낙석방지시설 적용을 위한 팽창메탈의 특성 연구
A Study on the Evaluation of Expanded Metal Characteristics for Application Rockfall Facilities
이 종 인
1)･ 정 춘 교
2)･ 김 성 호
3)･ 황 영 철
4)･ 이 승 호
†Lee, Jong-In ･ Jung, Chun-Gyo ･ Kim, Sung-Ho ･ Hwang, Yeong-Cheol ･ Lee, Seung-Ho
ABSTRACT : There are many mountains in Korean Peninsula, and those used for the construction of roads and railways sectors are forming slopes. Slope collapse occurs with falling rocks and landslide because of the relaxation of the thawing rocks. The heavy rain in summer can also significantly contribute to the process, and abnormal climate change is much more influential than before.
Therefore, rockfall-related accidents in rainy season are easily accessible in media every year. There has been a lot of research on application of strengthening compensation of the sections in order to minimize casualties and property damage. Rockfall Protection Net, however, has not been focused on much in the field yet. This study highlights the need of Rockfall Protection Net, since it can segregate the falling rocks inside the net relatively safely. Although there has been a little doubt about the effectiveness of rockfall protection facilities, it is obvious that relevant studies dealing with the solidity of the net are necessary for the rockfall protection net to be capable of supporting rockfall energies. As a result, Expanded metal strength is much more durable compared to the PVC coating net, and it is regarded as an excellent alternative material for the Rockfall Protection Net. In this study, the applicability of Expanded Metal as the alternative of Rockfall Protection Net is verified experimentally.
Keywords : Expanded metal, Rockfall protection net, Pullout tests, Field impact tests
요 지 : 산지가 많은 우리나라는 도로 및 철도건설을 위해 사면을 형성하는 구간이 많고, 사계절의 뚜렷한 차이로 인해 해빙기에 암블록의 이완현상 발생과 연평균 강우량의 2/3 정도가 여름철에 집중 발생되는 기후특성이 있으며, 최근 기상이변에 따른 집중호 우 등으로 낙석 및 산사태와 같은 도로절개면 붕괴사고가 잦은 편이며, 해마다 장마철이 되면 이와 관련된 사고소식을 매스컴을 통해 쉽게 접할 수 있다. 낙석 발생 시 인명과 재산 피해를 최소화하기 위하여 절개지에 대한 보강공법의 개발 및 현장 적용성에 대한 연구 등이 활발히 이루어지고 있지 않는 실정으로 이에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있다. 특히 낙석방지망의 부분적 취약 점(일체화가 되지 못함)으로 인해 낙석방지망이 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 문제가 발생됨에 따라 국내에서도 보다 높은 낙석에너지를 지지할 수 있는 낙석방지망에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 낙석방지망의 대체재료로서 팽창메탈의 적용성을 실험적으로 검증하고, 그 특성에 관해 연구해 보고자 하였다. 시험결과 팽창메탈은 우수한 강도와 일체화된 재료특성으로 기존 PVC망에 비해 최대지지하중이 높게 나타났으며, 현장시험의 흡수가능에너지 또한 높게 나타나 낙석방지망의 대체재료로서 활용이 가능한 것으로 판단된다.
주요어 : 팽창메탈, 낙석방지망, 실내인발시험, 현장충격시험
1) 비회원, 국토해양부 시설사무관 2) 비회원, 국토해양부 토목사무관
한국지반환경공학회 논문집
제12권 제9호 2011년 9월 pp. 13～20
1. 서 론
낙석방지망은 암 절개사면이 우수 등으로 인하여 붕괴되 거나 낙석이 예상되는 지점에 설치되며, 도로 통행상의 안 전과 원활한 교통 흐름을 유지하기 위한 도로안전시설물의 일종으로서 도로 양측 절취사면에서 발생되는 낙석에 대항 하여 효과적인 억제, 차단 관리수단으로서의 다변적 기능을 가진 주요 안전 구조물이다. 즉, 강우나 풍화, 나무뿌리의 작용에 의해 불연속면의 이완이 심화되어 낙석이 발생할 가
능성이 있는 부분을 덮어 절개면을 보호하는 공법으로 낙석 억지 효과 측면보다 낙석의 운동에너지를 감소시켜 절개면 하부로 낙석을 유도하는 시설이다 .
국내 절개면에 설치되는 낙석방지망은 대개 PVC 코팅철
망과 와이어로프 및 지지앵커, 그 밖의 부속 조립구로 구성
되어지는데 절취사면에 위 구성 폼을 효과적으로 결합, 시
설함으로서 일차적인 낙석 발생을 억제하고, 이미 이탈된
낙석에 대하여 이차적으로 차단하거나 하단으로의 정속적
인 낙하를 유도하는 완충커튼의 역할을 제공함으로서 그 처
암괴
종로프
고정핀
횡로프
고정핀
종로프 낙석 기둥로프
횡로프
(a) 비포켓식 낙석방지망 (b) 포켓식 낙석방지망
그림 1. 낙석방지망의 구조
표 1. 국내의 낙석방지시설 관련 지침 연구
기준항목 현기준 문제점
설계 형식 개략소개 형식선정 기준이 명확치 않아 임의로 낙석방지시설 선정
구조 기준 없음 낙석의 크기, 낙하고, 절개면의 경사 등 설계변수에 대한 고려 없이 시설의 구조 설계
시공, 유지관리 기준 없음 설치 효과를 위해 요구되는 시공 지침 미비
리를 용이하게 하는 등의 복합적인 기능을 수행하도록 설 계․시공된다 .
국내 낙석방지시설 관련 지침 조사결과 고속도로, 국도, 지방도 등에서 흔히 적용되고 있는 낙석방지망은 형식선정, 설계 , 구조, 설치방법 등의 세부적인 사항에 대한 규정이 미 비한 실정으로 이러한 낙석방지시설이 실제 낙석 발생 시 큰 파손 없이 낙석을 방어할 수 있는 지에 대해서 많은 의문 점들이 제기되고 있으며 , 매년 발생하는 낙석으로 인한 피 해 규모도 계속 증가하고 있는 추세이다 . 또한 기술수준이 미약하여 전적으로 해외 기술력에 의존하고 있으며 , 낙석방 지망의 부분적 취약점 (일체화가 되지 못함)으로 인해 낙석 방지망이 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 문제가 발생 됨에 따라 국내에서도 보다 높은 낙석에너지를 지지할 수 있는 낙석방지망에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다 .
이에 본 연구에서는 낙석방지망 대체재료로서 팽창메탈 의 적용성을 실험적으로 검증하고 그 특성에 관해 연구해 보고자 하였다.
2. 낙석방지망의 구조
국내에서 일반적으로 사용하고 있는 낙석방지망은 현재 도로변에 낙석의 유입을 차단하기 위하여 설치되는 낙석방 지망의 형식은 ‘도로안전시설 설치 및 관리지침- 낙석방지 시설편’(국토해양부, 2009)에서 규정하고 있는 바와 같이, 철망과 절개면의 마찰력을 이용하여 이완암편을 절개면과 망 사이에 붙잡아 두는 역할을 하는 비포켓식 낙석방지망 (그림 1(a))과 기둥로프, 지주, 철망과 와이어로프 등으로 구
성되어 이동하는 낙석을 철망에 충돌시킴으로써 낙석의 에 너지를 감쇄하도록 하여 낙석이 도로 쪽으로 튀지 않고 낙 석방지망 하부로 흘러내리도록 유도하는 포켓식 낙석방지 망(그림 1(b))으로 구분된다.
3. 기존 낙석방지망의 문제점
강우나 풍화, 나무뿌리의 작용에 의해 불연속면의 이완 이 심화되어 낙석이 발생할 가능성이 있는 부분을 덮어 절 개면을 보호하는 공법으로 낙석억지 효과 측면보다 낙석의 운동에너지를 감소시켜 절개면 하부로 낙석을 유도하는 시 설이다.
국내 낙석방지시설 관련 지침 조사결과 고속도로, 국도, 지방도 등에서 흔히 적용되고 있는 낙석방지망은 형식선정, 설계 , 구조, 설치방법 등의 세부적인 사항에 대한 규정이 미 비한 것으로 나타났다. 표 1은 우리나라의 낙석방지시설 관 련지침이다 .
현재 적용되고 있는 낙석방지망은 와이어로프와 철망이
주 구성요소이며 철망을 절토사면에 씌우고 그 위에 2 × 5m
혹은 3 × 3m의 간격으로 종ㆍ횡 와이어로프를 시공하도록
되어 있다. 그러나 구조적 특성상 낙석방지망으로서 요구되
는 기능성을 확보하는데 많은 어려움이 있으며 이로 인해
크고 작은 망터짐 사고가 발생하여 낙석보호시설로서 기능
을 상실하는 경우가 많이 보고되고 있다. 또한 기존 낙석방
지망의 파괴는 대부분 낙석하중 지지능력이 상실됨에 따라
발생되는 철망 터짐과 낙석방지망 고정핀 이탈로 발생하고
있으며 와이어로프의 파손은 거의 없는 것으로 조사되었다.
(a) 낙석방지망 터짐 (b) 낙석방지망 고정핀 이탈 그림 2. 국내 낙석방지망 피해 경향
(a) 줄 변위계 설치 (b) 로드셀 연결 (c) 낙석방지망 설치
(d) 낙석볼 체결 (e) 인발 (f) 데이터 측정
그림 3. 낙석방지망 인발시험 순서
4. 낙석방지시설 적용을 위한 팽창메탈의 특성 평가
낙석방지망의 부분적 취약점 (일체화가 되지 못함)으로 인해 낙석방지망이 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 문 제가 발생됨에 따라 국내에서도 보다 높은 낙석에너지를 지 지할 수 있는 낙석방지망에 대한 연구가 필요할 것으로 판 단된다. 이에 팽창메탈(Expanded Metal)을 실험적으로 검증 하고, 그 특성에 관해 연구해 보고자 하였다.
4.1 인발시험을 통한 기존 PVC망과 팽창메탈의 특성 비교
시험체로 이용된 팽창메탈은 3.2T와 4.5T에 대하여 시험 을 하였으며 와이어로프로 인발시험기와 체결 후 3회씩 시 험하였다. 또한 현행 낙석방지망으로 사용되는 PVC 코팅망 의 성능을 평가하기 위하여 PVC 코팅망에 대해서도 동일한
방법으로 시험을 실시하였다 .
4.1.1 낙석방지망 인발시험 시험재료 실험 방법 시험 장치는 크게 H-Beam으로 제작된 거치대와 유압실린 더 그리고 낙석볼, 계측기, 줄 변위계 등으로 이루어져 있다.
① 변위 측정을 위해 낙석볼 하부에 줄 변위계를 부착.
② 로드셀 연결.
③ 가로 2,100mm × 세로 2,800mm로 제작된 PVC 코팅 망과 팽창메탈을 와이어 체결 .
④ 유압 실린더와 작용하중 측정을 위한 로드셀을 I형 볼 트로 연결.
⑤ 낙석 (철재 낙석볼)과 체결.
⑥ 기존 PVC 코팅망과 팽창메탈에 대한 극한하중과 최 대 변위를 측정 후 비교분석.
4.1.2 낙석 방지망 인발시험 시험재료 제원
① PVC 코팅망 제원: 지름 ∅4.0, 규격 PVC #5×58×58
(a) PVC코팅망 2차 Test (b) PVC코팅망 3차 Test (c) XG-62 1차 Test
(d) XG-62 2차 Test (e) XS-21 2차 Test (f) XS-21 3차 Test
그림 6. PVC 코팅망과 팽창메탈의 인발시험 후 모습
그림 5. 각 재료별 평균 하중-변위 그래프 표 2. 시험대상 팽창메탈의 제원 및 치수
KS,JIS MESH(mm) STRAND(mm) 1.2 × 2.43(m)
MODEL SWM LWM T W 무게(kg)
XS-62 34 76.2 3.2 4.0 17.6
XG-21 36 101.6 4.5 7.0 40.7
SW : MESH 단목 방향의 중심간 길이(Short Way of Mesh) LW : MESH 장목 방향의 중심간 길이(Long Way of Mesh) T : 두께(Thickness) W : 절단폭(Width)
S : SW 방향의 판길이(Short Way Mesh of Sheet) L : LW 방향의 판길이(Long Way Mesh of Sheet)
그림 4. 팽창메탈 구성부 명칭
② 팽창메탈 XS-62(3.2T), XG-21(4.5T) : 얇은 철판에 일 정한 간격으로 절삭 자국을 내어 , 이것을 절삭자국과 직각방향으로 잡아당겨 늘여서 그물 모양으로 만든 재료로 강도가 매우 우수한 것으로 조사되었다 (표 2, 그림 4 참조).
③ 와이어: ∅6mm, 인장강도 16.7kN/mm
24.1.3 PVC 망과 팽창메탈에 대한 인발시험 결과 PVC 코팅망에 대한 인발시험 결과 파괴시점은 약 3.7～
4.7tonf으로 변위는 920～1,070mm 정도이며, 팽창메탈(XG- 62) 3.2T에 대한 인발시험의 경우 파괴시점은 약 5.9～
6.8tonf으로 변위는 980～1,030mm로 나타났다. 팽창메탈 (XS-21) 4.5T에 대한 인발시험 결과 파괴시점은 약 7.8～
8.6tonf으로 1,040～1,120mm 정도의 변위가 나타났다. 최대 지지하중은 PVC 코팅망보다 팽창메탈 3.2T가 약 1.54배 정 도 우수한 것으로 나타났다(전성엽 등, 2008).
PVC 코팅망과 팽창메탈 4.5T를 비교·분석한 결과 변위
차이는 예상과 달리 거의 없었으나 최대 지지하중은 PVC
코팅망보다 팽창메탈 4.5T가 약 2배 정도 우수한 것으로 나
타났으며 팽창메탈 4.5T의 최대지지하중은 팽창메탈 3.2T
보다 약 1.3배 정도 우수한 것으로 나타났다.
표 3. 시험대상 팽창메탈의 제원 및 치수
KS,JIS MESH(mm) STRAND(mm) 122 × 244cm(m)
MODEL SWM LWM T W 무게(kg)
XG
43 22 50.8 3.2 3.5 23.8
62 34 76.2 3.2 4.0 17.6
72 50 152.4 3.2 4.0 13.4
280cm 130cm 100cm
(a) XG-43 (b) XG-62 (c) XG-72
그림 7. 팽창메탈 인발시험 후의 변형폭
4.2 팽창메탈의 메쉬크기별 인발시험
본 시험에서는 팽창메탈이 동일 환경에서 메쉬크기에 따 라서 어떤 지지능력 효율 및 특성을 나타내는지 평가하고자 가장 작은 크기의 메쉬부터 3종(XG-43, XG-62, XG-72)을 선정하여 각 모델당 2회 총 6회의 시험을 실시하였다. 망 의 크기는 시험기 조건을 고려하여 가로 (2,800mm)×세로 (2,100mm)로 제작되었으며 기 시험에서 시험기와 망을 연 결한 와이어에 응력집중으로 인한 파괴 문제를 개선하고자 팽창메탈(XG-43) 가장자리에 폭 100mm의 철판을 용접하 고 와이어로 체결함으로서 와어어 연결부의 응력집중으로 인한 팽창메탈의 파괴를 감소시켜서 팽창메탈의 인발특성 을 연구하였다.
4.2.1 낙석방지망 인발시험 재료
① 팽창메탈 : 시공성을 고려하여 팽창메탈 3.2T 중 3가 지 모델을 선정하였다 . 팽창메탈 3.2T는 기존 PVC 망 심선지름(∅3.2)과 유사한 두께이다. 표 2는 팽창메탈 3.2T 모델 중 최소 크기의 메쉬부터 선정한 3종의 주 요 제원이다.
② 와이어 : ∅9mm, 인장강도 : 3,770kg/mm
2기존 실험에서 ∅ 6mm(인장강도 : 1,670kg/mm
2)를 사 용한 경우 팽창메탈과의 연결 와이어가 먼저 파괴되 었다. 와이어에 응력이 집중되므로 높은 강도를 가지 고 ∅9mm의 와이어를 사용하여 팽창메탈과 인발시 험기를 연결하였다 .
③ 용접 철판 : 3.2T, 인장강도 : 352kg/mm
24.2.2 팽창메탈의 메쉬크기별 인발시험 결과
팽창메탈 3.2T의 인발시험 결과 파괴형상은 XS-43의 극 한하중은 634mm의 변위에서 10.4tonf의 극한하중을 나타 냈며 , XS-62은 781mm의 변위에서 7.7tonf의 극한하중을 나타냈다 . XS-72는 590mm의 변위에서 3.7tonf의 극한하중 을 나타냈다. 팽창메탈의 메쉬크기별 인발시험결과 대부분 의 시험에서 파괴 형태는 유사하게 나타났다 . 최초파괴는 낙석볼과 최단거리의 와이어 결속부에서 시작되었으며 최 초 파괴 부를 시작으로 망이 연속적으로 찢어져 최종 마름 모꼴의 1,500 × 1,000mm 이상의 파괴형태를 나타냈다(지영 환 등, 2010).
팽창메탈 메쉬크기별 인발시험 결과를 비교 ·분석한 결과
최초 파괴가 발생하는 상하 변위는 메쉬 크기가 클수록 낮
은 변위에서 발생하는 것으로 나타났으며, 메쉬가 작을수록
낮은 변형에서 지지력이 발현된 것으로 나타났다(그림 7 참
조). XS-43은 XS-72보다 약 2.8배 정도 높은 극한하중을 나
타났으며, XS-62는 XS-72보다 약 2.1배 정도 높게 나타났
다(표 4 참조). 팽창메탈의 무게에 비례하여 지지력도 증가
하는 경향을 예상했으나, 무게의 증가비(1.7:1.3:1)보다 지지
력의 증가비(2.8:2.1:1)가 더 크게 나타났다(표 4참조). 이는
메쉬가 가장 큰 모델인 XS-72 모델에서 낮은 효율의 지지
력을 나타낸 것으로 메쉬 크기가 클수록 (그림 6 참조) 중앙
부에서 집중적인 변위가 발생하여 응력집중에 의해 파괴되
기 때문에 동일한 체결조건에서는 낮은 지지력 효율을 나타
낸 것으로 판단된다.
그림 9. 현장시험 개요도
표 5. 현장시험 대상 및 항목
구분 낙석중량(tonf) 낙하높이(m) 운동형태 낙석에너지(kJ)
PVC 망 #5×58×58
∅4.0mm
0.4 2.5 자유낙하 10
0.4 1.0 자유낙하 4
0.4 1.5 자유낙하 6
팽창메탈 3.2T (XS-62)
0.4 5.0 자유낙하 20
0.4 7.5 자유낙하 30
0.4 5.0 자유낙하 20
팽창메탈 4.5T (XG-21)
0.4 5.0 자유낙하 20
0.4 6.25 자유낙하 25
0.4 7.5 자유낙하 30
표 4. 망의 메쉬 크기에 따른 인발시험 결과
망의 종류 극한하중
(tonf)
상하변위 (mm)
무게 122 × 244cm(kg)
XS-43 10.4 634 23.8
XS-62 7.7 781 17.6
XS-72 3.7 594 13.4
43:62:72 2.8:2.1:1 - 1.7:1.3:1
그림 8. 팽창메탈 메쉬 크기에 따른 하중-변위 그래프
4.3 낙석방지망 성능 평가를 위한 현장시험
낙석은 낙석방지망에 충격하중으로 작용하게 될 경우가 있으며, 이러한 경우 낙석방지망의 변형은 에너지를 흡수하 게 되어 최대 지지하중의 비교만으로는 어느 것이 우수하다 고 판단하기는 어렵다. 따라서 현장시험을 통하여 실제 낙 석에 의한 충격하중을 작용시켜 실제 충격 흡수 에너지와 변형특성을 파악하는 것이 필요하다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 낙석방지망 고정을 위한 거치대를 만든 후 낙석 방지망을 설치하고 운동에너지를 가하여 방어여부로 낙석 방지망의 실제 흡수가능에너지를 산출하고자 하였다.
4.3.1 시험 장치
시험 거치대는 낙석방지망(2,000 × 2,800mm)의 네 방향
을 고정할 수 있는 규격의 거치대를 제작하였다. 거치대는 H형강으로 되어 있으며, 재사용의 목적이 있어 거치대에 변 형이 발생하지 않도록 300 × 300 × 10 × 14mm로 제작하였 다. 거치대의 H형강 상부에 고정용 홈(∅14mm)을 뚫어 낙 석방지망을 거치대에 볼트와 지압판으로 체결하도록 제작 하였다.
통상 국내 낙석의 경우 평균 중량이 400kgf 정도(국토해 양부, 2009)이며, 암석의 단위중량 2.65t/m
3을 고려하여 낙 하용 콘크리트볼은 무게 400kg, 지름 600mm의 낙석볼만을 사용하여 낙석볼의 크기와 형상에 따른 시험 결과 오차를 줄이고자 하였다 .
시험기와 PVC 코팅망, 팽창메탈의 고정은 H형강에 볼트 고정용 홈(∅14mm)을 뚫고 홈에 낙석방지망과 볼트로 조여 고정하는 방법을 선택하였다 . 낙석방지망 고정용 볼트는 지 름 10mm, 길이 75mm의 규격을 사용하였다. 볼트와 함께 사용되는 지합판은 50 × 145mm, 3T로 제작하여 망이 충분 히 고정될 수 있도록 하였다.
4.3.2 시험방법
시험장치는 크게 H-beam으로 제작된 거치대와 충격 하
중을 주기 위한 낙석볼-크레인으로 이루어져 있다. 동일한
(a) PVC-2차 낙석 방어 (b) 팽창메탈(XS-62)-2차 중앙부 관통(하부) (c) 팽창메탈(XG-21)-1차 낙석 방어 그림 10. 팽창메탈 인발시험 후의 변형폭
표 6. 현장시험 결과
PVC-1차 PVC-2차 PVC-3차 (XS-62)-1차 (XS-62)-2차 (XS-62)-3차 (XG-21)-1차 (XG-21)-2차 (XG-21)-3차 낙석중량 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf 0.4tonf
낙하높이 2.5m 1.0m 1.5m 5.0m 7.5m 5.0m 5.0m 6.25m 7.5m
낙석에너지 10kJ 4kJ 6kJ 20kJ 30kJ 20kJ 20kJ 25kJ 30kJ
방어여부
관통 (중앙부 지름
60cm)
방어 (중앙부 지름
35cm)
관통 (중앙부 지름
60cm)
방어
관통 (중앙부지름
60cm)
관통
방어 (중앙부마름모
꼴 5 × 90)
방어 방어
변위 상하 : 65cm 상하 : 83cm 상하 : 84cm 상하 : 92cm 상하 : 43cm 상하 : 53cm 상하 : 35cm 상하 : 37cm 상하 : 45cm
