 기존에 국내에서 행했던 방법과는 달리 낙석의 충격에너지와 충격위치를 정확히 하여 실험하고자 낙석시험장을 시공하고, 낙석을 대신할 콘크리트 볼을 제작하여 자유낙하 시험을 실시하였다. 다음은 현장시험장 설도를 나타낸 것이다(그림 12 참조).
대상 데이터
- 하였다. 본 연구에서 대상으로 한 대체 재료는 팽창메탈을 이용하고자 하였다.
성능/효과
- (2) 팽창메탈은 제작특성 상, 하중-변형 거동에 대한 방향성을 가지고 있으며, 파괴시까지의 하중은 제작 직각 방향(가로방향)으로 설치한 경우가 제작방향(세로방향)으로 설치한 경우에 비하여 약 40%정도 크게 나타났고, 작용하중에 따른 변형정도는 제작방향으로 설치된 경우가 제작 직각방향으로 설치된 경우에 비하여 약 3배 정도 크게 나타났다. 제작 직각방향으로 설치된 경우는 팽창메탈의 특성상 하중-변형 특성이 매우 불규칙하게 나타났다.
- (3) 현장시험 결과, 현행 낙석방지울타리의 경우 400kg 중량의 콘크리트 볼을 12.5m 높이에서 낙하시킨 경우는 와이어로프 및 단부 스프라이스가 파손되고 콘크리트 볼은 낙석방지울타리를 관통하였으며, 1(治0k 중량의 콘크리트 볼을 12.5m 높이에서 낙하시킨 경우는 낙석방지울타리의 하부부분에 가해져서 역시 관통되어, 현행 낙석방지울타리가 기준에서 제시하고 있는 50kJ의 낙석에너지 흡수능력을 가지고 있는 지에 대한 의문이 제기되었으며, 따라서 낙석에너지 흡수능력의 평가방법이 개선되어야 할 것으로 판단된다.
- (4) 팽창메탈을 이용하여 현장 낙석시험을 수행한 결과는 본 연구에서 사용된 XG-21(4.5t) 규격 및 XS-62(3.2t) 규격 모두 낙석방지울타리가 지지해야 하는 50kJ의 낙석에너지에 대해 모두 낙석을 지지하는 것으로 나타났다. 팽창메탈을 이용한 낙석방지울타리의 경우, 설치된 지주와 팽창메탈이 모두 많은 변형을 일으키면서 낙석을 지지하여 낙석방지울타리의 대체 재료로서 충분히 가능하다고 판단된다.
- (5) 본 연구에서 제안된 팽창메탈을 이용한 낙석방지울타리에 대한 경제성 검토결과, 50m 및 100m 연장의 설치를 기준으로 할 때, XG-21(4.5t) 규격의 경우 현행 낙석방지울타리 대비 약 37% 정도, XS-62(3.2t) 규격의 경우 46% 정도의 공사비가 절감되는 것으로 나타나, 기존 낙석방지울타리의 대체 재료로서 충분한 경제성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다.
- 3.2T 가로방향에 대한 시험결과 3.3~5.7ton의 하중에서 파괴되었으며, 최대 변위량은 24.5cm 정도 발생하였으며 지주에 메탈 체결시 체결강도를 높일수록 파괴하중이 증가하였다.
- 3.2T 두께의 팽창메탈에 대한 실내시험결과 6T와 4.5T 두께의 메탈과 파괴하중 및 변위량 곡선은 거의 비슷한 경향을 보였으나, 파괴전 변형량은 6T보다 최대 약 30~35cm, 4.5T 메탈보다 최대 약 18cm 더 늘어나 연실율이 우수한 것으로 나타났다.
- 4.5T 두께의 팽창메탈에 대한 실내시험결과 6T 두께의 메탈과 파괴하중 및 변위량 곡선은 거의 비슷한 경향을 보였으나, 파괴전 변형량은 6T보다 4.5T 메탈이 최대 약 20cm 더 늘어나 연실율이 우수한 것으로 나타났다.
- 2T) 규격의 재료를 이용한 낙석방지울타리에 대한 낙석시험을 실시하였다. 그 결과 팽창메탈(XS-62(3.2T))의 파손은 발견되지 않았으며 지주와의 체결부에서 약간의 찢어짐 현상이 발견되었는데 이는 체결강도가 약하여 발생한 것으로 판단되며, XG-2114.5T)을 이용한 낙석방지 울타리에 대한 현장실험에서 발견된 지주의 뒤틀림 현상보다 훨씬 양호한 변형이 생겼다. 또한 50KJ(하중 250kg, 낙하고 22m)의 낙석에너지를 충격하였을 경우 콘크리트볼이 충돌시 지면에 닿지 않았으며 지주의 변형 상태도 양호한 편이었다.
- 또한 PVC 코팅망에 대한 시험결과는 팽창메탈과 최대 지지하중 측면에서는 비슷한 값을 보였으나, 하중-변위 형태는 매우 다른 양상을 보이고, 실제 시험에 의한 변형형태도 매우 다르게 나타났다(그림 10).
- 본 실내시험 결과 팽창메탈의 경우 6T와 4.5T 모두 3.0~3.5ton, 3.2T의 경우는 3.5~4.0ton 범위의 하중에서 파괴가 발생하였으며, 6T의 경우 단계별 하중 재하시 주로 중앙부에서 파괴가 발생하였고, 연속적인 하중 재하시 연결부에서 파괴가 발생하였다(그림8, 그림 9)
- 평가하기 위하여 현장 낙석시험을 실시하였다. 본 현장시험 결과 현행 낙석방지망은 50KJ(하중0.4ton, 낙하고 12.5m)의 낙석에너지를 충격하였을 경우 와이어로프 및 PVC코팅망의 파손이 발생하였으며, 콘크리트볼이 낙석방지울타리를 관통하는 현상이 발생하였다. 이는 와이어로프에 충분한 인장력 유지에 중요한 역할을 하는 단부 부분의 주물로 제작되는 스프라이스가 파손되어 와이어로프의 인장력이 상실 및 이로 인한 와이어로프의 상하 변형이 원인인 것으로 판단된다.
- 실내시험에서는 양단을 고정하고 중앙부분에 하중을 가하여 순수하게 팽창메탈의 변형 정도를 파악하고자 하였으며, 제작 강판의 두께별로 6t, 4.5t, 3.2t를 각각 시험한 결과, 팽창메탈이 파괴될 때의 하중은 3.0~4.0ton 정도이고 이때의 변형량은 400mm~800mm 정도로 측정되어 실제 적용시 변형에 의한 충분한 에너지 흡수능력을 가질 수 있을 것으로 평가되었다.
후속연구
- (6) 본 연구를 통해 성능을 평가한 팽창메탈을 이용한 낙석방지울타리의 경우, 대변형에 의한 낙석에너지 흡수능력이 뛰어난 것으로 평가되나, 국내의 낙석방지울타리 설치기준에는 허용변형량에 대한 내용을 다루고 있지 않아, 낙석방지울타리가 파손되지 않더라도 과도한 변형에 의한 도로유입이 발생할 수 있으므로, 이에 대한 제 기준의 정립이 필요하다고 판단된다.
- 이러한 결과로부터 현행 낙석방지울타리의 지지능력 평가방법에 대한 문제점 뿐만아니라, 부분적 취약부에 의한 개선이 필요할 것으로 나타났다. 다음 그림 2는 현장 실물 낙석시험을 보여주는 것이다.
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