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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존 낙석방지울타리의 주요 구성요소 중의 하나인 와이어로프를 고장력 경강선재로 대체하고 낙석에 대한 흡수에너지를 평가하기 위해 현장에서 수직낙하시험을 수행하였다. 수직낙하시험 결과, 흡수에너지가 50kJ 이상으로 나타났으며 또한 경제성 분석에 있어서도 기존 낙석방지울타리 대비 약 20%의 공사비 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 현장에서 적용되는 낙석방지책에 대한 시험법은 다양한 종류가 있으나 일관된 평가결과를 제시해야 하므로 (1)현실적(conformity with reality), (2)시험의 반복성(reproductibility), (3)시험조건조정(condition control), (4)비용(cost)적인 측면에서 가장 효과적인 방법이 바람직하며 이러한 조건을 만족하는 가장 작정한 방법은 표 1에서 보는 바와 같이 수직낙하시험이다(김경석 등, 2005). 본 연구에서는 수직낙하시험을 선정하여 새로이 개발된 낙석방지울타리 시스템에 대해 그 성능을 검증하였다.
- 본 연구에서는 최근 개발된 볼트형 고장력 경강선의 낙석방지울타리 적용에 있어 낙석흡수에너지 및 경제성에 대해 주로 기술하였으며 도출한 연구 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 인장실험을 위한 각각의 시험체는 그림 5와 같다. 국도용 Splice은 총 2회, 고속도로 U형 클립은 총 2회, 너트에 의한 체결은 총 4회로 일반너트에 대해 2회(싱글 및 더블너트), 고장력 너트에 대해 2회(싱글 및 더블너트)에 걸쳐 실험을 수행하였다. 참고로 너트에 의한 체결은 단부지주가 각형강관이 아닌 일반 H형강을 사용하여 실험을 수행하였다.
- 그림 9에서 보는 바와 같이 낙석의 정확한 위치와 에너지를 쉽게 산정하고 취약부에 대한 검증을 위하여 크레인을 이용하여 수직 높이 12.5m와 17.5m에서 콘크리트볼 400kg(국내 평균 낙석중량 기준)을 자유낙하시켜 50kJ과 70kJ의 낙하에너지를 각각 생성시킨다.
- 기존 낙석방지책과의 차이점은 φ20mm인 와이어로프를 φ9.120mm인 볼트형 고강도 경강선으로 대체하였고 단부지주 구성에 있어 각형강관의 사보강재를 사용하지 않고 수직재만 사용하였다.
- Route 1을 기준으로 본 연구에 적용된 φ9mm 아연도금 고장력 경강선은 기존 도로공사 표준도에 적용되는 φ20mm 와이어로프 대비 제품의 비용이 약 45% 절감되는 것으로 나타났다. 다음으로 12단 낙석방지울타리 설치 총 연장인 100m, 63m, 30m 각각에 대한 전체 공사비를 조사하였다. 조사 결과는 그림 14와 같다.
- 기존 와이어로프의 경우 단부지주에서의 체결은 통상 2가지 방법이 널리 사용되는데, 국도의 경우는 Splice 소켓에 의한 체결이 널리 사용되고 있으며, 고속도로의 낙석방지울타리는 U형 클립과 연결고리 장치를 사용하여 체결한다. 본 장에서는 기존의 체결방식과 고안한 체결방식에 대해 인장실험을 각각 수행하고 그 성능을 검증하였다. 인장실험을 위한 각각의 시험체는 그림 5와 같다.
- 볼트의 피치 및 아연도금 등을 고려하여 고강도 경강선의 최종 직경을 φ9.120mm로 결정하였다.
- 볼트형 고장력 경강선과 경강선을 효과적으로 연결하기 위하여 그림 4에서 보는 바와 같이 내경 φ10mm, 길이 50mm인 일반강을 사용한 “커플링 너트”를 고안하였다.
- 볼트형 고장력 경강선이 적용된 신개념 낙석방지울타리는 3경간으로 하고 단부를 사보강재가 없는 수직재 각형강관(기초부 보강)에 대해 수직낙하시험을 수행하였으며 낙하위치는 중앙경간으로 지주 하단부로부터 지점에 1/3 낙하시킨다(그림 10 참조). 볼트형 고장력 경강선이 총 12단, 단부지주 형식이 사보강재가 없이 수직재 각형강관과 더불어 이러한 각형강관 좌우의 기초부를 강재프레임으로 보강하였다.
- 볼트형 고장력 경강선이 총 12단, 단부지주 형식이 사보강재가 없이 수직재 각형강관과 더불어 이러한 각형강관 좌우의 기초부를 강재프레임으로 보강하였다. 이러한 이유는 실제 현장에서의 지주기초는 콘크리트를 통해 좌우로 구속되기 때문에 이러한 강결 효과를 효과적으로 모사하기 위해 추가적인 강재프레임을 사용하였다.
- 직경 φ8mm인 고장력 경강선을 기존 낙석방지울타리 시스템에 효과적으로 적용하기 위해서 그림 1에서 보는 바와 같이 끝단부가 나사선으로 이루어진 “볼트형 고장력 경강선”을 고안했다.
- 참고로 너트에 의한 체결은 단부지주가 각형강관이 아닌 일반 H형강을 사용하여 실험을 수행하였다.
- 김경석 등(2005)에 의하면 위의 식(1)은 지주-와이어로프-철망으로 이루어진 형태의 낙석방지시스템에 대해서만 성능을 평가하며 다른 형태의 낙석방지시스템에 대해서는 평가가 어렵다고 보고 하였다. 하지만 본 연구에서는 와이어로프 대신에 고장력 경강선을 대체하여 사용하므로 기존 와이어로프에 대해 필요한 입력변수를 고장력 경강선에 맞게 수정하여 입력하면 된다. 한편 흡수가능에너지를 계산하는 방식은 크게 두 가지로 구분할 수 있는데 하나는 지주가 로프에 앞서 먼저 항복하는 경우와 다른 하나는 로프가 지주에 앞서 항복하는 경우이다.
대상 데이터
- 기존 12단 와이어로프 적용 낙석방지울타리와 경제성을 비교하기 위해 먼저 고장력 경강선에 대한 Supply chain을 그림 13과 같이 조사하였다. 조사 결과, 제품의 제작성 및 비용, 소재의 강도 등을 고려해 Route 1을 선정하였다. 여기서 신선은 소재의 강도를 향상시키기 위해 원소재인 POSCO Wire Rod 지름 12mm를 지름 9mm 이하로 가공하는 공정을 말한다.
성능/효과
- (1) 볼트형 고장력 경강선은 단부지주 체결에 있어 구조적 성능이 기존에 비해 우수한 것으로 나타나 낙석에 대한 효과적인 흡수가 가능하다.
- (2) 현장 수직낙하시험 결과, 볼트형 고장력 경강선 12단 적용 낙석방지울타리는 50kJ 이상, 16단 적용 낙석방지울타리는 70kJ 이상의 낙석에너지를 흡수하는 것으로 나타나 현장적용이 가능한 것으로 판단된다. 한편, 높은 에너지를 효과적으로 흡수하기 위해서는 단부지주 체결부와 기초 부분에 대한 구조적 성능개선이 필요하다.
- (3) 타당한 제품의 비용을 찾기 위해 우선적으로 Supply chain을 조사해 최적의 Route를 선정하였으며 이를 바탕으로 경제성 분석결과, 기존 총 연장에 대한 공사비 대비 19~36%의 비용 절감 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히, 고속도로에 비해 비교적 낙석구간이 짧고 단부구간이 많이 분포하는 국도에 적용하면 경제적인 측면에서 매우 유리하다.
- 12단 개발사양에 대한 이론적 흡수가능에너지는 지주가 먼저 항복하는 경우로 기존 도로공사 표준이 51.48kJ, 개발사양이 60.08kJ을 흡수하는 것으로 계산되었다. 수직낙하시험은 400kg 콘크리트 볼을 높이 12.
- 16단 개발사양에 대한 이론적 흡수가능에너지는 지주가 먼저 항복하는 경우로 70.01kJ을 흡수하는 것으로 계산되었다. 수직낙하시험은 400kg 콘크리트 볼을 높이 17.
- Route 1을 기준으로 본 연구에 적용된 φ9mm 아연도금 고장력 경강선은 기존 도로공사 표준도에 적용되는 φ20mm 와이어로프 대비 제품의 비용이 약 45% 절감되는 것으로 나타났다.
- 각각의 체결부에 대한 인장실험 결과, 국도용 Splice 체결은 최대 파단하중이 4.08~4.38tonf로 나타났으며 주로 Splice 자체에서 파괴가 발생했다. 따라서 Splice의 체결성능은 자체 품질에 크게 의존된다고 할 수 있다.
- 그림 8에서 보듯이 최대하중의 작용으로 인한 파괴형태는 체결부가 아니라 경강선에서 파단이 발생하였다. 따라서 고속도로용 U형 클립의 평균 최대하중 5.72tonf 및 경제성을 고려한다면 고장력 싱글너트로 적용이 가능하다.
- 따라서 본 연구에서는 기존 낙석방지울타리의 주요 구성요소 중의 하나인 와이어로프를 고장력 경강선재로 대체하고 낙석에 대한 흡수에너지를 평가하기 위해 현장에서 수직낙하시험을 수행하였다. 수직낙하시험 결과, 흡수에너지가 50kJ 이상으로 나타났으며 또한 경제성 분석에 있어서도 기존 낙석방지울타리 대비 약 20%의 공사비 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 5m에서 자유낙하시켜 50kJ의 낙하에너지를 생성시킨다. 시험 결과는 그림 11과 같이 시스템 전반적으로 50kJ 이상의 낙하에너지를 흡수하는 것으로 나타났다. 하지만 콘크리트 볼에 의한 낙하충격을 1단의 고장력 경강선에 집중이 되어 단부지주 체결부에서 부분적인 손상이 발생하였다.
- 5m에서 자유낙하시켜 70kJ의 낙하 에너지를 생성시킨다. 시험 결과는 그림 12와 같이 중앙부 망이 찢어지는 현상을 제외하고는 전반적으로 70kJ 이상의 낙하에너지를 흡수하는 것으로 나타났다.
- 총 연장 63m 구간에 대한 시공비(재료비+노무비+경비)는 기존 도로공사 표준(그림 2 기준) 100% 대비 76%로 약 24% 비용절감이 있는 것으로 나타났고 총 연장 100m 구간에 대한 시공비는 기존 대비 81%로 약 20%의 비용절감이 있는 것으로 나타났다. 여기서 특이한 점은 총 연장이 비교적 짧은 30m 구간에 대해서는 기존 대비 64%로 약 36%의 비용절감이 있는 것으로 나타났다. 이는 기존 사양의 경우 단부구간에 대한 공사비가 개발사양에 비해 약 3배 정도 비싸기 때문이다.
- 따라서 고속도로에 비해 비교적 낙석구간이 짧고 단부구간이 많이 분포하는 국도에 적용하면 경제적인 측면에서 매우 유리하게 적용될 수 있다. 참고로 16단 고장력 볼트 적용 낙석방지울타리에 대한 63m 총 연장에 대한 공사비는 기존 도로공사 표준 100% 대비 80%로 약 20% 비용절감이 있는 것으로 나타났으나 12단 볼트형고장력 경강선 울타리에 비해서는 약 4% 높게 나타났다.
- 총 연장 63m 구간에 대한 시공비(재료비+노무비+경비)는 기존 도로공사 표준(그림 2 기준) 100% 대비 76%로 약 24% 비용절감이 있는 것으로 나타났고 총 연장 100m 구간에 대한 시공비는 기존 대비 81%로 약 20%의 비용절감이 있는 것으로 나타났다. 여기서 특이한 점은 총 연장이 비교적 짧은 30m 구간에 대해서는 기존 대비 64%로 약 36%의 비용절감이 있는 것으로 나타났다.
- 그림 7은 U형 클립이 풀리는 과정이다. 한편 일반 너트에 의한 고장력 경강선 체결은 싱글너트가 5.44tonf, 더블너트가 7.64tonf로 나타났으며 고장력 너트의 경우는 싱글너트 체결이 5.80tonf(그림 8 참조), 더블너트 체결이 8.40tonf로 나타나 전반적으로 기존의 체결부에 비해 우수한 성능을 보여 주었다. 그림 8에서 보듯이 최대하중의 작용으로 인한 파괴형태는 체결부가 아니라 경강선에서 파단이 발생하였다.
후속연구
- (4) 향후, 도로공사 절취사면에 시험적용을 통해 시공 상에서 발생할 수 있는 제반 문제점 등을 개선해 나갈 계획이다.
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