1. 서 론

교통기술의 급속한 발전으로 고속도로 설계속도가 상향됨에 따라, 고속구간 B등급 가드레일의 수요가 증가하고 있다. 기존 A등급 가드레일은 설계속도 100 km/h에 맞추어 설치되었으나, B등급 가드레일은 120 km/h 이상인 고속도로에 설치되는 고규격 등급이다^{(MOLIT, 2021)}. 최근 서부내륙고속도로 프로젝트는 B등급 가드레일을 최초로 설치하고 있으며, 이는 기존 A등급 표준형 가드레일과 동일한 재질 및 형상으로 B등급의 실차충돌시험 기준을 만족하여 상용화되고 있다^{(Korea Express Corporation, 2018; 2019)}. 그러나 개방형 가드레일은 강성이 낮아 B등급 조건에서 개발이 용이치 않아 상용화된 구조형식이 부족한 상황이다. 기존 연구^{(KAIA, 2015)}에서 개발된 B등급 개방형 가드레일은 후도금 강재 또는 알루미늄 소재를 적용한 고가의 사양으로 설계되어 경제성 측면에서 단점을 갖는다. 따라서, 경제성을 확보하면서 내식성 및 고속구간 요구사항을 만족하는 다기능 가드레일 구조 개발이 요구된다.

한편, 고내식성 용융합금 도금강판은 내식성이 우수한 신소재로 기존 용융아연 도금강판 대비 5∼10배 이상의 내식성능을 보유하고 있다^{(Namkoong and Her, 2001)}. 특히, 절단면의 내식성이 매우 우수하여 후(厚)도금 제품의 대체가 가능하며, 기존 용융아연도금강판(GI)과 가공, 조립 및 도장 공정 동일한 장점을 갖는다. 일본 등의 선진국의 경우, 최근 고내식 용융합금 도금강판의 수요가 크게 확대되고 있으나, 국내의 경우는 도로안전 시설물에 이러한 고내식 강판을 적용한 사례는 상대적으로 미미한 실정이다. 관련된 선행연구로는 고내식성 용융합금 도금강판 적용 교량난간의 충돌성능 평가 및 용융합금도금 강판 적용 노측용 방호울타리 충돌 안전성 평가 해석 사례 연구 등이 있다^{(Noh, 2016a; Noh, 2016b)}. 그러나, 기존 연구는 일반사양에 대하여 다루고 있으며, 고속도로용 고규격 사양인 B등급 가드레일에 대한 적용성은 규명된 사례는 없다.

따라서, 본 연구는 이러한 배경을 바탕으로, 내식성과 경제성을 동시에 갖춘 용융아연 알루미늄마그네슘 합금도금 강판을 적용한 고속구간 B등급 개방형 가드레일의 프로파일 및 성능평가 결과를 제시한다. 이를 상세 규명하기 위하여 대형차 및 소형차 실차충돌 시험을 수행하며, 3차원 비선형 동적 유한요소 충돌해석을 통하여 상호 비교·분석하도록 한다.

2. 고내식 합금도금강판 개요 및 재료 물성시험

본 연구에서 다루는 고내식 합금도금강판은 국내 P사의 고유기술로 개발된 고내식성 용융 아연 알루미늄 마그네슘 합금 도금강판으로 PosMAC이라는 명칭으로 사용되고 있다. PosMAC은 Zn-3 % Mg-2.5 % Al 3원계 고내식 용융합금 도금강판으로, 일반 용융아연도금(GI) 대비 10배 수준의 고내식 특성을 보유하며, 특히 절단면 내식성이 매우 우수한 것으로 알려져 있다^{(Korean Agency for Technology and Standards, 2024)}. 도금층의 마그네슘(Mg)은 매우 안정한 상태의 치밀한 부식 생성물인 시몬클라이트(Zn₅(OH)₈Cl₂·H₂O)의 형성을 촉진하며, 이 부식 생성물이 표면에 Film을 형성하여 부식 억제제로서의 역할을 수행한다. Fig. 1은 고내식 합금도금강판의 내부식성 원리 및 부식생성물의 특징의 비교를 보여준다. Table 1은 PosMAC 강판과 기존용융 아연도금 및 갈바륨 도금강판의 재료적 특성을 비교한 것이다. 표에서 재료적 특성이 가장 우수한 경우는 ○, 다음으로는 △, 가장 늦은 성능은 X로 표기하였다. 그림에서 보는 바와 같이, 부식생성물의 경우 기존 GI는 하얀 분말성을 보이나, PosMAC의 경우는 치밀하고 단단한 피막이 형성된 것을 확인하였다.

Table 2는 Batch-GI 도금재와 평판부 내식성을 시험으로 비교한 것이다. 실험은 한국화학융합시험연구원(시험번호: TBO-000048)에서 수행하였으며, 테스트 방법은 염수분무시험(Salt Spray Test, SST)이다. 시험은 ISO 9227, JIS Z2371, ASTM B117에 의거하여 5 % Nacl로 35℃에서 수행되었다. 시험 결과로부터 PosMAC은 Batch 도금재보다 5∼10배의 우수한 평판부 내식성을 보이는 것으로 분석되었다.

Table 2. Comparison of Corrosion Resistance of Flat Plate Part with Batch-GI Plating Material

Fig. 1. Corrosion Resistance Operation Principle of PosMAC and Comparison of Corrosion Product. (a) Corrosion Resistance Operation Principle of PosMAC, (b) Comparison of Corrosion Product

3. 고속구간 B등급 가드레일 최적화 설계

전술한 도금강판을 적용하여 고속구간 B등급 가드레일의 최적사양 도출을 위해 다양한 접근의 설계 및 해석 과정을 수행하였다. 레일 부품은 기존 SB2/SB4 등급에 적용 중인 개방형 가드레일의 가로보 단면 형상을 SB3-B/SB5-B 등급에 변경 없이 채용하였다. 지주 부품은 기존 Φ139.8, 4.2t 지주를 적용하였으며, SB3-B 등급은 2 m 지주 간격과 3단 개방형 레일을 기본으로 충돌 변수해석 시행착오를 통해 배치를 최적화하였다. 또한, SB5-B 등급은 SB3-B 등급과의 설치 호환성을 유지하면서 대형차 강도성능 보강을 위해 상단 또는 중단 레일 후면에 추가 레일 배치를 검토하였다. 레일 배치 설계 결과, 상/중/하단 레일 높이를 등간격으로 배치하여 시인성을 확보하는 안을 SB3-B 등급의 개발 개념으로 도출하였다.

일반등급보다 충돌속도가 높은 SB3-B/5-B 등급은 고속충돌로 인한 소형차의 탑승자보호 및 대형차에 의한 가드레일의 과다변위 방지를 동시에 만족하도록 설계하는 것은 난해하다. 따라서, 고속충돌에 의한 충격에너지를 최대한 흡수하기 위한 민감도 높은 각 파트 별 디자인이 필요하다. 본 연구에서는 먼저 블럭아웃이 탑승자 보호성능과 강도성능을 동시에 확보할 수 있도록 Fig. 2에서 보는 바와 같이 상/중/하단 블럭아웃을 일체형으로 설계하였다. 일체형 충격흡수 블럭아웃은 상단부에 고정 장치를 설치하고, 하단부는 미설치함으로써 차량 충돌 시 강성을 확보하고 동시에 블럭아웃 상단 날개 꺾임부에 3단 홀을 두어 차량 충돌로 인해 블럭아웃이 벌어질 때, 볼트 홀의 찢김을 발생시켜 에너지를 소산할 수 있도록 유도하였다. 또한, 충격흡수 블럭아웃은 제작성을 고려하여 두 개의 동일 모듈이 조립되어 일체형 블럭아웃이 될 수 있도록 설계하였다. Table 3은 도출한 가드레일 구조 사양의 상세를 요약한 것이다. SB5-B 등급의 경우는 충돌시의 충격에너지가 매우 크기 때문에, 그림에서 보는 바와 같이 후면에 레일 1단을 상단에 추가적으로 배치하여 충격흡수 기능을 더욱 강화하도록 고안하였다.

Fig. 2. Induced Guardrail Sections with SB3-B and SB5-B Grades. (a) Blockout Specifications, (b) SB3-B and SB5-B Sections

Table 3. Detailed Dimesions of SB3-B and SB5-B Grades Proposed in This Study

Grade		SB3-B	SB5-B
Support pole interval		2 m	2 m
Support pole height (thickness)		910 ㎜(4.2 t)	910 ㎜(4.2 t)
Rail height (thickness)	Upper	820 ㎜(4.2 t)	820 ㎜(4.2 t)
	Middle	590 ㎜(4.2 t)	590 ㎜(4.2 t)
	Lower	360 ㎜(4.2 t)	360 ㎜(4.2 t)
Blockout	Upper
	Middle
	Lower

4. 실차 충돌성능 실험

전술한 바와 같이 내부식성을 보유하면서 차량 충돌성능을 만족하도록 개발된 가드레일 구조에 대하여 실차 충돌성능 실험을 수행하여 성능을 상세 검증하였다. 충돌시험은 차량방호울타리 실물 차량충돌시험 조건^{(MOLIT, 2021)}을 만족하도록 해야 한다. 충돌실험은 소형차에 의한 방호울타리의 탑승자 보호성능 평가와 대형차에 의한 방호울타리(가드레일)의 강도(방호) 성능 평가로 구분한다^{(Lee and Lee, 2019)}. 특히, B등급은 소형차의 경우 충돌

속도는 120 km/h, 대형차는 85 km/h로서 일반 등급보다 높은 성능을 요구한다. Table 4∼5는 국토교통부 지침에 명시된 소형차 및 대형차에 대한 국내의 충돌성능 기준을 요약한 것이다.

Fig. 3∼6은 SB3-B 및 SB5-B 등급에 대한 소형차 및 대형차 충돌 시험을 보여준다. 승용차 충돌시험의 경우, 그림에서 보는 바와 같이 SB3-B 및 SB5-B 등급 모두 충돌 이후 제자리로 안정적으로 차량이 선회하는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 차량의 바퀴는 지주를 침범하지 않았으며, 충돌 후 전복되거나 과다한 변형이 없이 안정적인 결과를 보였다. 대형차 충돌의 경우도 그림과 같이 충돌 후 제자리로 선회하는 결과를 보였으며, 전복되거나 과다한 변형을 보이지 않았다. Table 6은 각 등급에 대하여 소형차 충돌 실험으로부터 도출한 탑승자머리충돌속도(Theoretical Head Impact Velocity, THIV) 및 탑승자머리가속도(Post-impact Head Deceleration, PHD), 그리고 대형차 충돌실험으로부터 도출한 지주의 변형거리를 요약한 것이다^{(Lee and Noh, 2020)}. 표에서 보는 바와 같이 실험으로부터 도출된 각 측정값은 충돌성능 기준값 이하의 범위로서 우수한 충돌 성능을 보이는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. Crash Test for Small Car (SB3-B Grade)

Fig. 4. Crash Test for Small Car (SB5-B Grade)

Fig. 5. Crash Test for Truck (SB3-B Grade)

Fig. 6. Crash Test for Truck (SB5-B Grade)

5. 3차원 유한요소 충돌해석

본 연구에서는 실차 충돌시험 결과와 비교 검증하기 위하여 3차원 유한요소 충돌해석을 수행하였다. 해석에 사용한 프로그램은 LS-DYNA^{(LSTC, 2007)}이며, Fig. 7은 본 연구에서 제안한 가드레일 구조의 3차원 상세 모델링을 보여준다. 실차 시험과 유사한 차량 충돌 환경을 구현하기 위하여 양 끝 레일은 자유단으로 하였으며, 지주-지반의 마찰계수는 0.4, 타이어-가드레일 마찰계수는 0.15로 각각 적용하였다. 또한, 지주의 수평지지력은 실제충돌시험의 수평지지력인 18.9 kN과 동일하게 적용하였다. PosMAC 재료 물성(인장강도 400 MPa, 항복강도 295 MPa)을 적용하기 위해 LS-DYNA에서 제공하는 Mat24-piecewise linear plasticity 재료모델을 사용하였다. 이 재료모델은 중·저속 충돌 시뮬레이션에서 발생하는 강재의 변형률속도를 고려할 수 있도록 Cowper- symonds 재료상수를 입력하거나 유동응력-소성 변형률을 직접 입력하여 정의할 수 있다. 또한, 본 충돌해석에서 가드레일의 파트들간의 초기 관통 현상을 줄이고 해석의 정확성을 높이고자 LS-DYNA에서 제공하는 Automatic-Surface-to-Surface 옵션을 적용하여 접촉조건을 설정하였다.

Fig. 7. Finite Element Model of Guardrails Proposed in This Study. (a) Blockout and Connection Details, (b) Soil-Structure Interaction Details

Fig. 8~11은 SB3-B 및 SB5-B 등급에 대하여 소형차 및 대형차 충돌 거동을 시간대별로 도시한 것이다. 도출한 결과는 실차 충돌시험과 유사한 결과를 보이며, 안정적인 거동을 하는 것을 알 수 있다. Table 7은 수치해석결과와 실차충돌시험의 결과를 비교한 것이다. 실차 충돌시험의 환경과의 차이로 수치해석 결과는 다소 차이를 보이고 있으나, 도출된 결과 모두 THIV, PHD 및 ASI는 합격기준 이내로 안정적임을 알 수 있다. 강도성능은 해석이 시험보다 보수적으로 평가되었고, 탑승자 보호성능은 시험이 더 보수적으로 평가되었다. 실제 실차 충돌시험을 수행하기 위해서는 고가의 비용과 시간이 소요되므로, 3차원 유한요소 해석을 통하여 최적의 상세 사양을 도출하여 실제 실험에서의 시행착오를 최대한 감소할 수 있다.

Fig. 8. Small Car Crash Simulation Results for SB3-B Grade

Fig. 9. Truck Crash Simulation Results for SB3-B Grade

Fig. 10. Small Car Crash Simulation Results for SB3-5 Grade

Fig. 11. Truck Crash Simulation Results for SB5-B Grade

Fig. 12. Comparison of Experiment and Simulation Results for SB5-B Grade

6. 요약 및 결론

본 연구에서는 고내식성 합금도금 강판을 적용한 고속구간 B등급 개방형 가드레일의 최적사양을 도출하고, 실차충돌시험 및 3차원 유한요소 수치해석을 통해 성능을 비교 검증하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 본 연구에서는 고내식성 합금도금 강판을 적용하여 고규격 사양인 B등급용 가드레일의 최적 구조를 도출하였다. 조립형 이중분리 블록아웃은 탑승자 보호성능을 더욱 향상시켰으며, 충격을 최대한 흡수할 수 있도록 상세 사양을 제안하였다.

(2) 제안한 사양을 반영한 가드레일 구조의 SB3-B 등급 차량충돌 시험 결과, 소형차 및 대형차는 실차 충돌시험 합격기준을 모두 만족하여 우수한 충돌성능을 보임을 알 수 있었다.

(3) SB5-B 등급의 경우도 소형차 및 대형차 실차 충돌시험 합격기준을 모두 만족하였다. 충돌이후 차량은 안정적으로 선회하였으며, 가드레일의 과도한 변형이나 차량 전복 현상이 발생하지 않아 고속구간 고규격 사양에 적용이 가능한 것으로 분석되었다.

(4) 실차 충돌시험과 동일하게 3차원 유한요소 수치해석을 수행하여 비교 검증하였으며, 해석결과 SB3-B 및 SB5-B 등급 모두 소형차 및 대형차 모두 실차 충돌시험 기준을 만족하였다. 최적사양을 도출하는데 있어서 본 연구에서 수행한 수치해석은 충돌성능의 경향을 예측할 수 있으므로 고가의 실차 충돌시험 수행 전 선행되어야 할 것이다.

결론적으로 본 연구에서 제안한 고내식성 합금도금 강판은 기존 일반 강판과 비교하여 우수한 내식성을 보유하면서, 가드레일 적용시 구조적으로도 만족할 만한 고규격 사양의 충돌성능을 나타내므로 실용화가 가능할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 본격적인 실용화에 선행하여 경제성과 안전성을 겸비한 최적 사양을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 실용화를 위하여 국토부 실물충돌시험 업무편람 개정사항을 반영한 다양한 고속구간 B등급 개방형 가드레일 충돌성능 인증제품 개발이 지속적으로 이루어져야 할 것이다.