ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.2.123
119 구급자동차의 구조해석을 통한 내부 설계 안전성 검증에 관한 연구
신동민 · 김형욱* · 한용택**
†
한국교통대학교 응급구조학과, *4DM, **한국소방산업기술원
Validation of Inside Design Safety for the 119 Ambulance using a Structural Analysis
Dong-Min Shin · Hyung-Wook Kim* · Yong-Taek Han**
†
Dept. of Paramedic Science, Korea National Univ. of Transportation
*4DM
**Korea Fire Institute
(Received January 12, 2016; Revised March 8, 2016; Accepted March 30, 2016)
요 약
본 연구는 새로운 차체를 이용 구급자동차 내부 공간의 디자인 작업에 따른 차량 내부의 구조해석을 수행한 결과로서, 해외 기준 및 디자인된 구급자동차를 바탕으로 3D 설계 작업을 수행하였다. 또한, 차체 및 구급자동차 내부에 대하여 10G 의 충격을 가한 후 이에 따른 구조해석 결과를 살펴보았다. 이때 부품의 자중과 구성품의 무게를 고려하여 유럽의 EN 규정에 따라 해석을 수행하였다. 구조해석 결과, 차량 내부의 프레임과 각종 파이프로 구성되어진 핸드레일은 비교 적 큰 응력의 하중은 받지 않았으나 내장 판넬과 캐비넷류는 50 MPa 이상의 큰 응력을 받는 것으로 해석되었다. 이에 따른 보강 설계를 실시하는 경우에는 두께 및 형상의 수정이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 이와 같은 연구 결과 를 바탕으로 국내 구급자동차를 이용하는 구급대원 및 차량내부의 환자에게 보다 안전한 차량을 제작하는 기초자료가 될 수 있을 것이라 기대된다.
ABSTRACT
This study is the result of performing structural analysis in accordance with the new ambulance design of inside space using the new vehicle’s bodywork. 3D design works were performed based on international standards and designed ambu- lance. And then it was tested by a shock of 10G to the ambulance car inside with respect to the vehicle body after that we looked into the consequences. At this time, it was carried out in consideration of its own weight and the weight of compo- nents according to the EN regulation. From the result of structural analysis, the internal frame and configured handrail in a variety of pipe did not have a relatively large stress load, but internal panel and cabinets has been interpreted to receive a large stress load at least over 50 MPa. When carried out reinforcement design in accordance with this analysis, the modifi- cation of thickness and shape could be necessary. On the basis of these findings, it is also expected that there could be a useful information to produce a more secure vehicle for paramedics and patients using a ambulance inside the vehicle.
Keywords : Fire-fighting ambulance, 3D Modeling, Structural analysis
1. 서 론
국내 구급차는 「도로교통법 제2조 제20호」에 긴급자 동차로 분류되며 「응급의료에 관한 시행규칙 제38조 제1 항」에서는 일반구급차와 특수구급차로 구분이 된다. 일반 구급차는 위급의 정도가 중하지 아니한 응급환자의 이송 에 주로 사용되며 기본적인 의료장비 및 구급의약품을 갖 춘 구급차를 말하며, 특수구급차는 위급의 정도가 중한 응
급환자의 이송에 적합하도록 의료장비, 구급의약품, 의료 인 및 의료기관과 통화 할 수 있는 통신장비를 갖춘 구급 차를 말한다(1). 그리고 「구급차의 기준 및 응급환자 이송 업의 시설 등 기준에 관란 규칙 제 2 조, 제 1 항」 구급차 의 형태에서 구급자동차는 자동차 관리법 제 3 조의 규정 에 의한 승합자동차 또는 화물자동차로서 지붕구조의 덮 개가 있어야 한다고 되어 있다. 「자동차관리법 제3조」 자 동차의 종류에서 자동차는 자동차의 크기 · 구조, 원동기
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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TEL: +82-31-289-2957, FAX: +82-31-287-9067
의 종류, 총배기량 또는 정격출력 등 국토해양부령으로 정 하는 구분기준에 따라 승용자동차, 승합자동차, 화물자동 차, 특수자동차 및 이륜자동차로 구분한다. 여기에서 「자 동차관리법시행규칙 제2조」 자동차의 종별구분 별표 1중 유형별 세부기준을 보면 승합자동차 특수형과 특수자동차 특수형으로 분류되어 있다(2).
국내의 소방서에 배치된 유형은 3가지 종류로 분류할 수 있는데 첫 번째 화물차 개조, 두 번째 승합차 개조, 그 리고 세 번째 외국차 개조로 구분할 수 있다. 2013년 소방 방재청 ‘소방장비통계자료’에 조사된 전국의 구급차 대수 는 총 1330대이며 화물차 개조 438대(32.9%), 승합차개조 738대(55.5%), 외국차 개조 154대(11.6%)로 승합차 개조 가 절반이상을 차지하고 있는 상황이다(3,4).
또한, 간략히 정리하면 국내에는 승합차를 개조한 일반 구급차와 화물차량을 개조한 특수구급차 등 2종류의 구급 차가 운행되고 있으나 이들 차량에 대한 구체적인 제작기 준이나 운행규정 등이 없는 실정이고 구급차량에 대한 안 전도 기준, 환자 응급처치에 대한 공간 규정, 안락성, 편의 성 등에 대한 규정이 없어 구급차를 이용하는 응급환자나 구급차에 직접 탑승하는 구급대원들의 민원이 많이 발생 하고 있다(5).
따라서 본 연구에서는 H 350 차량을 이용한 ‘119 구급 자동차의 환자실 내부 디자인 개발에 관한 연구’에서 나온 구급자동차의 디자인의 결과에 따른 계속된 연구로서 구 급차의 실내 부분에서 중요한 부분이 되는 진동, 소음 및 좌우 롤링에 있어서는 실제의 차량을 이용한 구급차량의 모델이 개발되기 전에는 정량적인 값을 제시하기에는 어
려움이 있으나, 디자인 및 설계도를 활용하여 향후 차체 및 개선사항에 대해서 규정 및 기술 기준 등을 통해서 나 아갈 방향에 대해서 참고가 될 수 있는 구급차량의 설계에 있어 기본적인 데이터를 확보하고자 하는데 목적이 있다(6). 구급차 차체구조 및 하중에 있어서는 외국이나 국내에 서도 화물차를 포함하는 기본적인 차체를 이용하고 있으 므로 기존 및 신규 구급차에 대한 롤링이나 진동에 대한 검사를 시행해야 할 필요성을 제시하는 바이다(7,8). 또한, 현재 차체의 제원은 구체적으로 나와 있는 상태는 아니므 로 외부에서의 구조해석은 어려울 것으로 판단이 되나, 내 부 구조 해석상에서는 EN 규정의 10G (Gravity) 이상의 충격에 견딜 수 있는 구조이어야 하므로, 이 이상의 충격 에 준하는 내부에서의 구조해석을 수행하고자 한다(9).
그리고, 구급차 기준을 너무 강화하거나 외국 사례에 의 존할 경우 구급차량 수입으로 편중될 가능성이 있는 실정 이며, 또한 구급차 기준을 외국 사례 분석이 없이 강화할 경우 FTA나 통상 기준에 위배될 가능성이 있다. 따라서 이에 대한 세심한 고려가 필요하다고 말할 수 있다.
Figure 1에서는 ‘119 구급자동차의 환자실 내부 디자인 개 발에 관한 연구’로 채택된 구급자동차의 환자실 내부공간 의 디자인 결과를 보여주고 있다(6).
2. 연구 방법
2.1 수치해석 모델 및 수치해석
공학모델이 수립되면 컴퓨터를 사용하여 구성 부품의 재료를 포함한 3D 모델을 작성하고, 유한요소해석과 같은 Figure 1. The inside design model of 119 ambulance.
수치해석 방법을 적용할 수 있도록 이산화하고, 물성치와 경계 조건 등을 적용하여 해석 모델로 변환하고 해석을 수 행하며 해석결과를 검토하여 검증과 평가를 하게 된다. 이 러한 유한요소해석 모델은 메시 즉 절점 및 요소, 구설 재 질의 성질 즉 물리적인 성질, 기계적인 성질 및 해석에 필 요한 역학적인 특성을 반영하는 자료, 구속조건 하중조건 으로 구성된다(10).
본 연구에서는 구조해석의 프로그램으로는 ANSYS- Mechanical을 사용하였으며, 차체는 차대 제작사에서 보 증한다는 조건으로 구성품 위주로 해석을 수행하였으며, 선행 해석 후 재료별 허용 응력과 비교하였다. 도어와 파 이프 등은 마운팅 위치 고정 후 별도로 해석을 수행하였으 며, 구급차 내에 들어가는 주들것 및 접이식 의자 등 완성 품의 경우 제작사에서 안전성의 검증이 완료된 것으로 간 주하고 해석에서 제외하였다. 유한 요소 해석을 위한 전체 메시는 819,974개를 생성하였고, Figure 2에서는 메시 생 성 및 형상에 대한 모습을 보여주고 있다(11).
2.2 국내외 구조해석 규정
본 연구개발에 앞서 구급차와 관련된 구조물 또는 부품
등에 관련된 규정을 우선적으로 검토하였으며, 이는 연구 수행에 있어서 구조해석의 기준을 설정하여 과제 수행에 서 설계에 표준이 될 새로운 구조해석 기준을 제시하기 위 한 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대한다.
구급차의 내부 고정 장치의 유럽의 규정을 살펴보면 EN1789;2007+A2;2014(E)의 6.3.5 고정장치와 관련이 있 으며 내용으로서는 가속 또는 감속의 경우 앞/뒤로 10G의 하중에서 이상이 없어야 하며, 차량의 회전의 경우 왼쪽과 오른쪽, 수직 방향으로 10G의 하중에서 이상이 없어야 한 다고 조사되었다(9). 또한, EN1846-2;2001의 ‘5.1.2.2.2 소 방대원의 안전’ 규정을 살펴보면, 사고 또는 비상 제동시 에 장비가 우발적으로 떨어져 나오는 것을 방지하기 위하 여 이동 방향으로 10G의 감속을 지탱할 수 있도록 장비를 물리적으로 분리시키거나 잠금장치를 갖추어야 한다고 파 악되었다(12).
한편 안전띠의 규정을 살펴보면 국내의 기준으로 ‘자동 차 및 자동차 부품의 성능과 기준에 관한 규칙’의 제27조, 제112조의 3, 별표16의 정지 상태에서의 하중에 관한 규 정내용으로서 안전띠 너비는 인장하중 9,800 N의 하중에 서 너비 46 mm 이상이고, 안전띠 인장강도의 파단하중을 14,700 N 이상이어야 한다고 나타나 있다. 또한 움직이는 상태에서의 하중에 관한 규정 내용으로 중력가속도의 30 배의 관성하중으로 시험하였을 때 손상이 없어야 하며, 버클 또는 장금 장치가 풀리지 않아야 하며, 인체 모형의 이동량으로 골반부는 80 mm 이상 200 mm 이하, 흉부는 100 mm 이상 300 mm 이하여야 한다고 나타나 있다(13).
본 연구에서는 구조해석의 여러 요소들의 적용에 대한 객 관화를 위해서 국내외의 구급자동차 및 소방차의 제작 기준 을 조사하여 구급자동차에 적용할 수 있는 EN1789;2007+
A2;2014(E)에 대한 기준을 적용하였다(9). 2.3 구조해석을 위한 경계조건 및 적용부품
구급차 내부의 캐비넷 도어와 루프 적재함 도어의 경우 Figure 2. Mesh generation and geometry.
Figure 3. The upper holder and hand rail restraint position.
힌지와 락장치의 위치를 구속하였고, 파이프(핸드레일)의 경 우 마운팅 위치를 모두 구속하였다. Figure 3은 상부 수납함 의 도어 구속위치와 파이프의 구속 위치를 보여주고 있다.
프레임과 내장판넬 그리고 캐비넷은 모두 마운팅 위치 들끼리 연결되는 조건으로 설정하였으며, 프레임의 하부가 차량에 완전 고정되는 조건으로 프레임 하부를 모두 구속 하였다. Figure 5에서는 내부구조의 구속조건을 나타내고 있다(14,15).
캐비넷 도어와 루프 적재함 도어의 경우 도어에 수직한 방향으로 발생되는 자중과 적재물의 10G가 발생되는 조 Figure 4. The restraint conditions of internal structure.
Figure 5. The weight application of internal structure.
Table 1. The Main Material’s Tensile Strength and Allowable Stress
Material Section Tensile strength and allowable stress ASA Inside panels and cabinets
041 MPa (tensile strength)
ABS Existing inside panels and cabinets050 MPa (tensile strength)
SPSR 400 Frames and pipes 250 MPa (allowabe stress) SPCC Various brackets 270 MPa (allowable stress)건으로 해석하였으며, 캐비넷 도어의 경우 내부 구성품 중 에 최대의 하중인 12.92 kg을 포인트 중량으로 적용하였다.
파이프의 경우 단면이 일정하기에 여러 가지 하중방향으 로 고려하여 해석하는 것은 크게 의미가 없으므로, 고정조 건 양단의 중간부위에 평균 체중(65 kg)이 완전히 매달리 는 조건에 차량이 움직이는 동안 2배의 동하중 배수가 발 생한다는 가정을 설정하였다. 여러개의 고정단을 가지는 핸드레일의 경우 파이프 하나에 한번씩 하중을 주어 여러 번에 걸쳐 해석을 수행하였다. 한편, 내부구조의 경우 구 급자동차 내부 구성품의 대략적인 중량을 각 위치의 포인 트 중량을 적용하고 Figure 5(c)와 같이 6축의 방향으로 중력가속도의 10배의 하중을 적용하였다.
한편, Table 1에서는 내장판 및 케비넷 재질로 사용된 ASA, 프레임과 파이프 재질로 사용된 SPSR 400 및 각종 브라켓으로 사용된 SPCC 재질에 대한 인장강도 및 허용 응력에 대한 값을 보여주고 있다. 또한, 현재 양산되는 차 량의 많은 소재로 사용되는 ABS 재질의 인장강도의 값도 비교하여 보여주고 있다. 본 연구에서는 ABS 대비 우수한 내후성을 가지고 있으며, 도장을 하지 않고 외장제품에 적 용이 가능한 ASA 소재를 내장판 및 케비넷의 재료로 적 용하여 연구를 수행하였다.
3. 연구 결과
3.1 도어 및 핸드레일 응력해석 결과
캐비닛 도어의 경우 ASA 재질의 인장강도인 41 MPa를
초과하여 락장치 근방에서 최대 406 MPa가 발생하였다.
이는 락장치의 크기와 수량이 개념 설계단계에서 컨셉만 잡힌 상태로 매우 국부적인 위치를 고정하여 일부 특이해 를 포함하고 있으며, 상세 설계 단계에서 크기와 수량의 변경이 필요할 것으로 판단된다. 힌지 부위의 경우도 45 MPa 내외로 높은 응력을 확인하였으며, 상세 설계 시 형 상과 두께의 일부 수정이 필요하다고 예측되었다. 루프 적 재함 도어의 경우 힌지 포인트에서 705.29 MPa이 발생하 였으며, 이부위도 역시나 국부적인 부위를 경계조건으로 정하여 발생하는 해석상의 특이해가 포함되어 있다. 국부 적인 부위를 제외하고는 평균적으로 40~60 MPa가 분포하 고 있으며, 상세 설계 시 고려하여 두께 및 형상 변경이 필요하다고 판단한다. Figure 6은 이와 같은 작업을 수행
한 결과를 보여주고 있다.
Figure 7은 천장 파이프, 동승자석 파이프, 침대 파이프 두종류 및 수직 파이프의 응력 결과를 시각적으로 보여주 고 있다. 천장 파이프에서는 최대 127 MPa, 동승자석 파 이프에서는 최대 146 MPa, 침대파이프에서는 292 MPa과 166 MPa 그리고, 수직 파이프에서는 최대 238 MPa의 최 대 응력이 발생하는 결과를 파악할 수 있었다.
3.2 프레임 응력해석 결과
프레임은 shell 모델로 용접부 등의 형상 구현이 불가능 하여 Figure 8과 같이 최대 지점인 국부적인 부위에 특이 해가 존재하나 전반적으로 150 MPa 내외로 안전한 결과 를 보여주었으며, Figure 8은 프레임의 응력해석 결과를 Figure 6. The analysis of stress results in door parts.
Figure 7. The analysis of stress results in various hand-rail parts.
보여주고 있다.
3.3 인테리어 판넬 응력해석 결과
인테리어 판넬에서 가속도 하면에서의 허용 응력은 41 MPa로서 Figure 9의 결과와 같이 전반적으로 50~100 MPa 로 집중되고 최대 236 MPa이 발생하여 보강 및 형상 수정이 필요하다는 결과를 나타내었다. 특히 동승자석 주 위에 최대응력이 집중되는 보여주었으며 가속도의 반대
방향인 상부의 면도 동일한 결과를 보여주었다.
또한, 가속도 좌면에서의 허용 응력은 41 MPa로서 전반 적으로 50~120 MPa로 집중되고 있으며 최대 477 MPa의 응력이 발생하여 보강 및 형상 수정이 필요하다는 결과를 보여주고 있으며 역시 동승자석 주위에 최대 응력이 집중 되는 것을 확인할 수 있으며 가속도 반대 방향인 가속도의 우측면에서도 동일한 결과를 나타내었다. Figure 10에서는 가속도 좌면에서의 응력 해석 결과를 보여주고 있다.
Figure 8. The results of stress analysis in a ambulance frames.
Figure 9. The results of stress analysis in a interior panels.
또한, 가속도 전면에서의 허용 응력은 41 MPa로서 전반 적으로 50~95 MPa로 집중되고 있으며 최대 225 MPa의 응력이 발생하여 보강 및 형상 수정이 필요하다는 결과를
보여주고 있으며 역시 동승자석 주위에 최대 응력이 집중 되는 것을 확인할 수 있으며 가속도 반대 방향인 가속도의 후면에서도 동일한 결과를 나타내었다. Figure 11에서는 Figure 10. The results of stress analysis in left side.
Figure 11. The results of stress analysis in front side.
가속도 전면에서의 응력해석 결과를 보여주고 있다.
3.4 캐비닛 응력해석 결과
Figure 12에서는 캐비닛 부분의 가속도 하면에서의 응력 해석 결과를 보여주고 있다. 허용 응력은 41 MPa로서 전 반적으로 50~80 MPa로 집중되고 있으며 최대 192 MPa의 응력이 발생하여 보강 및 형상의 수정이 필요하다는 것을 나타내었다. 한편 가속도 반대 방향인 상부면에서도 동일 한 결과를 보여주고 있다.
Figure 13에서는 캐비닛 부분의 가속도 좌면에서의 응력 해석 결과를 보여주고 있다. 허용 응력은 41 MPa로서 전 반적으로 50~160 MPa로 집중되고 있으며 최대 661 MPa 의 응력이 발생하여 보강 및 형상의 수정이 필요하다는 것 을 나타내었다. 한편 가속도 반대 방향인 우측면에서도 동 일한 결과를 보여주었다.
Figure 14에서는 캐비닛 부분의 가속도 전면에서의 응력 해석 결과를 보여주고 있다. 전반적으로 50 MPa 집중되고
있으며, 최대 98 MPa의 응력이 발생하여 보강 및 형상의 수정이 필요하다는 것을 나타내었다. 한편 가속도 반대 방 향인 후면에서도 동일한 결과를 보여주었다.
이상과 같이 자중과 구성품의 무게를 고려한 10G의 하 중으로 구조해석을 수행한 결과 프레임과 파이프류는 국 부적인 부위를 제외하고는 큰변형과 응력은 발생하지 않 은 것으로 파악되었다. 그러나, 내장 판넬과 캐비닛류는 국부적인 특이해를 제외하더라도 50 MPa~200 MPa 이상 으로 큰 하중을 받는 부위가 발생하여 두께 및 형상의 수 정이 필요한 결과를 보여주었다. 기본적으로 ABS 재질 의 두께를 1 mm 이상 두껍게 변경하여 보강하는 것이 구조적으로 안전할 것으로 판단되며 이에 따라서 마운팅 포인트를 늘리고, 접착제를 사용한 판넬과 판넬사이의 면 접촉을 통하여 하중을 분산하는 방법, 각종 연결부위에 볼트를 늘려서 구조적으로 더욱 안정적인 구조를 갖추며 또한, 상대적으로 변형이 작은 프레임에 가능한한 많은 부속품들을 체결함으로써 구조적인 큰 변형을 줄일 수 Figure 12. The results of stress analysis in below side.
Figure 13. The results of stress analysis in left side.
있을것이라 예상된다. 한편, 실제 상황에서의 10G의 충 격은 차량 전체가 파괴되는 큰 사고일 경우 해당되며 이 때 내장판이 모두 안전하다는 조건은 과도한 기준이라 사료된다(16).
4. 결 론
국내 소방용 구급자동차의 새로운 디자인의 결과에 따 른 계속된 연구로서, 해외 기준 및 설계도를 활용하여 차 체 및 구급자동차의 내부에 대하여 외부 충격을 가정한 구 조해석을 수행하였다. 이와 같은 결과는 향후, 실제 구급 자동차의 양산과 국내의 기준 제정이 미흡한 부분에 대해 서 유용한 정보를 제공할 수 있을 것이라 판단되며 연구결 과를 정리하면 다음과 같다.
1. 차체의 제원은 현재 정확히 공개되지 않은 상태이나, 구급자동차의 내부공간에 대하여 디자인, 설계를 실행 한 후 부품의 자중과 구성품의 무게를 고려한 유럽의 EN규 정에 따라 구급자동차의 내부에 10G의 충격을 가한 구조 해석을 수행할 수 있었다.
2. 차량내부의 각종 구급장비 및 구성품을 고정하기 위 한 프레임과 각종 파이프류는 국부적인 부위를 제외하고 큰 변형량과 응력은 발생되지 않았으나, 내장 판넬과 캐비 넷류는 50 MPa 이상의 큰 하중을 받는 부위가 발생하였으 며 이에 따른 두께 및 형상의 수정이 필요함을 파악할 수 있었다.
3. 이와 같은 부분에 대하여 양산을 고려한 재질의 두께 선정 및 재질의 선택 시 보강할 필요가 있음을 예측할 수 있었고, 필요시 FRP 재질등의 재료를 사용하여 설계시 반 영하는 것이 필요함을 알 수 있었다.
4. 본 연구 결과를 통하여 국내 구급자동차의 제작 및 제작기준의 반영 시 중요한 자료가 될 수 있을 것이라 판 단되며, 국내 구급자동차를 이용 구급요원들의 임무 수행 시 보다 안전한 환경에서 활동 할 수 있도록 지원할 수 있 을 것이라 기대된다.
후 기
본 연구는 소방방재청 차세대핵심소방안전기술개발사업
“NEMA-차세대-2014-57”의 연구비 지원으로 수행되었습 니다. 이에 감사하드립니다.
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