1. 서 론

본 연구는 낙석방지울타리에 대한 성능평가기준을 제안하고 이를 이용하여 낙석방지울타리를 평가하는 것이다. 동반논문(Kim et al., 2014)에서는 성능평가기준을 제시하였고 본 논문에서는 동반논문에 제시된 성능평가기준을 이용하여 국내 낙석방지울타리의 성능평가를 수행하였다.

동반논문의 서론에서 언급하였듯이 표준도에 제시된 낙석방지울타리의 성능이 의문시 되고 있음에도 불구하고 표준화된 시험방법이 제시되어 있지 않아서 합리적인 평가가 원활히 이루어지지 않고 있다. 이러한 상황을 개선하기 위하여 동반논문에 제시된 유럽통합의 설계지침 ETAG 27 (EOTA, 2008)에 근거한 성능평가기준을 이용하여 합리적으로 기존의 국내 낙석방지울타리의 성능을 평가하고자 하였다.

국내 표준도에 제시되어 있는 낙석방지울타리는 크게 국도와 고속도로에 사용하는 낙석방지울타리로 구분된다. 국도용 낙석방지울타리는 경간이 2m이고, 철망, 와이어로프, 그리고 지주 등으로 구성되어 있다. 고속도로용 낙석방지울타리는 Fig. 1과 같이 경간이 3m이고 국도용에 비해 와이어로프의 직경이 크고 간격유지대, 결속선 등과 같은 구성요소들이 추가적으로 설치되어 있어 국도용보다 더 큰 낙석에너지를 소산시킬 수 있을 것으로 판단된다.

국도용 낙석방지울타리의 구성요소는 철망, 와이어로프, 지주로 구성되어 있다. 와이어로프는 축 방향 변형이 전체 경간에 걸쳐서 잘 발생될 수 있도록 지주의 플랜지에 부착된 u-bolt를 통과하도록 연결된다. 낙석에너지의 소산은 와이어로프, 철망, 그리고 지주의 변형에너지와 운동에너지로 이루어진다. 철망은 작은 낙석이 관통되는 것을 방지하고 대변위로 인한 운동에너지로 낙석에너지를 일부 소산시킨다. 지주는 와이어로프로부터 전달된 힘에 의한 휨 변형으로 인한 변형에너지로 낙석에너지의 소산에 기여한다.

고속도로용 낙석방지울타리의 구성요소는 철망, 와이어로프, 결속선, 간격유지대, 지주로 이루어져있다. 와이어로프는 축 방향 변형이 전체 경간에 걸쳐서 잘 발생될 수 있도록 Fig. 1과 같이 지주의 web에 설치된 구멍을 통과하고, 와이어로프의 간격을 유지시키는 간격유지대의 u-볼트를 통과하도록 되어 있다. 간격유지대는 와이어로프 사이로 낙석이 충돌할 때 와이어로프 간격이 벌어지면서 철망이 관통되는 것을 방지하는 역할을 한다. 결속선은 와이어로프와 철망을 묶어주는 역할을 하며 나선모양으로 되어있다. 고속도로용 낙석방지울타리는 국도용과 같은 낙석에너지 소산메커니즘을 갖고 있지만 간격유지대가 와이어로프의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있기 때문에 국도용 보다 안정적으로 낙석에너지를 소산시킬 수 있는 장점이 있다.

본 연구에서는 간격유지대의 설치로 인하여 보다 안정적이고 보다 큰 에너지 소산이 예상되는 고속도로용 낙석방지울타리에 대해서 성능평가를 수행하였다. 낙석방지울타리의 성능평가는 동반논문에 제시된 방법을 적용한 실물충돌시험과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 이루어졌다.

2. 실물충돌시험을 이용한 성능평가

고속도로용 낙석방지울타리의 50kJ의 낙석에너지에 대한 성능평가를 수행하기 위하여 3개의 시험체에 대하여 실물충돌시험을 수행하였다. 3개의 시험체는 단부경간에 사재가 생략된 점을 제외하고 Fig. 1의 표준도와 동일하게 제작되었으며, 3개중의 1개 시험체에는 간격유지대의 역할을 조사하기 위하여 단부경간에 간격유지대를 설치하지 않았다. 3경간 9m 길이의 시험체에 대한 낙석의 충돌높이는 낙석방지울타리높이의 1/2위치이고, 낙석무게는 첫 번째 논문의 Table 4에 제시된 160kg과 400kg의 국내지침 평균낙석무게의 두 종류를 사용하였다. 50kJ의 낙석에너지는 Fig. 2와 같이 낙석방지울타리를 수평으로 설치하고 160kg의 낙석은 31.8m 높이에서 수직 자유낙하하고 400kg의 낙석은 12.8m 높이에서 자유 낙하하여 발생될 수 있다. 160kg과 400kg의 낙석은 제작 시에 과도한 수화열로 인하여 예상과 다르게 각각 145kg과 365kg으로 약간 작게 제작되었다. 따라서 50kJ의 낙석에너지를 발생시키기 위하여 낙석의 자유낙하높이가 각각 35.2m와 13.8m로 조정되었다. 첫 번째 논문의 성능등급별 낙석무게에 대한 설명에서와 같이 동일한 낙석에너지에 대하여 낙석무게가 감소될수록 힘이 작용하는 면적의 감소로 인하여 낙석이 철망을 관통할 가능성이 증가된다. 따라서 동일한 낙석에너지에 대해서 낙석무게가 작은 경우가 보다 엄격한 시험방법으로 간주될 수 있을 것이다.

첫 번째 실물시험 T1은 중앙경간의 높이 1/2위치에 145kg의 낙석을 충돌시키는 시험이고, 두 번째 실물충돌시험 T2는 중앙경간의 높이 1/2위치에 365kg의 낙석을 충돌시키는 경우이다. 세 번째 실물충돌시험 T3은 간격유지대가 설치되지 않은 단부경간의 높이 1/2위치에 365g의 낙석을 충돌시키는 시험이다. 낙석의 충돌에너지는 측면과 정면에 설치된 1초당 1000 frames를 제공할 수 있는 고속카메라를 이용하여 계측한 충돌 직전의 낙석속도와 낙석무게를 이용하여 산정하였다.

첫 번째 실물시험 T1에서는 중앙 경간의 중앙에서 아래에서 부터 6번째와 7번째 와이어로프의 사이에 145kg의 낙석이 충돌하였고, 낙석의 충돌에너지는 58kJ로 나타났다. 와이어로프의 상하간격이 유지되면서 낙석의 관통이 방어되었고 낙석방지울타리의 최대변위는 1.10m로 나타났다. 충돌 후 낙석방지울타리의 형상은 Fig. 3(a)와 같다. 지주의 하단에서 1/2 높이까지(아래에서 부터 7번째 와이어로프까지) 간격유지대가 설치되기 때문에 와이어로프의 상하간격이 벌어지는 것이 방지되면서 낙석의 충격력이 와이어로프와 지주에 전달될 수 있었고, 와이어로프와 지주의 변형에너지와 운동에너지에 의해서 58kJ의 낙석충돌에너지가 대부분 소산되면서 낙석의 관통을 방어하였다.

두 번째 실물충돌시험 T2의 경우에는 중앙경간의 중앙에서 14cm 좌측으로 아래에서 7번째와 8번째 와이어로프 사이에 낙석이 충돌하였다. 와이어로프의 상하간격이 유지되면서 낙석의 관통을 방어하였고 낙석방지울타리의 최대변위는 1.26m로 나타났다. 365kg의 낙석이 충돌하였고 충돌낙석에너지는 56.7kJ로 나타났다. 충돌 후 낙석방지울타리의 형상은 Fig. 3(b)와 같고 T1과 유사하게 지주와 와이어로프의 연결부와 간격유지대가 적절히 거동하였기 때문에 와이어로프와 지주의 변형에너지와 운동에너지에 의해서 56.7kJ의 낙석충돌에너지가 대부분 소산되면서 낙석의 관통을 방어하였다.

세 번째 실물충돌시험 T3의 경우에는 바깥경간의 중앙에서 아래에서 부터 6번째와 7번째 와이어로프의 사이에 365g의 낙석이 충돌하였다. 충돌낙석에너지는 51kJ이고 충돌 후 낙석방지울타리의 형상은 Fig. 3(c)와 같다. 간격유지대가 설치되지 않은 T3의 경우에 와이어로프의 사이가 벌어지면서 낙석이 관통하였다. 낙석방지울타리가 소산시킨 에너지는 6.5kJ 정도로 매우 작다는 것을 확인할 수 있었다. T3에 대한 실물충돌시험으로 부터 간격유지대가 낙석의 철망 관통을 방지하는데 주요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.

첫 번째 논문의 Table 9를 이용하여 Table 1과 같이 지주의 잔여높이를 평가하였다. 시험체 T1과 T2의 경우에 낙석을 방어하였고 지주잔여높이는 공칭높이의 80% 이상으로 나타나 Class A로 분류되었다. 표준도에 제시된 고속도로용 낙석방지울타리는 50kJ의 낙석이 발생하는 장소에서 적절하게 낙석을 방어하고 50kJ 정도의 낙석이 충돌한 직후에도 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 판단된다. 그러나 시험체 T3의 경우와 같이 간격유지대가 없는 국도용 낙석방지울타리는 상당히 작은 낙석충돌에너지에 대해서도 낙석의 관통가능성이 높기 때문에 고속도로용과 같이 간격유지대를 설치할 필요가 있다고 판단된다. 실물충돌시험을 이용하여 파악하기 어려운 낙석방지울타리의 구성요소별 에너지 소산능력과 간격유지대의 역할 그리고 낙석무게의 영향을 보다 자세히 조사하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.

3. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 기존 낙석방지울타리 성능평가

3.1 해석모델

컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 성능평가는 3D 비선형 동적 contact 해석이 가능한 해석프로그램인 LS-DYNA (LSTC, 2007)를 사용하여 수행하였다. 해석모델은 Fig. 4와 같이 주요한 연결부분의 거동이 실제와 유사하게 나타날 수 있도록 3D로 구성되었고, 지주, 와이어로프, 그리고 철망 등과 같은 각 구성요소에 대한 해석요소와 재료모델은 각 구성요소의 역학적 거동을 적절하게 정의할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션의 보정(calibration)과정과 정적재료 실험을 통하여 결정하였다. 낙석충돌에너지는 충돌에너지의 목표 값이 발생되도록 낙석모델에 초기속도를 설정하여 정의하였다. 해석모델과 해석결과는 앞 장의 실물충돌시험에 사용한 시험방법과 평가기준을 이용하여 구성하고 분석하였다.

Figs. 4(a) and 4(b)에 나타나있는 해석모델은 와이어로프의 축 방향 변형이 실제와 같이 전체 경간에 걸쳐 자유롭게 나타날 수 있도록 지주web의 hole과 간격유지대의 U-볼트를 통과하는 와이어로프에 접촉면(contact surface)을 적용하여 지주web의 hole과 와이어로프 그리고 간격유지대의 U-볼트와 와이어로프 사이의 contact 해석이 가능하도록 모델링한 것이다. 와이어로프와 철망의 연결에 대한 해석모델은 Fig. 3(c)와 같이 와이어로프, 철망, 그리고 결속선에 접촉면을 설정하여 실제와 비슷한 거동이 나타나도록 구성하였고, 단부지주와 철망의 연결은 Fig. 3(d)와 같이 단부고정 볼트의 끝부분에 철망이 걸려있다. 따라서 이 연결은 단부고정 볼트와 철망에 접촉면을 설정하여 단부고정 볼트와 철망의 contact 해석이 가능하도록 모델링한 것이다.

와이어로프, 철망, 결속선은 길이에 비하여 단면이 아주 작기 때문에 대부분의 외력을 축 방향력으로 저항하는 구성요소이고, LS-DYNA 해석 프로그램에서 축 방향 변형을 고려할 수 있는 해석 요소는 케이블 요소, 트러스 요소, 그리고 보(Hughes-Liu beam)요소 등이 있다. 와이어로프, 철망, 그리고 결속선에 대한 해석요소로 여러 개의 해석요소 중에서 보다 안정적인 해석결과를 낳는 해석요소를 선택하였다. 지주와 간격유지대는 shell요소로 모델링하였다.

보와 shell요소의 재료모델은 응력-변형률 관계로 정의되고 cable요소의 재료모델은 축 방향 힘-변위 관계로 정의된다. 낙석에너지의 소산은 구성요소의 탄소성변형에너지로 주로 이루어지기 때문에 각 구성요소의 비탄성 거동을 적절히 정의할 수 있도록 각 구성요소별로 KS규격에 따른 재료실험을 수행하여 재료모델을 결정하였다.

철선에 대한 재료모델은 탄성-완전소성 모델이 적절하였고, 탄성-완전소성 모델의 항복강도 는 인장시험 결과와 탄성-완전소성 모델의 변형에너지가 같도록 로 결정하였다. 4회 시행된 인장시험의 평균 인장강도 는 456MPa이고 파단변형률 은 0.068에서 0.15까지의 범위로 나타났다. 탄성-완전소성 모델을 적용한 cable요소와 보 요소의 해석결과는 Fig. 5에 실험결과와 함께 나타나 있는데, 두 해석결과 모두 실험결과와 유사한 상관관계를 보였다.

와이어로프의 양 끝단을 KS D ISO 7595규정에 따라 소켓팅하여 인장시험이 3회 시행하였다. 와이어로프의 단면적으로 소선 단면적의 합(131.9)을 사용하였고, 평균 탄성계수 는 55400MPa이고 평균 인장강도 는 1505MPa 이었다. 그리고 파단변형률은 0.0382에서 0.045까지의 범위로 나타났다. 와이어로프에 대한 재료모델은 bi-linear 모델이 적절하였고, bi-linear 모델의 항복강도 와 항복 후 기울기 는 인장시험 결과와 bi-linear 모델의 변형에너지가 같도록 각각 와 로 결정하였다. Bi-linear 모델을 적용한 cable요소와 보 요소의 해석결과는 Fig. 6에 실험결과와 함께 나타나 있는데, 두 해석결과 모두 실험결과와 유사한 상관관계를 보였다. 그리고 지주와 간격유지대에 사용되는 SS400 강재에 대한 재료모델은 Fig. 7에 보이는 것 같이 7-직선 모델이 적절하였다.

철망에 대한 적절한 해석모델을 결정하기위하여 1 경간의 철망에 대해서 상하좌우 단부지점들의 변위를 구속하고 10kJ의 낙석에너지를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 철망을 구성하기위한 철선의 연결방법으로 실제 형상과 같도록 철선을 꼬아서 접촉면을 고려한 contact모델과 철선을 격자로 직접 연결한 격자모델을 고려하였다. 2개의 해석모델에 대하여 철선은 보와 트러스 요소를 각각 사용하여 정의하였다. 낙석이 철망을 관통한 직후의 Contact모델과 격자모델의 변형형상은 Fig. 9와 같고 철망의 변형에너지와 운동에너지는 Table 2에 나타나있다. 두 모델에 의한 철망의 에너지-시간 이력곡선은 Fig. 10과 같다.

Fig. 8 and Table 2를 살펴보면 낙석이 철망을 관통한 직후의 contact모델의 변형형상과 운동에너지가 격자모델에 비하여 보다 크게 나타난 반면에 변형에너지는 격자모델 보다 작게 나타났다. Contact모델이 격자모델에 비하여 보다 유연한 거동을 정의 할 수 있다는 것을 알 수 있다. Table 2를 살펴보면 트러스요소-contact모델을 제외한 모든 모델의 경우에서 변형에너지가 운동에너지에 비하여 매우 크게 나타났다. Contact모델과 격자모델 각각에 대해서 보요소는 트러스요소에 비하여 변형에너지가 크게 나타났으나 운동에너지는 상당히 작게 나타났다. 보요소-contact모델과 트러스요소-격자모델의 경우에 낙석이 철망을 관통한 시간에 운동에너지가 비슷하였고 변형에너지의 차이도 크지 않았다. 보요소-격자모델의 경우에는 운동에너지가 가장 작게 나타났으나 변형에너지는 가장 크게 나타났다.

Fig. 9를 살펴보면 트러스요소-contact모델의 경우에 시간이 증가함에 따라 변형과 운동에너지-시간 이력곡선들이 점점 증가하는 반면에 다른 모델경우에는 낙석이 철망을 관통한 직후부터 이력곡선들이 점점 감소하거나 기울기가 거의 수평으로 나타나는 것을 알 수 있다. 철선을 트러스요소로 정의한 contact모델의 경우에 낙석이 철망을 관통한 후에도 철망의 변형과 운동에너지가 점점 증가한다는 점에서 이 모델이 불안정하다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 다수의 트러스요소를 사용하여 트러스 구조가 아닌 철선과 같은 선형 부재를 모델링하는 경우에 해석모델이 불안정하게 되기 때문으로 판단된다.

와이어로프에 대한 적절한 해석요소를 결정하기위하여 Fig. 10(a)와 같이 3경간 낙석방지울타리에 대하여 2개의 해석모델을 구성하고 50kJ의 낙석에너지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 두 해석모델의 차이는 하나는 와이어로프를 cable요소로 모델하고 다른 하나는 beam요소로 모델한 점이다. 와이어로프를 cable요소로 모델링한 경우에 중간지주 web의 hole과 와이어로프의 접촉해석을 수행하기 위하여 cable요소의 길이가 10mm로 짧게 구성하였다. Fig. 10(b)를 살펴보면 cable요소를 사용한 경우에 낙석 관통 후 시간이 증가함에 따라 에너지 비가 1보다 급격하게 커지는 반면에 beam요소의 경우에는 낙석이 관통한 후 시간이 경과하여도 에너지 비가 1 근처에서 크게 변하지 않는 다는 것을 알 수 있다. 에너지 비는 초기 낙석충돌에너지에 대한 총 에너지의 비로 정의되고 에너지 비가 1에 도달되면 에너지의 균형이 이루어진다고 간주된다. 따라서 시간에 상관없이 1 근처의 에너지 비를 낳는 beam요소가 안정적인 해석요소로 간주될 수 있다. 다수의 cable요소를 사용하여 와이어로프와 같은 선형 부재를 모델링하는 경우에 해석모델이 불안정하게 되기 때문에 에너지 비가 1 근처로 안정적이고 부재 축 방향의 대 변형을 고려할 수 있는 보 요소(Hughes-Liu beam)가 와이어로프에 대한 적절한 해석요소로 간주될 수 있다. 단부지주와 와이어로프의 연결은 SS400 강종의 단부고정 볼트를 이용하여 이루어지며 단부고정 볼트의 해석모델은 와이어로프에 적용된 보요소를 사용하여 구성하였다.

3.2 해석모델의 Calibration

실물충돌실험 T3에 대한 해석모델을 구성하고 철망의 파단변형률을 0.068의 재료실험 최소값, 0.103의 평균값, 0.143의 최대값, 그리고 0.2까지 증가시키면서 해석을 수행하였다. Fig. 11에는 실물충돌실험의 철망 파괴형상과 시뮬레이션의 철망 파괴형상이 나타나 있고 Table 3에는 시뮬레이션에 의한 각 구성요소의 소산에너지가 제시되어 있다. 철망의 파단변형률이 0.068에서 0.2까지 약 3배 증가함에 따라 철망이 소산시킨 총 에너지는 0.8kJ에서 3.1kJ까지 약 4배 증가하였고 낙석방지울타리의 전체 소산에너지는 6.3kJ에서 11.6kJ까지 약 1.8배 증가하였다. 철선의 파단변형률이 증가할수록 철망이 파괴되는 시간이 지체되기 때문에 와이어로프, 지주, 그리고 철망 등이 변형을 겪고 운동하는 시간이 증가하고 전체 소산 에너지가 증가하였다. 철망의 역할이 낙석에너지의 소산보다는 와이어로프 사이에 충돌하는 작은 낙석의 방어에 주로 있기 때문에 와이어로프와 지주 등과 같은 에너지의 소산에 주요한 역할을 하는 구성요소에 철망의 영향이 크게 미치지 않도록 철망의 최소 파단변형률을 적용하는 해석이 안전 측으로 간주될 수 있다. 낙석방지울타리의 성능평가를 안전 측으로 수행할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션에 재료실험으로 결정된 철선의 최소 파단변형률을 적용하였다.

실물충돌시험 T2에 대한 해석모델을 결정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션의 해석모델에 대한 낙석방지울타리의 구성요소별 해석요소와 주요한 재료특성 값이 Table 4에 나타나있다. Table 4에 나타나 있는 재료특성 값은 낙석방지울타리를 안전 측으로 평가할 수 있도록 각 구성요소에 적용된 강종의 최소값을 사용하였고 파단변형률은 재료실험의 최소값을 적용하였다.

Table 5에는 해석모델에 사용된 마찰계수와 Rayleigh 댐핑 비가 나타나있다. 철망은 피복이 되어 있고 와이어로프는 인장변형을 겪을 때 강선사이에 마찰이 나타나기 때문에 철망과 와이어로프는 일반 강재에 비하여 재료의 감쇠효과가 크게 나타난다. 이러한 현상을 고려하기위하여 와이어로프와 철망의 댐핑 비는 0.1을 사용하였다. 댐핑은 Rayleigh 강성 비례 감쇠를 사용하여 고려하였다. Fig. 12에는 실물충돌시험과 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 낙석방지울타리의 변형 형상이 나타나 있다. 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 3개 해석모델의 유일한 차이는 철망이 각각 보-contact, 보-격자, 그리고 트러스-격자로 모델링된 점이다. Figs. 1 and 4로부터 실제 꼬아진 철선의 연결을 가장 정확하게 모델링한 보-contact을 사용한 해석모델이 실물충돌시험의 변형형상과 가장 유사한 변형형상을 보였고 node를 공유한 보-격자모델의 변형형상은 철선의 접촉거동을 강결연결로 모델링하였기 때문에 실물충돌시험의 변형형상에 비하여 보다 유연하지 않은(stiff) 형상이었다. 그리고 트러스-격자모델의 변형형상은 철선의 접촉거동을 강결연결로 모델링하였음에도 불구하고 보다 유연하였으며 트러스 요소를 선형부재로 모델링하는 경우에 발생하는 불안정한 특성 때문에 불안정하게 나타났다. 보-contact모델이 철망에 대한 가장 적절한 모델인 것으로 판단된다. Tables 6 and 7에는 실물충돌시험과 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 와이어로프 변형길이와 지주 횡 변위, 그리고 낙석방지울타리의 최대변위와 지주 수직변위가 각각 제시되어있다. 또한 Table 8에는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 낙석방지울타리의 구성요소별 소산에너지가 전체 소산에너지와 함께 나타나있다. 실물충돌시험의 단부지주 횡 변위는 71cm이고 시뮬레이션에 의한 단부지주 횡 변위는 69cm로 실물충돌시험에 비하여 약 3% 정도 작게 예측되었다. 실물충돌시험에 의한 와이어로프의 총 변형길이는 소성 변형길이에 0.11m의 탄성변형길이를 더하여 결정하였다. 시뮬레이션에 의한 와이어로프 전체 변형길이는 0.15m이고 실물충돌시험의 변형길이는 0.17m로 나타나 시뮬레이션에 의한 와이어로프 변형길이가 약 11% 작게 예측되었다. 시뮬레이션에 의한 낙석방지울타리의 최대변위는 실물충돌시험에 비하여 약 9% 작게 예측되었다. 실물충돌시험과 시뮬레이션에 의한 지주 수직변위는 모두 매우 작게 나타났다. Table 8로부터 지주가 대부분의 충돌에너지를 소산시키고(약 67%) 와이어로프와 철망이 각각 약 15%와 12%의 충돌에너지를 소산시켰다. 해석모델이 실물충돌시험에 비하여 약간 유연하지 않은 거동을 보였으나 대체적으로 합리적인 에너지 소산 능력을 보이는 것으로 파악되었다.

낙석방지울타리와 낙석 사이의 마찰과 낙석방지울타리 구성요소 간의 마찰의 영향을 조사하기 위하여 마찰계수를 변화시키면서 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. Table 9에는 마찰계수의 변화에 따른 낙석방지울타리의 변형에너지와 운동에너지의 합으로 구성된 소산에너지가 나타나있다. 0.2의 마찰계수에 비하여 0.3과 0.4의 마찰계수는 낙석방지울타리의 소산에너지를 각각 약 8%와 13% 그리고 낙석방지울타리의 최대변위를 각각 약 2%와 3% 감소시켰다. 0.1의 마찰계수를 사용한 경우에는 낙석이 낙석방지울타리를 관통하였다. 마찰계수가 감소될수록 구성요소의 변형에너지와 운동에너지가 보다 크게 발생하고 구성요소의 파괴가 보다 빠르게 나타날 수 있기 때문에 작은 마찰계수를 고려하는 것이 보다 안전 측의 평가로 간주 될 수 있다. 0.2의 마찰계수를 사용한 컴퓨터 시뮬레이션이 실물충돌시험을 가장 적절하게 예측할 수 있었기 때문에 본 연구에서는 낙석방지울타리의 성능평가에 0.2의 마찰계수를 사용하였다.

3.3 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 성능평가

다양한 충돌조건에 대하여 고속도로용 낙석방지울타리의 거동을 조사하기 위하여 3경간 시험체에 대한 10개의 해석모델을 구성하고 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 성능평가를 수행하였다. 7개의 해석모델은 기존 고속도로용 낙석방지울타리에 관한 것이고 나머지 3개의 해석모델은 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안을 조사하기 위하여 구성되었다. 기존 고속도로용 낙석방지울타리에 대한 7개의 해석모델에는 2종류의 충돌조건이 고려되었다. 첫 번째는 실물충돌시험 충돌위치에서 낙석크기에 따른 낙석방지울타리의 거동을 자세히 조사하기 위하여 낙석 충돌위치를 실물충돌시험의 충돌위치(지주의 1/2 높이)와 동일하게 적용하였다. 두 번째는 간격유지대와 지주 사이에 낙석이 충돌할 경우에 낙석의 관통여부를 검토하기 위하여 낙석 충돌위치를 경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 6번째와 7번째 와이어로프 사이로 고려하였다. 고속도로용 낙석방지울타리의 개선안을 조사하기 위하여 구성된 3개의 해석모델에 대해서는 실물충돌시험 충돌위치에서의 낙석크기에 따른 낙석방지울타리의 거동을 자세히 조사하기 위하여 낙석 충돌위치를 실물충돌시험의 충돌위치(지주의 1/2 높이)와 동일하게 적용하였다.

3.3.1 중앙경간의 중앙에서 지주의 1/2 높이 충돌

고속도로용 낙석방지울타리의 3경간 시험체에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S1, S2, 그리고 S3을 구성하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 모델 S1, S2, 그리고 S3에 각각 160kg, 320kg, 그리고 400kg의 낙석을 사용하였다. 낙석의 충돌에너지는 50kJ이고 낙석의 충돌위치는 중앙경간의 중앙에서 지주의 1/2 높이(아래에서 7번째 와이어로프)이다. S1, S2, 그리고 S3모델의 변형형상이 Figs. 13(a), (b) and (c)에 나타나있다. 낙석무게와 상관없이 모든 모델에서 7번째 와이어로프에 위치한 간격유지대의 단부에 낙석이 충돌하여서 간격유지대의 단부에 큰 변형이 발생하고 와이어로프의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였다. 그러나 145kg의 낙석을 이용한 실물충돌시험 T1의 경우에는 아래에서 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 낙석이 충돌하였으나 간격유지대에 의하여 와이어로프의 상하간격이 유지되면서 낙석의 관통을 방어하였다. 또한 365kg의 낙석을 이용한 실물충돌시험 T2의 경우에는 중앙경간의 중앙에서 14cm 좌측으로 7번째와 8번째 와이어로프 사이에 낙석이 충돌하여서 간격유지대의 역할이 없었음에도 불구하고 와이어로프의 상하간격이 크게 벌어지지 않으면서 낙석의 관통을 방어하였다. 그 이유는 낙석방지울타리에 접촉하는 365kg 낙석의 충돌 면의 변의 길이가 와이어로프 사이 간격보다 상당히 크기 때문인 것으로 판단된다.

3.3.2 경간길이 3/4위치에서 6번째와 7번째 와이어로프 사이 충돌

컴퓨터 시뮬레이션 모델 S4, S5, 그리고 S6에 160kg, 320kg, 그리고 400kg의 낙석을 각각 사용하였고 각 모델의 변형형상이 Figs. 14(a), (b) and (c)에 나타나있다. 낙석의 충돌에너지는 50kJ이고 낙석의 충돌위치는 경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 6번째와 7번째 와이어로프 사이이다. S4, S5, 그리고 S6모델의 경우에 간격유지대에 의하여 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 유지되면서 낙석의 관통을 방지하였다. S4, S5, 그리고 S6의 경우에 낙석방지울타리에 접촉하는 낙석 충돌 면의 변의 길이가 220mm, 290mm, 그리고 298mm로 와이어로프 사이 간격 200mm 보다 각각 1.1배, 1.45배, 그리고 1.49배 이기 때문에 낙석의 관통이 방지된 것으로 판단된다. S7모델에 대한 시뮬레이션은 S4에 비교하여 낙석의 무게가 87kg인 점에서만 차이가 있다. S7의 낙석은 낙석방지울타리에 접촉하는 낙석 충돌 면의 변의 길이가 180mm로 와이어로프 사이 간격 200mm의 0.9배이다. S7모델의 변형형상이 Fig. 14(d)에 나타나있다. S4와 다르게 S7의 경우에는 낙석이 와이어로프 사이로 관통하였다. S4와 S7의 시뮬레이션을 통하여 동일한 낙석에너지로 충돌하더라도 낙석의 크기가 작은 경우가 보다 위험하다는 것을 알 수 있다. 낙석의 크기가 작아질수록 와이어로프의 간격이 낙석의 크기에 맞추어 감소되거나 철망의 에너지소산 능력이 개선되어야만 낙석의 관통이 방지될 것으로 예상된다.

50kJ의 낙석 충돌에너지를 소산시킬 수 있을 것으로 간주되고 있는 국도용 낙석방지울타리의 경우에 간격유지대가 설치되어 있지 않기 때문에 와이어로프사이에 50kJ의 낙석에너지를 갖는 낙석이 충돌할 때 낙석의 관통가능성이 매우 높다고 판단된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 충돌시험에 사용된 낙석 지름의 0.9배 보다 작게 와이어로프의 간격을 조정하거나, 4kJ 정도의 소산에너지를 갖고 있는 현 철망을 50kJ의 낙석에너지를 소산시킬 수 있는 철망으로 교체하여야 한다. 또한 고속도로용 낙석방지울타리에 사용된 것과 같은 간격유지대를 설치하는 것도 한 방법으로 판단된다. 고속도로용 낙석방지울타리가 국도용에 설치되지 않은 간격유지대를 사용하는 점으로부터 위의 3가지 방법중에서 간격유지대를 설치하는 방법이 가장 경제적이다는 것을 유추해 볼 수 있다.

3.3.3 기존 고속도로용 낙석방지울타리 개선안

컴퓨터 시뮬레이션 모델 S8, S9, 그리고 S10에 160kg, 320kg, 그리고 400kg의 낙석을 각각 사용하였고 각 모델의 변형형상이 Figs. 15(a), (b) and (c)에 나타나있다. 낙석의 충돌에너지는 50kJ이고 낙석의 충돌위치는 중앙경간의 중앙에서 지주의 1/2 높이이다. S8, S9, 그리고 S10의 경우에 8번째 와이어로프까지 와이어로프 사이 간격은 200mm이고 이후의 간격을 333mm로 조정하였다. 그리고 간격유지대는 8번째 와이어로프까지 연결하였다. S1, S2, 그리고 S3에 비하여 S8, S9, 그리고 S10 모델은 7번째와 8번째 와이어로프 사이 간격이 200mm로 감소되고 8번째 와이어로프까지 간격유지대가 연결된 점에서 차이가 있다. S1, S2, 그리고 S3의 경우와 다르게 S8, S9, 그리고 S10의 경우에는 간격유지대에 의하여 와이어로프의 상하간격이 유지되면서 낙석의 관통을 방어하였다.

낙석의 관통을 방지하기 위하여 낙석방지울타리의 지주, 와이어로프, 철망은 낙석에너지를 소산시키는 역할을 주로 하는 반면에 간격유지대는 와이어로프 사이의 간격을 유지시키는 역할을 한다. 고속도로용 낙석방지울타리가 낙석무게와 낙석충돌위치(혹은 낙석무게)에 상관없이 50kJ의 낙석충돌에너지를 항상 소산시키려면 철망이 주로 50kJ의 에너지를 소산시키는 역할을 할 수 있어야 한다. 반면에 일정한 낙석무게에 대하여 낙석충돌위치에 상관없이 50kJ의 낙석충돌에너지를 항상 소산시키려면 와이어로프의 간격이 낙석의 크기에 알맞게 조정되고 간격유지대가 지주높이까지 연장되어야 한다. 그리고 유럽기준이나 첫 번째 논문에 제시된 것 같은 160kg의 낙석무게와 지주 1/2높이의 낙석충돌위치에 대해서 50kJ의 낙석충돌에너지를 항상 소산시키려면 최소한 아래에서 8번째 와이어로프까지 와이어로프의 간격을 200mm로 조정하고 간격유지대를 연결하여야 한다. 유럽이나 미국지침에서는 일반적으로 마지막 수준의 성능을 최소한으로 확보할 수 있도록 시험방법을 규정하고 있다. 그리고 도로관리주체가 도로안전에 가중치를 주어 성능수준을 지침의 수준 보다 높이고자 하는 경우에는 비용대비편익 분석을 통하여 낙석방지울타리의 방어 목표와 그에 알맞은 성능 수준을 결정하여야 한다.

4. 결 론

본 연구에서는 동반논문에 제시된 유럽통합의 설계지침 ETAG 27에 근거한 성능평가기준을 이용하여 표준도에 제시된 국내 낙석방지울타리의 성능을 평가하고자 하였다. 고속도로용 낙석방지울타리는 50kJ의 낙석이 발생하는 장소에서 적절하게 낙석을 방어하고 50kJ 정도의 낙석이 충돌한 직후에도 차량 통행을 방해하지 않을 것으로 평가되었다. 그러나 유럽지침의 수준으로 50kJ의 낙석에너지를 항상 소산시키기 위해서는 아래에서 8번째 와이어로프까지 와이어로프의 간격을 200mm로 조정하고 간격유지대를 연결하여야 한다고 판단되었다. 그리고 간격유지대가 없는 국도용 낙석방지울타리는 상당히 작은 낙석충돌에너지에 대해서도 낙석의 관통가능성이 높기 때문에 고속도로용과 같이 간격유지대를 설치할 필요가 있다고 평가되었다.