ETAG 27을 이용한 100 kJ 낙석충돌에너지 낙석방지울타리 성능평가
Performance Assessment of Rockfall Protection Fences for the Rockfall Energy of 100 kJ Using ETAG 27
Article information
Abstract
본 연구에서는 유럽통합 설계지침 ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 이용하여 100 kJ의 낙석충돌에너지를 방호할 수 있는 낙석방지울타리를 설계하고 성능평가를 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 50 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시킬 수 있는 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안에 대한 한계성능이 평가되었다. 이 개선안이 70 kJ의 낙석충돌에너지까지 소산시키기 때문에 부족한 약 30 kJ 정도의 충돌에너지를 소산시킬 수 있는 추가적인 장치가 필요한 것으로 조사되었다. 간격유지대의 설치간격을 조정하는 방안과 브레이킹(Breaking) 요소를 적용하는 방안이 가능한 설계로 파악되었다. 파이프의 변형에너지를 이용하는 브레이킹 요소를 1개의 와이어로프에 경간 당 2개씩 설치하는 설계가 100 kJ의 낙석이 발생하는 장소에서 적절하게 낙석을 방어하고 낙석이 충돌한 직후에도 최외측 차선의 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 실물충돌시험을 통하여 평가되었다.
Trans Abstract
The purpose of this study is to design a rockfall protection fence which can contain a rockfall with the impact energy of 100 kJ using the performance assessment criteria based on European Standard ETAG 27. For an improved design of the rockfall protection fence for highways which could dissipate the rockfall impact energy of 50 kJ, the performance limit was assessed using a computer simulation. The improved design needed additional devices to dissipate further the impact energy of about 30kJ because it could dissipate up to the impact energy of 70 kJ. Designs that adjusted the spacing of spacing-maintainers and applied breaking elements were possible alternatives. The breaking element uses the strain energy of a steel pipe. It was verified by full-scale rockfall crash tests that the alternative installing two breaking elements per a span on a wire-rope could accommodate a rockfall with the impact energy of 100 kJ, and the deformed rockfall protection fence after impacting would not interfere with the vehicle traffic of the outer lane.
1. 서론
2015년 현재 기준으로 국내 급경사지는 전국적으로 13,499개소에 이르며 이러한 급경사지에서 발생 가능한 크고 작은 낙석으로부터 인명과 물적 피해를 감소시키기 위한 낙석대책공법이 요구되고 있는 실정이다. 급경사지나 비탈면에서 발생하는 낙석에 대한 대책공법 중에서 낙석방지시설은 70%이상을 차지하고 있으며 낙석방지울타리는 낙석방지시설의 20%를 차지하고 있다(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (1999)). 국내의 국도와 고속도로에 설치되어 있는 낙석방지울타리는 표준도에 제시되어 있으며(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2008)) 50 kJ 의 낙석에너지를 방호할 수 있는 것으로 알려져 있다. 지난 10여년에 걸쳐 수행된 낙석충돌시험 연구에 의하면 표준도에 제시된 낙석방지울타리는 에너지 흡수성능이 50kJ에 미달되는 것으로 평가되었다(Hwang et al. (2005); Kim et al.(2005)). 또한 국내 도로 절토 사면에서 발생하는 크고 작은 낙석들을 효과적으로 방어하기 위해서는 표준도에 제시된 낙석방지울타리의 성능보다 큰 90 kJ~100 kJ의 에너지 흡수 능력을 가진 낙석방지울타리의 설치가 필요하다고 보고되었다(Koo et al. (2001)).
국내 표준도에 제시된 낙석방지울타리는 50 kJ의 낙석충돌에너지를 방어하지 못하는 반면에 국내 도로의 절토사면에서 발생하는 낙석의 평균 충돌에너지는 약 100 kJ 정도로 나타났다. 본 연구에서는 기존 고속도로용 낙석방지울타리를 100 kJ의 낙석충돌에너지를 방어할 수 있도록 설계하고 성능을 평가하고자 하였다. 100 kJ의 낙석방지울타리에 대한 설계와 성능평가는 컴퓨터 시뮬레이션과 실물충돌시험을 통하여 이루어졌다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 설계와 성능평가는 기존고속도로용 낙석방지울타리에 대한 한계성능을 조사하고 부족한 성능을 보완할 수 있는 설계를 검토함으로써 이루어졌다. 위의 과정을 통하여 결정된 최적안에 대하여 2회의 실물충돌시험을 통하여 제시된 100 kJ 낙석방지울타리에 대한 성능을 최종적으로 검증하였다. 컴퓨터 시뮬레이션과 실물충돌시험을 이용한 성능평가는 ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 사용하여 수행되었다.
2. 낙석방지울타리 성능평가 방법
유럽통합 낙석방지울타리 설계지침 ETAG 27(EOTA. (2008))은 낙석방지울타리에 대한 표준 충돌시험과 인증을 시행할 수 있도록 9개의 성능등급, 시험방법, 그리고 평가기준을 규정하고 있다. Table 1과 Table 2에는 각각 성능평가를 위한 시험방법과 평가기준이 나타나있다. 낙석방지울타리에 대한 성능평가는 사용성과 최대성능을 조사하기 위한 2종류의 실물충돌시험을 통하여 이루어진다. TEST A는 최대성능등급 에너지 보다 작은 에너지의 낙석이 여러 번 발생하는 경우에 대하여 사용 지속성을 평가하기 위해 최대 성능등급에너지의 1/3 에너지를 적용하여 2회 수행되는 시험이다. 합격기준은 낙석의 관통을 방지하여야 하며 Fig. 1과 같이 낙석제거 전의지주 잔여높이를 평가하여 공칭높이의 70% 이상으로 나타나야한다. TEST B는 최대성능을 평가하기 위하여 최대 성능등급 에너지를 적용하여 1회 수행되는 시험이다. 합격기준은 낙석의 관통을 방지하여야 한다. 낙석제거 전의 지주 잔여높이에 따라서 4가지 등급으로 분류된다. TEST A와 TEST B의 측정항목은 낙석무게, 낙석의 충돌속도, 충돌 전과 후의 지주높이, 그리고 낙석방지울타리 최대변형거리이다.
Test Method for the Performance Assessment of ETAG 27
Performance Assessment Criteria for the Performance Assessment of ETAG 27
Residual Height and Lateral Displacement of a Post After Impacting
미국의 경우에는 스위스 지침(Gerber (2001))을 준용한 NCHRP Report 20-07 (Higgins (2003))이 낙석방지울타리에 대한 성능평가 지침으로 2003년부터 충돌시험과 인증에 사용되어 왔다. 또한 유럽통합 지침 ETAG 27과 미국지침이 상이해서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여 지침을 개정하기 위한 연구를(Ben Arndt (2014)) 진행하고 있다. 국내의 경우에는 낙석방지울타리의 표준 충돌시험과 인증이 가능하도록 유럽통합지침 ETAG 27을 준용한 성능평가에 필요한 성능등급, 시험방법, 평가기준이 제시되었다(Kim et al. (2015)).
본 연구에서는 100 kJ 낙석방지울타리에 대한 최대성능을 평가하기 위하여 Table 1과 2에 제시된 ETAG 27의 시험방법과 성능평가기준을 적용하였다.
3. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 성능평가
유럽지침 ETAG 27을 이용한 성능평가를 통하여 50 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시키도록 제시된 국내 고속도로용 낙석방지울타리에 대한 개선안(Kim et al. (2015))은 중앙경간 중앙에서 지주 높이의 1/2 위치(아래에서 7번째 와이어로프)에 낙석이 충돌할 때 와이어로프의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통되지 않도록 Fig. 2와 같이 아래에서부터 위로 8번째까지 와이어로프 간격을 200 mm로 조정하고 간격유지대를 연결한 설계이다. 100 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시킬 수 있는 낙석방지울타리를 설계하기 위하여 고속도로용 낙석방지울타리 개선안의 한계성능을 평가하고 개선방안을 모색하고자 하였다. 고속도로용 낙석방지울타리 개선안의 한계성능에 대한 평가와 개선방안 모색은 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 이루어졌다.
Improved Scheme of Rockfall Protection Fence for Highways
3.1 해석모델
컴퓨터 시뮬레이션은 3D 비선형 동적 contact 해석이 가능한 해석 프로그램 LS-DYNA (LSTC. (2007))를 사용하였다. 해석모델은 주요한 연결부분의 거동이 실제와 유사하게 나타날 수 있도록 3D로 구성하였다. 지주, 와이어로프, 그리고 철망 등과 같은 낙석방지울타리의 구성요소에 대한 해석요소와 재료모델은 각 구성요소의 역학적 거동을 적절하게 정의할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션의 해석모델에 대한 보정(calibration)과정과 정적 재료실험을 통하여 결정하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 해석모델의 주요한 입력변수는 Table 3과 Table 4와 같다. 해석모델에 대한 보다 자세한 보정과정은 문헌(Kim et al. (2015))에 나타나있다. 와이어로프에 대한 해석모델은 Figs. 3(a)와 3(b)와 같이 와이어로프의 축방향 변형이 실제와 같이 전체 경간에 걸쳐 자유롭게 나타날 수 있도록 지주 복부(web)의 구멍과 간격유지대의 U-볼트를 통과하는 와이어로프에 접촉면(contact surface)을 적용하여 지주복부의 구멍과 와이어로프 그리고 간격유지대의 U-볼트와 와이어로프 사이의 contact 해석이 가능하도록 모델링하였다. 그리고 철망을 구성하기 위한 철선의 연결은 실제형상과 같도록 Fig. 3과 같이 철선을 꼬아서 접촉면을 고려한 contact모델을 사용하였다. 와이어로프와 철망의 연결에 대한 해석모델은 Fig. 3(c)와 같이 와이어로프, 철망, 그리고 결속선에 접촉면을 설정하여 실제와 비슷한 거동이 나타나도록 구성하였고, 단부지주와 철망의 연결은 Fig. 3(d)와 같이 단부고정 볼트의 끝부분에 철망이 걸려있기 때문에 단부고정 볼트와 철망에 접촉면을 설정하여 단부고정 볼트와 철망에 대한contact 해석이 가능하도록 모델링하였다. 철선과 와이어로프의 해석요소는 트러스요소나 케이블요소 보다 안정적인 거동을 보이는 축 방향 변형을 고려할 수 있는 보 요소를 사용하였다.
Analytical Elements and Input Data of Material Models
Friction Coefficients and Damping Ratios
Analytical Models for Major Connections.
해석모델의 경간수는 다양한 설치조건 중에서 가장 불리한 시험조건인 특별한 구속조건을 갖지 않는 지주로 구성된 3경간으로 구성하였다. 최외측 지주는 Fig. 2와 같이 기초 외의 구속조건 없이 모델링하였다.
와이어로프의 단부는 단부고정 볼트에 고정되고 단부고정 볼트는 최외측 지주와 볼트를 이용하여 연결된다. 따라서 와이어로프의 단부는 실제와 유사하게 거동하도록 Fig. 3(e)와 같이 모델링하였다. 시험체 경간수 등과 같은 시험체 조건에 대한 보다 자세한 내용은 문헌(Kim et al. (2015))에 나타나있다.
철선과 와이어로프에 적용된 탄성-완전소성 모델과 bilinear모델이 각각 정적 재료 실험결과를 적절하게 정의하였다. 지주와 간격유지대에 사용되는 SS400 강재에 대한 재료모델은 7-직선 모델이 적절하였고 재료특성 값은 Table 3과 같이 낙석방지울타리를 안전 측으로 평가할 수 있도록 각 구성요소에 적용된 강종의 최소값을 사용하였고 파단변형률은 정적 재료실험을 통하여 결정된 최소값을 적용하였다. Table 4에는 해석모델에 사용된 마찰계수와 Rayleigh 댐핑 비가 나타나있다. 철망은 피복이 되어 있고 와이어로프는 인장변형을 겪을 때 강선사이에 마찰이 나타나기 때문에 일반강재에 비하여 재료의 감쇠효과가 크게 나타난다. 이러한 현상을 고려하기 위하여 와이어로프와 철망의 댐핑 비는 0.1을 사용하였다. Table 3과 Table 4의 입력변수를 적용한 해석모델은 실물충돌시험에 비하여 약간 유연하지 않은 거동을 보였으나 대체적으로 합리적인 에너지 소산 능력을 보이는 것으로 나타났다.
3.2 고속도로용 낙석방지울타리의 한계 평가
고속도로용 낙석방지울타리 개선안에 대한 3경간으로 구성된 해석모델에 2종류의 충돌위치를 고려하였다. 유럽(ETAG27)과 미국(NCHRP Report 20-07)의 지침에서 성능평가시험의 낙석충돌높이를 낙석방지울타리 높이의 1/2 위치로 규정하고 있다. 국내의 경우에도 낙석이 충돌하는 높이에 상관없이 낙석방지울타리의 거동이 대체적으로 일정하게 나타나도록 설계가 이루어진다는 점과 낙석방지울타리의 높이가 예측되는 최대 낙석충돌높이의 2배로 이루어지는 점을 고려하여 국내 성능평가시험을 위한 낙석충돌높이가 낙석방지울타리높이의 1/2 위치로 제시되었다(Kim et al. (2015)). 따라서 첫 번째 충돌위치는 실물충돌시험의 충돌위치와 동일한 중앙경간 중앙에서 지주 높이의 1/2 위치로 선정하였다. 고속도로용 낙석방지울타리 개선안은 낙석이 충돌하는 위치에 상관없이 50 kJ의 낙석충돌에너지에 대하여 낙석방지울타리의 거동이 대체적으로 일정하게 나타나게 설계되었으나 100 kJ의 낙석충돌에너지에 대해서는 낙석충돌위치에 따라 일관성 있는 거동이 나타나는지에 관한 조사가 이루어지지 않았다. 이러한 점을 고려하여 두 번째 충돌위치는 낙석이 충돌할 경우에 관통 가능성이 가장 큰 경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 6번째와 7번째 와이어로프 사이로 선정하였다.
낙석무게는 ETAG 27에 제시된 50 kJ 충돌에너지에 대한 160 kg과 100 kJ 충돌에너지에 대한 320 kg 두 종류를 사용하였다. 동일한 에너지를 갖고 낙석이 충돌하더라도 낙석의 크기가 작은 경우에는 작은 충돌면적에 보다 큰 충격하중이 작용하기 때문에 낙석크기가 큰 경우에 비하여 낙석의 관통가능성이 보다 크다. 따라서 보다 안전 측의 성능평가를 위하여 ETAG 27의 100 kJ 충돌에너지에 상응하는 320 kg 낙석무게뿐만 아니라 160kg의 낙석무게도 컴퓨터 시뮬레이션에 고려하였다. 그리고 실물충돌시험을 이용한 성능평가에는 ETAG27에 제시된 100 kJ 충돌에너지에 대한 320 kg의 낙석무게를 적용하였다. 모델 별 해석조건은 Table 5와 같다.
Analysis Conditions of S1, S2, S3, and S4 Model
3.2.1 중앙경간의 중앙에서 지주 높이의 1/2 위치 낙석 충돌
해석모델 S1과 S2는 각각 160 kg과 320 kg의 낙석무게가 적용된다는 점 외에는 모든 구성요소가 동일하다. 낙석의 충돌에너지는 60 kJ에서 10 kJ씩 증가시켰다. S1과 S2모델의 낙석 충돌에너지에 대한 변형형상이 Fig. 4와 Fig. 5에 나타나있다. 낙석무게와 상관없이 두 모델이 모두 간격유지대에 의하여 와이어로프의 상하간격이 유지되면서 100 kJ의 낙석충돌에너지까지 낙석의 관통을 방어하였다. 중앙경간의 중앙에서 지주높이의 1/2 위치에 충돌하는 낙석에 대하여 와이어로프의 간격과 간격유지대 설치위치는 적절한 것으로 판단되었다.
Deformed Shapes of S1 Model Subjected to 160kg Rockfall
Deformed Shapes of S2 Model Subjected to 320kg Rockfall
3.2.2 경간 길이 3/4위치에서 6번째와 7번째 와이어로프 사이 낙석 충돌
해석모델 S3와 S4는 각각 160 kg과 320 kg의 낙석무게가 적용된다는 점 외에는 모든 구성요소가 동일하다. 낙석의 충돌에너지는 60 kJ에서 10 kJ씩 증가시켰고 낙석이 관통할 경우에 최종 충돌에너지에서 5 kJ 감소시켜서 재평가하였다. S3과 S4모델의 낙석 충돌에너지에 대한 변형형상이 Fig. 6과 Fig. 7에 나타나있다. S3모델은 75 kJ에서 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였다. S4 모델은 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 유지되면서 80 kJ까지 낙석의 관통을 방지하였다. S3와 S4 모델의 경우에 낙석이 낙석방지울타리에 접촉하는 충돌 면의 한 변의 길이가 220 mm와 290 mm로 와이어로프 사이 간격 200 mm 보다 각각 1.1배와 1.45배 큰 값이다. S4 모델과 다르게 S3 모델의 경우에 75 kJ의 낙석 충돌에너지에서 낙석이 와이어로프 사이로 관통하였다. 동일한 에너지를 갖고 낙석이 충돌하더라도 접촉 면적이 작은 경우에 충돌에너지가 작은 면적에 집중되기 때문에 낙석의 크기가 작은 경우가 큰 경우에 비하여 낙석의 관통가능성이 보다 크다. S3 모델은 낙석방지울타리에 접촉하는 낙석 충돌 면의 변의 길이가 와이어로프 사이의 간격 200 mm 보다 1.1배 크지만 와이어로프와 철망이 진동하면서 낙석이 회전하게 되고 이로 인하여 와이어로프 사이의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였다. S4 모델의 경우는 낙석이 충돌할 때 진동으로 인하여 낙석이 회전하면서 와이어로프의 간격이 벌어졌지만 낙석의 크기가 커서 관통되지 않은 것으로 파악되었다.
Deformed Shapes of S3 Model Subjected to 160kg Rockfall
Deformed Shapes of S4 Model Subjected to 320kg Rockfall
따라서 작은 크기의 낙석에 대하여 100 kJ의 낙석충돌에너지를 소산하기 위해서는 와이어로프의 사이 간격이 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 간격유지대의 설치간격을 조정하거나 약 30 kJ 정도의 부족한 낙석충돌에너지를 소산시킬 수 있는 브레이킹 요소(에너지 소산장치)가 추가적으로 필요한 것으로 판단되었다.
3.3 100 kJ용 낙석방지울타리
컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 고속도로용 낙석방지울타리개선안의 한계성능을 평가하였다. 중앙경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg의 낙석을 75 kJ의 에너지로 충돌시켰을 때 낙석이 관통하였다. 6번째와 7번째 와이어로프 사이의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였기 때문에 100 kJ의 낙석 충돌에너지에 대하여 낙석의 관통을 방지할 수 있도록 2가지 방안을 고려하였다. 첫 번째는 와이어로프 간격이 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 간격유지대의 설치 간격을 조정하였다. 두 번째는 75 kJ에서 낙석이 관통되었기 때문에 부족한 30 kJ 정도의 낙석충돌에너지를 소산할 수 있도록 브레이킹(Breaking) 요소를 개선안에 추가하였다.
3.3.1 간격유지대의 설치간격 조정
간격유지대의 설치간격이 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 5개의 해석모델을 구성하였다. 모델별 해석조건은 Table 6과 같다.
Analysis Conditions of S5, S6, S7, S8, and S9 Model
Figs. 8(a), 8(b), 그리고 8(c)에는 경간 길이의 3/4위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg의 낙석을 충돌시킨 S5, S6, 그리고 S7 모델의 변형형상이 나타나있다. S5 모델은 간격유지대가 아래에서부터 위로 8번째 와이어로프까지 연결되고 한 경간에 0.75 m 간격으로 3개의 간격유지대가 설치된 모델이다. S6 모델은 간격유지대가 아래에서부터 위로 8번째 와이어로프까지 연결되고 한 경간에 0.5 m 간격으로 5개의 간격유지대가 설치된 설계이다. S7 모델은 간격유지대가 아래에서부터 위로 8번째 와이어로프까지 연결되고 한 경간에 0.375 m 간격으로 7개의 간격유지대가 설치된 모델이다.
Deformed Shapes of S5, S6, S7, S8, and S9 Models
S5와 S6 모델의 경우에 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였다. S7 모델은 낙석이 회전하였음에도 불구하고 간격유지대에 의하여 와이어로프의 간격이 유지되면서 관통을 방지하였다.
Figs. 8(d)와 8(e)에는 S7 모델에 ETAG 27의 낙석충돌위치(중앙경간 중앙에서 기둥 높이의 1/2 위치)를 적용한 해석모델 S8과 S9 모델의 변형형상이 나타나있다. S8과 S9 모델이 모두 낙석의 관통이 발생하지 않았다. 고속도로용 낙석방지울타리 개선안에 간격유지대를 경간 당 0.375 m 간격으로 7개씩 설치한 설계가 낙석의 충돌 위치에 상관없이 낙석의 관통을 방어하였다.
3.3.2 파이프를 이용한 브레이킹(Breaking) 요소 적용
낙석의 충돌에너지를 소산시키기 위하여 사용되는 브레이킹 요소는 일반적으로 변형에너지를 발생시키는 다양한 형태의 장치로 이루어진다. 본 연구에서 사용된 브레이킹 요소는 파이프의 변형과 파열에너지를 이용하여 충돌에너지를 소산하도록 구성하였다. Fig. 9와 같이 파이프의 안쪽으로 와이어로프가 들어갔다 나오는 구조이다. 파이프 하단부 구멍에 고장력 볼트가 체결되어있어서 와이어로프가 빠지지 않고 파이프와 고정된다. 낙석이 낙석방지울타리에 충돌할 경우에 와이어로프가 당겨지면서 파이프에 변형이 발생하게 되며 이 때 발생되는 파이프의 변형과 파열 에너지를 이용하여 충돌에너지를 소산시키는 원리를 이용하는 브레이킹 요소이다.
Breaking Element Using a Pipe
파이프는 1개 혹은 2개 이상을 중첩하여 사용될 수 있다. 본 연구에서는 1개의 파이프와 2개 중첩된 파이프의 에너지소산능력을 정적실험을 통하여 평가하였다. 파이프의 강종과제원으로 KS D 3566 일반 구조용 탄소강관의 STK400을 사용하였다.
브레이킹 요소의 에너지 소산능력을 조사하기 위하여 2개의 브레이킹 요소 실험체에 대하여 Fig. 10과 같이 만능시험기(UTM)을 이용한 정적실험과 유한요소해석(FEA)을 수행하였다. 첫 번째 실험체 P1은 1개의 150 mm길이를 갖는 파이프로 구성하였고 파이프의 외경과 두께는 각각 114.3 mm와 4.5 mm이다. 두 번째 실험체 P2는 2개의 150 mm길이를 갖는 중첩된 파이프로 구성하였고 파이프의 외경은 각각 114.3 mm와 101.6 mm이다. 그리고 바깥쪽과 안쪽 파이프의 두께는 각각 4.5 mm와 5.0 mm이다.
Static Tests of Breaking Elements
유한요소해석(FEA)은 LS-DYNA 프로그램을 사용하여 수행되었다. 파이프, 볼트, 그리고 와이어로프는 각각 Shell요소, Solid요소, Beam요소로 정의되었다. 볼트, 와이어로프, 그리고 파이프의 항복강도와 인장강도는 해당강종의 최소값을 적용하였다. 브레이킹 요소에 사용된 항복강도와 인장강도는Table 7과 같다. 각 구성요소의 재료모델은 에너지소산을 안전 측으로 예측하기 위하여 탄성-완전소성 모델을 적용하였다.
Input Data for Material Models of Breaking Elements
실험체 P1과 P2에 대한 정적실험과 FEA에 의한 하중-변위관계가 Fig. 11에 나타나있고 변형형상은 Fig. 12에 나타나있다. 실험체 P1과 P2의 정적실험은 UTM의 최대 인장거리의 한계 때문에 변형거리 100 mm에서 실험을 중단하였다. 실험체 P1의 변형형상은 변형거리 100 mm에서 파이프 상단의 원형단면이 직사각형 단면으로 변형을 겪은 후에 약간의 파열이 발생된 상태이다. 정적실험을 통하여 P1의 최대 변형에너지를 파악할 수 없었기 때문에 이를 예측하기 위하여 FEA를 수행하였다. FEA는 파이프의 변형이 가능한 226.5 mm의 최대길이까지 수행하였다. FEA에 의한 P1의 변형형상과 하중-변위 관계는 변형거리 100 mm까지 정적실험의 결과와 유사하였다. 변형거리 226.5 mm까지의 FEA에 의한 하중-변위 관계는 브레이킹 요소의 에너지 소산능력을 안전 측으로 예측한 것을 나타낸다. FEA에 의한 P1의 변형에너지는 약 5.1 kJ로 나타났다.
Load-Displacement Relationships of Breaking Element P1 and P2
Deformed Shapes of Breaking Element P1 and P2
실험체 P2의 변형형상은 변형거리 100 mm에서 파이프상단의 원형단면이 직사각형 단면형상으로 변화했으나 파열은 발생하지 않은 상태이다. FEA에 의한 P2의 변형형상과 하중-변위 관계는 100 mm까지 정적실험의 결과와 유사하였다. 변형거리 226.5 mm까지의 FEA 하중-변위 관계는 브레이킹 요소의 에너지 소산능력을 안전 측으로 예측한 것을 나타낸다. FEA에 의한 P2의 변형에너지는 약 11.9 kJ로 나타났다.
고속도로용 낙석방지울타리 개선안의 한계평가를 통하여 개선안이 100 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시키기 위해서는 약 30 kJ 정도의 에너지소산능력이 추가적으로 필요한 것으로 조사되었다. 따라서 30 kJ의 부족한 에너지를 브레이킹 요소를 사용하여 소산시키기 위해서는 와이어로프 1개당 P1은 경간 당 2개씩 3경간에 총 6개(=약 30.6 kJ), P2는 경간 당 1개씩 3경간에 총 3개(=약 35.7 kJ)를 설치하는 것이 적절할 것이다. P2의 경우에 파열이 시작되는 강도가 91 kN인 반면에 P1의 경우에는 38 kN으로 나타났다. 파열강도가 큰 경우에 낙석이 여러 개의 와이어로프에 동시에 충돌한다면 브레이킹 요소가 파열되지 않고 에너지를 충분히 소산시키지 못하기 때문에 부적절한 거동이 나타날 가능성이 높아진다. 따라서 본 연구에서는 보다 안전 측의 설계를 위하여 하나의 와이어로프에 경간 당 2개씩 설치하는 파열강도가 작은 브레이킹 요소 P1을 선정하였다.
브레이킹 요소가 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 4개의 해석모델을 구성하였다. 모델 별 해석조건은 Table 8과 같다.
Analysis Conditions of S10, S11, S12, and S13 Model
Fig. 13(a)와 13(b)에는 경간 길이의 3/4위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg과 320 kg의 낙석을 충돌시킨 S10과 S11 모델의 변형형상이 나타나있다. S10과 S11 모델이 모두 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 유지되면서 낙석의 관통을 방지하였다. 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프에 설치된 12개의 브레이킹 요소에 변형이 집중되었고 이 외의 다른 와이어로프에 설치된 브레이킹 요소는 변형을 겪지 않았다. S10과 S11 모델에서12개의 브레이킹 요소에 의하여 각각 100 kJ의 29.3%와31.1%의 낙석에너지가 소산되었기 때문에 낙석의 관통을 방지하였다.
Deformed Shapes of S10 and S11 Models
Fig. 14(a)와 14(b)에는 ETAG 27의 낙석충돌위치(중앙경간중앙에서 기둥 높이의 1/2 위치)에 160 kg과 320 kg의 낙석을 각각 충돌시킨 S12와 S13 모델의 변형형상이 나타나있다.
Deformed Shapes of S12 and S13 Models
S12와 S13 모델이 모두 낙석의 관통을 방어하였다. 아래에서부터 위로 7번째, 8번째, 그리고 9번째 와이어로프에 설치된 18개 브레이킹 요소에 변형이 집중되었고 이 외의 다른 와이어로프에 설치된 브레이킹요소는 변형을 겪지 않았다. S12와 S13 모델에서 18개의 브레이킹 요소에 의하여 각각 100 kJ의 37.1%와 40.8%의 낙석에너지가 소산되었기 때문에 낙석의 관통을 방지하였다.
S10, S11, S12, 그리고 S13 모델의 구성요소별 소산에너지가 Table 9에 나타나있다. S10, S11, S12, 그리고 S13 모델에서 하나의 브레이킹 요소가 평균적으로 소산시킨 에너지가 각각 평균 2.4 kJ, 2.5 kJ, 2.0 kJ, 그리고 2.2 kJ로 상당히 작게 나타났다. 낙석이 여러 개의 와이어로프에 동시에 충돌하면서 낙석의 충돌하중이 예상보다 많은 브레이킹 요소로 분산되었기 때문으로 판단된다.
Dissipated Energies of the Components of Rockfall Protection Fences
간격유지대를 아래에서부터 위로 10번째 와이어로프까지 연결하고 한 경간에 0.375 m 간격으로 7개의 간격유지대를 설치하는 설계와 파이프의 파열에너지를 이용하는 브레이킹요소를 하나의 와이어로프에 경간 당 2개씩 설치하는 설계가 100 kJ의 낙석충돌에너지를 방어할 수 있었다.
간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계와 브레이킹 요소를 적용하는 설계의 경간 당 강재 증가량은 각각 108 cm3과 190 cm3이다. 브레이킹 요소를 적용하는 설계가 간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계에 비하여 경간 당 강재증가량이 1.76배 더 크게 나타났다. 간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계의 경우에 U볼트를 이용하여 와이어로프에 연결하는 방식으로 간격유지대가 설치된다. 그리고 브레이킹 요소를 적용하는 설계의 경우에는 파이프의 안쪽으로 와이어로프가 들어갔다 나오게 되는 구조로 브레이킹 요소가 와이어로프에 연결된다. 간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계가 브레이킹 요소를 적용하는 설계에 비하여 시공성이 우수할 것으로 조사되었다.
국외의 경우에 300 kJ 이상의 낙석충돌에너지를 효율적으로 소산시키기 위해서 브레이킹 요소가 낙석방지울타리에 적용되고 있다. 낙석충돌에너지가 증가할수록 에너지를 효율적으로 소산시킬 수 있는 에너지 소산 Mechanism의 선정이 매우 중요하게 요구되고 있다. 본 연구에서는 300 kJ 이상의 낙석충돌에너지를 방어할 수 있는 낙석방지울타리의 개발 가능성을 증진시키기 위하여 브레이킹 요소를 적용하는 설계를 실물충돌시험용 100 kJ 낙석방지울타리로 선정하였다.
4. 실물충돌시험을 이용한 성능평가
4.1 시험조건
100 kJ의 낙석충돌에너지에 대하여 Fig. 15에 제시되어 있는 낙석방지울타리의 성능을 평가하기 위하여 2개의 시험체를 제작하여 실물충돌시험을 수행하였다. Fig. 15에 제시된 낙석방지울타리는 고속도로용 낙석방지울타리 개선안에 아래 2번째 와이어로프에서 9번째 와이어로프까지 각 와이어로프에 경간 당 2개씩 브레이킹 요소가 설치된 설계이다.
Rockfall Protection Fence for Rockfall Energy of 100 kJ
3경간 9 m 길이의 시험체에 대한 낙석의 충돌위치는 중앙경간의 중앙에서 낙석방지울타리 높이의 1/2위치이다. ETAG27에 규정된 100 kJ의 낙석충돌에너지에 상응하는 320 kg의 낙석무게를 사용하였다. 또한 낙석무게의 크기가 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 국내지침(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. (2008))의 국내 평균 낙석무게인 400 kg의 낙석무게도 사용하였다. 100 kJ의 낙석충돌에너지는 낙석방지울타리를 수평으로 설치하고 320 kg의 낙석은 34 m 높이에서 수직 자유 낙하시키고400 kg(제작할 때 발생한 과도한 수화열로 인하여 365 kg으로 감소)의 낙석은 28m 높이에서 자유 낙하시켜서 발생된다. 시험 별 시험조건은 Table 10에 나타나있다.
Test Condition of T1 and T2
낙석의 충돌에너지는 측면과 정면에 설치된 1초당 1000frames를 제공할 수 있는 고속카메라를 이용하여 계측한 충돌직전의 낙석속도와 낙석무게를 이용하여 산정하였다.
4.2 시험결과
실물시험 T1에서는 중앙 경간의 중앙에서 20 cm 좌측으로 아래에서부터 위로 7번째와 8번째 와이어로프의 사이에 낙석이 충돌하였고, 낙석의 충돌에너지는 113 kJ로 나타났다. 실물충돌시험 T2의 경우에는 중앙경간의 중앙에서 9.5 cm 좌측으로 아래에서부터 위로 7번째와 8번째 와이어로프 사이에 낙석이 충돌하였고, 낙석의 충돌에너지는 98 kJ로 나타났다. T1과 T2 충돌시험의 충돌 후 낙석방지울타리의 변형 형상은 Fig. 16에 나타나 있다. T1과 T2 충돌시험이 모두 와이어로프의 상하간격이 유지되면서 낙석의 관통이 방어되었다. 아래에서부터 위로 10번째 와이어로프까지 간격유지대가 설치되기 때문에 와이어로프의 상하간격이 벌어지는 것이 방지되면서 낙석의 충격력이 와이어로프, 브레이킹 요소, 그리고 지주에 전달될 수 있었다. T1과 T2 충돌시험에서 각각 113 kJ과 98 kJ의 낙석충돌에너지가 와이어로프, 브레이킹 요소, 그리고 지주의 변형에너지와 운동에너지에 의해서 소산되면서 낙석의 관통을 방어하였다. 충돌 후 브레이킹 요소의 변형형상은 Fig. 17과 같다. 낙석이 충돌한 7번째와 8번째 와이어로프에 설치된 브레이킹 요소에 변형이 집중되었다. Fig. 17의 변형형상으로부터 파이프를 이용한 브레이킹 요소가 적절하게 거동하였으며 7번째와 8번째 와이어로프에 설치된 12개의 브레이킹 요소가 컴퓨터 시뮬레이션과 유사하게 약 30 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시킨 것으로 판단되었다.
Deformed Shapes of Rockfall Protection Fences After Impacting
Deformed Shapes of Breaking Elements of T1 and T2 Test Specimens
ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 이용하여 Fig. 1과 같이 지주의 잔여높이를 평가하였고 그 결과가 Table 11에 나타나있다. T1과 T2 충돌시험의 경우에 지주잔여높이는 공칭높이의 80% 이상으로 나타나 Class A로 분류되었다. Class A지주잔여높이는 낙석방지울타리를 교체하지 않은 상태에서 차량통행이 원활하게 진행될 수 있는 경우이다. Fig. 15에 제시된 100 kJ용 낙석방지울타리는 100 kJ의 낙석이 발생하는 장소에서 적절하게 낙석을 방어하고 낙석이 충돌한 직후에도 최 외측차선의 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 판단되었다.
Assessment Results of Full-scale Rockfall Crash Tests
5. 결론
본 연구에서는 유럽통합 설계지침 ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 이용하여 100 kJ의 낙석충돌에너지를 방호할 수 있는 낙석방지울타리를 설계하고 그 성능을 평가하고자 하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 50 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시킬 수 있는 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안에 대한 한계성능을 평가하였으며, 결론은 다음과 같다.
(1) 중앙경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg의 낙석을 75 kJ의 에너지로 충돌시켰을 때 낙석이 관통하는 것으로 나타났다.
(2) 6번째와 7번째 와이어로프 사이의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통되었기 때문에 100 kJ의 낙석 충돌에너지에 대하여 낙석의 관통을 방지하기 위해서는 와이어로프 간격이 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 간격유지대의 간격을 조정하거나 30 kJ 정도의 낙석충돌에너지를 소산할 수 있는 브레이킹 요소를 적용하는 것을 제안하였다.
(3) 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 간격유지대를 아래에서부터 위로 10번째 와이어로프까지 연결하고 한 경간에 0.375 m간격으로 7개의 간격유지대를 설치하는 경우에 100 kJ의 낙석충돌에너지를 낙석의 관통 없이 소산시킬 수 있는 것으로 나타났다.
(4) 파이프의 변형 및 파열에너지를 이용하는 브레이킹 요소(1개당 5.1 kJ 소산)를 하나의 와이어로프에 경간 당 2개씩 설치하는 경우에 100 kJ의 낙석충돌에너지를 낙석의 관통 없이 소산시킬 수 있는 것으로 나타났다.
(5) 2회의 실물충돌시험을 통하여 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안에 브레이킹 요소를 적용하는 설계가 100 kJ의 낙석을 방어할 수 있는 것으로 확인되었다. 지주잔여높이는 공칭높이의 80% 이상으로 나타나 Class A로 분류되어 낙석이 충돌한 직후에도 최 외측 차선의 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 예상되었다.
감사의 글
본 연구는 2010년 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행된 연구(No. 한국연구재단에서 부여한 과제번호: 2010-0013099)입니다.
