Structural Engineering

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. October 2020. 445-454
https://doi.org/10.12652/Ksce.2020.40.5.0445


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  •   1.1 개요 및 관련 문헌

  •   1.2 연구의 목적 및 내용

  • 2. EAP Model-1의 감충성능 및 Model-2 개발

  •   2.1 슬라이딩 지주의 개념 및 EAP Model-1 감충성능 평가

  •   2.2 실차충돌실험 및 해석모델 구축

  •   2.3 EAP의 변경(Model-1 → Model-2) 및 Model-2에 대한 해석

  • 3. EAP Model-2의 감충성능 및 Model-3 개발

  •   3.1 0.9 ton-60 km/h (IC①) 충돌실험

  •   3.2 1.3 ton-60 km/h (IC②) 충돌실험

  •   3.3 0.9 ton-80 km/h (IC③) 충돌실험

  •   3.4 EAP Model-2에 대한 IC④ 충돌실험 및 EAP 개선

  •   3.5 EAP Model-3에 대한 1.3 ton-80km/h (IC④) 충돌실험

  •   3.6 충돌실험 결과 요약

  • 4. 결 론

1. 서 론

1.1 개요 및 관련 문헌

2018년 기준 교통사고 통계를 보면, 전체 사고는 217,148건이고 사망자수는 3,781명으로 사고 100건당 사망자수가 1.7명으로 조사되었고, 도로 공작물 충돌에 의한 교통사고는 3,695건, 사망자수는 408명으로 사고 100건당 사망자수가 11.0명으로 조사되었다.

이는 전체 교통사고 사망자수에 비하여 약 6.5배가 높은 수치이다. 한편, 도로변에 수직으로 설치되는 지주 형태의 시설물에는 전신주, 조명주, 표지판, 신호시설, 영상시설 등이 있으며, 여기에 충돌하여 사망한 사고의 비율은 전체 공작물 사망사고의 29.2 %로 매우 높고 치사율이 20 %를 넘는 것으로 조사되었다(KoROAD, 2020). 방호울타리, 방음벽 등과 같이 종방향으로 길게 설치되는 시설물에 비하여 단독으로 설치되는 지주구조물에 충돌할 확률은 상대적으로 낮은 반면 사망사고율이 높은 만큼 충돌에 대한 대비가 중요하다.

국내에는 도로변 안전시설물의 범위가 가드레일, 중앙분리대, 교량난간, 충격흡수시설 정도로 제한되어 있고, 중요한 위험 요소인 도로변의 각종 지주에 대한 안전대책이 없다. 안전을 담당하는 전문가들이 대형지주인 전신주의 충돌사고에 대한 위험성을 거론하는 정도이고 지주와 관련된 사고에 대한 체계적인 데이터가 없을 뿐 아니라 가로등, 각종 표지판 지주들이 가드레일로 방호되어 있기 때문에 별도의 조치가 필요 없다는 생각이 일반적이다. 그러나 가드레일로 방호된 경우에도 지주와의 간섭, 방호를 위한 최소이격거리 확보, 단부 처리 등 개선되어야 할 문제가 많을 뿐 아니라 가드레일로 방호되지 않은 채 충돌에 노출된 중대형지주가 많다. 특히, 차량이 중대형 지주구조물과 직접 충돌할 때, 큰 충돌에너지를 갖는 차량이 좁은 구조물에 부딪히므로 큰 감속과 함께 침투가 심하여 탑승자에게 치명적인 경우가 많고 차량파손이 크게 발생한다. 각종 지주와 관련하여 도로변의 안전을 확보하는 방법은 지주를 차선으로부터 충분히 떨어진 곳으로 이전 설치하거나 가드레일 등으로 방호하는 방법이 있다. 부득이 노출되는 경우 Breakaway 등의 방법으로 충돌 시 지주가 분리되도록 하여 탑승자의 충돌피해를 완화시킬 수 있다. 이러한 도로변의 지주 충돌에 대한 대책과 처리 방법은 미국이나 유럽에서는 Roadside Safety의 중요한 분야로 인식되어 표준화되어 있다. 우리나라의 경우 Roadside Safety의 중요한 부분인 도로변 각종 지주의 위험성에 대한 대책이 특별히 없고 소형 및 중형 지주의 분리장치가 국가 연구사업으로 개발되었으나 안전시설 지침의 미비로 실용화되지 못한 상태이다.

관련 연구로, 미국은 노출된 도로변 지주의 충돌 시 위험을 해소하기 위해서 Roadside Design Guide를 제정하여 도로변 지주의 충돌피해 저감 대책을 상세히 제시하였으며(AASHTO, 2011), 성능평가 기준으로는 MASH (Manual for Assessing Safety Hardware)를 사용하고 있다(AASHTO, 2009). 유럽의 경우 Passive Safety Guidelines에 도로의 안전성을 높이고, 도로변 충돌사고를 감소시키기 위한 방안을 제시하였으며, 도로변 지주의 충돌시 위험도를 줄이기 위한 대책을 상세히 설명하였다. 유럽연합은 EN12767에 Passive Safety 기준으로 도로변의 지주 구조(표지판, 신호등, 가로등, 각종 장비용 지주 등)에 충돌할 경우 탑승자의 안전을 확보할 수 있도록 충돌실험 방법 및 평가기준을 명시하고 있다(BS EN 12767, 2007). Roger는 가로등 지주에 분리식 지주(Slip Base)를 적용하여 개발하고 실차충돌실험을 통해 검증하였으며(Bligh et al., 1994), Arthur는 지주구조물에 차량이 충돌하였을 경우 지주하부의 연결 볼트가 쉽게 부러지도록 설계하여 개발한 바가 있다(Dinitz and Chisholm, 1978). Elmarakbi는 차량이 가로등에 부딪힐 때 지반에 매입된 경우를 포함한 다양한 지주 단부 조건이 탑승자의 안전에 어떤 영향을 미치는지를 연구하여 효과적인 완충지주 설계방법을 제시하였고(Elmarakbi et al., 2006), 도로변 지주에 부착하여 충격을 흡수할 수 있는 좌굴유도 홈을 갖는 Steel Tube Module을 개발하고 다양한 파라메타에 대하여 충격흡수 능력을 연구하였다(Elmarakbi and Fielding, 2009). 국내의 경우 국가 R&D로 2010년에 차량 충돌시 분리되는 지주(Slip Base 방식)를 개발하였으나, 직경 약 140 mm 이하의 소형지주이고 일자형 지주에만 적용이 가능하도록 개발되었고 이 마저도 관련지침의 부재로 활용되지 못하는 상황이다(Ko et al., 2010).

1.2 연구의 목적 및 내용

기초에 강결된 노출 지주에 충돌하는 차량의 위험을 해소하기 위하여 외국에서는 Breakaway System이 개발되어 활용되고 있으나, 차량과 보행자가 밀집된 국내의 도로환경에서는 2차 사고의 위험성이 있으므로 본 연구에서는 충돌 시 차량의 충돌에너지를 흡수하여 탑승자의 안전을 확보하면서 지주가 넘어지지 않는 슬라이딩 지주(Sliding Post)를 개발하게 되었다.

슬라이딩 지주는 지주의 베이스를 기초에 강결시키지 않고 가이드레일에 끼워놓음으로써 풍하중에는 충분한 지지력을 유지하나 충돌하중이 작용할 때에는 기초에 매입된 가이드를 타고 차량과 함께 이동하면서 운동에너지를 흡수하는 구조이다. 충돌 후 선형모멘텀 보존의 원리로 차량은 속도가 줄어든 상태로 등속운동을 하고 나머지 운동에너지는 지주의 베이스 하부에 설치된 Indenter가 가이드레일 중앙에 설치된 EAP (Energy-Absorbing Pipe)를 찌그러뜨림으로써 흡수되는 형태의 지주이다. 따라서 EAP는 슬라이딩 지주의 핵심요소이고 그 크기는 지주 기초 안에 설치될 수 있어야 한다. 본 논문은 국내 편지식 표지판에 많이 사용되는 지주와 베이스구조를 합하여 총 507 kg의 무게를 갖는 감충형 슬라이딩 지주에 사용하기 위한 EAP의 개발에 관한 것이다. LS-DYNA 프로그램을 이용한 충돌해석을 통하여 EAP 구조를 설계하고 실차충돌실험을 통하여 감충성능을 평가하는 과정을 상세히 설명하였다.

2. EAP Model-1의 감충성능 및 Model-2 개발

2.1 슬라이딩 지주의 개념 및 EAP Model-1 감충성능 평가

Fig. 1은 슬라이딩 지주와 기초부의 구성요소 및 작동원리를 나타낸 것이다. 지주는 반복적으로 충돌실험을 수행할 수 있도록 하부 1 m는 355.6 mm×9 mm (D×t)로 하고 상부 5 m는 216.3 mm×6 mm (D×t)로 하여 충돌 후 하단부의 변형으로 인한 교체를 최소화함과 동시에 지주 상부만 교체하면 총 중량이 다른 지주에 대한 충돌실험도 가능하도록 하였다. 지주를 지지하는 베이스 플레이트는 그립 형태로 차량이 지주에 충돌할 때 지주가 기초에 설치된 가이드레일을 따라 미끄러진다. 특정 구간 이후부터는 Indenter가 EAP를 찌그러뜨리면서 충돌에너지를 감소시킨다. EAP (Model-1)는 총 길이가 2.4 m이며, 전반부 소구경 구간(∅76.3×4.2 t)과 후반부 대구경 구간(∅114.3×4.2 t)으로 직경이 다르게 설계되었고 파이프 변형장치(Indenter)에 의해 변형되는 대구경구간의 길이는 1.3 m이다. 직경변화구간에 사용된 테이퍼(Taper)는 기성품이며, 길이가 100 mm, 두께는 4.2 mm이고 용접에 의해 소구경 구간과 대구경 구간을 연결한다. EAP의 길이를 2.4 m로 제한한 것은 본 연구에서 대상으로 한 편지식 철재 원형지주의 설계 풍하중에 대한 콘크리트 기초 규격(길이/폭/높이: 2.7×2.2×2.5)을 참고하여 설치가 가능한 길이를 택한 것이다(MOLIT, 2016).

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Fig. 1.

Sliding Post Components

지주구조물에 대한 평가기준이 없는 상황에서 지주관련 감충성능의 분석은 도로안전시설 설치 및 관리지침의 충격흡수시설 편을 참고할 수 있다(MOLIT, 2014). 성능평가 기준으로는 탑승자 보호성능, 시설물의 거동, 충돌 후 차량의 거동으로 크게 구분된다. 시설물의 거동은 충돌 시 시설물이 분리되거나 변형되어 차량이나 주변에 위험을 초래하는지를 검토하는 것이고, 충돌 후 차량의 거동은 충돌차량이 충돌 후 전복되지 않고 다른 차량과 2차 충돌 위험이 없이 안전하게 거동하는지를 보는 것이다. 탑승자 보호성능의 평가기준으로는 차량의 무게중심에 부착된 가속도 및 각속도센서로부터 계산되는 탑승자-차량 충돌 상대속도(Theoretical Head Impact Velocity, THIV)와 탑승자-차량 충돌 후 최대가속도(Post- impact Head Deceleration, PHD)를 평가기준으로 하며, 허용기준은 THIV 44 km/h 이하, PHD 20 g 이하이다. 슬라이딩 지주의 감충성능 검증을 위한 실차충돌실험 조건은 충격흡수시설 설치지침에 따라, CC1등급은 0.9 ton-60 km/h (IC①)와 1.3 ton-60 km/h (IC②)를 사용하고 CC2등급은 0.9 ton-80 km/h (IC③)와 1.3 ton-80 km/h (IC④)를 사용하였다.

2.2 실차충돌실험 및 해석모델 구축

우선적으로 CC1등급 IC① 실험조건을 적용하여 개발안(EAP Model-1)에 대한 탑승자 보호성능을 확인하였다. 충돌실험에서 충돌차량의 무게중심점에는 최대용량 2,000 g의 삼축 가속도센서(Endevco 7264C-2K)와 최대용량 8,000 degree/sec의 삼축 각속도센서(ARS Pro-8K)를 부착하여 탑승자 안전지수를 평가하는 동시에 차량의 거동, 충돌하중 등을 분석하였으며 모두 초당 10,000개의 Sampling으로 계측하였다. 또한 고속카메라(Mikrotron MotionBLITZ Cube)를 이용해 500 frames/sec의 속도로 측면에서 촬영하였다.

Fig. 2는 IC① 충돌실험 후의 사진과 충돌실험 결과그래프를 나타낸 것이다. 그래프는 IC① 충돌실험에서 차량에 부착된 가속도센서로부터 계측된 가속도와 이를 이용하여 계산된 속도, 변위의 시간이력을 나타낸 것이다. 즉, 충돌실험을 통해 계측된 가속도(ax)를 CFC180 Hz로 필터링한 후 이를 적분하여 계산한 속도(vx), 변형(δx)의 시간이력을 나타낸 그래프와 이론적 두부의 궤적(Trajectory of Theoretical Head), 두부가 차량 내부 전면에 부딪히는 시간, THIV를 나타낸 것이다. 충돌실험에서 사용한 차량의 무게는 0.90 ton이었고 충돌속도는 60.7 km/h로 측정되었다. IC① 충돌실험 결과 슬라이딩 지주가 후방으로 0.865 m 이동하였고 탑승자 안전지수는 THIV가 32.2 km/h (at 0.1083 sec), PHD가 22.9 g (at 0.1224 sec)로 계산되었으며, PHD가 허용치(≤20 g)를 넘어 감충성능 기준을 만족하지 못하였다. Fig. 2의 그래프를 보면, 약 0.11~0.17초 사이에서 속도 그래프는 급격한 감속을 보이고 있으며 가속도 그래프는 20 g를 넘어서는 값을 보이고 있다. 이 구간은 슬라이딩 지주의 EAP가 변형되면서 에너지를 흡수하는 구간으로 감속을 완만하게 하기 위해서는 EAP의 구조적인 개선을 통하여 충돌에 대한 강성을 약화시킬 필요가 있다.

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Fig. 2.

Test Result for IC① (EAP Model-1)

EAP의 감충성능을 개선하기 위하여 충돌실험을 반복할 수 있겠으나 많은 비용이 소요되므로 본 논문에서는 LS-DYNA 프로그램을 이용한 충돌 시뮬레이션을 병용하기로 하였다(LSTC, 2007). 시뮬레이션에서 사용한 0.9 ton 차량 모델은 NCAC (National Crash Analysis Center at George Washington University)에서 개발한 Geo Metro 모델이고 1.3 ton 차량은 Dodge Neon 모델이다(NCAC, 2011). 슬라이딩 지주에 대한 LS-DYNA 해석모델의 중요 입력 정보는 Table 1과 같고, Fig. 3은 차량과 슬라이딩 지주의 해석모델을 나타낸 것이다.

Table 1.

Input of FEA Model for Sliding Post

Part Element Type Material Type Fy (Mpa) E (Mpa)
Post Shell Plastic Kinematic 250 204,000
Guide Rail Solid 280
Indenter Solid 280
EAP Solid Piecewise Linear Plasticity 326
Coefficient of Friction Between Base Plate and Guide Rail 0.06
Between Indenter and EAP 0.55
Between Guide Rail and EAP 0.1
Between Tires and Ground 0.5
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Fig. 3.

Simulation Model of Vehicle and Sliding Post

Taper를 포함한 EAP 해석모델은 fully integrated S/R solid 요소를 사용하였고 30,000개의 solid element를 사용하였다. Indenter와 EAP의 마찰계수는 0.55를 사용하였으며 EAP에 사용된 Material은 Piecewise Linear Plasticity을 사용하여 Indenter가 EAP를 지나갈 때 발생하는 강재의 변형률 속도 효과를 고려하였다. EAP의 항복강도는 YS245 강재의 최소항복강도 245 Mpa 보다 33 % 큰 평균항복강도 326 MPa을 사용하였고 탄성계수(E)는 204 Gpa를 적용하였다. EAP를 제외한 슬라이딩 지주 해석모델의 Material은 Plastic Kinematic을 사용하였으며 지주의 경우 YS245 강재의 최소항복강도 245 Mpa 보다 조금 큰 250 Mpa를 적용하였고 가이드레일 및 파이프 변형장치(Indenter)의 경우 YS275 강재의 최소항복강도 275 Mpa보다 조금 큰 280 Mpa를 적용하였다. 슬라이딩 지주의 해석요소는 지주의 경우 shell 요소를 사용하여 모델링 하였으며 재료 비선형과 기하학적 비선형을 고려할 수 있는 fully integrated shell element를 사용하였다. 가이드레일 및 파이프 변형장치(Indenter), 베이스 플레이트, 지주 연결 플레이트는 solid 요소를 사용하여 모델링 하였으며, solid 요소의 경우에는 constant stress solid element를 사용하였다.

모델링의 경우 충돌실험과 달리 지주 및 베이스 플레이트의 연결 볼트 대신 Node Merge를 사용하여 연결하였고, 충돌실험에서 EAP를 고정하였던 장치 대신 EAP 소구경 구간 시점 node들의 경계조건을 고정하여 시뮬레이션하였다. 슬라이딩 지주에 차량이 충돌하여 운동이 시작되면 소재와 소재 사이에 마찰력이 발생한다. 베이스 플레이트와 가이드레일 사이의 마찰계수는 0.06, 가이드레일과 EAP 사이의 마찰계수는 0.1을 사용하였다. 차량모델의 차륜은 회전하도록 구성되어 있으며 타이어와 지표면 사이의 마찰계수는 0.5를 사용하였다(Fricke, 1990).

충돌실험과 동일한 충돌조건인 IC① 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 탑승자 안전지수는 THIV가 32.4 km/h (at 0.1000 sec), PHD가 26.4 g (at 0.1236 sec)로 충돌실험으로부터 계산된 THIV (32.2 km/h), PHD (22.9 g)가 유사한 결과를 보였다. 해석모델의 유효성을 보이기 위하여 Fig. 4의 해석결과에 충돌실험 결과(Fig. 2)를 실선으로 삽입하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 위에서 설명한 모델을 이용한 해석결과가 충돌실험 결과와 잘 일치함으로 충돌해석을 통한 설계개선이 유효함을 알 수 있다.

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Fig. 4.

Results of Simulation and Crash Test for IC①

EAP의 설계에 있어서 속도-시간 그래프는 유용하게 활용된다. Fig. 5는 EAP Model-1의 IC①에 대한 충돌실험 결과와 시뮬레이션 결과를 보인 것이다. 시뮬레이션과 충돌실험의 속도-시간 이력이 매우 유사한 경향을 보이므로 Fig. 5에 THIV 및 PHD는 충돌실험으로부터 구한 결과만 표시하였고 PHD를 허용치 이내로 하기 위한 설계변경에서는 충돌실험 결과 위주로 설명한다.

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Fig. 5.

Velocity Trace of IC① (EAP Model-1)

Fig. 5에서 충돌실험 결과 그래프를 살펴보면 차량의 속도가 감속하는 구간이 두 개의 구간으로 구분된다. 첫 번째 감속구간(약 0~0.05 sec)은 차량의 충격력을 지주에 전달함으로써 차량속도가 감속하는 구간이며, 두 번째 감속구간(약 0.11~0.17 sec)은 EAP가 Indenter에 의해 변형되면서 충돌하중을 흡수하는 구간이다. 두 감속구간 사이(약 0.05~0.11 sec)에는 차량과 슬라이딩 지주가 결합하여 강체거동을 하는 등속구간이 있으며 이는 슬라이딩 베이스 하부의 Indenter가 EAP의 소구경구간을 지나는 구간에 해당한다(Fig. 1 참조). 소구경구간에서는 EAP의 변형이 없이 자유운동을 하므로 등속구간이 생기게 되며, 속도-변위 곡선에 대한 분석결과 이 구간에서 THIV가 발생(0.1083 sec)되었다. THIV가 등속구간 내에서 발생하지 않고 두 번째 감속구간에서 발생하였다면 THIV가 상대적으로 높아질 것이므로 등속구간에서 발생되었다는 것은 탑승자의 안전측면에서 긍정적인 것이다. 따라서 현재의 EAP 소구경구간의 길이 및 Taper의 위치는 그대로 유지하는 것이 바람직하다. 충돌실험 결과 PHD는 22.9 g로 허용치보다 높은 결과를 보였으며 발생시간(0.1224~0.1324 sec)은 두 번째 감속구간 내에서 발생하였다. 이 구간은 EAP의 Taper와 대구경구간이 변형되면서 충돌에너지를 흡수하여 차량에 큰 감속을 일으킨 구간이다. 그러므로 PHD를 낮추기 위해서는 EAP의 Taper와 대구경구간의 강도를 약화시켜 차량의 감속기울기를 완만하게 할 필요가 있다.

2.3 EAP의 변경(Model-1 → Model-2) 및 Model-2에 대한 해석

충돌실험 및 EAP Model-1을 이용한 해석결과에서 EAP의 Taper구간 이후에 저항력이 크게 발생하여 PHD가 높게 나타난 것이 확인되었다. 따라서 대구경구간 파이프의 두께를 기존의 4.2 mm에서 3.2 mm로 감소시키고, Taper는 기성품을 사용하는 대신 Fig. 6과 같이 대구경구간의 파이프 20 cm를 V컷으로 오려내고 오므린 후 용접하여 소구경구간과 연결함으로써 충돌에 대한 강성을 약화시키고 Taper의 기울기를 완만하게 하였다. 개선된 EAP Model-2를 적용한 슬라이딩 지주에 대하여 0.9 ton-60 km/h (IC①), 1.3 ton-60 km/h (IC②), 0.9 ton-80 km/h (IC③), 1.3 ton-80 km/h (IC④)의 4가지 조건으로 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션에서 사용한 차량 모델은 전과 동일하고 슬라이딩 지주 요소 및 특성치는 Table 1과 동일하다.

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Fig. 6.

Fabrication of EAP Model-2

Fig. 7은 시뮬레이션 결과로부터 구한 충돌조건별 속도-시간 이력을 보인 것이다. 충돌조건별 그래프를 비교하면 충돌속도가 증가함에 따라, 차량무게가 증가함에 따라 강체운동 구간이 줄어든다. 즉, 충돌에너지가 클수록 등속구간이 짧아지는 것을 확인할 수 있다. 그래프에서 직선은 PHD가 20 g가 되는 허용기울기(vt)를 나타낸 것으로 시뮬레이션 결과의 감속기울기와 비교하기 위한 것이다. Table 2는 시뮬레이션 결과를 요약한 것으로 각각의 충돌 조건에 대한 탑승자 안전지수 및 지주와 차량의 이동거리를 나타낸 것이다. 네 가지 충돌조건 모두 0.1 sec 근처에서 THIV가 발생하였고 PHD는 그 후 발생하는 10 msec 이동평균 최대가속도인데, Fig. 7에 표시된 바와 같이 속도그래프의 기울기가 어느 곳에서나 허용기울기(Permissible Slope for PHD=20 g)에 비하여 완만하므로 PHD가 허용치 이하임을 확인할 수 있다. 개선된 EAP를 적용한 슬라이딩 지주의 시뮬레이션 결과 탑승자 안전지수(THIV, PHD)가 모두 허용치에 만족하였으며 이동거리는 IC④에서 최대 1,961 mm로 이는 슬라이딩 지주의 기초 최소거리를 산정하는데 중요한 요소이다.

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Fig. 7.

vt from Simulation (EAP Model-2)

3. EAP Model-2의 감충성능 및 Model-3 개발

3.1 0.9 ton-60 km/h (IC①) 충돌실험

Fig. 6과 같이 개선된 EAP (Model-2)를 적용한 슬라이딩 지주에 대한 충돌해석 결과 만족할 만한 감충성능을 보였으므로 Table 2와 동일한 충돌조건으로 실차충돌실험을 수행하였다. 먼저 IC①의 충돌실험을 수행하였으며 실제 충돌조건은 0.866 ton-60.6 km/h로 측정되었다. THIV는 30.9 km/h (at 0.1052 sec)이고 PHD는 18.3 g (at 0.1648~0.1748 sec)로 모두 허용치를 만족하였으며, 충돌실험 결과 슬라이딩 지주가 후방으로 1.03 m 이동하였다. Fig. 8의 차량 속도-시간이력 곡선을 보면 약 0.05~0.09 sec 사이에 평평한 차량의 등속운동 구간이 보이고 이후 EAP가 찌그러지면서 완만한 감속을 나타내는 구간이 보이는데, 자유운동을 하는 이론적인 두부가 이 완만한 구간의 초기(0.1052 sec)에서 차량 전면과 부딪혀 THIV가 발생하였음을 볼 수 있다.

Table 2.

Crashworthiness from Simulation (EAP Model-2)

Impact Condition THIV (≤44 km/h) PHD (≤20 g) Displacement (mm)
0.9 ton-60 km/h (IC①) 32.3 (0.1000 sec) 16.7 (0.1169-0.1269 sec) 976
1.3 ton-60 km/h (IC②) 33.1 (0.1240 sec) 12.3 (0.1311-0.1411 sec) 1,308
0.9 ton-80 km/h (IC③) 42.1 (0.0902 sec) 17.3 (0.0922-0.1022 sec) 1,395
1.3 ton-80 km/h (IC④) 39.2 (0.1114 sec) 13.7 (0.1126-0.1226 sec) 1,961
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Fig. 8.

Test Results for IC① (Model-2)

슬라이딩 지주의 EAP를 개선하기 전(EAP Model-1)·후(EAP Model-2)의 충돌실험 결과를 비교하였다. 개선 내용은 Fig. 6에 설명하였고 EAP 개전 전·후의 충돌실험 결과를 Table 3에 요약하였다. 개선 후에 THIV 및 PHD는 감소하였고 이동거리는 상대적으로 증가하였다. 이는 Taper 구간의 길이를 증가시켜 각도를 완만하게 하였고 대구경구간 파이프의 두께를 3.2 mm로 낮춘 결과로 볼 수 있다.

Table 3.

Test Results for 0.9 ton-60 km/h (IC①)

Designation EAP Model-1 EAP Model-2
Impact Condition 0.9 ton-60.7 km/h 0.866 ton-60.6 km/h
THIV (≤44 km/h) 32.2 (0.1083 sec) 30.9 (0.1052 sec)
PHD (≤20 g) 22.9 (0.1224-0.1324 sec) 18.3 (0.1648-0.1748 sec)
Displacement (mm) 865 1030

Fig. 9는 EAP를 개선하기 전·후의 충돌실험 결과에서 시간에 따른 차량의 속도를 나타낸 것이다. 슬라이딩 베이스 하부에 고정된 Indenter는 EAP의 전단에서 30 cm 위치하며, EAP의 소구경구간에서는 Indenter가 영향을 주지 않고 Taper 위치에서부터 접촉이 발생하여 EAP를 찌그러뜨리기 시작한다. 그래프에서 첫 번째 감속구간은 선형모멘텀 보존의 법칙에 따라 최초 차량의 운동량이 차량과 지주의 운동량과 동일하기 때문에 발생한 감속을 보인 것이고 등속구간에서는 Indenter가 EAP에 영향을 주지 않는 소구경구간을 지나는 것이며 두 번째 감속구간은 Indenter가 Taper와 대구경구간을 지나며 EAP를 찌그러뜨리는 구간이다. EAP의 개선 전·후 감속그래프에서 두 번째 감속구간의 기울기가 확연한 차이를 나타낸다. Taper의 길이를 증가시키고 파이프 두께(4.2→3.2 mm)를 줄인 결과 완만한 감속이 일어나고, 그 결과 PHD가 22.9 g에서 18.3 g로 줄어들어 감충조건을 만족하였다. 그래프에서 직선은 PHD가 20g가 되는 허용기울기를 나타낸 것으로, 특정 10 msec 구간에서의 감속기울기가 허용기울기보다 크게 되면 PHD가 20 g보다 높아진다. 그래프 우측의 사진은 차량이 지주에 최초 충돌하는 시간(0.0 sec)과 두 번째 감속이 시작하는 시간(약 0.11 sec)의 고속카메라 스틸사진을 나타낸 것이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400501/images/Figure_KSCE_40_05_01_F9.jpg
Fig. 9.

Velocity Trace of Model-1 and Model-2

3.2 1.3 ton-60 km/h (IC②) 충돌실험

개선된(EAP Model-2) 감충시스템을 적용한 슬라이딩 지주에 대하여 IC②의 충돌실험을 수행하였으며 실제 충돌조건은 1.355 ton-60.3 km/h로 측정되었다. Fig. 10은 IC② 충돌실험 결과그래프를 나타낸 것이다. THIV는 29.1 km/h (at 0.1381 sec)이고 PHD는 10.4 g (at 0.2493~0.2593 sec)로 모두 허용치를 만족하였으며, 충돌실험 결과 슬라이딩 지주가 후방으로 1.65 m 이동하였다. Fig. 10의 차량 속도-시간이력 곡선을 보면 약 0.06~0.1 sec 사이에 평평한 차량의 등속운동 구간이 보이고 이후 EAP가 찌그러지면서 완만한 감속을 나타내는 구간이 보이는데, THIV는 완만한 두 번째 감속구간에서 발생(0.1381 sec)하였다.

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Fig. 10.

Test Results for IC② (Model-2)

3.3 0.9 ton-80 km/h (IC③) 충돌실험

개선된 슬라이딩 지주에 대하여 IC③의 충돌실험을 수행하였다. 실제 차량의 무게는 0.881 ton이었고 충돌속도는 80.2 km/h로 측정되었다. Fig. 11은 IC③ 충돌실험 결과 시간에 따른 가속도, 속도, 변위 그래프를 나타낸 것이다. 충돌실험 결과 THIV는 36.1 km/h (at 0.0897 sec)이고 PHD는 16.5 g (at 0.0913~0.1013 sec)로 모두 허용치를 만족하였으며, 충돌실험 결과 슬라이딩 지주가 후방으로 1.505 m 이동하였다. Fig. 11의 차량 속도-시간이력 곡선을 보면 약 0.05~0.08 sec 사이에 평평한 차량의 등속운동 구간이 보이고 이후 EAP가 찌그러지면서 완만한 감속을 나타내는 구간이 보이는데, THIV는 등속구간에서 두 번째 감속구간으로 변하는 변곡점 부근에서 발생(0.0897 sec)하였다.

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Fig. 11.

Test Results for IC③ (Model-2)

3.4 EAP Model-2에 대한 IC④ 충돌실험 및 EAP 개선

개선된 EAP를 적용한 슬라이딩 지주에 대하여 IC④ 충돌실험을 수행하였으며 실제 충돌조건은 1.316 ton-80.5 km/h로 측정되었다. 충돌실험 결과 슬라이딩 지주가 후방으로 2.12 m 이동하여 EAP의 전체길이 2.1 m를 벗어나 바닥에 설치된 H형강 프레임에 충돌 후 정지하였으며 THIV는 34.2 km/h (at 0.1105 sec), PHD는 30.7 g (at 0.2158~0.2258 sec)로 PHD가 허용치 20 g 이상으로 발생하였다. Fig. 12는 1.3 ton-80 km/h 충돌실험 결과 시간에 따른 가속도, 속도, 변위 그래프를 나타낸 것이다.

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Fig. 12.

Test Results for IC④ (Model-2)

이전의 세 가지의 충돌실험 조건(IC①, IC②, IC③)에서는 EAP가 끝까지 변형되지 않고 변형되는 중간에서 슬라이딩 지주가 정지하였으므로 20 g 이하의 감속을 나타내었으나, IC④ 충돌실험에서는 Fig. 12의 우측과 같이 EAP가 끝까지 변형되고 슬라이딩 베이스가 EAP를 벗어나 H형강으로 만들어진 기초 프레임에 충돌하면서 가속도가 크게 발생하여 PHD가 높게 나타난 것이다. 이는 Fig. 12의 가속도-시간 이력의 후반부 Peak에서 알 수 있다.

문제를 해결하기 위하여 EAP를 보강하거나 길이를 증가시켜 슬라이딩 베이스가 EAP를 벗어나지 않고 정지시키는 방안을 찾아야 한다. 편지식 지주의 기초길이(2.7 m)를 감안할 때, 실험장에 설치된 가이드레일의 길이가 2.6 m로 제한되어 있으므로 EAP의 길이는 최대 200 mm 정도 증가시킬 수 있었다. 본 연구에서는 Fig. 13과 같이 대구경구간(∅114.3 mm)의 파이프 길이를 1300 m에서 1500 mm로 증가시키고 부족한 에너지흡수 능력을 향상시키기 위하여 길이 700 mm, 직경 76.3 mm, 두께 3.2 mm 파이프를 EAP의 끝단부 내부에 삽입하였다.

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Fig. 13.

Modification of EAP Model-2 to Model-3

3.5 EAP Model-3에 대한 1.3 ton-80km/h (IC④) 충돌실험

Fig. 13과 같이 변경된 EAP Model-3을 이용한 슬라이딩 지주에 대하여 IC④ 충돌실험을 다시 수행하였다. 시험차량의 무게는 1.283 ton이었고 충돌속도는 80.5 km/h로 측정되었다. Fig. 14에서 굵은 실선은 개전 후(EAP Model-3)의 IC④ 결과를, 얇은 점선은 개선 전(EAP Model-2)의 IC④ 충돌실험 결과를 나타낸 것으로 시간에 따른 가속도, 속도, 변위 그래프이다. 개선 후(Model-3) 충돌실험 결과 THIV는 35.6 km/h (at 0.1091 sec)이고 PHD는 15.7 g (at 0.2239~0.2339 sec)로 모두 허용치를 만족하였으며, 충돌실험 결과 슬라이딩 지주가 후방으로 2.12 m 이동하였다. 차량 속도-시간이력 곡선을 보면 약 0.05~0.09 sec 사이에 평평한 차량의 등속운동 구간이 보이고 이후 EAP가 찌그러지면서 완만한 감속을 나타내는 구간이 보이는데, THIV는 이 감속구간에서 발생(0.1091 sec)하였다. 개선 전 충돌실험 결과를 보면 약 0.2 sec 이후로 슬라이딩 베이스가 EAP를 벗어나 H형강 프레임에 충돌하면서 가속도가 크게 발생하고 속도그래프의 기울기가 급격히 발생하는 것을 볼 수 있다. 반면 개선 후의 그래프에서는 ‘A’구간과 같이 가속도가 비교적 일정하고 속도그래프의 기울기도 일정하게 감속되어 PHD가 허용치 이하로 줄어든 것이다.

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Fig. 14.

Test Results for IC④ (Model-3)

Table 4는 EAP 개선 전·후의 충돌실험 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 개선 후의 THIV는 유사한 결과를 보였으나 PHD가 현저히 낮아진 결과를 보였으며, 변형거리는 동일한 결과를 보였다.

Table 4.

Test Results for 1.3 ton-80 km/h (IC④)

Designation EAP Model-2 EAP Model-3
Impact Condition 1.316 ton-80.5 km/h 1.283 ton-80.5 km/h
THIV (≤44 km/h) 34.2 (0.1105 sec) 35.6 (0.1091 sec)
PHD (≤20 g) 30.7 (0.2158-0.2258 sec) 15.7 (0.2239-0.2339 sec)
Displacement (mm) 2120 2120

3.6 충돌실험 결과 요약

감충성능을 지닌 슬라이딩 지주를 대상으로 4가지 시험조건(IC①, IC②, IC③, IC④)으로 충돌실험을 수행하였다. Table 5는 시뮬레이션 결과와 충돌실험 결과를 나타낸 것이다. 모든 시험조건에서 탑승자 보호성능이 허용치(THIV≤44 km/h, PHD≤20 g)에 만족한 결과를 보였으며, 시뮬레이션 결과와 충돌실험 결과가 비교적 근사한 값을 보이고 있다.

Table 5.

Results of Simulation and Crash Test

Impact Condition Simulation Crash Test
EAP Type THIV (km/h) PHD (g) Disp. (mm) EAP Type THIV (km/h) PHD (g) Disp. (mm)
IC① 0.9 ton-60 km/h Model-2 32.3 16.7 976 Model-2 30.9 18.3 1030
IC② 1.3 ton-60 km/h Model-2 33.1 12.3 1308 Model-2 29.1 10.4 1650
IC③ 0.9 ton-80 km/h Model-2 42.1 17.3 1395 Model-2 36.1 16.5 1505
IC④ 1.3 ton-80 km/h Model-2 39.2 13.7 1961 Model-3 35.6 15.7 2120

충돌실험에서 IC①, IC②, IC③은 EAP Model-2에 대하여 IC④는 EAP Model-3에 대하여 충돌실험을 실시하였으므로 Model-3이 IC①, IC②, IC③에 대하여도 Model-2와 같은 결과를 보일 것인지는 불확실하다. 그러나 Fig. 15에서 볼 수 있듯이 IC①, IC②에서는 Indenter의 이동거리가 Model-3의 내부 보강파이프 시점에 미치지 못하였고, IC③에서만 50 mm 정도 겹치는 것을 볼 수 있으므로 Model-2에 대한 IC①, IC②, IC③ 충돌실험 결과가 Model-3에서도 동일하리라고 추정하는데 큰 문제가 없다.

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Fig. 15.

Displacement of Indenter

4. 결 론

충돌 시뮬레이션을 통한 해석과 실차충돌실험으로 총무게 507 kg 지주 충돌 시, 탑승자 안전을 확보하면서 넘어지지 않고 감충(堪衝)성능(Crashworthiness)을 발휘할 수 있는 슬라이딩 지주 에너지흡수장치(EAP)를 개발하였다. 개발된 EAP Model-2의 총길이는 2.4 m이고, 소구경구간(L900×∅76.3×6 t), 대구경구간(L1300× ∅114.3×3.2 t), 테이퍼(L200×3.2 t)로 구성되었다. 테이퍼는 대구경구간과 동일한 파이프를 V컷으로 절단하여 오므려서 맞대기용접한 것이다. Model-2는 충돌실험 결과 0.9 ton-60 km/h (IC①), 1.3 ton-60 km/h (IC②), 0.9 ton-80 km/h (IC③) 충돌에 감충성능을 발휘할 수 있는 것으로 확인되었으나 1.3 ton-80 km/h (IC➃) 충돌실험에서는 EAP의 길이 부족으로 충돌에 대한 감충성능을 발휘하지 못하였다. 기초 길이의 제약(2.7 m)으로 Model-2의 대구경구간 길이를 1300 mm에서 1500 mm로 증가시키고 대구경구간의 끝단부에 보강파이프(L700×∅76.3×3.2 t)를 추가로 삽입하여 부족한 에너지흡수 능력을 보강한 것이 Model-3이다. Model-3은 1.3 ton-80 km/h (IC➃) 충돌에 양호한 감충성능을 발휘하였다.

Model-2를 사용할 것인가 Model-3을 사용할 것인가는 지주의 감충성능을 얼마나 부여할 것인가에 따라 선택할 수 있다. 충격력이 커서 Model-2가 충분하지 못한 경우 기초 크기에 제한이 없다면 EAP의 대구경구간 길이를 1500 mm보다 더 길게 할 수 있고, 기초 크기에 제한이 있다면 본 연구와 같이 허용한도 내에서 대구경구간 길이를 증가시키고 대구경단부를 이중관으로 하여 강성을 적절히 증대시켜 충돌에너지를 빨리 소산시키는 방법이 가능하다.

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