1. 서 론

우리나라는 전 국토의 64%가 산악지형으로 이루어져 있으며 최근의 산업화와 도시화에 따른 새로운 택지조성, 도로와 산업기지 건설, 대규모 주택단지 개발 등으로 자연사면을 변형시키는 규모나 빈도가 증가하고 있다. 또한 기상이변으로 인한 집중호우 발생 시에 절취사면에서 낙석 발생의 위험이 높아지고 있는 실정이다. 낙석방지시설이 국내 절개사면의

낙석에 대한 대책공법의 70%이상을 차지하고 있으며 낙석방지울타리는 낙석방지시설의 20%를 차지하고 있다(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 1999).

국내의 표준도에 제시되어 있는 낙석방지울타리는 50kJ 정도의 낙석에너지를 방호할 수 있는 것으로 보고되어 있는 국도용과 고속도로용 낙석방지울타리(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008)가 있으며, 국내 낙석방지시설 관리지침(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008)에는 48~61kJ의 낙석에너지를 방어할 수 있는 낙석방지울타리의 주요 구성요소가 제시되어 있다. 그러나 제시된 규격이 상응하는 흡수가능에너지와 어떤 상관관계가 있는지 근거가 불명확한 실정이고, 와이어로프 간격을 유지시키는 간격유지대와 같은 다른 주요한 구성 요소에 대한 규격이 제시되어 있지 않다. 국내 연구자들은 지난 10여년에 걸쳐 낙석시험을 통하여 표준 낙석방지울타리가 50kJ을 견디지 못하거나 또는 부재의 파손이 발생하기 전에 연결부가 먼저 파손되는 등 에너지 흡수성능이 기준 값에 미달되는 경우가 있다고 보고하고 있다(Hwang et al., 2005; Kim et al., 2005). 또한 Koo et al. (2001)은 국내 도로 절토 사면에서 발생하는 크고 작은 낙석들을 효과적으로 방어하기 위해서는 90~100kJ의 에너지 흡수능력을 가진 낙석방지울타리가 설치되어야 한다고 보고하고 있다. 국내에서 수행된 실물충돌시험은 낙석의 사면낙하(Koo et al., 2001; Hwang et al., 2003)와 자유낙하(Hwang et al., 2005; Lee, 2009)를 이용하여 수행되었으며, 시험에 사용된 낙석방지울타리의 경간 길이와 시험조건 등이 동일하지 않아 결과를 합리적으로 비교하기가 어렵다. 따라서, 다양한 낙석충돌에너지를 방호할 수 있는 새로운 낙석방지울타리의 개발이 필요하며 이를 위한 합리적인 성능평가방법이 요구되고 있는 실정이다.

유럽통합의 낙석방지울타리 설계지침 ETAG 27 (EOTA, 2008)은 낙석방지울타리에 대한 표준화된 시험과 인증을 시행할 수 있도록 9개의 성능등급, 시험방법, 그리고 평가기준을 규정하고 있어 넓은 범위의 낙석충돌에너지를 방호할 수 있는 다양한 낙석방지울타리의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 미국의 경우에는 스위스 지침(Gerber, 2001)을 준용한 NCHRP Report 20-07 (Higgins, 2003)이 낙석방지울타리에 대한 성능평가 지침으로 2003년부터 성능평가 시험과 인증에 사용되고 있다. 또한 2008년에 제정된 유럽통합 지침 ETAG 27과 2003년의 미국 지침이 상이해서 나타나는 문제점을 해결하고 표준화된 시험과 인증을 시행할 수 있게 하는 새로운 지침 NCHRP Report 24-35 (Ben Arndt, 2014)가 2014년 말에 완료될 예정이다. 그러나 국내 낙석 방지시설 관리지침에는 성능평가시험을 위하여 필요한 낙석방지울타리의 설치경간 수, 낙석의 충돌위치와 낙석형상, 낙석의 충돌에너지 발생방법, 낙석형상, 낙석충돌속도, 그리고 낙석무게 등과 같은 구체적인 시험방법과 측정항목 그리고 평가기준이 제시되어 있지 않기 때문에 객관적이고 합리적인 방법을 사용하여서 낙석방지울타리를 성능평가하고 개발하는데 많은 어려움이 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국외 낙석방지울타리의 성능등급, 시험방법, 평가기준, 그리고 국내 지침에 내재되어 있는 근거와 의미를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 파악하고 국내 낙석발생 현황을 조사하여 국내 실정에 적합한 낙석방지울타리의 성능평가를 위한 성능등급, 시험방법, 그리고 평가기준을 제안하고자 하였다.

본 연구는 낙석방지울타리에 대한 성능평가기준을 제안하고 이를 이용하여 낙석방지울타리를 평가하는 두 편의 논문 중 첫 번째로 성능평가기준에 관한 것이다. 그리고 제시한 성능평가기준을 이용한 국내 낙석방지울타리에 대한 평가는 동반논문(Kim et al., 2014)에 나타나있다.

2. 낙석방지울타리의 성능등급

2.1 국내 낙석현황

낙석방지시설에 대한 유럽 통합지침 ETAG 27의 성능평가기준은 이탈리아, 프랑스, 오스트리아의 실물충돌시험을 통한 낙석방지울타리의 성능평가방법과 스위스 지침을 고려하여 2008년에 제정되었으며 성능등급별 최대성능에너지는 Table 1과 같이 100kJ에서 4500kJ 이상까지 총 9등급으로 구분되어 있다. 미국 낙석방지울타리 통합기준인 NCHRP Report 20-07의 성능등급기준은 주별로 상이한 설계기준으로 인하여 발생하는 문제를 해소하기 위하여 2003년에 제정되었고 성능등급별 최대성능에너지는 Table 1과 같이 100kJ에서 5000kJ까지 총 9등급으로 분류되어 있다. 유럽과 미국의 성능등급별 최대성능에너지의 차이는 미국은 750kJ의 최대성능에너지를 갖는 등급을 갖춘 반면에 유럽은 미국 최고 등급(9등급)의 최대성능에너지 5000kJ 보다 큰 최대성능에너지를 방호할 수 있는 등급을 갖춘 점이다.

국내에서 발생 가능한 낙석에너지를 조사하기 위하여 17개 낙석 발생장소에 대한 낙석 발생 경사면의 높이, 경사도, 낙석발생횟수, 낙석의 전체체적, 마찰계수, 낙석의 단위중량 등이 제시되어 있는 국내낙석자료(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 2000; Bae et al., 2002)를 검토하였다. 국내낙석자료에는 경사면의 기하학적 형상, 낙석무게, 낙석 발생높이 등이 구체적으로 제시되어 있지 않기 때문에 본 연구에서는 국내에서 발생 가능한 최대 낙석에너지를 산정하기 위하여 경사면의 형상은 단일경사면을 이용하고 낙석은 경사면의 가장 높은 위치에서 발생하는 것으로 가정하였다. 낙석발생 장소별 평균 낙석무게는 국내낙석자료에 제시된 발생장소별 낙석의 전체체적과 단위중량을 곱하여 낙석발생장소의 전체 낙석중량을 결정하고 이를 낙석발생횟수로 나누어 결정되었다. 국내낙석자료에 제시된 경사도, 마찰계수, 낙석발생높이, 그리고 낙석 발생장소의 평균낙석무게를 2 종류의 낙석에너지 산정방법에 적용하여 국내에 발생한 낙석에너지를 결정하였다. 첫 번째 방법은 국내 낙석방지시설 관리지침에 제시된 낙석에너지 산정 Eq. (1)을 이용하는 방법이고, 두 번째 방법은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 방법이다.

 (1)

여기서, = 낙석에너지(kJ), θ = 절개면의 경사도, μ = 낙석의 등가마찰계수, β = 회전에너지 계수(0.1), = 낙석의 중량(t), = 낙석의 낙차 높이(m), g = 중력가속도(9.8m/s²)이다.

컴퓨터 시뮬레이션은 충돌해석에 광범위하게 쓰이고 3D 비선형 동적 contact 해석이 가능한 LS-DYNA (LSTC, 2007)해석프로그램을 사용하여 이루어졌다. 17개 낙석발생장소에 대한 컴퓨터 시뮬레이션의 해석모델은 Fig. 1과 같이 각 장소별로 제시된 경사도, 마찰계수, 평균낙석무게, 경사면높이를 이용하여 모델링하였고 낙석형상은 유럽 성능평가 시험에 사용되고 있고 접촉에너지가 크게 나타나지 않는 26면체를 이용하였다. 경사면과 낙석에 대하여 재료의 감쇠효과로 인한 낙석 운동에너지의 저감을 방지하기 위하여 댐핑은 고려하지 않았다. 그리고 경사면의 조도는 운동에너지가 감소되지 않도록 0으로 모델링하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정되는 낙석에너지는 낙석이 수평 지표면에 충돌하기 직전의 운동에너지로 정의하였다.

낙석에너지 산정 식과 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 낙석에너지는 Fig. 2에 나타나있다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 낙석에너지의 범위는 22~1200kJ이고 평균 낙석에너지는 263kJ이었다. 그리고 국내지침의 낙석에너지 산정 Eq. (1)에 의한 낙석에너지의 범위는 26~1372kJ이고 평균 낙석에너지는 307kJ로 나타났다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 최대와 평균 낙석에너지가 지침의 산정 식에 의한 것보다 각각 약 14% 작게 나타났다.

2.2 국내 낙석 충돌에너지와 성능등급

지침의 산정 식과 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 낙석에너지의 감마분포곡선은 Fig. 3과 같고 누적발생확률은 Table 2에 제시되어 있다. Table 2에서 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 200kJ의 낙석에너지에 대한 누적발생확률이 45%로 나타나 있는데 이는 발생 가능한 전체 낙석에너지 중에서 0에서 200kJ까지의 낙석에너지가 발생할 확률이 45%라는 것을 의미한다. 국내의 낙석에너지는 Fig. 3 and Table 2에 나타나있듯이 500kJ이하에 전체 발생하는 낙석에너지의 80%이상(시뮬레이션은 약 90%)이 집중되어 있다. 따라서 유럽과 미국의 성능등급은 500kJ이하에 3개 등급(100, 250, 그리고 500kJ)을 규정하고 있는 반면에 국내의 성능등급은 500kJ이하의 낙석에너지에 대해서 유럽과 미국의 3개 성능등급(100kJ, 250kJ, 500kJ)에 50kJ, 150kJ, 그리고 350kJ의 낙석에너지 등급을 추가할 필요가 있다고 판단되었다. 그리고 500kJ에서 1500kJ의 낙석에너지 범위에 대해서는 미국 성능등급기준과 동일하게 제시하였다. 낙석방지울타리의 성능등급은 Table 3과 같이 50kJ에서 1500kJ까지 총 9등급으로 제시하였다. 성능등급 별로 2종류(TEST A와 B)의 낙석에너지가 제시되었는데, TEST A는 최대 성능등급에너지의 1/3을 이용하여 사용성을 평가하고 TEST B는 최대 성능등급에너지를 이용하여 최대성능을 평가하는 시험이다.

성능평가 시험에 사용되는 낙석의 성능등급별 낙석무게를 결정하기 위하여 낙석무게가 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 국내 고속도로용 낙석방지울타리의 흡수가능 에너지로 예상되는 50kJ의 충돌에너지에 대하여 유럽과 미국의 50kJ의 낙석에너지에 상응하는 160kg의 낙석무게와 국내 관리지침에 제시된 400kg의 평균낙석무게를 사용하여 LS-DYNA 해석프로그램을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 각각 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에 대한 보다 자세한 사항은 동반 논문(Kim et al., 2014)에 나타나 있다. Fig. 4에 보이는 것처럼 3경간 낙석방지울타리의 중앙경간에서 낙석방지울타리 높이의 1/2 위치에 낙석을 충돌시켰다. Fig. 4에 160kg과 400kg 낙석을 사용하여 결정된 낙석방지울타리의 변형형상이 나타나있다. 160kg 낙석은 낙석방지울타리를 관통하였고 400kg 낙석은 방호하였다. 이러한 사실로부터 낙석중량이 작은 경우에 충격력이 작은 면적에 집중되기 때문에 더 위험하다는 것을 알 수 있다.

Fig. 5에는 유럽기준에 제시된 성능등급별 낙석에너지-낙석무게 상관관계가 국내낙석자료로부터 결정된 낙석에너지-낙석무게 상관관계와 함께 나타나있다. Fig. 5로부터 모든 낙석에너지에 대하여 국내 낙석무게가 유럽 낙석무게에 비하여 약 2.5배정도 크다는 것을 알 수 있다. 그 주요한 이유는 유럽과 미국의 낙석무게는 낙석발생 시에 낙석방지울타리에 충돌하는 낙석무게를 의미하는 반면에 Fig. 5의 국내 낙석발생 장소별 평균낙석무게는 1회 낙석발생시의 평균낙석무게(낙석방지울타리에 도달하지 않는 낙석까지 포함)를 나타내기 때문으로 판단된다. Fig. 4에 나타나있듯이 작은 낙석무게가 안전 측의 평가를 낳는 다는 점과 Fig. 5의 국내 낙석발생 장소별 평균낙석무게가 과다 평가되었다는 점을 고려하여 성능등급별 낙석무게는 Table 4와 같이 유럽 성능등급의 낙석무게가 적절할 것으로 판단되었다.

3. 성능평가 시험

3.1 성능평가 시험 종류

유럽과 미국의 낙석방지울타리에 대한 성능평가는 사용성과 최대성능을 조사하기 위한 2종류의 실물충돌시험을 통하여 이루어진다. 최대성능 시험은 성능등급 별로 발생 가능한 최대 낙석에너지에 대해서 낙석의 방호가 가능한지 평가하기 위한 시험이고, 사용성 시험은 최대 낙석에너지의 1/3(혹은 1/2) 에너지로 여러 번 충돌시험을 실시하여 최대 낙석에너지 보다 작은 낙석에너지가 여러 번 발생하는 경우에 대하여 교체없이 낙석방지울타리를 계속 사용할 수 있는 지를 평가하기 위하여 수행되는 시험이다. 국내 성능평가 시험도 유럽과 미국의 기준과 같이 사용성과 최대성능을 평가할 수 있도록 2종류(TEST A와 TEST B)의 실물 자유낙하 충돌시험으로 구성될 필요가 있다고 판단된다. TEST A는 최대성능등급 에너지 보다 작은 에너지의 낙석이 여러 번 발생하는 경우에 대하여 사용 지속성을 평가하기 위해 최대 성능등급에너지의 1/3 에너지(Table 3 참조)를 적용하여 2차례 수행되는 시험이다. 1차 시험 후에 낙석만 제거되고 시설물의 보수 없이 2차 시험이 수행된다. 2차 시험에 대한 낙석의 충돌위치는 1차 시험에 의해 결정된 낙석방지울타리 잔여높이의 1/2 이다. TEST B는 TEST A에 사용된 낙석방지울타리를 보수하거나 교체하고 낙석방지울타리의 최대성능을 평가하기 위하여 최대 성능등급 에너지를 적용하여 1회 수행되는 시험이다.

3.2 성능평가 시험 방법

성능평가의 표준화를 위하여 시험방법은 시험체의 경간 수, 낙석의 충돌위치와 각도, 낙석에너지 발생방법, 낙석형상과 무게, 낙석의 충돌속도 등을 구체적으로 규정하고 있어야 한다. 시험체 경간 수와 낙석의 충돌위치를 결정하기 위해서 국내의 낙석방지울타리 설치규정(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008)을 검토하고 가장 불리할 것으로 예상되는 시험체 조건들을 선정하였다. 그리고 선정된 시험체 조건들을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 안전 측의 시험체 경간 수와 낙석의 충돌위치를 결정하고자 하였다.

3.2.1 시험체 경간수

낙석발생구간의 시점과 종점에서 낙석방지울타리는 Fig. 6(a)와 같이 낙석발생구간 보다 1 경간 정도 길게 설치되고, 설치길이가 100m 이상인 경우에는 Fig. 6(b)와 같이 둘로 분리되어 설치된다. 낙석발생구간 바깥에 단부경간이 설치되는 Fig. 6(a)의 경우에 대하여 예상되는 가장 불리한 시험체 조건은 낙석이 낙석발생구간의 끝에서 발생하고 충돌 경간의 우측에 1개의 경간만 존재하는 Fig. 6(c)의 시험체조건 1이다. 그리고 단부경간에 사재가 없는 Fig. 6(d)의 시험체조건 2가 시험체조건 1 보다 불리하다. 낙석발생구간 내에 단부경간이 설치되는 Fig. 6(b)의 경우에 대하여 예상되는 가장 불리한 시험체 조건은 일반적으로 낙석방지울타리가 최소 3개 경간 이상 설치되기 때문에 연결부분을 무시하고 3 경간으로 구성된 시험체의 단부경간에 낙석이 충돌하는 Fig. 6(e)의 시험체조건 3이다. 그리고 단부경간에 사재가 없는 Fig. 6(f)의 시험체조건 4가 시험체조건 3 보다 불리한 조건이다.

Fig. 7에 시험체조건 1, 2, 3, 그리고 4에 대하여 50kJ의 충돌에너지를 적용한 시뮬레이션 해석 결과가 나타나 있다. Fig. 7(d)에 나타나있듯이 시험체조건 4에 대하여 구성요소의 변형이 가장 크게 나타났고, Fig. 7(b)의 시험체조건 2에 대한 변형이 시험체조건 4 다음으로 크게 나타났다. 단부에 사재가 있는 경우에 사재에 의하여 낙석의 방호와 충돌에너지의 소산이 가능하기 때문에 Fig. 7(c)의 시험체조건 3에 대한 변형이 가장 작게 나타났다. 성능평가를 위한 시험체 경간 수와 낙석의 충돌위치는 낙석방지울타리의 특성과 설치여건을 고려하여 Fig. 6의 시험체조건 1, 2, 3, 그리고 4 중의 하나로 결정될 수 있다고 판단된다. 그러나 낙석발생구간 내에 단부경간이 설치되는 Fig. 6(b)의 경우를 연결부분을 무시하고 시험체조건 3과 4로 모델링하는 것은 너무 안전 측이기 때문에 시험체조건 2가 현실적인 관점에서 가장 불리한 시험조건으로 간주될 수 있다. 따라서 시험체조건 2가 국내 성능평가시험을 위한 시험체 조건으로 적절할 것으로 판단된다. 그리고 이 시험체 조건이 유럽과 미국의 성능평가 시험에 사용되고 있는 조건이다.

3.2.2 낙석의 충돌위치

낙석의 충돌높이가 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 Fig. 8과 같이 높이가 2.5m인 국내 고속도로용 낙석방지울타리에 대한 해석모델을 구성하고 낙석방지울타리 높이의 1/2과 2/3 위치에 낙석을 충돌시켜서 50kJ의 에너지를 적용하는 시뮬레이션을 수행하였다. 낙석방지울타리 높이의 1/2은 유럽과 미국 시험의 낙석 충돌위치이고 낙석방지울타리 높이의 2/3는 국내 관리지침에서 낙석에너지를 계산 할 때 사용되는 낙석 충돌위치이다. 낙석방지울타리 높이의 1/2과 2/3 위치에 있는 와이어로프에 낙석을 충돌시킨 두 경우 모두 Fig. 8과 같이 낙석이 방어되었다. 국내 고속도로용 낙석방지울타리의 고정지점을 갖는 지주는 지주 높이의 2/3 위치에 낙석이 충돌할 때 발생하는 휨 모멘트를 저항하도록 설계된다. 그리고 와이어로프 사이에 낙석이 충돌할 때 로프 사이의 간격을 유지하여 낙석의 관통을 방지하는데 그 목적이 있는 간격유지대는 낙석방지울타리 높이의 1/2까지만 설치된다. 이러한 사실들로 부터 국내 낙석방지울타리의 설계가 대부분의 낙석이 낙석방지울타리 높이의 1/2 아래에 충돌한다는 것을 고려하기 위함이고, 낙석방지울타리 높이의 1/2 위치 보다 높은 위치에서 예기치 않게 발생할 수도 있는 특수한 상황에 대하여 안전을 고려하고 있음을 유추해 볼 수 있다.

고정지점을 갖는 지주의 단면이 발생 가능한 가장 큰 모멘트에 대하여 설계되고 낙석충돌높이가 낙석방지울타리 높이 보다 아래에 있으면 낙석방지울타리는 낙석충돌높이에 상관없이 낙석방어라는 본연의 역할을 제대로 수행할 것이다. 300kJ 이상의 낙석충돌에너지를 방어하기위한 낙석방지울타리의 경우에는 경제성과 효율성 때문에 힌지 지점을 갖는 지주가 주로 사용되는데 이 경우에는 낙석충돌높이에 상관없이 지주의 지점에 모멘트가 발생하지 않는다. 따라서, 이러한 경우에는 더욱더 낙석충돌높이가 낙석방지울타리의 역할에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

국내의 낙석 충돌높이를 조사하기 위하여 다양한 경사를 갖는 경사면에 대하여 국내 낙석방지울타리 관리지침에 제시된 Eq. (2)와 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 낙석 충돌높이를 산정하였다. 국내지침에 의한 낙석 충돌높이 는 Fig. 9에 보이는 것처럼 설치 이격 거리 이 최소 이격 거리 보다 작은 경우()에는 Eq. (2a)를 이용하여 결정되고 큰 경우()에는 Eq. (2b)에 의해 결정된다. 최소 이격 거리 는 Eq. (2c)에 의해 정의된다.

  (2a)

 (2b)

 (2c)

여기서, 낙석이 튀는 높이, 경사면의 기울기, 사면 시작점과 낙석방지울타리 사이의 거리(설치 이격 거리)이다.

경사면의 기울기에 따른 낙석충돌높이의 변화를 살펴보기 위하여 1:1.0에서 1:0.3까지의 기울기를 고려하였다. 낙석충돌높이가 가능한 크게 발생하도록 도로설계기준(국토해양부, 2012)에 제시된 절토 사면의 최대 경사 1:0.5 보다 큰 1:0.3까지 조사하였다. 낙석의 튀는 높이 은 경사도 45°와 55°에 대해서 낙차가 증가하여도 낙석의 튀는 높이가 더 이상 증가하지 않고 2m에 수렴한다는 연구결과(You et al., 2011; Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008)에 근거하여 2m를 사용하였다. Eq. (2c)에 2m의 과 다양한 경사도를 대입하여 결정된 최소이격거리 가 Table 5에 나타나있다. 경사도가 증가할수록 최소 이격 거리가 증가하는 것을 알 수 있다.

Table 5의 경사도별 최소 이격 거리 와 Eq. (2)를 사용하여 비탈면 경사도에 따른 설치 이격 거리별 낙석 충돌높이 를 결정하고 Table 6에 나타내었다. Table 6에서 설치 이격 거리가 최소 이격 거리 보다 큰 경우에는 낙석 충돌높이가 2.0m로 나타나고 작은 경우에는 최대 6.8m까지 나타났다. 경사면의 각도가 증가하고 설치 이격 거리가 감소할수록 낙석충돌높이는 증가하였다.

높이가 2.5m인 국내 고속도로용과 국도용 낙석방지울타리는 1.1m 높이의 콘크리트 기초위에 설치되기 때문에 2m의 낙석충돌높이는 낙석방지울타리 높이의 1/2과 콘크리트기초 높이의 합인 2.35m 보다 아래에 위치한다. 높이가 2.5m인 국내 고속도로용과 국도용 낙석방지울타리에 대하여 설치이격 거리가 최소 이격 거리 보다 크게 확보된다면 낙석의 충돌높이는 낙석방지울타리 높이의 1/2 이하일 것으로 판단된다. 낙석충돌높이가 2.35m 보다 크게 나타나는 경우(Table 6의 굵은 숫자)에는 낙석방지망을 함께 설치하거나 낙석방지울타리의 높이를 2.5m 보다 증가시켜야 할 것이다.

낙석의 충돌높이를 보다 자세하게 조사하기 위하여 Fig. 10과 같은 다양한 경사를 갖는 경사면에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 모델에 사용된 경사면의 높이는 도로설계기준(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2012)에 제시된 소단이 설치되는 경우의 경사면 최대높이인 20m를 사용하였다. 볼록형 경사면은 일반적으로 낙석방지망이 함께 설치되기 때문에 볼록형을 제외하고 운동에너지가 최대로 나타나는 단일 경사면을 모델링하였다. 마찰계수와 댐핑은 운동에너지의 손실이 없도록 0.0을 사용하였다. 낙석형상은 접촉에너지가 작게 나타나는 유럽기준의 26면체 낙석형상을 사용하고 낙석무게는 국내 관리지침에 제시된 평균낙석무게 400kg을 적용하였다. 탄성계수는 도로설계편람 터널편(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2010)에 제시된 88000MPa의 암석 탄성계수 최대값을 적용하였다. 해석모델은 각 경사에 대하여 5가지 경우를 고려하도록 구성되어서 총 20개의 시뮬레이션을 수행하였다. 첫 번째 경우에는 20m 높이의 위치에너지에 상응하는 의 초기속도가 낙석에 적용된 반면에 나머지 경우에는 0.0 m/s의 초기속도를 고려하였다. 네 번째를 제외한 나머지 경우에는 표면 조도를 고려하지 않았다. 그러나 두 번째와 세 번째의 경우에는 표면 조도 대신에 암벽에서 돌출된 부분을 묘사할 수 있도록 경사면에 1개의 돌출부를 설치한 경우이다. 네 번째 경우에 적용된 표면 조도는 각 경사면에 대하여 2m 정도의 낙석 튀는 높이를 낳도록 구성한 것이다.

Fig. 10으로부터 첫 번째와 두 번째 경우는 모든 경사도에 대하여 낙석이 도로를 상당히 크게 침범한다는 것을 알 수 있다. 첫 번째는 소단에 낙석방지울타리를 설치하여서 낙석의 초기속도를 제한시킬 필요가 있는 특수한 경우이고 두 번째는 돌출부를 제거하거나 낙석방지망을 설치해야하는 한계 상태로 판단된다. 네 번째와 다섯 번째는 일반적인 표면 조도의 범위에 대해서 시뮬레이션을 수행한 경우이다. 예상한 바와 같이 모든 경사도에 대하여 표면조도를 고려한 네 번째 경우가 그렇지 않은 다섯 번째 보다 낙석충돌높이가 크게 나타났다. Table 7에는 세 번째와 네 번째 경우에 대한 각 경사도별 설치 이격 거리에 따른 낙석충돌높이가 나타나 있다. 모든 경사도에 대하여 세 번째 경우의 낙석충돌높이가 네 번째 경우보다 약 2배 정도 크게 나타났다. 세 번째는 낙석의 거동에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상되는 아주 작은 돌출부에 의해서 낙석의 거동이 변화하는 것을 예측한 경우이다. 경사면이 적절하게 시공되고 유지 관리된다면 낙석이 대부분 네 번째 경우의 낙석 충돌높이 아래로 충돌할 것으로 예상된다. 낙석방지울타리의 높이를 네 번째 경우의 낙석 충돌높이의 2배로 한다면 발생 확률이 높지 않으나 예기치 않게 발생할 수 있는 세 번째 경우와 같은 낙석도 방어하여 낙석방지울타리의 역할이 극대화될 수 있을 것이다. 일반적으로 낙석방지울타리의 높이는 예기치 못한 특수한 상황에 대하여 안전을 고려할 수 있도록 현장 경사면의 조건을 고려하여 결정된 낙석충돌높이의 2배 정도로 구성된다. 이러한 관행을 고려하여 유럽과 미국의 지침에서는 성능평가 시험의 낙석충돌높이를 낙석방지울타리 높이의 1/2 위치로 적용하고 있다.

낙석이 충돌하는 높이에 상관없이 낙석방지울타리의 거동이 대체적으로 일정하게 나타나도록 설계가 이루어진다는 점과 낙석방지울타리의 높이가 현장조건을 고려하여 결정된 낙석충돌높이의 2배로 이루어지는 점을 고려하여 국내 성능평가 시험을 위한 낙석충돌높이는 유럽과 미국의 낙석충돌높이인 낙석방지울타리 높이의 1/2 위치가 적절하다고 판단된다.

3.2.3 낙석에너지 발생방법, 낙석 형상과 무게, 낙석의 충돌각도와 충돌속도

낙석에너지 발생방법은 낙석에너지를 정확하게 발생시키고 측정할 수 있는 자유낙하 방법이나 낙석 운반체의 속도를 이용하는 방법 등이 사용될 수 있으나 시험장 부지를 크게 확보하기에 어려움이 있는 국내 실정을 감안하면 자유낙하 방법이 보다 적절하다고 판단된다. 낙석과 낙석방지울타리의 충돌각도에 대하여 미국기준은 Fig. 11의 40도의 범위가 경험적으로 충돌속도의 계측에 문제가 없는 것으로 파악하였고 유럽기준은 낙석운반체의 속도를 이용하는 낙석에너지 발생방법까지 고려하여 미국규정에 비하여 상당히 복잡한 허용 충돌각도를 제시하고 있다. 따라서 자유낙하 낙석충돌시험이 보다 적절한 국내의 경우에는 Fig. 11에 제시되어 있는 40도의 범위가 낙석의 허용 충돌각도로 적절하다고 판단된다. Fig. 12와 같이 경사도 70°와 높이 12m를 갖는 경사면의 상단에서 정육면체, 26면체, 그리고 구형으로 이루어진 0.321의 체적을 갖는 900kg의 낙석을 자유낙하 시켜서 낙석형상이 낙석충돌에너지에 미치는 영향을 조사하였다. 낙석과 경사면의 해석모델에 댐핑을 고려하지 않았고 낙석과 경사면 사이의 마찰계수는 0.15를 사용하였다. 낙석과 경사면의 탄성계수는 경암 탄성계수의 최대치 88000MPa를 사용하였다. 낙석이 지표면에 충돌하기 직전의 운동에너지는 정육면체, 26면체 그리고 구체에 대하여 각각 97.3kJ, 98.2kJ, 98.3kJ로 나타났다. 구형은 체적대비 표면적이 가장 작게 나타나는 형상이기 때문에 예상한 바와 같이 미끄러짐(접촉) 에너지가 가장 작게 나타났고 운동에너지는 가장 크게 나타났다. 정육면체와 26면체의 표면적은 구형 보다 각각 23%와 6%정도 크다. 표면적이 구형 보다 약간 큰 26면체의 운동에너지는 구형의 운동에너지와 거의 유사하였다. 운동에너지를 가장 크게 발생시키는 구형이 낙석형상으로 가장 적절할 것으로 판단되나 완전 구형으로 낙석을 제작하는데 어려움이 있기 때문에 구형과 형상이 크게 다르지 않고 유럽의 낙석형상으로 사용되고 있는 26면체(Fig. 13)가 성능평가 시험에 사용될 낙석형상으로 적절하다고 판단된다. 유럽과 미국 기준과 같이 낙석의 충돌속도는 25m/s 이상이 되도록 하고, 일반적인 암석의 단위중량은 2650kg/m³이기 때문에 낙석의 단위중량은 최소 2500kg/m³ 이상인 것이 적절할 것으로 판단된다. 성능평가 시험방법에 대한 개요는 부록 I에 제시되어있다.

4. 평가기준

낙석방지울타리 성능평가 시험의 측정항목과 합격기준은 시험종류(TEST A와 TEST B)별로 구분된다. 사용성 평가를 위한 TEST A의 측정항목은 낙석무게, 낙석의 충돌속도, 충돌 전과 후의 지주높이, 그리고 낙석방지울타리 최대변형거리이다. 그리고 시험합격의 판별은 낙석의 관통여부와 낙석제거 전의 지주 잔여높이가 공칭높이의 80% 이상 인지에 달려있다.

지주 잔여높이의 사용성을 평가하기 위하여 Fig. 14와 같이 충돌 후의 변형은 무시하고 기하학적 형상만 고려하여 지주 잔여높이를 공칭높이의 80%에서 60%까지 변화시키면서 모델링하였다. 따라서 시뮬레이션의 낙석 거동은 실제보다 약간 크게 나타날 것으로 예상된다. 시뮬레이션에는 50kJ의 1/3 에너지(16.7kJ)와 25m/s의 낙석 충돌속도를 적용하였다. Fig. 14로부터 지주잔여높이가 공칭높이의 60%와 70%인 경우에 낙석이 낙석방지울타리 밖 도로로 떨어진다는 것을 알 수 있다. 그러나 지주잔여높이가 공칭높이의 75%이상인 경우에는 낙석이 도로를 침범하지 않았다. Fig. 15에는 낙석방지울타리의 잔여높이에 따른 낙석방지울타리의 도로침범 여부가 나타나 있다. 고속도로나 설계속도 60km/h 이상인 일반도로의 길 어깨 폭은 1.5m (Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2012)이다. 지주잔여높이에 따른 지주의 횡 방향 변위와 길 어깨 폭을 비교해보면 지주잔여높이가 공칭높이의 80%이상인 경우에만 낙석방지울타리가 도로의 바깥차선을 침범하지 않았다. 유럽의 지주잔여높이에 대한 합격기준은 공칭높이의 70%인 반면에 국내의 합격기준은 낙석과 낙석방지울타리의 도로 침범여부를 함께 고려하여 공칭높이의 80%가 적절할 것으로 판단된다.

최대성능을 평가하기 위한 TEST B의 측정항목은 앞에서 언급한 TEST A의 측정항목과 동일하고 합격기준은 낙석의 관통방지이다. 미국기준의 경우에 지주잔여높이를 성능등급별 한계 값과 비교하여 합격판별을 하지만 유럽기준의 경우에는 합격과 불합격 구분 없이 지주잔여높이를 3등급으로 나누어 분류한다. 낙석방지울타리의 지주높이가 종류와 형식에 따라 다르기 때문에 성능등급별로 1개의 한계 값만이 제시되어 있는 미국기준보다는 지주의 공칭높이에 대한 잔여높이의 비율을 고려하여 등급을 분류할 수 있는 유럽기준이 보다 합리적인 것으로 판단된다.

지주잔여높이에 따라 바깥차선으로 통행이 가능한 차량을 구분하기 위하여 차량의 전고를 조사하여 Table 8에 나타내었다. 승용차의 전고가 가장 낮은 1.5m이고 버스의 전고는 3.25m로 가장 크게 나타났다. Table 9에는 낙석방지울타리의 잔여높이에 따른 바깥차선 침범거리와 바깥차선 통행이 가능한 차량이 나타나있다. 바깥차선 통행이 가능한 차량을 결정하기위해서 Table 8의 차량전고와 바깥차선이 침범된 경우의 낙석방지울타리 잔여높이를 비교하였다. 지주잔여높이가 공칭높이의 80%인 경우에는 낙석방지울타리가 바깥차선을 침범하지 않기 때문에 모든 차량의 통행이 가능한 반면에 지주잔여높이가 공칭높이의 60%인 경우에는 5톤 트럭의 전고가 공칭높이 60%보다 크기 때문에 중량 2.5톤 트럭 이하 차량만이 통행가능하다. 따라서 본 연구에서는 Tables 8 and 9를 참고하여 Table 10과 같이 지주잔여높이에 따라서 등급을 A, B, C, 그리고 D의 4가지로 분류하였다. 이러한 지주잔여높이에 따른 등급분류는 도로관리주체가 도로의 여건, 경제성, 주요 통행차량 등을 고려하여 낙석방지울타리를 합리적으로 선택할 수 있게 하는 유용한 도구가 될 것으로 판단된다. 시험종류 별 낙석방지울타리의 성능평가기준은 부록 II에 정리되어있다.

5. 결 론

유럽과 미국의 낙석방지울타리 설계지침은 낙석방지울타리에 대한 표준화된 시험과 인증을 시행할 수 있도록 성능등급, 시험방법, 그리고 평가기준을 규정하고 있어 넓은 범위의 낙석충돌에너지를 방호할 수 있는 다양한 낙석방지울타리의 개발이 활발히 이루어지고 있는 반면에 국내 낙석방지울타리 지침에는 이에 관한 규정이 없어 새로운 낙석방지울타리의 개발이 필요함에도 불구하고 합리적인 성능평가와 개발이 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 낙석방지울타리의 표준화된 시험과 인증이 가능하도록 성능평가에 필요한 성능등급, 시험방법, 평가기준을 제안하고자 하였다. 낙석에너지 산정식과 컴퓨터 시뮬레이션에 국내의 낙석자료를 적용하여 낙석에너지를 결정하고 50kJ에서 1500kJ까지 총 9등급의 성능등급을 제시하였다. 성능평가는 유럽과 미국의 기준과 같이 사용성과 최대성능을 평가할 수 있는 2종류의 실물 자유낙하 충돌시험으로 이루어진다. 낙석방지울타리의 시험체는 3경간으로 구성되고 구형에 가까운 26면체 콘크리트 블록이 중앙 경간의 중앙에 충돌하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 시험의 평가기준은 낙석의 관통여부와 변형을 겪은 낙석방지울타리가 도로를 침범하거나 차량통행을 방해할 가능성이 있는지를 검토하도록 구성되었다.