1) Department of Construction & Disaster Prevention Engineering, Kyungpook National University
육각 낙석방지망의 성능평가를 위한 실내 및 실대형실험
Laboratory and Full-scale Testing to Investigate the Performance of Rock Fall Protection System with Hexagonal Wire Net
윤 일 로1)･ 오 세 욱1)･ 권 영 철† Ilro Youn ･ Sewook Oh ･ Youngcheul Kwon
Received: June 23
rd, 2014; Revised: July 10
th, 2014; Accepted: August 15
th, 2014
ABSTRACT : Rock fall protection system installed against rock slope is one of the most conventional way to protect nearby infra structures. Despite of wide application of typical rectangular nets, virtually installed to protect rock slope face, several problems have also been pointed out up to date. Rectangular draped nets are vulnerable to a sudden external shock such as rock fall, because it doesn't have any systematical buffers or shock absorbers. Furthermore, it has been widely recognized from the some cases of rock fall accident in Korea that rock fall protection nets cause wide range of failure in the rock slope faces due to insufficient pullout bearing capacity of fixing parts. Therefore, in this study, we tried to make a consideration about the problems of existing standard rock fall protection nets in Korea, and develop a new type of hexagonal net with a shock absorber based on design rock fall energy.
In this paper, laboratory and full scale test procedure is described to analysis the performance of newly developed hexagonal rock fall net, and the key results are presented and discussed.
Keywords : Hexagonal net, Rock fall protection net, Wire mesh, Full-scale testing, Laboratory model testing
요 지 : 기존에 사용되던 사각형 낙석방지망은 낙석에 의한 충격 완화를 위한 장치가 없어 적층 현상 등을 해결할 수 없으며 과도 한 충격으로 철망이 파괴되는 문제 등이 지적되고 있었다. 여러 문제점이 복합적으로 발생하면서 매년 낙석 방지망 자체의 파괴에 의해 많은 피해가 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 표준형 낙석방지망의 낙석방호 실패 원인을 고찰하고 설계 시 예상 낙석에너지를 파악하여 적정한 흡수에너지를 가진 육각 낙석방지망을 개발하였다. 또한 실내실험과 실대형실험을 통해 기존 낙석 방지망과의 성능차를 파악하여 육각 낙석방지망의 적용 가능성을 파악하고자 하였다. 실내실험과 실대형실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지 장치에 의해 응력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면 사각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 낙석방지망에 작용함으로써 하중에 대한 저항력이 육각 낙석방 지망보다 효율이 적은 것으로 판단된다.
주요어 : 육각 낙석방지망, 낙석방지망, 와이어메쉬, 실대형실험, 실내실험
Journal of the Korean Geo-Environmental Society15(9): 69～75. (September, 2014) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2014.15.9.69
1. 서 론
낙석방지망은 비탈면에 강재 또는 합성섬유로 제작된 망 을 설치하여 낙석 등이 주는 직접적인 피해를 막거나 경감 시킬 목적으로 행하는 공법으로, 낙석의 발생을 미연에 방 지함과 동시에 만일 낙석이 발생한 경우에는 돌이 튀기지 않도록 비탈 끝으로 인도하는 것을 목적으로 설치하는 시설 물이다. 따라서 낙석방지망은 암깍기 비탈면에서 낙석의 우 려가 있는 연암 또는 돌이 섞인 토사 구간에서 우수로 인한 세굴 등으로 돌, 암편의 낙하가 예상되는 장소에 설치한다 (Brawner, 1994; Bertolo et al., 2009).
국내 낙석방호시설에 대한 규정은 국토교통부에서 발간
한 “도로안전시설 설치 및 관리지침”에는 표준낙석방지시 설의 규격과 에너지흡수능을 제시하고 있어 국내의 도로사 면은 대부분 이에 근거한 표준낙석방지시설을 사용하고 있 으나 이러한 낙석방지시설이 실제 낙석 발생 시 큰 파손 없 이 낙석을 방어할 수 있는지에 대해서 많은 의문점들이 제 기되고 있다(Koo et al., 2001; Lee et al., 2008). 또한 기술 수준이 미약하여 전적으로 해외 기술력에 의존하고 있으며, 일체화가 되지 못하는 등 낙석방지망의 부분적 취약점으로 인해 낙석방지망이 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 문 제가 발생하여 매년 낙석 및 산사태로 인한 피해가 반복되 고 있다. 따라서 국내에서도 보다 높은 낙석에너지를 지지 할 수 있는 낙석방지망에 대한 연구가 필요할 것으로 판단
Fig. 1. Mechanism of load transfer in hexagonal net system Fig. 2. Installation of hexagonal net
된다.특히 이러한 다이아몬드 형상의 기존 낙석방지망은 시공 할 때 넓이에 대한 가변성이 크고 이로 인하여 낙석방지망 이 사면에 밀착되더라도 지지력이 저하될 뿐만 아니라 표면 이 울퉁불퉁한 사면에서 지주의 설치위치가 한정되는 문제 점이 있었다.
따라서 본 연구에서는 기존의 표준형 낙석방지망의 낙석 방호 실패 원인을 고찰하고 설계 시 예상 낙석에너지를 파 악하여 적정한 흡수에너지를 가진 육각 낙석방지망을 개발 하였으며 실내실험과 실대형실험을 통해 기존 낙석방지망 과의 성능차를 파악하는 것을 목적으로 한다.
2. 충격완화형 육각 낙석방지망
2.1 기존 낙석방지망의 문제점
현재 적용되고 있는 낙석방지망은 와이어로프와 철망이 주 구성요소이며 철망을 절토사면에 씌우고 그 위에 2 m
× 5 m 혹은 3 m × 3 m의 간격으로 종･횡와이어로프를 시공 하도록 되어 있으나 구조적 특성상 낙석방지망으로서 요구 되는 기능성을 확보하는데 많은 어려움이 있으며 이로 인해 크고 작은 망 터짐 사고가 발생하여 낙석보호시설로서 기능 을 상실하는 경우가 많이 보고되고 있다(Hoek, 1998). 또한 기존 낙석방지망의 파괴는 대부분 과도한 로프 간격으로 인 한 낙석하중 지지능력이 상실됨에 따라 발생하는 철망 터짐 과 낙석방지망 고정핀 이탈로 발생하고 있으며 와이어로프 의 파손은 거의 없는 것으로 조사되었다(Hungr & Evans,
1988).
기존 연구 결과를 참고하면 현재 시공되고 있는 낙석방 지망은 다음과 같은 문제점을 갖고 있는 것으로 판단된다.
먼저 기존 낙석방지망의 적층현상은 이완성이 없는 횡방향 와이어로프에 의해 발생하며, 적층현상이 심화될 경우 낙석 방지망과 사면과의 이격이 발생하여 더 많은 낙석과 대형 낙석의 발생을 초래할 우려가 있다. 또한 낙석이 횡방향 와 이어로프에 걸리면서 과도한 충격이 상대적으로 유연한 철 망에 급격히 전가되어 철망의 파손이 빈번하게 발생하는 문 제가 있다(Paronuzzi, 1989; Spang, 1995).
대규모 낙석이 발생한 경우에는 오히려 저항능력이 떨어 져 낙석방지망의 손상과 유실을 초래할 수 있으며 상단부 지지구조의 비효율성 문제도 지적되고 있다. 그 외에도 유 지관리의 어려움과 구조적인 비효율성, 고정핀의 암반 장착 력 부족 문제도 개선되어야 할 점으로 지적되고 있어 추가 적인 암반 이완으로 국부적 혹은 전체적 사면의 불안전에 중대한 문제점으로 지적되고 있다.
2.2 육각 낙석방지망의 기본 원리
낙석방지망에 적용되는 와이어로프를 이용함이 월등한 효과가 있음을 인식하면서도 강선을 꼬아 형성한 와이어로 프의 직조가 거의 불가능하다는 이유로 종래의 낙석방지망 은 철선을 합성수지로 피복시킨 직선형상의 피복철선을 지 그재그로 절곡하여 일정한 피치를 갖도록 하고 이러한 피복 철선을 회전시켜 순차적으로 피복철선과 피복철선의 절곡 부분이 상호 걸리도록 하여 제조하였다.
특히 기존 다이아몬드 형상의 낙석방지망은 시공할 때 넓이에 대한 가변성이 크고 이로 인하여 낙석방지망이 사면 에 밀착되더라도 지지력이 저하될 뿐만 아니라 표면이 울퉁 불퉁한 사면에서 지주의 설치위치가 한정되는 문제점이 있
(a) Hexagonal net (b) Rectangular net with conventional manner Fig. 3. Dimension of hexagonal and rectangular net for the laboratory tensile test
었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 육각 낙석방지망은 와이 어로프를 이용한 낙석방지망은 두 가닥의 와이어로프를 관 통시켜 합체하거나 분리하는 상하 한 쌍의 가이드구와, 상 기 상하 한 쌍의 가이드구 사이에 설치하여 가이드구를 탄 력 설치하는 한 쌍의 압축스프링과 상기 한 쌍의 압축스프 링 사이에서 와이어로프를 결합하여 지중에 고정시키는 중 앙지지구로 구성하였다.
또한 하측 가이드구의 하향으로 통과한 합체 상태의 와 이어로프를 좌우 대각선상으로 분리하고, 분리된 각각의 와 이어로프를 측방에서 합체되어 분리된 와이어로프와 함께 상측 가이드구로 다시 합체시킴으로써, 상기의 작업을 연속 적으로 반복하여 육각 형상의 낙석방지망을 형성시킨다.
따라서 본 공법은 두 가닥의 와이어로프를 가이드구에 끼워 합체하고, 합체된 와이어로프의 하측에 압축스프링을 끼운 다음 합체된 와이어로프를 중앙지지구의 가이드홈에 유도하여 고정시키고 중앙지지구의 하측에 압축스프링과 하측 가이드구를 결합한다.
지반 거동에 따른 붕괴나 낙석이 발생할 때, 와이어로프 가 팽창하면서 가이드구를 압박하여 압축스프링을 가압하 게 되고 이로 인하여 발생한 에너지를 흡수하여 지반을 안 정화시킬 뿐만 아니라 가이드구가 압축스프링이 외력에 의 해 측방향으로 벌어지는 것을 방지하여 효율적으로 탄력상 태를 유지시킬 수 있도록 한다.
또한 낙석방지망의 표면적이 늘어나면서 탄력적으로 지 반 거동 등에 따른 사면 붕괴나 낙석의 발생을 억제하는 효 과가 있는 것이다.
3. 육각 낙석방지망 인장강도 성능실험
3.1 실험개요 및 방법
낙석방지시설의 실대형실험방법은 사면낙석실험, 수직 낙하실험, 펜둘럼실험, 론칭실험 등이 있으나, 성능평가를 위한 낙석실험은 일관된 평가결과를 제시해야 하므로 현실 성과 실험의 반복성, 실험조건의 조정, 비용 등을 고려하여 가장 효과적인 방법을 고려할 필요가 있다.
따라서 동일한 조건하에 간편하게 실험이 가능하며, 하 중-변위관계에 의한 정량적인 실험데이타 획득이 가능한 인 장실험을 육각 낙석방지망과 사각 낙석방지망에 대하여 각 각 수행하고, 각각의 낙석방지망에 대해 하중-변위 특성에 대한 효과적인 비교･분석을 수행하는데 그 목적이 있다.
육각 낙석방지망과 사각 낙석방지망에 대해 각각 인장실 험을 수행하였으며, 인장실험을 위해 제작한 낙석방지망의 제원은 Fig. 3과 같다. 사각 낙석방지망과 육각 낙석방지망 모두 가급적 현장에서 시공되는 상황을 그대로 재현하기 위 해서 일반적으로 사용되는 치수를 적용하였으며 프레임을 제외한 내부 면에 한 세트의 낙석방지망이 위치하도록 설계 하였다.
낙석방지망 설치를 위한 고정틀을 H빔을 이용하여 제작 하였으며, 방지망을 인장하기 위한 유압실린더, 인장하중을 취득하기 위한 로드셀, 인장 시의 변위량을 측정하기 위한 줄 변위계, 인장 시의 변위 상세관측을 위한 고속영상촬영 장치 및 데이터 획득장치 등으로 구성되어 있다. 실험에 사 용된 장치구성은 Fig. 4에 정리하였다.
(a) Test frame and loading equipment (b) Load cell (c) Data acquisition unit (high speed camera) Fig. 4. Configuration of laboratory tensile test equipment
(a) Hexagonal net (b) Rectangular net Fig. 5. Tensile test of wire rope
Fig. 6. Load-displacement relationship acquired by tensile test
실험에 사용된 육각 낙석방지망의 구성 중 실험체로 이 용된 와이어는 실제 현장에서 사용하는 와이어보다 약 3 mm 정도 가는 직경 16 mm의 와이어를 사용하였으며, 스프 링과 와이어로프 클립을 이용하여 체결한 후 인발실험을 수 행하였다. 또한 일반적으로 널리 사용되고 있는 낙석망과 비교하기 위하여 동일한 방법으로 사각 낙석방지망에 대해 서도 실험을 실시하였다.
실내실험을 위해 H-빔으로 제작한 낙석망 고정틀에 1/5 축척으로 육각 와이어를 설치하여 로드셀이 부착된 인발장 치에 고정한 후 하중강도에 따른 낙석망의 변위를 측정하였 다. 일반적인 사각 낙석방지망에 대해서도 육각 낙석방지망 과 비교･분석을 위해 동일한 방법으로 인장실험을 수행하 였다.
3.2 실험결과 및 분석
본 연구에서는 조립구와 와이어로프 연결부, 주고정핀과 와이어로프 연결부위, 스프링형 지지, 장치와 와이어로프 연 결부위의 하중지지력을 유압장치를 사용하여 단계별 인장 하중을 재하하였다.
재하 하중은 유압장치에 설치된 로드셀로 측정하였고, 와 이어에 설치한 줄변위계를 이용하여 데이터로거에 자동으 로 취득되도록 연결하여 하중단계에 따른 낙석망의 변위를 측정하였다.
Fig. 6에 나타낸 바와 같이 사각 낙석방지망 실험 결과 변위가 하중증가에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보이 고, 32 mm의 변위가 발생한 지점에서 항복이 발생하였으 며, 항복하중은 약 27.44 kN인 것으로 나타났다.
스프링형 지지장치를 사용하지 않는 사각 낙석방지망의 경우 하중 재하와 동시에 와이어에 응력이 작용하는 것으로 나타나 실제 낙석발생 시 와이어에 직접적인 충격이 가해질
Fig. 7. Installation of strain gauge and targets for high speed camera
Fig. 8. Photo of full scale falling test
것으로 판단된다.완충장치가 장착된 육각 낙석방지망의 인발실험 결과 하 중이 재하되는 초기에는 하중단계에서 변위가 급격히 증가 하는 경향을 보이고 있으며, 변위량이 일정시점을 넘어서면 서 변위가 일정하게 증가하는 양상을 보이고 있다. 이는 완 충장치(스프링)의 영향에 의한 것으로 판단된다. 변위가 약 64 mm 발생한 지점에서 항복이 발생하였으며 이때 항복하 중은 약 43.12 kN인 것으로 나타났다.
따라서 육각 낙석방지망의 스프링형 지지 장치를 사용하 는 경우 낙석발생 시 와이어로프에 직접적으로 재하되는 하 중을 완화하여 소성파괴에 대한 우수한 저항효과를 나타내 고 있는 것을 알 수 있다.
4. 낙석방지망을 이용한 실대형낙하실험
4.1 실대형실험 개요
실대형실험에서는 고속영상기반 측정 장비와 변위계를
이용하여 충격하중에 따른 순간 변위와 각 와이어로프에 걸 리는 변위를 측정하였다(Fig. 7).
순간적인 충격하중이 작용하였을 때 낙석방지망의 거동을 측정하기 위한 초고속 카메라는 기본적인 900 × 700 Pixels 로 32～1,250 fps로 촬영 가능한 측정 장비이다. 초고속 카 메라를 이용한 분석은 구조물과 90°의 방향으로 촬영을 하 는 것을 기준으로 하며 오차를 줄일 수 있는 방법이기도 하 다. 초고속 카메라 분석 시 필요한 Target을 스트레인 게이 지 옆으로 유색을 띠는 표식을 설치하여 촬영하였다. 실대 형실험치 초고속 촬영은 실험시간을 고려하여 64 fps로 촬 영하여 분석하였다.
와이어로프에 걸리는 변위는 스트레인 게이지를 활용하 였다. 게이지는 각 와이어로프별로 설치되어 상호 비교 및 분석이 가능하도록 위치를 결정하였으며 데이터로거를 통 해 취득하도록 계획하였다.
Fig. 8은 실험에 사용된 낙석모형과 실대형실험전경을 보 이고 있다. 낙석모형은 약 2.94 kN의 콘크리트 박스를 사용 하고 무게의 증감이 가능하도록 분리형으로 제작하여 결합 할 수 있도록 하였다. 낙석방지망은 육각형과 사각 낙석방 지망을 실제 스케일로 제작하였으며 콘크리트 박스형의 낙 석모형을 이용하여 6.86～20.58 kN까지 하중을 증가시키면 서 1.5 m의 높이에서 자유 낙하시켰다. 각 하중에 따른 변위 와 변위양상을 계측하여 두 형태의 낙석방지망의 성능을 평 가하고자 하였다.
4.2 실험결과 및 분석
4.2.1 변형률 게이지를 통한 변위 측정 결과
Fig. 9는 육각 낙석방지망에 설치한 스트레인 게이지로부 터 획득한 콘크리트 구조물 하중에 대한 변위를 보여주고 있으며, 각 위치별로 시간과 신호를 Furier급수로 변환한 FFT를 나타내고 있다. FFT는 하중에 대해 낙석방지망이 견 디는 힘을 시간-진폭의 관계에서 진폭의 크기로 판단할 수 있는 지표이다.
콘크리트 구조물 하중의 재하 시 육각 낙석방지망의 평 균적인 변위량은 약 608.59 mm, 사각 낙석방지망의 변위는 767.95 mm로 나타났으며, 시간 - 진폭의 관계 곡선에서 스 트레인 게이지 Channel 1에서 5까지 진폭을 분석한 결과 최 대값 평균은 육각 낙석방지망의 경우 13,160 dB, 사각 낙석 방지망의 경우 7,120 dB로 나타났다.
실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지장치에 의해 응력이 완화되 어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면 사 각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 와이어
(a) Hexagonal net (b) Rectangular net Fig. 9. FFT transformed strain acquired by full scale testing
로프에 작용함으로써 하중에 대한 저항력이 육각 낙석방지 망보다 효율이 적은 것으로 판단된다.
4.2.2 고속영상기반 측정 장치에 의한 변위 측정결과 Fig. 10은 고속영상장치를 이용하여 낙석방지망의 변위 및 거동을 측정한 결과를 보여주는 것으로 육각 낙석방지망 에 콘크리트 구조물 하중 6.86 kN, 13.72 kN, 20.58 kN을 재하했을 때의 변위로 각 하중별 변위량을 나타내고 있다.
고속영상기반 측정장치를 이용한 변위량 분석결과 콘크
리트 낙석규모 6.86 kN에서 육각 낙석방지망과 사각 낙석방 지망의 변위량 차이는 미미한 것으로 나타나고 있으나, 낙 석규모가 13.72 kN, 20.58 kN으로 증가할수록 사각 낙석방 지망의 변위는 육각 낙석방지망의 변위보다 각각 42 %, 264 % 증가하는 것으로 나타났다. Fig. 9에서 확인할 수 있듯이 충 격이 가해지는 시점에서는 완충장치의 이완에 의해 일시적 으로 큰 변위와 진폭이 관찰되지만, 충격에너지가 완전하게 소산된 이후 관찰한 최종 변위에서는 대체적으로 육각 낙석 방지망이 변위 감소에 큰 효과를 보이는 것으로 생각된다.
(a) Hexagonal net
(b) Rectangular net
Fig. 10. Displacement of net acquired by high speed camera
결국 육각 낙석방지망에 설치된 스프링형 지지장치에서 낙 석을 모사한 콘크리트 구조물의 하중이 완화되어 와이어로 프에 작용하는 응력의 크기 및 충격의 감소가 크기 때문인 것으로 판단된다.
5. 결 론
(1) 실대형실험결과 낙석과 같은 하중 재하 시 육각 낙석방 지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지장치에 의해 응 력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면, 사각 낙석방지망의 경우 작용하는 응력이 직접적으로 와이어로프에 작용함으로써 하중에 대한 저항력이 육각 낙석방지망보다 효율이 적은 것으로 판 단된다.
(2) 낙석방지망 종류에 따라 낙하실험을 실시하고 고속영 상기반 측정 장치를 이용한 변위량 분석결과 콘크리트 낙석규모가 증가할수록 사각 낙석방지망의 변위는 육 각 낙석방지망의 변위 보다 증가하는 것으로 나타났다.
이는 육각 낙석방지망에 설치된 스프링형 지지장치에 서 낙석을 모사한 콘크리트 구조물의 하중이 완화되어 와이어로프에 작용하는 응력의 크기 및 충격의 감소가 크기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 완충장치가 장착된 육각 낙석방지망의 실내 인발실험 결과 하중이 재하되는 초기에는 하중단계에서 변위가 급격히 증가하는 경향을 보이고 있으며, 변위량이 일정 시점을 넘어서면서 변위가 일정하게 증가하는 양상을 보이고 있다. 이는 완충장치의 영향에 의한 것으로 판단 된다. 따라서 육각 낙석방지망의 스프링형 지지장치를 사용하는 경우 낙석 발생 시 와이어로프에 직접적으로 재하되는 하중을 완화하여 소성파괴에 대한 우수한 저 항효과를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
감사의 글
이 논문은 2013학년도 경북대학교 학술연구비에 의하여 연구되었습니다.
References
