1. 서 론

국내 공작물 충돌사고 100건당 사망사고 건수는 2009~2013년 사이 12.6건으로, 일본(4.7건)의 2.7배, 영국(2.8건)의 4.5배 많고 국내 전체 교통사고 100건당 사망사고 건수(1.9건)에 비해 6.6배가 높다. 도로공작물 사고 중 전신주, 조명주, 표지판, 신호시설, 영상시설 등의 지주구조물에 충돌하여 사망한 사고의 비율은 전체 공작물 사망사고의 29.2 %로 매우 높은 점유율을 보이고 있다(^{STSRI, 2015}).

1960년대 중반부터 미국은 강결 지주구조물의 사고 심각성을 인식하여 지주구조물이 차량에 노출되는 경우 분리식 지주(Slip Base나 Breakaway) 시스템을 적용하여 충돌 시 지주가 기초로부터 이탈되어 충격이 감소되도록 하였다. 구조적으로 풍하중에는 충분한 지지력을 갖으면서 지주 하부에 충돌하는 하중에 대해서는 충돌에너지를 흡수하거나 쉽게 분리시켜 충격의 위험을 감소시킬 수 있도록 한 것이다(^{AASHTO, 2011}). 이러한 감충형 지주의 설치는 유럽, 캐나다, 호주 등지에서 일반적인 일이다(^{AIT, 2013}) (^{DIER, 1996}).

미국에서는 가로등 지주에 분리식 지주(Slip Base)를 적용하여 개발하고 실물충돌시험을 통해 검증한 사례가 있으며(^{Bligh et al., 1994}), 지주구조물에 차량이 충돌하였을 경우 지주하부의 연결 볼트가 쉽게 부러지도록 설계하여 개발한 사례가 있다(^{Dinitz, 1978}). 국내에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 충돌에너지를 소산할 수 있는 감충지주를 개발한 사례가 있다(^{Ko et al., 2015}).

국내에서는 아직 지주 충돌에 대비한 설치규정(^{MOLIT, 2014})도 없으며 분리 후 2차사고의 우려 등으로 분리식 지주를 설치한 사례가 없고 모두 강결지주를 사용하고 있다. 고속도로 및 고속화국도의 경우에는 전신주, 표지판, 가로등과 같은 지주구조물 전면에 대부분 방호울타리를 설치하고 있으나 도로변이 협소하여 방호울타리의 최대변형거리 이내(1.0 m)에 지주구조물을 설치한 경우가 많고 방호울타리 설치 없이 노출된 경우도 쉽게 찾을 수 있다. 또한 국도 및 지방도의 경우에는 지주구조물이 그대로 노출되어 있는 경우가 많고, 도심지에서는 신호등, 가로등 지주 등이 노출되어 있는 경우가 대부분이다. 따라서 기초에 강결된 지주가 차량에 노출되어 있는 경우, 충돌 시 탑승자의 안전에 치명적이기 때문에 충돌에 대한 대책이 필요하다.

본 연구는 충돌 시 강결지주(RFP : Rigidly Fixed Post)의 위험성을 경감시키고 분리식 지주에서 우려되는 분리 후 2차사고의 위험성을 제거하기 위하여 개발된 슬라이딩지주(SP : Sliding Post)에 대한 안전성능을 충돌시험을 통하여 밝히고 충돌거동을 단계별로 분석하여 슬라이딩지주의 감충 메카니즘을 설명하기 위한 것이다.

2. 실물충돌시험을 통한 검증

2.1 실물충돌시험 개요

2.1.1 관련 기준

미국은 전신주, 표지판, 가로등 등에 적용하는 지주구조물에 대한 설치기준으로 Roadside Design Guide를 사용하고 있으며(^{AASHTO, 2011}), 성능평가 기준으로는 MASH (Manual for Assessing Safety Hardware)를 사용하고 있다(^{AASHTO, 2009}). 유럽은 CEN (European Committee for Normalization)의 기준으로 EN 12767을 사용하고 있다(^{BS EN 12767, 2007}). 탑승자 보호성능 성능평가기준으로, 미국의 MASH (^{AASHTO, 2009})에서는 OIV (Occupant Impact Velocity)를 최대값 4.9 m/s 이하, RA (Ridedown Acceleration)를 20.49 g 이하로 규정하고 있으며, 유럽의 EN 12767 (^{BS EN 12767, 2007})에서는 결과값에 따라 등급별로 구분하고 있으며 THIV 최대값은 44 km/h 이하, ASI는 1.4이하로 규정하고 있다.

국내에는 방호울타리, 충격흡수시설에 대한 성능평가 기준만 있고 지주구조물에 대한 설계 방법이나 성능평가 기준은 존재하지 않는다(^{MOLIT, 2014}). 국내의 도로안전시설물에 대한 성능평가 기준으로는 탑승자 보호성능, 시설물의 거동, 충돌 후 차량의 거동으로 크게 구분된다. 시설물의 거동은 충돌 시 시설물이 분리되거나 변형되어 차량이나 주변에 위험을 초래하는지를 검토하는 것이고, 충돌 후 차량의 거동은 충돌차량이 충돌 후 전복되지 않고 다른 차량과 2차 충돌 위험이 없이 안전하게 거동하는지를 보는 것이다. 탑승자 보호성능의 평가기준으로는 탑승자-차량 충돌 상대속도(Theoretical Head Impact Velocity, THIV)와 탑승자-차량 충돌 후 최대가속도(Post-impact Head Deceleration, PHD)를 평가기준으로 한다.

국내에는 지주구조물에 대한 평가기준이 없으므로 충격흡수시설에 대한 탑승자 보호성능 평가기준으로 THIV 44 km/h 이하, PHD 20 g 이하를 참고할 수 있다. 기타 시설물의 거동으로는 시설물의 부재가 차량의 내부공간을 관통하지 말아야 하며, 2 kg 이상의 부재가 이탈하여 비산되지 않아야 한다는 규정과, 충돌 후 차량의 거동으로 차량의 Roll, Pitch각은 75° 이하여야 하며 차량이 전복되어서는 안된다고 규정한 ‘도로안전시설 설치 및 관리지침, 2014, 국토교통부’ 지침을 준용할 수 있다(^{MOLIT, 2014}). 본 논문은 시설물의 거동이나 차량의 거동은 특별한 문제가 발생하지 않는 한, 탑승자 안전을 위주로 분석을 실시한다.

2.1.2 시험대상시설 및 시험조건

본 연구에서 사용되는 슬라이딩지주(SP : Sliding Post)는 도로변에 수직으로 설치되는 강결 지주구조물(RFP : Rigidly Fixed Post)의 충돌 시 피해를 줄이기 위하여 차량이 지주에 충돌하였을 때 지주가 후방으로 이동하면서 충돌에너지를 흡수하는 구조로 설계되어 탑승자 안전이 확보되도록 한 것이다. 슬라이딩지주의 효과를 설명하기에 앞서 강결지주의 문제점을 보이기 위하여 콘크리트 기초에 볼트를 이용하여 강결시킨 지주(RFP)에 대한 충돌시험을 수행하였으며 이에 대한 위험성을 평가하고 시험결과를 분석하였다(^{KAIA, 2018}). 이후 차량의 충격을 흡수하기 위하여 설계된 슬라이딩지주(SP)를 대상으로 충돌시험을 수행하여 SP의 탑승자 안전성능이 RFP에 비하여 얼마나 향상되었는지를 보이고 충격을 흡수하는 과정과 원리를 설명하였다.

시험조건으로는 1.3 ton 소형차량을 사용하여 강결지주에 60 km/h (RFP-1.3-60)와 80 km/h (RFP-1.3-80)의 충돌속도로, 1.3 ton 차량으로 슬라이딩지주에 60 km/h (SP-1.3-60)와 80 km/h (SP-1.3-80)의 충돌속도로 각각 충돌시험을 수행하였다. 본 연구에서 충돌시험을 위해 사용한 지주의 규격은 ∅318.5×6.0 mm×6000 mm이고 무게는 507 kg로, 국내에서 가장 많이 사용되는 편지식 지주와 유사한 규격(^{MOLIT, 2015})이다.

슬라이딩지주의 자세한 구조는 Fig. 1과 같다. 지주의 기초부에 가이드 레일을 설치하고 슬라이딩 베이스가 레일을 따라 이동하는 시스템이며, 지주는 슬라이딩 베이스 상부에 고정된다. 레일의 중앙에는 원형파이프가 설치되어 있어서 슬라이딩 베이스 하부에 고정된 파이프 변형장치(Pipe Indenter)가 원형파이프(Energy Absorbing Pipe, EAP)를 변형시키면서 이동하여 충돌에너지를 흡수하는 시스템이다. 원형파이프(EAP)는 총 길이가 2.6 m이며, 전반부 소구경 구간(∅76.3×6t)과 후반부 대구경 구간(∅114.3×3.2 t)으로 직경이 다르게 설계되었고 파이프 변형장치에 의해 변형되는 길이는 1.5 m이다.

SP-1.3-60 시험을 제외한 3개의 충돌시험에서, 지주의 전면에 상·하로 2개의 로드셀을 설치하여 계측한 충돌하중과 차량의 무게중심에 부착된 가속도로부터 계산된 충돌하중을 비교하였다. 로드셀(CSDH-100T)의 용량은 한 개당 100 tonf이며, 초당 10,000개의 Sampling으로 계측하였다. 충돌차량의 무게중심점에는 삼축 가속도센서(Endevco 7264C-2K)와 삼축 각속도센서(ARS Pro-8K)를 부착하여 탑승자 안전지수를 평가하는 동시에 차량의 거동, 충돌하중 등을 분석하였다. 가속도센서는 최대 용량이 2,000 g이고, 각속도센서의 최대 용량은 8,000 deg/sec이다. 이는 모두 초당 10,000개의 Sampling으로 계측하였다. 또한 고속카메라(Mikrotron MotionBLITZ Cube)를 이용해 500 Frames/sec의 속도로 측면에서 촬영하였다.

2.2 강결지주 및 슬라이딩지주의 안전성능

일반적으로 충돌시험데이터는 충돌 진행방향 가속도의 시간이력( $a_x\left(t\right)$), 측방향 가속도의 시간이력( $a_y\left(t\right)$), 수직방향 가속도의 시간이력( $a_z\left(t\right)$), 수직방향 각속도(Yaw Rate)의 시간이력( ${\omega }_z\left(t\right)$)을 획득하여 탑승자 안전지수(THIV, PHD, ASI)를 계산한다(^{MOLIT, 2014}). 그러나 시설물에 정면충돌하는 경우 $a_y$, $a_z$, ${\omega }_z$의 영향은 미미하기 때문에 $a_x\left(t\right)$만을 이용하여 탑승자 안전지수를 계산하여도 큰 오차를 보이지 않는다는 것은 이미 확인되었다(^{Jang et al., 2006}).

계측된 $a_x\left(t\right)$를 시간에 대하여 적분하면 차량의 진행방향 속도( $v_x\left(t\right)$)를 구할 수 있고 $v_x\left(t\right)$를 시간에 대하여 다시 적분하면 차량의 변위( ${\delta }_x\left(t\right)$)를 구할 수 있다. 이를 이용하여 강체로 이상화한 탑승자 두부(Theoretical Head)가 차량 내부 전면(Compartment)으로부터 60 cm 뒤에서 초기속도(=차량의 충돌속도)로 등속운동을 하여 차량 내부 전면과 부딪히는 순간의 탑승자 두부와 차량의 상대속도(THIV)를 구하고, 그 이후로 차량가속도(10 msec 이동평균)의 최대치(PHD)를 계산하는 것이다. ASI (Acceleration Severity Index)는 CFR 13 Hz로 필터링된 X, Y, Z 방향 가속도 합성의 최대값을 나타내는 것으로 무차원의 스칼라로 표현된다.

2.2.1 강결지주(Rigidly Fixed Post)의 위험도

강결지주의 60 km/h 충돌시험(RFP-1.3-60)에서 시험차량의 무게는 1.33 ton이었고 충돌속도는 61.6 km/h로 측정되었다. 60 km/h 충돌시험 결과 강결지주는 변형되지 않았고, 차량은 충돌 후 Rebound되면서 지주 전면에서 2.05 m 후진하여 정지하였으며, 지주구조물의 일부가 차량 내부로의 침입이나 관통은 없었으나 앞 유리가 파손되었고 차량 파손이 심각하여 차량 내부로 약 10 cm의 변형이 발생하였다. 강결지주의 80 km/h 충돌시험(RFP-1.3-80) 시험차량의 무게는 1.363 ton이었고 충돌속도는 80.1 km/h로 측정되었다. 80 km/h 충돌시험 결과 강결지주는 변형되지 않았으며, 차량은 충돌 후 Rebound되면서 지주 전면에서 0.47 m 후진하여 정지하였다. 차량 내부로의 시설물 침입이나 관통은 없었으나 RFP-1.3-60 충돌시험에 비하여 앞 유리의 파손 정도가 훨씬 심하였고 차량 내부로 약 15 cm의 변형이 발생하였다.

Figs. 2 and 3은 RFP-1.3-60 및 RFP-1.3-80 충돌시험에서 차량에 부착된 가속도센서로부터 계측된 가속도와 이를 이용하여 계산된 속도, 변위의 시간이력을 나타낸 것이다. 즉, 충돌시험을 통해 계측된 가속도( $a_x$)를 CFC180 Hz로 필터링한 후 이를 적분하여 계산한 속도( $v_x$), 변형( ${\delta }_x$)의 시간이력을 나타낸 그래프와 이론적 두부의 궤적(Trajectory of Theoretical Head), 두부가 차량내부 전면에 부딪히는 시간, THIV를 나타낸 것이다.

Fig. 2의 가속도를 살펴보면, 0.1초가량의 짧은 순간에 충돌거동이 끝나고 최대가속도가 –73.0 g (g는 중력가속도)임을 볼 수 있다. 탑승자의 이론적 두부는 충돌 이후로 61.6 km/h의 속도로 등속운동을 하지만 차량은 급격한 기울기로 감속하여 0.0833초에서 이론적 두부가 차량의 전면에 충돌하며, 이때의 차량과 이론적 두부의 상대속도(THIV)가 73.14 km/h임을 그래프로부터 읽을 수 있다. Fig. 3의 경우에는 충돌시간은 약 0.12초로 늘어나고 최대가속도가 –80.9 g로 증가하였고 THIV가 76.02 km/h로 증가하였다. 70 g를 넘는 최대가속도뿐 아니라, THIV 허용치 44 km/h 기준으로 비교하였을 때, 강결된 지주(RFP)의 60 km/h와 80 km/h의 충돌시험에서 모두 과다한 수치를 보여 강결지주에 차량이 충돌하는 경우 탑승자가 큰 상해를 입을 수 있음을 알 수 있다.

지주 충돌에서 THIV를 감소시키기 위해서는 THIV 발생시간을 지연시키면서 차량의 감속 기울기를 완만하게 하는 것이 필요하다. 이를 구현하기 위하여 개발된 것이 슬라이딩지주이다.

2.2.2 슬라이딩지주(Sliding Post) 충돌에 대한 안전성능

강결지주의 충돌에서 확인된 급격한 감속으로 인한 과대한 THIV 및 차체의 과다변형의 문제점을 개선하기 위하여 슬라이딩지주를 개발하였다. 슬라이딩지주의 구조는 2.1절에서 자세히 설명하였다.

슬라이딩지주의 60 km/h 충돌시험(SP-1.3-60)에서 사용한 시험차량의 무게는 1.355 ton이었고 충돌속도는 60.3 km/h로 측정되었다. 지주의 전면에는 로드셀을 부착하지 않았다. 충돌시험 결과 분석을 위하여 가속도와 각속도를 계측하였으며, 충돌과정을 고속카메라로 촬영하였다. Figs. 4 and 5는 SP-1.3-60 및 SP-1.3-80 충돌시험에서 차량에 부착된 가속도센서로부터 계측된 가속도와 이를 이용하여 계산된 속도, 변위의 시간이력을 나타낸 것이다. 60 km/h 충돌시험 결과 충돌 지속시간은 0.287초로 늘어난 대신 최대가속도는 –40.5 g로 줄었고 차량 내부 변형도 발생하지 않았다. 슬라이딩지주(RFP)의 80 km/h 충돌시험(SP-1.3-80)의 시험차량의 무게는 1.36 ton이었고 충돌속도는 80.2 km/h로 측정되었다. 슬라이딩지주에 대한 80 km/h 충돌시험 결과 강결지주에 대한 충돌에 비하여 충돌 지속시간은 0.308초로 늘었으며 최대가속도는 –48.7 g로 줄어들어 윈드쉴드의 파손이 없었고 차량 내부 변형도 발생하지 않았다.

Fig. 4의 차량 속도-시간이력 곡선을 보면, SP-1.3-60 시험의 경우 0.06~0.104 sec 사이에 평평한 차량의 등속운동 구간이 보이고 이후 원형파이프(Energy Absorbing Pipe, EAP)가 찌그러지면서 완만한 감속을 나타내는 구간이 보이는데, 자유운동을 하는 이론적인 두부가 이 완만한 구간의 중간(0.138 sec)에서 차량 전면과 부딪히는 것을 알 수 있고, 이때 동일한 속도의 충돌시험인 RFP-1.3-60에 비하여 충돌 시 상대속도가 73.14 km/h에서 29.13 km/h로 크게 감소함을 알 수 있다. 물론 EAP의 소구경구간 즉, 파이프가 찌그러지지 않은 초기구간의 길이를 증가시키면 속도이력의 등속 구간이 확장되고 차량 전면과 두부의 충돌이 등속 구간에서 발생되어 THIV를 더 줄일 수 있으나 이는 가이드레일 및 기초의 길이 증가로 이어지므로 경제적이지 못하다. 더구나 등속 구간 끝에서부터 EAP가 찌그러지기 시작하여 기울기가 완만하게 줄어들기 때문에 등속 구간을 다소 넘어서 두부의 내부 충돌이 일어나더라도 THIV의 한계치를 44 km/h 이하로 하는 것은 어려운 일이 아니다.

슬라이딩지주의 80 km/h 충돌시험 결과(Fig. 5)에서도 충돌차량은 급격한 감속을 보이다가 등속구간을 거쳐 다시 감속하는 거동을 보였다. Fig. 5의 속도-시간 이력곡선에서 0.067~0.122 sec 사이에 보이는 평평한 구간은 차량이 등속 운동을 하는 구간을 나타내는데 이 구간에서 자유 운동을 하는 이론적인 두부가 차량 전면과 부딪히게 되고 차량과 두부의 충돌 시 상대속도(THIV)는 40.16 km/h이다. 등속구간 없이 계속 감소되는 RFP-1.3-80에서의 THIV 76.02 km/h에 비하여 크게 줄어든 결과이다.

슬라이딩지주의 충돌시험에서 THIV가 발생한 이후 EAP의 변형으로 완만한 감속이 이루어지기 때문에 THIV 발생 후 10msec 평균가속도의 최대치인 PHD는 SP-1.3-60 충돌시험에서 10.41 g (at 0.2492 sec), SP-1.3-80 충돌시험에서 9.05 g (at 0.1387 sec)로 모두 허용치 20 g 이하를 기록하였다.

변위와 관련하여 한 가지 유의할 점은, 강결지주 충돌시험에서는 지주가 고정되어 변형이 발생하지 않으므로 Figs. 2 and 3의 그래프에서 나타내는 차량의 변위는 순수하게 차량의 파손으로 인한 변형이나, Figs. 4 and 5에 보인 슬라이딩지주 충돌시험에서의 변위 곡선은 차량 자체의 파손으로 인한 변위와 지주구조물이 EAP의 소구경 구간(90 cm)에서 강체이동하는 구간 또는 충돌에너지를 흡수하면서 이동하는 구간(EAP의 대구경 구간)의 슬라이딩 변위가 합쳐진 결과라는 점이다.

본 연구에서는 강결지주에 대한 위험성을 확인하고 이를 개선하기 위하여 개발한 슬라이딩지주의 충돌시험 결과를 Table 1과 같이 나타내었으며, 탑승자 안전지수가 각각 향상되었음을 확인할 수 있다.

Table 1. Test Results of RFP and SP

Designation	Occupant Safety Index	Index Values	Rigidly Fixed Post (RFP)	Sliding Post (SP)
60km/h Crash Test	THIV (km/h)	44	73.14	29.13
	PHD (g)	20	10.46	10.41
	ASI	1.9	3.11	0.91
80km/h Crash Test	THIV (km/h)	44	76.02	40.16
	PHD (g)	20	20.04	9.05
	ASI	1.9	3.18	1.74

3. 슬라이딩지주의 충돌거동 분석

3.1 충돌거동 구간별 충돌특성

본 절에서는 강결지주(RFP)와 슬라이딩지주(SP)의 시간별 충돌거동을 자세히 비교 분석한다. Fig. 6은 RFP-1.3-60과 SP-1.3-60의 가속도, 속도, 변위의 시간이력을 중첩시킨 것이다. 실선은 슬라이딩지주에 1.3 ton 승용차가 60 km/h의 속도로 충돌한 결과이고 점선은 강결지주에 1.3 ton 승용차가 60 km/h의 속도로 충돌한 결과이다.

가속도-시간 이력을 살펴보면, 강결지주 충돌 시 최대 감가속도가 -73.0 g이나 슬라이딩지주에 충돌시 최대 감가속도는 –40.5 g로 크게 낮아진 것을 알 수 있다. 강결지주의 경우에는 약 0.1초에서 감속이 끝나지만 슬라이딩지주는 이때부터 원형파이프(EAP)가 찌그러지면서 약 0.26초까지 균일한 감속을 나타내고 있다. 슬라이딩지주의 속도-시간 이력을 살펴보면, 초반에 완만한 감속이 이루어지다가 평평한 구간 이후 EAP가 찌그러지면서 완만한 감속이 이루어짐을 알 수 있다. 이 등속 구간과 완만한 감속이 탑승자 안전을 확보할 수 있게 하는 슬라이딩지주의 특징이다.

특별히 가속도데이터로부터 구한 속도-시간 이력과 고속촬영 결과로부터 슬라이딩지주의 충돌 시 거동을 A, B, C, D 구간으로 구분할 수 있음을 알 수 있는데, 각 구간별 특징은 다음과 같다.

Fig. 6의 A구간(약 0.0~0.039 sec)에서는 RFP-1.3-60과 SP-1.3-60의 가속도, 속도, 변위가 거의 유사한 거동을 보이고 있는데 이때 강결지주 자체의 변형은 없으므로 차체의 변형만을 나타내며 이와 유사한 거동을 보이는 슬라이딩지주의 충돌 거동도 주로 차체의 충돌 변형이라 할 수 있다. 차량이 특정 충격흡수시설이나 충격을 흡수할 수 있는 연성배리어 시스템 등에 충돌하였을 때, 차량의 변형으로 인한 에너지흡수량은 충격흡수시설의 변형으로 인한 에너지흡수량에 비해 매우 적기 때문에 차량의 변위는 충격흡수시설의 변형거리와 동일하다고 가정하고 충격흡수시설을 설계하는 것이 일반적이다. 충격흡수장치나 연성배리어와 같이 변형이 크게 발생하는 구조물의 경우 이러한 가정이 유효하지만 강성 지주구조물이나 강성배리어와 같은 경우에는 차량 자체의 변형이 차량 변위의 전부이다. 슬라이딩지주의 충돌에서는 차량 자체의 파손으로 인한 변형과 등속이동 구간의 변위 그리고 지주구조물이 EAP를 변형시켜 충돌에너지를 흡수하면서 이동하는 변위가 합쳐진 변위가 차량의 변위로 나타난다. 반면 강결지주에 차량이 충돌하였을 경우에는 지주의 변위가 발생하지 않았으므로 모든 차량 변형는 차량 자체의 변형인 것이다.

Fig. 6에서 강결지주 충돌의 경우, 지주 자체의 변위는 발생하지 않도록 고정하였으므로 충돌차량의 파손으로 인한 변위는 최대 변위 84.6 cm와 같다. 또한 슬라이딩지주 충돌의 경우, A구간에서는 지주 자체의 변위가 거의 발생하지 않고 차량의 파손으로 인한 변위만 발생되었다고 볼 수 있다. 이는 계측데이터의 그래프 및 고속카메라 영상으로도 확인할 수 있다. A구간 0.039 sec에서 강결지주의 변위(차량의 변위)는 62.4 cm이고 슬라이딩지주의 변위는 62.8 cm로 나타났으며, 그 차이가 4 mm에 불과하므로 A구간에서 슬라이딩지주의 변위는 차량파손에 의해 발생된 변위라는 사실이 확인된다. 한편, 60 km/h 충돌시험 후 실측한 강결지주의 변위는 0 mm이고, 슬라이딩지주의 변위는 169 cm로 측정되었다. 차량에 부착된 가속도센서로부터 계산된 슬라이딩지주의 최대 변위는 231.7 cm로 나타났으며, 이는 차량 자체의 파손으로 인한 변형과 지주의 움직임으로 인한 변위가 합쳐진 것이다. 따라서 차량 자체 파손으로 인한 변형은 계측데이터로부터 계산된 변위(차량의 파손+지주의 변위=231.7 cm)에서 실측 변위(169 cm)를 뺀 62.7 cm가 된다. 이는 그래프(Fig. 6)의 A구간 0.039 sec에서 읽은 RFP-1.3-60의 변위값(62.8 cm)과 거의 동일하다.

Fig. 6의 B구간(약 0.039~0.060 sec)에서는 0.039 sec 이후로 RFP와 SP 사이의 가속도 및 속도의 차이가 급격히 변하는 것을 볼 수 있다. 강결지주의 경우 A구간 이후로 급격한 감속이 약 0.1초까지 계속 일어나지만, 슬라이딩지주의 경우 비교적 완만한 기울기로 감속하다가 C구간부터 등속에 가까운 거동을 보인다. 슬라이딩지주의 B구간에서 차량은 감속을 하고 지주는 가속을 하여 차량과 지주가 B구간 끝에서 같은 속도로 강체운동을 시작한다. 이후 C구간(약 0.060~0.104 sec)에서는 충격흡수 시스템이 작동되기 전까지 차량과 지주가 동일한 속도로 강체운동을 하는 구간이다. 슬라이딩지주 충돌의 경우, D구간(약 0.104~0.287 sec)에서는 약 0.104 sec에서 원형파이프가 찌그러짐으로써 충돌에너지를 흡수하는 과정으로 속도가 다시 완만하게 감속하며 이후 0.287 sec에서 충돌이 종료된다.

Fig. 7은 1,363 kg의 차량이 80.1 km/h의 충돌속도로 강결지주에 충돌하는 경우(RFP-1.3-80)와 1,360 kg의 차량이 80.2 km/h의 충돌속도로 슬라이딩지주에 충돌하는 경우(SP-1.3-80)를 구간별로 비교한 것이다. A구간(약 0.0~0.044 sec)에서는 강결지주와 슬라이딩지주 충돌의 가속도, 속도, 변위가 유사한 거동을 보이고 있다. A구간 0.044 sec에서 강결지주의 변위(차량의 변위)는 88.3 cm이고 슬라이딩지주의 변위는 89.1 cm로 그 차이가 8 mm이다. 따라서 A구간에서 발생한 슬라이딩지주의 변위는 모두 차량의 파손으로 발생한 변위로 볼 수 있다. 80 km/h 충돌시험 후 실측한 강결지주의 변위는 0 cm이고 슬라이딩지주의 변위는 185 cm로 측정되었다. 또한 차량 가속도데이터로부터 계산된 SP의 최대변위는 271.8 cm이므로, 차량 자체의 파손으로 인한 변위는 86.8 cm (=271.8-185)이다. 이는 그래프(Fig. 7)의 A구간 0.044 sec에서 읽은 변위값(89.1 cm)과 매우 유사한 결과이다.

Fig. 7의 B구간(약 0.044~0.067 sec)에서 0.044 sec 이후로 RFP와 SP 사이의 가속도 및 속도의 차이가 점차적으로 크게 나타나고 있으며, 차량과 지주의 결합이 완성되는 구간이라 할 수 있다. C구간(약 0.067~0.122 sec)에서는 속도의 변화가 크지 않고 등속에 가까운 거동을 보이고 있으며, 이는 슬라이딩지주가 가지고 있던 관성하중이 거의 소멸되고 충돌차량과 동일한 속도로 강체운동을 하는 구간이며 충격흡수 시스템이 작동하기 전까지의 구간이다. 슬라이딩 지주 충돌의 경우, D구간(약 0.122~0.308 sec)에서는 약 0.122 sec에서 지주베이스 하부에 고정된 파이프 변형장치(Indenter)가 전진하여 EAP를 찌그러뜨리면서 충격흡수 시스템이 작동하여 충돌에너지를 흡수하는 과정으로 속도가 점차적으로 감소하여 약 0.308 sec에 충돌이 종료되는 것을 볼 수 있다. D구간의 감속은 A구간의 중후반부와 B구간 감속에 비해 매우 완만하여 PHD를 20 g 이하로 유지하는데 핵심 기능을 하게 된다.

총 4회의 충돌시험에서 차량의 무게중심에 가속도센서를 부착하여 계산한 충돌하중과 비교하기 위하여 SP-1.3-60 충돌시험을 제외한 3회의 충돌시험에서 지주 전면의 상·하부에 로드셀을 부착하여 지주에 가해지는 충돌하중을 계측하였다. Fig. 8은 슬라이딩지주의 80 km/h 충돌시험(SP-1.3-80)에서 가속도 데이터로부터 구한 충돌하중과 로드셀 데이터의 충돌하중을 비교한 것으로, 가속도와 로드셀 데이터의 시간에 따른 하중을 나타낸 것이다.

Fig. 8의 그래프에서 A구간의 전반부는 매우 유사한 값을 보이다가 A구간 후반부부터 B구간까지 피크값이 다소 큰 차이를 보인다. 슬라이딩지주에서도 강결지주와 유사하게 가속도계에 의한 최대 충돌하중(649.5 kN)이 로드셀의 최대하중(374.8 kN)에 비하여 크게 나타나고 있는데, 이는 가속도 데이터의 경우 차량 자체의 큰 진동에 차량바퀴의 마찰력, 지주의 진동으로 인한 슬라이딩 베이스의 그립(Grip)력 등과 같은 외력이 포함된 반면 로드셀은 순수한 접촉력을 나타내고 있기 때문이다. C구간에서는 로드셀 데이터의 충돌하중이 비교적 높은 값을 보이고 D구간에서는 비교적 유사한 값을 보였다. D구간은 슬라이딩지주가 레일을 따라 후방으로 움직이면서 EAP가 변형되어 충돌에너지를 흡수하는 구간이다(Fig. 1 참조). Fig. 8의 D구간 수평 실선은 EAP의 변형으로 인하여 충돌에너지를 흡수하면서 차량이 받는 충돌하중을 나타낸 것이다. 본 실험에서 사용한 EAP의 경우 로드셀로부터 계측한 D구간의 평균하중은 101.9 kN으로, 슬라이딩지주에서 충돌에너지를 흡수하는 역할을 수행하는 원형파이프의 단면 및 길이를 설계하고 최적화하기 위하여 활용할 수 있다. 또한 탑승자 안전지수(THIV, PHD)를 만족하기 위한 최적의 단면 및 길이를 설계하는데 중요한 역할을 한다.

3.2 고속카메라를 이용한 지주운동 분석

충돌시험에서 지주의 측면에 타겟을 부착하고 측방향에서 고속촬영을 실시하였다. 고속카메라는 초당 500 Frame/sec의 속도로 촬영하였으며, 분석프로그램은 ‘Tracker’를 사용하였으며 지주에 부착된 타겟의 움직임을 분석하여 시간에 따른 가속도, 속도, 변위데이터를 추출할 수 있다. 이로부터 충돌하는 차량의 거동이 아닌 지주 자체의 거동을 알 수 있다. 강결지주와 슬라이딩지주의 60 km/h 충돌시험(SP-1.3-60) 고속카메라 분석 사진을 Fig. 9에 나타내었고, 80 km/h 충돌시험(SP-1.3-80) 고속카메라 분석 사진을 Fig. 10에 나타내었다.

Figs. 9 and 10의 사진은 각 구간의 경계가 되는 지점의 스틸사진을 보이고 있으며 사진 내의 숫자는 충돌 직전 지주베이스 끝단의 원위치로부터 각 구간별 이동거리를 고속카메라 분석데이터로부터 읽은 것이다. 강결지주의 경우 차량 충돌에 의한 지주의 움직임이 없으므로 변위가 발생하지 않았다.

Fig. 9에서 A구간의 이동거리는 4 cm로 볼 수 있는데 이는 Fig. 6에서 슬라이딩지주의 A구간 0.039초의 변위 62.8 cm와 크게 대비된다. 이는 62.8 cm의 변위가 지주의 이동이 아닌 차량의 파손에 의한 것이기 때문이다. 또한 Fig. 10에서 A구간의 이동거리는 6 cm이고 Fig. 7에서 슬라이딩지주의 A구간 0.044초의 변위는 89.1 cm로, 큰 차이를 보이는 것은 차량의 파손으로 인한 변위가 대부분을 차지하기 때문이다.

Figs. 9 and 10에서 B-C-D 구간에서는 차량의 변위를 지주의 변위로 보아도 무방하나 A구간은 차량의 파손으로 인한 변위가 주를 이루고 B구간에서 차량과 지주의 결합이 이루어지는 단계이다. 따라서 충돌 초기구간에서는 차량의 변위와 지주의 움직임을 동일시해서는 안된다. 슬라이딩지주 충돌시험에서 차량의 무게중심점에 부착된 가속도센서로부터 계산된 충돌차량의 변위에는 차량의 변형과 슬라이딩지주의 변위가 모두 포함되는 반면에 지주에 부착된 타겟을 분석하여 획득한 변위는 차량의 변형은 제외하고 슬라이딩지주만의 변위를 나타내게 된다.

Fig. 11은 슬라이딩지주의 충돌시험(SP-1.3-60)에서 차량에 부착된 가속도센서로부터 계측한 차량의 속도와 고속카메라 분석을 통한 지주의 속도를 비교하여 나타낸 것이다. 충돌차량은 초기속도 60.3 km/h의 충돌속도로 충돌하여 급격히 감속하고 C구간 약 0.060 sec에서 약 40 km/h의 속도로 등속의 운동을 하다가 D구간 0.104 sec에서 원형파이프의 충격흡수시스템(EAP)으로 인한 감속이 이루어져 약 0.287 sec에 정지하는 것을 보여주고 있다. 반면, 지주는 초기속도 0 m/s에서 가속되어 C구간에서 차량과 유사한 등속운동을 하다가 D구간에서 차량과 유사한 감속운동을 하여 약 0.287 sec에서 정지하였다. 차량과 지주는‘A-B’구간에서 합체되어 ‘C-D’구간에서 동일체로 운동하는 것을 보여준다.

선운동량이 충돌전과 충돌과정에서 보존된다고 가정하면 Eq. (1)로부터 C구간 시작점의 차량속도 $v_{cp}$를 계산할 수 있다. 충돌시험에서 충돌차량의 무게 $m_c$=1,355 kg, 초기 충돌속도 $v_c$=60.3 km/h, 슬라이딩지주의 무게 $m_p$=507 kg과 초기 지주의 속도 $v_p$=0임을 고려하면 $v_{cp}$는 43.9 km/h가 된다. 그러나 Fig. 11의 C구간 속도는 대략 42 km/h로 Eq. (1)에 의한 계산결과와 다소 차이를 보이고 있다. 이는 슬라이딩지주가 레일을 따라 이동하면서 생기는 마찰력에 의한 것으로 볼 수 있다.

$$m_cv_c+m_pv_p=(m_c+m_p)v_{cp}$$

(1)

Fig. 12는 차량의 $v-t$를 적분하여 나타낸 차량의 변위(붉은색 점선 ①)와 고속카메라로부터 구한 지주의 변위(검은색 실선 ②)를 나타낸 것이다. 차량의 변위를 -62.7 cm 평행이동하면 지주의 변위와 일치되어 붉은색 실선(③)과 같이 된다. 이렇게 함으로써 A구간이 명확히 구분되고 A구간 이후에 B구간에서 약간의 결합 과정을 거쳐 지주와 일체가 되어 운동하는 것을 확인할 수 있다. 지주는 A구간에서 거의 움직이지 않다가 B구간 0.039 sec부터 본격적인 변위가 발생하기 시작하였으며, 고속카메라 분석을 통한 지주의 최대변위는 0.266 sec에서 169.0 cm로 나타났다. 평행이동한 차량의 변위그래프 ③에서 -62.7 cm는 순수한 차량의 파손으로 인한 변위를 나타낸다. 반면 차량의 변위는 –62.7 cm 위치에서 시작하여 0.039 sec에서 0점을 지나 0.2617 sec에서 169 cm의 최대변위를 보였다. 또한 고속카메라 데이터로부터 구한 최대변위와 충돌시험 후 실측한 지주구조물의 변위가 169 cm와 정확히 일치하였다.

Fig. 13은 슬라이딩지주의 80 km/h 충돌시험(SP-1.3-80)에서 차량에 부착된 가속도센서로부터 계측한 차량의 속도와 고속카메라 분석을 통한 지주의 속도를 비교하여 나타낸 것이다. 충돌차량은 초기속도 80.2 km/h의 충돌속도로 충돌하여 급격히 감속하고 C구간(충돌 후 0.067 sec)에서 약 40 km/h의 속도로 등속의 운동을 하다가 D구간 0.122 sec에서 충격흡수시스템(EAP)의 찌그러짐으로 인한 감속이 이루어져 약 0.308 sec에 충돌거동이 끝남을 보여준다. 반면, 지주는 초기속도 0 m/s에서 가속되어 C구간 약 0.067 sec 이후에 최대속도를 기록하고 D구간 0.122 sec에서 감속하여 약 0.308 sec에서 충돌거동이 끝나는 것을 확인할 수 있다.

슬라이딩지주 충돌시험(SP-1.3-80)의 차량 무게 $m_c$=1,360 kg, 초기 충돌속도 $v_c$=80.2 km/h, 슬라이딩지주의 무게(로드셀 및 장착틀의 무게 포함) $m_p$=919 kg, 초기 충돌속도 $v_p$=0을 고려하고, 충돌 전·후로 선운동량이 보존된다면 C구간에서의 차량속도 $v_{cp}$는 Eq. (1)로부터 47.9 km/h로 계산된다. 그러나 Fig. 13 그래프의 C구간의 차량과 지주의 평균속도는 약 45 km/h로 마찰력에 의해 Eq. (1)에 의한 계산결과와 다소 차이를 보이고 있다.

선운동량이 보존된다고 가정하고 계산된 SP-1.3-80 충돌시험에서의 지주와 차량속도 47.9 km/h와 실제 계측치 45 km/h의 차이는 일반적인 강체 충돌에서와 달리 충돌과정에 외부힘(주로 베이스 Grip과 가이드레일 사이의 마찰력) 때문에 강체운동 C구간 사이에서 선운동량이 완전히 보존되지는 않기 때문이다. 충돌시험 SP-1.3-80에서의 계산치와 실측치 차이가 SP-1.3-60에서의 차이보다 큰 것은 충돌속도가 클수록 지주의 진동폭이 커지고 그에 비례하여 슬라이딩 베이스의 흔들림(Rocking)에 따른 그립(Grip)력이 커지기 때문이며, 슬라이딩지주의 해석에서 충돌속도가 클수록 선운동량 보존의 법칙에 오류가 커짐을 의미한다. 따라서 마찰력과 저항력을 $F_{fr}$로 표시하여 Eq. (2)와 같이 표현한 운동량법칙(Momentum Principle)은 항상 유효하다고 할 수 있다.

$$m_cv_c+m_pv_p=(m_c+m_p)v_{cp}+\int_0^tF_{fr}dt$$

(2)

Fig. 14는 80 km/h 충돌시험(SP-1.3-80)에서 슬라이딩지주와 차량의의 속도-시간 이력을 적분하여 나타낸 것으로 붉은 점선 ①은 차량의 변위를, 검은색 실선 ②는 고속카메라 데이터로부터 분석한 지주의 변위를 각각 나타낸 것이다. A구간 이후로는 차량과 지주가 충돌하여 일체화되어 동일한 변위를 갖는다. 따라서 차량의 변위를 –87 cm 평행이동하면 붉은색 실선 ③과 같이 된다.

Fig. 14에서 지주는 A구간에서 거의 변위가 발생하지 않다가 B구간 0.044 sec부터 본격적인 변위가 발생하기 시작하였으며, 고속카메라 분석을 통한 지주의 최대변위는 0.292 sec에서 184.9 cm로 나타났다. 충돌시험 후 실측한 지주구조물의 변위 185 cm이다. 반면에 차량의 변위는 –87 cm 위치에서 충돌하여 0.0427 sec에서 0점을 지나고 0.2912 sec에서 184.8 cm의 최대변위를 보였다.

이상의 강결지주 및 슬라이딩지주에 대한 1.3 ton-60 km/h, 1.3 ton-80 km/h 충돌시험결과로부터 밝혀진 구간별 충돌특성을 정리하자면 다음과 같다.

A구간에서 강결지주와 슬라이딩지주의 속도 및 변위가 크게 다르지 않게 나타났으므로 A구간에서의 가속도를 2회 적분하여 구한 변형은 대부분이 차량의 변형이다.

B구간에서 강결지주는 급격한 감속을 보이는 반면, 슬라이딩지주의 경우 감속이 완만해지기 시작하는 구간이다. 차량은 감속을 하고, 지주가 가속되며 움직이기 시작하여 차량과 지주가 같이 움직이는 강체거동이 시작되는 구간이라 할 수 있다.

C구간에서는 강결지주의 경우 급격한 감속기울기를 유지하다가 충돌거동이 완료되었고, 슬라이디이형 지주의 경우 지주의 관성에 의한 저항이 작아지고 등속거동을 보이는 구간이다. 지주가 슬라이딩 레일을 따라 이동하는 구간으로 원형파이프의 충격흡수시스템이 작동하기 전까지의 구간이다. Flail Space 모델(^{MOLIT, 2014})의 이론적 두부(Theoretical Head)가 가상의 차량 전면부에 부딪혀 THIV가 계산되는 순간이 C구간이나 C구간 직후이므로 C구간이 등속운동을 함으로써 충돌상대속도 즉, THIV가 크게 감소하여 탑승자의 안전측면에서 지대한 영향을 미치는 구간이라 할 수 있다.

D구간에서는 강결지주의 경우 충돌거동이 이미 완료된 반면 슬라이딩지주의 경우에는 지주 하부에 설치된 원형파이프(EAP)가 변형되면서 충돌에너지를 흡수하는 구간으로 완만한 감속을 나타낸다. D구간은 감속기울기가 완만하고 가속도가 일정하여 탑승자 안전지수 PHD를 허용치 이내로 유지시키는 기능을 한다.

4. 결 론

본 연구에서는 강결지주(RFP)의 충돌에 대한 위험성을 확인하고 제거하기 위하여 개발된 슬라이딩지주(SP)의 성능 및 거동특성을 분석하기 위하여 두 가지 지주(RFP, SP)에 대한 1.3 ton-60 km/h, 1.3 ton-80 km/h 충돌시험을 실시하여 그 결과를 분석하였다. 특히 슬라이딩지주의 전체 충돌거동 구간을 각 구간별로 구분하여 충격흡수시스템의 작동원리 및 영향을 파악하였다. 이를 요약하자면 다음과 같다.

(1)강결지주의 위험성을 개선한 슬라이딩지주의 충돌시험 결과, 탑승자 안전지수(THIV, PHD, ASI)가 모두 향상되었다(Table 1 참조).

(2)충돌과정을 다음과 같이 구간별로 정리할 수 있다.

· 충돌차량이 슬라이딩지주와 충돌하는 충돌 초기 A구간은 지주의 변위보다는 차량의 변형에 의한 에너지흡수가 대부분임을 알 수 있다.

· 충돌차량과 지주가 합쳐져서 강체거동으로 등속운동을 하는 C구간은 탑승자의 이론적 두부가 충돌하는 시간을 지연시키는 효과를 나타내어 탑승자 안전지수 THIV에 매우 좋은 영향을 미친다.

· 지주의 하부에 설치된 원형파이프(Energy Absorbing Pipe, EAP)가 변형되는 D구간은 차량의 감속을 완만하게 하고 가속도를 일정하게 유지시켜 탑승자 안전지수 THIV와 PHD에 좋은 영향을 미치는 구간이다. 80 km/h의 충돌시험에서 원형파이프(EAP)의 변형(D구간)으로 인한 하중은 101.9 kN로 볼 수 있다.

(3)차량의 무게중심점에서 계측된 가속도데이터와 지주의 부착된 타겟마크를 분석한 고속카메라 데이터를 이용하여 차량운동과 지주의 운동을 분리시켜 분석할 수 있다.