Development of Guardrail End Treatment System using LS-DYNA

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LS-DYNA를 이용한 차량방호울타리 단부처리 시설의 개발

Development of Guardrail End Treatment System using LS-DYNA

Younggun IN^a,1, Kwanghee Shin^b,2, Kihun Bae^c,*

a Department of Construction engineering Graduate school, Kyungil University, 50, Gamasil-gil, Gyeongsan-si, Gyeongsangbuk-do, Republic of Korea

b Director of the Development Office , Soohyung industrial development co Ltd., 47-16, Gongdan-ro 11-gil, Waegwan-eup, Chilgok-gun, Gyeongsangbuk-do, Korea

cPresident, CEO, Soohyung industrial development co Ltd., 47-16, Gongdan-ro 11-gil, Waegwan-eup, Chilgok-gun, Gyeongsangbuk-do, Korea

* Corresponding author. Tel. 82-054-977-0590. Fax. 82-070-7500-0590.

Email. [email protected]

1 Tel. 82-054-977-0590. Email. [email protected] 2 Tel. 82-054-977-0590. Email. [email protected]

ARTICLE HISTORY Received Sep. 09, 2016 Revised Sep. 12, 2016 Accepted Sep. 26, 2016

A B S T R A C T KEYWORDS

Road sides safety barrier system is the last safety during traffic accident. The structural performance of a roadside safety barrier should be kept above expectations. It is possible to protect the passenger's life. End treatment part is installed in the end of the barrier it prevents a phenomenon in which for the vehicle for the guardrail during a vehicle collision it is facility of the absorbing of car crashed impact. By repeated analysis through computer simulation for improving the vehicle crash it will be able to develop crash barriers to respond appropriately to various parameters.

accident, Safety-barrier, EndTreatment, Computer simulation, Crash cushion

차량방호울타리는 교통사고 발생 시 마지막 안전장치이다. 차량방호울타리의 구조적 성능 이 기대 수준 이상으로 유지가 되어야지만 운전자 혹은 차량 탑승자의 생명을 보호해 줄 수 있게 된다. 단부처리시설은 방호울타리의 끝단에 설치되며 차량 충돌 시 가드레일이 차 량에 관통하는 현상을 방지함과 동시에 충격을 흡수하는 형태의 시설물이다. 이러한 차량 방호울타리의 개발을 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 반복해석을 수행함으로서 다양한 변수에 적절히 대응하는 방호울타리를 개발할 수 있을 것이다.

교통사고, 차량방호울타리, 단부처리시설, 컴퓨터 시뮬레이션, 충격흡수

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1. 서 론

우리나라는 1960, 1970년대 폭발적인 자동차의 증가와 함께 교통사고 건수와 사망자수가 급증했다. 1990년대 이후 다소 사고 건수가 줄어들어 안정적인 추세로 돌아섰지만, 지난 10년간 자동차 수가 1.4배 증가하였다. 자동차 1만대 당 사고건수와 사망자 수는 각각 연평균 4.3%, 6.5%로 감소하고 있는 추세이다. 그러나 외국과 비교하면 OECD 회원국의 평균 자동차 1만대 당 사망자 수에 비하여 약 2배 정도 높은 상황으로 지속적인 노력이 필요함을 알 수 있다.

본 논문은 교통사고 발생 시 탑승자의 생명을 보호해주는 도로상에 설치된 차량방호울타리 중 단부처리시설을 개발하는 것을 목표로 하였다. 컴퓨터시뮬레이션 및 실물충돌시험을 통하여 단부처리시설에 대한 차량방호성능을 검증 하고 형식을 제안하는 것에 있다. 기존의 라운드형태의 가드레일 단부처리시설과 단부판을 이용한 단부처리시설의 성능비교 또한 함께 분석하고자 한다. 최근 개발되고 있는 충격흡수형식의 단부처리시설을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석하기 위하여 Slip-base 형태의 레일 및 지주의 거동을 결정짓는 볼트의 장력을 보다 정확하게 모델링하는 기법을 이용하고자 한다.

컴퓨터 시뮬레이션이나 실물 충돌 시험을 통하여 차량 가속도 변화를 이용하여 탑승자 위험도를 분석 할 수 있다.(남민균 (2007), 김동성(2012), 김경주(2014))이를 통하여 국내 기준에 만족하는 단부처리시설을 개발하는 것이 목표이다.

2. 국내 설치 규정

국내 차량방호울타리에 대한 설치 규정은 ‘도로안전시설 설치 및 관리지침 - 차량방호 안전시설 편 (2014)’을 기준으로 한 다.(국토교통부, 2014) 단부처리시설은 주행로를 벗어난 차량의 충격에너지를 흡수하여 차량을 안전하게 멈추게 하거나 차량 의 방향을 복귀시켜 주는 기능을 갖추어야 한다. 특별히 처리 되지 않고 노출된 방호울타리의 단부는 구조적 특성상 차량을 관통하여 탑승자에게 큰 위험요소이기 때문에 가능한 단부의 개소를 최소화해야 하며 성능평가를 거쳐 성능이 검증된 단부처 리시설을 설치하도록 하는 것이 중요하다. 단부처리 시설을 설치장소에 따라 중앙분리대용, 노측용, 교량용으로 구분 될 수 있으며 기능에 따라 약간의 차이를 보인다. 예를 들어 노측용과는 다르게 중앙분리대용 방호울타리에 설치되는 단부처리시설 은 양방향 차로의 충돌방향을 모두 고려하여야 하고 부차적으로 방현기능, 운전자의 시야확보 등이 고려되어야 한다. 또한 교량난간에 설치되는 단부처리 시설의 경우에는 교량난간의 구조적형태를 고려하여 설계되어야 한다고 명시되어 있다. fig1 을 통하여 국내 설치 규정의 단부처리 시설에 대한 충돌시험 시 차량의 충돌 위치 및 충돌 방향을 나타냈다.

방호울타리 단부처리시설 (L)

L/2

W

교통류의 진행방향 2L/3

W W

15^o 165^o

o

차량폭의 1/2

시험 1

시험 2 시험 3

Fig 1. Impact point and impact angle

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3. 볼트 체결 강판의 인장하중 분석

차량방호울타리의 연결은 대부분 볼트로 체결한다. 그러나 차량 충돌 시뮬레이션을 수행할 때 볼트의 장력부분은 전체적인 시스템에서 중요한 부분이 아니기 때문에 대체로 생략한 상태에서 수행한다. 단부처리시설의 거동을 보면 볼트의 역할이 상당히 중요하다. 따라서 볼트의 장력을 묘사하는 것이 단부처리시설에 대한 충돌 해석 시 정확히 모델링이 되어야 한다.

볼트의 사이즈는 M16, M18이며 단부처리시설의 다른 부재와 비교하여 매우 작은 크기이다. 유한요소모델은 변장비(aspect ratio)에 따라서 정확성의 차이가 나타날 수 있다. 또한 요소의 찌그러짐(distortion)에도 민감하다. 고차의 형상함수를 사용하 면 이를 어느 정도 완화할 수 있지만, 상용 프로그램에서 고차의 형상함수를 지원하는 경우는 드물다. 따라서 모델링 과정에 서 이를 고려하여 정방의 요소를 사용하는 것이 유리하다고 할 수 있다. 볼트는 나사산이 존재하지만 나사산을 통한 결합을 유한요소해석으로 표현하는 것은 상당히 어려운 일이다. 요소의 크기가 매우 작아져야 하며 이는 해석시간이 길어짐을 의미 한다. 따라서 볼트와 너트의 결합은 해석조건을 통하여 구현하고자한다.(John D.Reid, 2004) 두 부재간의 분리가 없도록 절점 을 공유하거나 Joint 옵션을 이용하여 연결할 수 있다. 유한요소해석 시 가장 중요한 부분은 불필요하거나 중요하지 않은 부분을 생략하고 그 거동을 표현해 주는 것에 있다. 해석의 경험이나 이론적 근거를 바탕으로 이러한 곳을 결정하게 된다.

이 연구에서는 볼트의 나사산부분을 생략 하고자 한다. 단부처리시설의 길이에 비하여 볼트의 나사산은 매우 작은 규격이며 분리가 되지 않도록 가정하여 해석을 진행 하였다.

Fig 2. The finite model for bolted steel slip-base tensile test

볼트의 해석 결과를 보면 M16의 경우 최대 인장하중이 약 8.9kN 정도로 측정되었으며, M18의 경우 약 32kN 정도로 측정 되었다. Slip-base 사이의 마찰력은 일반적인 Steel의 정마찰계수 0.2와 동마찰계수 0.15를 적용하였다. 볼트의 축력이 정상적 으로 구현됨을 확인 할 수 있었으며, 볼트의 크기 변화에 따른 축력 변화도 측정할 수 있었다. Fig2에서처럼 볼트가 정상적으 로 고정된 상태에서 Slip-base 판이 분리되는 현상이 정상적인 형태로 시뮬레이션에 나타났다. 한편 Fig3의 볼트 체결 Slip-base의 실물 인장시험은 한국 건설 생활환경시험연구원에서 실시하였다. Slip-base에 사용된 강판은 SS400강종으로 실제 차량방호울타리의 바닥판에 사용되는 재료를 이용하였으며 시험 속도는 10mm/min으로 slip-base 시편이 완전히 분리되는 길이까지 이동시켰다. 시험 결과 M16 볼트의 경우 약 15mm 정도 변위가 발생했을 때 9.9kN의 인장하중이 측정되었고, M18 볼트의 경우 약 27mm 정도 변위가 발생했을 때 30.7kN 정도로 측정되었다.

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4. 단부처리시설의 유한요소 해석 모델

차량의 충돌 시뮬레이션을 수행하기 위하여 충돌하중 산정을 필요로 한다. 충돌하중 산정법은 이론적 방법과 시험에 의한 방법 및 시뮬레이션에 의한 방법이 있다. 이론적으로 충돌하중을 산정할 때 쉽게 접근하는 방법으로 운동량 및 충격량이론, 에너지 보존법칙에 의한 방법 등이 있다. 차량 방호울타리의 경우 Olson Model 및 일본 차량방호벽 표준 사양(일본도로협회, 2004)의 산정법이 있다. 이들은 충돌 시험 시 차량의 거동에 근거한 방법들이다. 운동량, 충격량 이론은 간단한 변수를 이용하 여 충격력을 계산할 수 있다. (AASHTO, 2011)

컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 프로그램은 상용해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하였다.(LSTC, 2007)

4.1 충돌하중

차량의 충돌 시뮬레이션 수행을 위한 충돌하중 산정이 필요하다. 충돌하중 산정법은 시험에 의한 방법과 이론적 방법 및 시뮬레이션에 의한 방법이 있다. 이론적으로 충돌하중을 산정할 때 쉽게 접근하는 방법으로 운동량 및 충격량이론, 에너지 보전법칙에 의한 방법 등이 있다. 이 중 운동량 및 충격량 이론은 간단한 변수를 이용하여 충격력을 계산할 수 있다.(TomaS D. Gillerspie, 1992) 운동량은 식 (1)과 같이 정의되며 뉴턴의 운동 제 2법칙을 적용하여 운동량을 충돌하중으로 식 (2)와 같다.

 ≡  ^식(1)

_{ }



 

   

  ^식(2)

물체가 충돌하는 동안 평균하중을 식으로 나타내면 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

≡_



_



_{ }

∆

  ∆

_ _

 ∆

∆ 식 (3)

이를 다시 이상화 하면 하중-시간곡선은 사인곡선의 형테로 나타나며 최대하중은 식 (4)와 같다.

_ _{ }



 식 (4)

이동하는 물체의 운동에너지는 식 (5)의 운동에너지 공식으로 결정할 수 있다.

_{  }



^ ^식(5)

차량의 충돌의 경우에 대상 구조물의 변형이 발생하며 이때 변형에 의한 에너지 소산을 포함한 충돌 하중은 대략적으로 식 (6)으로 결정된다.

_{ }

_ _

^

식 (6)

여기서,  _{: 차량의 질량,}  : 차량의 충돌 속도

_ : 차량의 변형, _ : 구조물의 변형

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4.2 충격 흡수형 단부처리 시설

단부처리시설은 기존 라운드형 레일을 대상으로 비교 하였다. 라운드레일은 국도 및 고속도로에서 널리 사용되고 있는 형태의 단부처리 시설이다. 지주 형태나 위치에 따라 단부처리시설의 형상이 달라지기도 한다. 기존의 라운드레일은 충격 흡수 능력이 없고 충돌 발생 시 차량이 관통하는 현상을 감소하는 목적을 가지고 있다. 그러나 여러 교통사고 사례에서 기존 라운드레일은 관통방지 능력이 부족하여 차량 관통 사고가 빈번히 일어나고 있다. 국내에 상용되는 제품들은 실물 충돌 시험 과 구조적 성능 검토를 거치지 않았으며 과거의 연구 중에도 단부처리 시설에 대한 연구는 없는 상황이다. 컴퓨터 시뮬레이 션을 이용하여 레일의 차량 관통 현상을 표현하는 것은 어렵지만, 새로이 제안하는 모델과의 비교를 통하여 성능 평가가 이루어 질 수 있을 것이다. Fig4에 나타난 제안모델은 기존 모델들과 다르게 하부에 슬립베이스를 적용하여 제안하는 모델은 차량관통을 방지하기 위하여 단부판과 슬립 베이스 판, 슬라이딩 레일, 상·하부 지주 그리고 레일과 지주의 연결용 블록아웃 으로 구성되어 있다. 볼트의 장력을 유한요소모델로 구현하고 충돌시뮬레이션을 통하여 탑승자 위험도, 차량의 궤적, 구조적 적합성 등을 평가한다. 성능 평가는 실물충돌 시험 시 측정하는 항목을 위주로 하였다. 차량은 Ford의 Taurus 유한요소모델 (NCAC, 2012)의 속도에 따라 ET1-2 등급에 해당하는 65km/h, 80km/h의 속도로 해석 하였고, 165도 충돌을 제외한 정면충돌 과 15도 충돌에 대하여 수행 하였다. 시뮬레이션 시 차량의 거동 및 단부처리시설의 거동을 Fig5에 나타냈다. 컴퓨터 시뮬레이 션 결과 ET1 등급의 탑승자보호성능 THIV 22km/h, PHD 11.4g, ASI 0.9 로 국내기준에 만족하는 값을 보였다. Roll, Pitch 각도는 -8.3°와 -6.4°로 75°이하의 값을 가졌다. ET2의 탑승자보호성능은 THIV 39km/h, PHD 18g, ASI 1.4로 국내기준에 만족 하는 값을 보였다. 변형거리는 4.62m로 나타났으며 Roll, Pitch 각도는 -17.5°와 9.2°로 75°이하의 값을 가졌다.

Fig 4. Proposed energy absorbers end treatment

Fig 5. front crash test computer simulation

4.3 실물 충돌 시험

한국도로공사 산하의 도로교통연구원 충돌시험장에서 실물 충돌 시험을 진행 하였다. 실물충돌시험의 경우 충돌 차량을 직접 준비해야 하며, 충돌 대상 시설물의 제조 및 설비 또한 시험 의뢰자가 직접 준비하여야 한다. 이처럼 실물충돌 시험은 막대한 비용과 시간이 소요되므로 사전에 충분한 시뮬레이션을 통하여 충돌 거동을 분석하고 탑승자위험도 지수를 확인하여

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야한다. 다양한 형태의 단부처리시설에 대하여 실물충돌시험을 진행하고 시뮬레이션과 비교, 보완하여 시뮬레이션의 신뢰도 를 높이는 것이 연구 목적에 보다 적합한 방법이겠지만, 실물 충돌 시험을 다수 진행 하는 것은 연구자의 입장에서는 거의 불가능한 일이라고 할 수 있다. 4장의 시뮬레이션을 통하여 충돌시험 등급 ET1과 ET2에 대하여 실물 충돌 시험을 실시하였다.

Fig5와 6에 실물 충돌시험을 위한 단부처리시설의 설치 상태를 사진으로 나타냈다. 단부처리시설의 충돌시험은 소형차량만을 이용하여 시험을 실시하며 1.3톤의 토스카 차량을 이용하여 충돌시험을 진행하였다. 토스카 차량의 실제 무게는 1.3톤보다 크지만, 충돌 시험 기준인 1.3톤의 무게를 맞추기 위하여 차량 내부의 시트 및 연료통을 모두 제거하여 무게를 1.3톤으로 조정하여야 한다. ET1, ET2 등급의 충돌 시험 중 15°충돌의 경우 실물 충돌시험은 성토부 비탈면에서 실시하지만 시뮬레이션 에서는 평지를 대상으로 하였다.

Fig 6. Side crash test of end treatment system

Fig 7. front crash test of end treatment system

Fig 8. THIV Graph ET1 grade Fig 9. PHD graph ET1 grade

Fig10. THIV Graph ET2 grade Fig 11. PHD graph ET2 grade

Fig 7. Fig 8.에 ET1 등급 시험의 측면 충돌 이후 단부처리시설의 시험 결과를 나타냈다. 탑승자보호성능 THIV 19km/h, PHD 12g, ASI 0.8로 국내기준에 만족하는 성적을 받았다. 정면충돌 시 단부처리시설의 변형거리는 1.51m로 나타났으며 Roll, Pitch 각도는 -5.3°와 -1.4°로 75°이하의 값을 가졌다. Fig 9. Fig 10.에 ET2의 탑승자보호성능 THIV 33km/h, PHD 12g, ASI 0.9로 국내기준에 만족하는 그래프를 나타냈다. 정면충돌 시 단부처리시설의 변형거리는 1.62m로 나타났으며 Roll, Pitch 각도 는 -7.5°와 7.2°로 75°이하의 값을 가졌다.

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5.결론

본 연구에서는 새롭게 개발한 단부처리시설에 대하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

(1) 기존에 도로상에 설치되는 라운딩 된 단부처리시설과 비교하여 차량의 관통현상이 나타나지 않는다. 시뮬레이션을 통 하여 단부처리시설이 차량에 관통되는 현상을 표현하는 것은 어려웠으나, 개발한 단부처리시설에 대하여 실물충돌시험 결과 를 확인하였을 때, 차량관통에 대한 부분에서 좋은 성능을 보임을 확인 할 수 있었다.

(2) 실물충돌 시험을 통한 탑승자 위험도 분석 결과 ET1등급은 탑승자보호성능 THIV 19km/h, PHD 12g, ASI 0.8, ET2등급 은 THIV 33km/h, PHD 12g, ASI 0.9로 실물충돌 시험 시 국내 기준인 THIV 44km/h, PHD 20g 이하를 만족하며 충격흡수 성능을 포함하고 있음을 확인 할 수 있었다.

(3) 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 탑승자 위험도 분석 결과 ET1등급은 탑승자보호성능 THIV 22km/h, PHD 11.4g, ASI 0.9, ET2등급은 THIV 39km/h, PHD 18g, ASI 1.4로 실물충돌 시험 시 국내 기준인 THIV 44km/h, PHD 20g 이하를 만족하는 것을 확인 할 수 있었다. 실물충돌 시험과 비교하여 THIV는 14%, 15% 로 등급에 따라 차이를 보이며 PHD의 경우 5%, 35%

로 차이를 보였다. PHD의 경우 충돌 속도 증가에 따라 값의 차이가 크게 나타났다.

(4) 탑승자위험도를 분석하였을 때 단부처리시설의 정면충돌 조건임에도 일반적인 노측용 방호울타리의 20° 충돌각도 충돌 기준인 THIV 33km/h, PHD 20g에 근접한 성능을 나타내는 것은 제안하는 모델의 충격흡수 성능이 작동하기 때문인 것으로 생각된다.

(5) 충돌 속도가 높아질수록 충격도 또한 커지게 되며 높은 충격하중으로 인하여 단부처리 시설의 부재들이 분리되는 현상 이 발견되었다. 부재를 연결하는 연결재의 형상에 대하여 보완 할 필요성이 대두된다. 부재의 분리 없이 충격을 흡수 할 수 있는 형태의 단부처리 시설로 발전시킬 여지가 있다.

(6) 이 논문에서 제안하는 단부처리시설의 경우 도로안전시설 설치 및 관리지침의 기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

그러나 부재의 분리를 방지하며 파단에 의한 에너지 흡수성능을 보다 보완하여 레일에 충격 파단(Breakaway)을 적용한 단부 처리 시설과 비교하는 연구가 필요할 것이라 생각된다.

감사의 글

본 논문은 경일대학교 인영근의 박사학위청구논문의 일부임.

References

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