Performance Analysis of Steel-FRP Composite Safety Barrier by Vehicle Crash Simulation

충돌 시뮬레이션을 활용한 강재-FRP 합성 방호울타리의 성능평가 Performance Analysis of Steel-FRP Composite Safety Barrier

by Vehicle Crash Simulation

이민철*

Lee, Min-Chul ‧ 권기영** Kwon, Ki-Young ‧ 김승억*** Kim, Seung-Eock

(Received November 25, 2011 ; Revised November 30, 2011 ; Accepted December 2, 2011) ABSTRACT

In this study, the performance of a steel-FRP composite bridge safety barrier was evaluated through vehicle crash simulation. Surface veil, DB and Roving fibers were used for FRP. The MAT58 material model provided by LS-DYNA software was used to model FRP material. Spot weld option was used for modeling contact between steel and FRP beam. The structural strength performance, the passenger protection performance, and the vehicle behavior after crash were evaluated corresponding to the vehicle crash manual. As the result, A steel-FRP composite safety barrier was satisfied with the required performance.

요 지

본 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 강재-FRP 합성 교량용 방호울타리의 성능을 분석하였다. FRP는 Surface veil, DB 그리고 Roving 섬유로 구성하였다. FRP의 적층을 고려하기 위해 LS-DYNA에서 제공하는 재료모델 MAT58을 사용하였다. 강관과 FRP의 접촉조건을 고려하기 위해 Spot weld 옵션을 사용하였다. 실차충돌 실무 업무편람에 따 라 구조적 강도성능, 탑승자 보호성능 및 충돌 후 차량의 거동에 대한 성능평가를 실시하였다. 강재-FRP 합성 방호 울타리는 성능평가를 만족하였다.

Key Words:: Steel-FRP Composite(강재-FRP 합성), Bridge Safety Barrier(교량용 방호울타리), Crash Simulation(충돌

시뮬레이션), Vehicle Crash(차량 충돌)

*

학생회원

세종대학교 토목환경공학과 석사과정

책임저자

[email protected])

^학생회원

세종대학교 토목환경공학과 석사과정

***

정회원

세종대학교 토목환경공학과 교수

1. 서 론

Reid와 Sicking(1998) 및 Coon과 Reid(2006)는 차량 충 돌 시험과 유한요소해석을 통해 박판이 부착된 충격 흡 수용 방호울타리를 연구하였다. Atahan과 Cansiz(2005) 는 차량 충돌 시험 및 충돌 시뮬레이션을 통해 W-beam 방호울타리와 Thrie-beam 방호울타리를 비교 연구하였 다. 윤태양 등(2002)은 실물 차량 충돌 시험과 유한요소 해석을 통해 강재 교량용 방호울타리의 성능을 평가하였 다. 고만기와 김기동(2001)은 정적 실내 실험, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실물 충돌 시험을 통해 W-beam 방호울타 리 시스템과 충격 흡수재를 이용한 Thrie-beam 방호울타 리 시스템을 비교 연구하였다. 위 논문에서는 차량 충돌 시험 및 충돌 시뮬레이션을 통해 강재 방호울타리의 성 능을 분석하였다.

Davids 등(2006)은 휨-인장 실험과 충돌 시뮬레이션을 통해 FRP보강목재 방호울타리를 비교 연구하였다. FRP보

강목재 방호울타리는 기존의 강재 방호울타리에 비해 강 도성능이 뛰어나고 환경 친화적이며 미관이 우수하지만 목재 연결부위가 쉽게 쪼개지고 목재의 단면이 커서 경 제성이 떨어지는 단점이 있다. 김승억 등(2009)은 컴퓨 터 시뮬레이션을 활용하여 강재 방호울타리와 FRP 방호 울타리의 성능을 비교 평가하였다. 김승억 등(2011)은 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 교량용 FRP 방호울타리의 성능을 분석하였다. 위 논문에서는 FRP 혹은 FRP보강목 재로 이루어진 방호울타리에 대해서 연구가 수행되었다.

본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 강재 -FRP 합성 방호울타리의 성능을 분석하였다. 방호울타리 는 실물 충돌 시험에 의하여 성능을 평가하는 것이 정확 하나, 실물 충돌 시험에 비용과 시간이 많이 소요된다.

유한요소 기법을 활용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하면

비용과 시간을 최소화할 수 있다.

2. 강재-FRP 합성 방호울타리 제원

2.1 지주의 제원

방호울타리는 지주, 리브, 상단빔, 하단빔, 앵커볼트, 콘크리트 연석으로 구성되어 있다. 지주의 높이는 750mm, 콘크리트 연석의 높이는 250mm로 되어있다. 방호 울타리 전면과 연석 전면의 거리는 약 150mm이다.(도로 안전시설 설치 및 관리지침 2008) 지주 및 리브는 용접 구조용 강재인 SM400으로 되었으며 두께가 각각 6mm, 12mm이다. Fig. 1은 강재-FRP 합성 방호울타리의 정면 도이며, Fig. 2는 방호울타리 지주와 연석의 측면도이 다.

Fig. 1 교량용 방호울타리 지주 정면도

Fig. 2 교량용 방호울타리 지주 및 연석 측면도

2.2 강재-FRP 합성빔의 제원

강재-FRP 합성빔의 단면을 Fig. 3에 나타내었다. 합성 빔은 강재 4.5mm, FRP 2.8mm로 구성되어 있다. 강재는 구조용 강재인 SS400을 사용하였고, FRP는 서피스 베일 (surface veil), DB(Double Bias), 로빙(roving)섬유로 이루어져있다. Table 1에 surface veil, DB, roving 섬 유를 사용한 직물의 구성을 제시하였다. 사용된 FRP의 물성치는 Table 2와 같다.

Fig. 3 강재-FRP 방호울타리 빔 단면

Table 1 직물의 구성

직물 형상 Orientation 비고

surface veil 0° 1축 방향

DB +45°

-45° 2축 방향

roving#4400 0° 1축 방향

Table 2 FRP의 평균 물성치

구분 값



(x방향 탄성계수) 16.457  



(y방향 탄성계수) 6.636  



(전단탄성계수) 1.294  



(x방향 인장강도) 356.7  



(x방향 압축강도) 180.2  



(y방향 인장강도) 99.14  



(y방향 압축강도) 281.7  

 (전단강도) 170.4  

3. 차량 충돌 시뮬레이션

3.1 해석 프로그램

본 연구에서는 충돌 시뮬레이션 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다. LS-DYNA는 1980년 후반 LSTC사의 설립과 함 께 다양한 접촉 문제와 충돌 해석 분야의 광범위한 적용 등을 통해 안정성이 입증된 프로그램이며, 특히 교량용 방호울타리와 차량 부재 모델링에 유용한 요소들을 가지 고 있다.

3.2 모델링

3.2.1 방호울타리 모델링

모델링은 방호울타리 빔, 지주, 리브, 연석, 앵커볼트 로 구성되어 있다. 충돌 후 차량의 진행을 고려하기 위 해 실제 충돌 시험 시 교량용 방호울타리 설치 길이와 동일한 방호울타리의 길이인 30m를 모델링하였다. 지주 의 간격은 2m로 모델링 하였다. 사용 요소 수는 총 172,640개다. Fig. 4는 3차원 방호울타리 모델링을 나타 내었다.

Fig. 4 3차원 강재-FRP 합성 방호울타리 모델

LS-DYNA에서 제공되는 쉘 요소모델 중 Belythchko -Tsay 모델을 사용하여 빔, 리브 및 지주를 모델링하였 다. 요소 형상 및 개수는 해석시간에 큰 영향을 준다.

따라서 요소 모양을 최대한 정사각형에 가깝게 모델링하 되 해석시간을 고려해서 중요도가 상대적으로 낮은 부분 은 aspect ratio가 8 이하인 직사각형 요소를 사용하였 다. 방호울타리의 리브와 지주는 일반적인 강재를 사용 하기 때문에 탄소성 재료모델인 MAT 3 (MAT_PLASTIC_KINEMATIC_TITLE)을 사용하였다. 합성빔에 사용되는 강재는 지주와 동일한 재료모델을 사용하였고, FRP는 섬유를 표현하기 가장 적합한 재료모델 MAT 58 (MAT_LAMINATED_COMPOSITE_FABRIC)을 사용하였다. 연석 및 앵커볼트는 LS-DYNA에서 제공되는 솔리드 요소모델 중 Constant stress solid element 모델을 사용하여 모 델링하였다.

3.2.2 차량 모델링

미국의 NCAC(National Crash Analysis Center)가 제공 하는 1.3톤의 승용차(Dodge Neon)모델과 16톤 트럭(CME - HGV truck)모델을 사용하였다. 승용차는 31,355개의 요소로 이루어졌고, 트럭은 33,297개의 요소로 이루어졌 다. 트럭의 경우 제공된 모델의 중량이 16톤으로 “차량 방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람”의 충돌 차량 기 준인 14톤과 일치시키기 위하여 짐칸의 집중질량을 2톤 감소시켰다. 3차원 차량 모델은 Fig. 5와 같다. 도로와 차량 바퀴는 LS-DYNA의 라이브러리에서 제공하고 있는 RIGIDWALL -PLANAR를 사용하여 접촉조건을 부여하였다.

(a) 승용차

(b) 트럭 Fig. 5 3차원 차량 모델

3.3 접촉조건

3.3.1 차량과 방호울타리의 접촉조건

차량이 방호울타리에 충돌 시 차량과 방호울타리의 마

찰계수는 AUTO-SURFACE-TO-SURFACE 옵션을 이용하여

Table 3과 같이 적용하였다.(Eugene A. Avallone ,2006)

Table 3. 차량과 방호울타리의 마찰계수

구분

승용차 트럭

정지마찰

계수 운동마찰

계수 정지마찰

계수 운동마찰

계수 강재-FRP 합성

방호울타리 0.2 0.1 0.2 0.16

3.3.2 도로와 차량 바퀴의 접촉조건

도로에 대한 바퀴의 마찰계수는 주행방향은 주행 중 마찰계수인 0.01을 적용하였고(Engineering Dynamics Corporation, 1994), 주행수직방향은 고무와 아스팔트의 마찰계수인 0.25를 적용하였다.(Eugene A, 2006) 이를 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6 도로와 차량차체의 접촉조건

3.3.3 FRP 빔과 강재 빔의 접촉조건

충돌 시뮬레이션에 사용된 빔은 강재와 FRP가 합성된 빔으로 일체거동을 한다. 합성빔을 모델링하기 위해 적 합한 옵션을 찾는 연구가 선행되었으며, Fig. 7과 같이 강재빔과 FRP빔 사이에 Spot weld 옵션을 적용시켜서 일 체로 거동하도록 하였다.

Fig. 7 FRP 빔과 강재 빔의 접촉조건

3.3.4 방호울타리 빔과 지주의 접촉조건

방호울타리 빔과 지주의 Penetration 현상을 막기 위 해 Fig. 8과 같이 AUTO-SURFACE-TO-SURFACE 옵션을 적용 하여 접촉조건을 부여하였다.

Fig. 8 방호울타리 빔과 지주의 접촉조건

3.3.5 앵커볼트와 지주의 접촉조건

차량이 방호울타리에 충돌 후 앵커볼트와 지주와의 접촉 을 고려하기 위해 Fig. 9와 같이 AUTO-SURFACE-TO-SURFACE 옵션을 적용하였다.

Fig. 9 앵커볼트와 지주의 접촉조건

3.3.6 베이스 플레이트의 접촉조건

베이스 플레이트, 지주 그리고 리브 플레이트간의 용접 부위는 Spot weld 옵션을 사용하였다. 그 외에 베이스 플 레이트, 리브 플레이트, 지주 및 연석간의 접촉면을 고려 하기 위하여 AUTO-SURFACE-TO-SURFACE 옵션을 적용하였다.

이를 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10 베이스 플레이트의 접촉조건

3.4 경계조건

콘크리트 연석 및 앵커볼트의 변위와 회전을 구속하였 다. 도로는 강체로 모델링 하였으며, 이를 Fig. 11에 나 타내었다.

Fig. 11 콘크리트 연석과 앵커볼트의 경계조건

3.5 충돌조건

건설교통부의 차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편 람에 근거하여 SB4등급의 차량 충돌 시험 조건에 따라 승용차의 중량은 1.3ton으로 적용하였고 트럭은 14ton을 적용하였다. 승용차의 충돌 속도는 80km/hr를 적용하였 으며, 방호울타리에 대한 충돌 각도는 20도를 적용하였 다.(Fig. 12) 트럭의 충돌 속도는 65km/hr를 적용하였으 며, 충돌 각도로 15도를 적용하였다.(Fig. 13)

Fig. 12 승용차의 충돌 각도

Fig. 13 트럭의 충돌 각도

3.6 성능평가

3.6.1 구조적 강도성능

트럭 충돌 시 교량용 방호울타리가 강도기준을 만족한다 면 중량이 작은 승용차 충돌의 경우는 자연히 강도기준을 만족하게 되므로 구조적 강도성능기준은 트럭을 대상으로 평가를 하였다. 시간에 따른 빔과 지주의 변위를 Fig. 14 에 나타내었다. 충돌 시 상단빔에서 110.4mm, 하단빔에서 105mm 그리고 지주에서 84.9mm의 순간 최대 변위가 발생하 였다.(Fig. 15, 16) 충돌 후 잔류 변형이 상단빔에서 102.2mm, 하단빔에서 101.3mm 발생하였다. 방호울타리의 변형은 성능 기준에서 제시된 최대 충돌 변형 300mm 이하 를 만족하였다. 트럭의 앞 범퍼에 최대 184mm의 변형이 발 생하였다. 방호울타리와 트럭의 충돌 시 변형정도를 Fig.

17에 나타내었다.

Fig. 14 방호울타리 빔과 지주의 변위 비교

단면 A-A Fig. 15 트럭 충돌 시 방호울타리의 변형

(a) 상단빔 (b) 하단빔

Fig. 16 트럭 충돌 시 방호울타리 빔 단면 변형

Fig. 17 방호울타리와 트럭의 충돌 시 변형

3.6.2 탑승자 보호성능

트럭의 경우 차체의 중량이 크기 때문에 방호울타리와 충돌 시 운전자에게 충격이 작다. 그러나 승용차의 경우 차체의 중량이 작기 때문에 방호울타리와 충돌 시 운전 자에게 충격이 커서 트럭에 비해 탑승자가 더욱 위험하 다. 따라서 탑승자 보호성능의 평가는 승용차에 대하여 실시된다.

탑승자 충돌속도(THIV)는 차량이 차량방호 안전시설에 충돌할 때 탑승자의 충격 위험도를 평가하는 지수로서 운전자나 탑승자의 머리가 충돌시 속도와 각도로 등속운 동을 한다고 할 때 차량의 좌,우 공간에 부딪힐 때까지 이동하는 속도를 말한다. 탑승자 가속도(PHD)는 탑승자 가 1차 충돌로 인해 발생되는 2차 충돌로 탑승자가 차량 내부에 부딪힐 때 머리가 받게 되는 순간 가속도 값을 의미한다. THIV와 PHD는 충돌해석 결과로부터 건설 교통 부의 차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무 편람에 따라 산정할 수 있다. 적분에 사용한 시간간격은 0.002초이며 탑승자가 내부공간의 가상 면에 부딪힐 때 머리가 받는 최대가속도인 PHD를 구하기 위해 10msec 평균 중 최대치 를 PHD로 선정하였다. 머리는 충돌 후 순간적으로 변위 를 많이 일으키지 않으며 연속적으로 움직이기 때문에 LS-DYNA에서 제공하는 저주파 통과 필터인 Average 필터 옵션을 통해 10 point number로 필터링 하였다.

THIV와 필터링 된 PHD에 대한 그래프를 Fig. 18에 나 타내었다. 차량이 전복되지 않으므로 yawing effect는 고려하지 않았다.(건설교통부, 2001) 강재-FRP 합성 방 호울타리는 THIV 21.8km/hr, PHD 11.9g로서 탑승자 보호 성능 기준치 THIV 33km/hr, PHD 20g를 만족하였 다.(Table 4) 방호울타리와 승용차의 충돌 시 변형은 Fig. 19에 나타내었다.

(a) THIV

(b) PHD Fig. 18 THIV, PHD Table 4. 탑승자 보호 성능 비교

구분 해석 수치 계산된 시점

THIV(km/hr) 21.8 1.06

PHD(g) 11.9 2.02

성능평가기준 THIV : 33km/hr 이하, PHD : 20g 이하

평가 만족

Fig. 19 방호울타리와 승용차의 충돌 시 변형

3.6.3 충돌 후 차량의 거동

충돌 후 차량의 거동은 승용차 및 트럭에 대해서 각각 성능평가 기준을 만족하였다. 이에 대한 자세한 결과는 Table 5에 나타내었다. 승용차와 트럭의 충돌 후 차량 거동을 Fig. 20과 Fig. 21에 나타내었다.

Table 5. 충돌 후 차량 거동 비교

성능평가 기준 성능평가 결과

이탈 속도가 충돌 속도의

60%이상 승용차: 83.5%

트 럭: 84.6%

이탈 각도가 충돌 각도의

60%이하 승용차: 36.8%

트 럭: 50.8%

전도 유무 전도 없음

평가 만족

0.0 sec

0.1 sec

0.2 sec

0.3 sec

Fig. 20 충돌 후 승용차 거동

0.0 sec

0.3 sec

0.6 sec

0.9 sec

Fig. 21 충돌 후 트럭 거동

4. 결 론

본 논문에서는 강재-FRP 합성 방호울타리의 성능을 평 가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 강재-FRP 합성 방호울타리는 파괴가 일어나지 않았고, 구조적 강도 성능 기준을 만족하였다. 충돌 시 상단빔에서 110.4mm, 하단빔에서 105mm 그리고 지주에서 84.9mm의 순간 최대 변위가 발생하였다. 방호울타리의 변형은 성능 기준에서 제시된 최대 충돌 변형 300mm 이 하를 만족하였다.

둘째, 강재-FRP 합성 방호울타리는 THIV 21.8km/hr, PHD 11.9g로서 탑승자 보호 성능 기준에서 제시된 기준 치 THIV 33km/hr, PHD 20g를 만족하였다.

셋째, 충돌 후 차량의 거동은 승용차 및 트럭에 대해 서 각각 성능평가 기준을 만족하였다.

강재-FRP 합성 방호울타리는 차량방호 안전시설 실물

충돌시험 업무편람에 따른 방호울타리의 모든 성능평가

기준을 만족하였다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부 국토해양기술연구개발사업(한국 건설교통기술평가원 건설기술혁신사업)의 연구비지원(과 제번호 기술혁신B01)과 2011년도 정부(교육과학기술부) 의 재원으로 한국연구재단의 지원(NO. 2011-0030847)을 받아 수행되었습니다.

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