2.1 사고원인 분석

2009년부터 2015년 5월 사이에 보고된 중앙분리대 파손 관 련사고 290건을 통계 분석 하였다 (Table 1). 중앙분리대 충돌 사고에서 충격량 계산 시 고려되는 요소는 충돌 차량 속도, 충 돌 시 차량 각도, 충돌 차량 중량이다. 그중 중앙분리대 손상 및 2차 피해에 큰 영향을 미치는 중차량의 교통량과 중앙분 리대 사고건수의 상관관계에 대해서 조사하였다. 중차량 교 통량과 사고건수의 상관관계를 파악하기 위해서 각 고속도로 노선별 통행량, 중차량 교통량, 연장, 사고건수를 다음 표와 같이 비교하였다. Table 1 에 따르면 각 노선별 km당 중차량 교통량(Traffic Vol. of HV)이 많은 노선은 중앙지선>울산선> 경인선>오산화성선>남해제2지선>수도권제2순환선>제2경 인선 순으로 나타났다. 이들은 다른 노선의 km당 중차량 교통 량이 900대 이상으로 상당히 높았으며, 이들 노선의 평균은 다른 노선의 평균에 비해 6.8배 높은 km당 중차량 교통량을 나타내었다. 하지만 이 값은 실제 사고건수가 높은 경부선>영 동선>중부, 통영대전선>서해안선과는 차이가 있어 사고가 전체구간이 아닌 일부 편중된 지역에서 주로 발생하는 것으 로 판단된다. 표준화된 사고 건수(Normalized No. of Accidents) 비교(10만 교통량당, 1만 중차량당, 100 km 당, 연 간사고건수)에서는 가장 많은 중앙분리대 충돌 사고가 일어 난 노선은 경인선>서울외곽선>경부선의 순으로 나타났다. 따라서 중앙분리대 사고는 중차량 교통량과 가장 높은 상관 관계를 나타내고 있으므로 고성능 중앙분리대의 적용 구간에 중차량 교통량에 대한 고려가 있어야 할 것이다.

Table 1

Normalized number of accidents involved with damage to concrete median barriers, 2009.01~2015.05 (^{KEC, 2016a})

중앙분리대 파손 관련 사고의 가장 큰 원인은 Fig. 2(a)와 같이 운전자과실, 과속, 졸음운전 순으로 나타났다. 운전자 과 실로 인한 사고는 안전거리 미확보, 추월불량, 전방주시 태만 등 운전 시 부주의한 태도로 인한 사고이다. 차량결함과 환경 적 요인은 다른 요인에 비해서 낮게 나타났다. 차량결함에는 타이어파손, 단독차량 화재, 제동장치 결함 등이 있으며, 환경 적인 요인에는 노면잡물, 동물침입 등이 해당된다. 따라서, 중 앙분리대의 사고는 운전자과실, 과속, 졸음과 상관관계가 높 을 것으로 판단된다.

Fig. 2

Influential factors of accident history (^{KEC, 2016a})

Fig. 2(b)에 따르면 전체 사고 중 가장 높은 비율로 나타나는 차량의 종류는 트레일러로 40% 정도를 차지한다. 트레일러 와 화물차량은 중차량으로 분류되며, 이들의 합계는 63%로 중차량의 사고비율이 전체의 절반 이상인 것을 확인할 수 있 다. 따라서, 중차량의 교통량이 승용차 교통량의 약 10%정도 이며, 승용차의 사고비율이 높음에도 불구하고 중앙분리대의 파손은 주로 중차량에 의해서 발생한다는 것을 알 수 있다.

종단경사에 따른 전체 사고는 Fig. 2(c)와 같고, 사고 비율은 평탄 구간에서 45%로 가장 높게 나타났다. 사고 비율이 평탄 구간에서 가장 높은 것은 전체 고속도로 구간 중 평탄 구간의 비율이 월등하기 때문일 것으로 유추할 수 있었다. 또, 사고비 율이 내리막에서는 29%, 오르막은 26%로 내리막과 오르막에 의한 영향은 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 종단경사와 중 앙분리대 사고와의 관련성은 크지 않은 것으로 사료된다.

평면 선형에 따른 전체 사고는 직선 구간에서 73%로 사고 비율이 가장 높았다(Fig. 2(d)). 가장 높은 사고 비율을 보인 이 유는 종단선형과 유사하게 대부분 도로를 최대한 직선에 가 깝게 설계하기 때문인 것으로 사료되며, 우커브와 좌커브에 따른 차이는 보이지 않는다.

2.2 충격도 산정인자

중앙분리대에 가해지는 차량의 충격도에는 차량중량, 충돌 속도, 충돌각도 등이 영향을 미치므로, 사고시의 충격도를 산 정하기 위해서는 이에 대한 사고기록을 분석할 필요가 있다.

Fig. 3은 중앙분리대 충돌 사고 시 차량 속도가 누락된 자료 를 제외한 차량속도에 따른 사고분석을 실시한 자료이다. 현 재 국내 고속도로의 제한 속도는 도로구조 및 교통사고 위험 요소 등을 고려하여 경찰청 고시에 의해 조정⋅시행되며 차 량속도 제한은 100 km/h가 대부분이다. 경찰청장은 도로에서 일어나는 위험을 방지하고 안전과 적절한 교통량 유지 확보 하기 위해 제한속도를 조정할 수 있다. 제한 속도가 110 km/h 인 구역도 존재한다. 대부분의 사고는 90≤x<110 km/h인 구 간에서 가장 높은 비율로 발생한다(Fig. 3).

Fig. 3

Speed at accidents (^{KEC, 2016a})

차량의 무게 역시 충격도를 결정하는 중요한 요소이다. Fig. 4(a)의 도시된 바와 같이 1 ton과 5 ton의 소형차들과 25 ton의 중차량이 사고의 대부분의 비율을 차지하고 있다. 중앙 분리대 파손사고의 직접적인 영향을 줄 것으로 추정되는 10 ton 이상의 중차량만의 사고기록을 Fig. 4(b)에 나타내었다. 평균은 13.7 ton에서 24 ton으로 증가하였고, 표준편차는 12 ton에서 7.8 ton으로 감소하였다. 하지만, 이 결과 또한 지나치 게 과도한 하중으로 나타나는 경향이 있었다.

Fig. 4

Vehicle mass (^{KEC, 2016a})

중앙분리대 충돌사고 관련된 요소로는 충돌 각도가 지대한 영향을 줄 것으로 판단되나, 현재의 사고기록에는 충돌각도 는 수집되지 않아 정보가 없어 분석을 할 수가 없었다. 추후에 는 사고기록에 이에 대한 정보를 추가하여 중앙분리대 사고 를 더욱 면밀히 분석하는 것이 중요할 것이다.

3.1 하중모델 개발

고속도로에서 발생된 사고를 바탕으로 중앙분리대에 작용 하는 하중을 산정하기 위해서 사고기록 통계를 작성하였고, 이를 기반으로 하중조합을 구성하여 실제 요구되는 중앙분리 대의 충격도를 산정하였다. 2009년부터 2015년 5월까지의 국 내 중앙분리대 충돌 사고 기록 현황 290건 중에서 강도성능기 준 항목(차량무게, 충돌속도, 충돌각도) 확인이 가능한 106건 을 분석하였다. 이전 절에서 수행한 차량무게, 충돌속도, 충돌 각도의 통계분석 결과를 사용하였다.

차량 중량의 경우 실제 사고차량의 중량이 기록되어 있지 만 차량의 충돌속도의 경우 사고 후의 추정 값을 사용하므로 사고기록의 대부분은 도로의 제한속도 값이 기록되어 있다. 따라서 요구충격도 산정을 위해서 중차량의 제한속도 80~90 km/h의 값을 고려하여 평균값인 85 km/h를 사용하였다. 관련 지침(^{MOLIT, 2014})에 따르면 방호울타리 강도성능 평가를 위한 차량의 충돌 속도는 기본적으로 설계속도의 80%를 적용 한다. 하지만 설계속도 120 km/h 구간에 대해서는 소형차와 대형차의 성능을 동시에 만족해야 하는 기술개발의 어려움을 고려해서 대형차의 충돌속도는 설계속도의 70%를 적용한다 (^{MOLIT, 2014}). 따라서 평균값 85 km/h는 현재의 성능시험 기준 SB3-B와 SB5-B에 사용된 설계속도 120 km/h의 70%에 해당하는 값으로 현재의 성능시험 기준에 부합하는 값이다. 충돌각도는 기록이 없어 성능시험 충돌각도인 15°를 평균값 으로 고려하였다.

실제 사고차량의 중량, 사고구간의 제한속도 및 충돌각도 15°를 사용하여 사고별 중앙분리대에 작용한 충격도를 산정하 여 Fig. 5와 같이 도시하였다. 사고기록에 의하면 약 120 kJ의 충격도가 주를 이루고 있으나, 이는 주로 승용차에 의한 충격 으로 예상된다. 두 번째로 높은 빈도를 나타내고 있는 약 420 kJ의 경우 중차량의 충격으로 예상되며 SB6등급을 확보한다 면 전체 사고의 85%의 사고에 대해서 중앙분리대의 손상을 막 을 수 있을 것이다. 현재 사용되는 중앙분리대는 SB5-B 성능 등급을 보유하고 있으며, 이는 전체 중앙분리대 사고 손상의 55% 정도에 이르는 성능으로 추정된다. 즉, 사고기록의 45% 정도는 현재의 중앙분리대의 성능을 초과할 것으로 예상된다.

Fig. 5

Accident data analysis in terms of impact severity (^{KEC, 2014})

Table 2는 사고기록에 의한 발생 가능한 요구충격도를 산 정하기 위한 사고통계이다. 사고통계의 최댓값( μ + σ )은 Fig. 5에 도시된 바와 같이 누적분포곡선상 85%를 최댓값으로 가 정하였다. 차량 중량의 경우 실제 기록을 사용하였고, 충돌속 도는 중차량 제한속도 (80~90 km/h)인 85 km/h를 평균값으로 사용하였다. 충돌속도의 표준편차는 사고기록으로부터 도출 되었다. 충돌각도의 경우 현재의 성능시험 값인 15°를 평균값 으로 사용하였고, 해외 성능시험 값 중 중차량 시험값에 대해 가장 큰 값인 20°를 최댓값으로 사용하였다(^{ECN, 2012}).

Table 2

Results of statistical analysis (^{KEC, 2014})

Table 2의 사고통계 자료에 대해 Turkstra’s rule을 적용하 여 최대하중 조합과 이에 따른 충격도를 Table 3과 같이 작성 하였다. 여기서 평균값과 최댓값은 Table 2의 값을 이용하였 다. 충돌요소의 조합에 따른 충격도와 실제 중앙분리대에 전 달되는 에너지는 Table 3에 정리했다. 실제 중앙분리대에 전 달되는 에너지를 산정하기 위해서는 컴퓨터 시뮬레이션을 활 용하여 중앙분리대에 작용하는 에너지를 추출하였다. 여기서 SB5-B(20A)는 SB5-B와 차량하중, 충돌속도는 같으나 충돌 각도만 20°가 사용된 경우를 나타낸다. 충격도는 식(1)에서 각도의 영향을 받게 되고, 이는 차량 중량이나 속도보다 더 지 배적인 영향을 나타내어 SB6보다 총에너지가 적음에도 불구 하고 SB5-B(20A)는 SB5-B보다 약 1.7배, SB6와 유사한 충격 도를 보였다. 중앙분리대에 대한 전달에너지는 충돌각도의 영향이 더욱 지배적으로, 각도가 15°일 때는 이론적인 총 에 너지의 50% 이내, 20°일 때는 90%가 전달되는 것으로 시뮬레 이션 결과 나타났다(Table 3). 충돌등급에 따라 분류할 경우 SB5-B(20A)는 SB5-B보다 약 4.6배, SB6보다 2.1배 높은 에 너지를 중앙분리대에 전달했다.

Table 3

Impact severity(IS) estimate based on possible combinations of variables

여기서,

3.2 해외(미국, 유럽, 일본)기준과 비교

미국과 일본의 경우에는 강도성능 평가 시험조건(중차량 사용 시)에서는 20° 충돌각도를 사용하지 않는다. 하지만, Table 4와 Fig 6과 같이 유럽 기준의 경우 더욱 가혹한 환경을 고려한 H3 등급(m = 16 ton, V = 80 km/h, θ = 20°)에서는 20° 충돌각도를 사용한다. 본 연구에서의 요구충격도인 SB5-B (20A) (456.5 kJ)와 매우 유사한 462.1 kJ(Fig. 6의 H3등급)을 나타내고 있다. 그러나 SB5-B(20A)는 도로안전시설설치 및 관리지침(^{MOLIT, 2014})에서 규정하고 있는 방호성능등급이 아니다. 따라서 실제 현장 설치를 위해서는 차량방호 안전시 설 실물충돌시험 업무편람(^{MOLIT, 2015})에 규정하고 있는 시험을 통과해야만 한다. 본 연구에서 개발한 방호성능등급 (SB5-B(20A))은 사용 할 수 없다.

Table 4

Comparison of proposed test condition with other countries(Japan, Europe, and U.S.)

Fig. 6

Comparison of proposed IS with other countries

실제 현장설치를 위해서 SB5-B(20A)와 유사한 충격도를 확보할 수 있는 SB6등급을 제안 하였다. SB6 등급(m = 25 ton, V = 80 km/h, θ = 15°, 충격도: 420 kJ)은 현 중앙분리대 등급인 SB5-B 등급(충격도: 270 kJ)보다 55% 높은 저항능력 을 보유하고 있다. 그리고 전설한 바와 같이 SB6등급을 확보 한다면 전체 사고의 85%의 사고에 대해서 중앙분리대의 손상 을 막을 수 있을 것으로 판단된다(Fig. 5). 그러므로 SB6 등급 을 중앙분리대의 목표충격도 기준으로 사용할 경우 중앙분리 대 파손사고를 충분히 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

4.1 국내외 사고위험구간 기준

고성능 중앙분리대 설치 위치 선정을 위해 유럽과 미국 의 사고위험구간 기준 및 세부항목을 조사하였다. 미국의 경우 램프의 유무, 도로의 선형, 종단 경사, 도로습기 유무 를 고속도로 충돌사고에 가장 중요한 요인으로 선정하였다 (^{Harwood et al., 2014}). 램프와 인접한 경우, 도로의 반경이 194 m 이하 일 경우, 종단 경사 4% 이상인 경우, 도로가 습기 가 있거나 눈으로 덮여 있는 경우 사고위험은 상승하였다. 유 럽은 EuroRAP에서 각 국가별로 직접 차량 통행을 조사하거 나 비디오를 이용하여 자료를 수집한 후, 수집된 자료를 토대 로 100 m단위로 위험도 점수를 산정하고 이를 이용하여 도로 의 위험도 지도(risk map)를 작성한다(^{EuroRAP, 2009}). 독일 의 경우, 중앙 분리 공간을 설치하는 것 보다 중앙분리대를 설 치하는 것이 위험도를 현저하게 낮추는 것을 확인할 수 있으 며, 이러한 경향은 고속 주행 시에 더욱 현저한 것으로 나타났 다(^{EuroRAP, 2009}). 위험도 점수를 구성하는 세부항목으로 는 통행방향, 제한속도, 차로 폭, 선형상태, 도로상태, 포장상 태, 충돌비율, 교통자료 등이 있다.

국내의 경우 강성방호울타리는 다른 정상적인 차량의 안 전 확보를 목적으로 교통량이 많고 주행 속도가 높은 구간 에 설치한다. 따라서 주로 분리대의 폭이 좁으면서, 대형차 로의 진입을 최대한 억제하는 경우에 적용한다. 방호울타리 우선 설치 구간의 첫 번째 조건은 도로 폭 및 선형성이 급격 히 변화하는 등의 위험한 구간으로 도로 폭 및 선형성이 급 격히 변화하는 등의 위험한 구간, 차도 폭이 급격히 좁아지 는 구간, 곡선 반경이 300 m 미만인 구간, 내리막 경사가 4% 인 이상인 구간 등이 있다. 두 번째 조건은 사고가 잦은 곳 또 는 발생 위험이 높은 구간, 기상 상황으로 사고 위험도가 높 은 구간이다. 첫 번째 조건에 대한 부분은 미국의 NCHRP Report 790 (^{Harwood et al., 2014})의 연구결과와 일맥상통 하지만, 두 번째 조건은 실제 사고기록을 토대로 분석이 필 요할 것이다.

4.2 졸음운전 구간 선정 방식

사고원인 분석에 따르면 졸음운전은 중앙분리대 주요 사고 원인 중에 하나로 고성능 중앙분리대 적용구간 선정에 사용 할 수 있을 것이다(Fig. 2(a)). 디지털 운행 기록계(Digital Tachograph, DTG) 자료에서 수집된 운전자의 행태와 고속도 로 구간에서의 졸음사고 자료와의 상관관계를 파악한 이전 연구 결과를 활용하여 고성능 중앙분리대 설치 위치 선정에 사용하고자 한다(^{KEC, 2014}).

연구 보고서에서는 잠재적 안전개선 지수(PSI: Potential for Safety Improvement)를 활용하여 졸음운전 구간을 선정 하였다(^{KEC, 2016b}). PSI 지수는 경험적 베이즈 추정법 (Empirical Bayes: EB)에 의한 추정 건수를 신뢰할 수 있는 관 측값으로 가정하여 모형에서 예측된 사고 건수에 비해 얼마 나 많은 사고건수가 개선될 수 있는지를 나타내는 지표이다 (^{KEC, 2016b}). 다음 그림은 잠재적 안전개선 지수를 기준으 로 상위 10% 졸음운전 위험구간을 분석한 결과를 보여 준다. 베이즈 추정법을 활용하여 위험구간을 사용하여 분석한 결 과, 가장 위험한 구간은 경부고속도로의 금호JC - 칠곡물류IC 구간으로서 연간 13건의 졸음 운전사고가 발생하였다. 경험 적 베이즈 추정법에 의한 사고건수는 약 8.65건이며 예측 건 수 2.7건에 비해 현저히 높은 것으로 나타났으며, 잠재적 안전 개선 지수 (PSI)는 5.8건으로 나타났다.

4.3 실제 사고 지역과 졸음운전 구간

중앙분리대 실제 사고기록(2009.01~2015.05)과 DTG 자 료 분석 결과(Fig. 7)를 하나의 지도에 도식화 하면 다음 그림 과 같다. 그림과 같이 중앙분리대 사고는 일정지역에 편중되 는 경향을 나타내었다. 특히, 중차량 교통량이 많은 수도권 주 변과 중앙지선, 남해제2지선, 중부내륙선 등에 많이 나타나 고, 중차량 교통량(26%)이 상대적으로 낮은 영동선에도 높은 빈도를 나타내었다. 설계속도가 높은 지역(제한속도 110 km/h 이상) 서해안선, 경부선(양재IC~천안IC), 영덕당진선 (청원IC~상주IC), 중부내륙선, 중앙선 (부산IC~동대구IC)에 서도 높은 빈도로 사고가 발생 하였다. 그리고 그림에 따르면 졸음운전과 중앙분리대 사고는 높은 상관관계를 보여주고 있 다. 이처럼 실제 사고 지역과 졸음운전 발생 지역이 일정지역 에 편중되는 경향이 나타나므로 실제 사고기록과 졸음운전 구간을 동시에 고려한 Fig. 7를 고속도로 고성능 중앙분리대 적용구간으로 제안 할 수 있을 것이다.

Fig. 7

Hot spot identification for drowsy driving (upper 10^th percentile) (^{KEC, 2016b})

4.4 신설구간 적용방안

기존 고속도로의 중앙분리대 개량 시에는 수집된 자료를 토대로 적용구간 선정이 가능하지만, 신설 고속도로의 경우 자료의 부재로 인해 적용구간 선정에 어려움이 있다. 따라서 신설 고속도로에 대한 이론적인 가이드라인이 요구된다. 중 앙분리대 신설 시에는 미국의 NCHRP Report 790 (^{Harwood et al., 2014})의 연구결과 등을 활용할 수 있을 것이다. 이 연구 에 따르면, ① 램프가 존재할 경우, ② 기상 상황으로 사고 위 험도가 높은 경우(예, 도로가 습기가 있거나 눈으로 덮여 있는 경우)에 사고가 증가하였다(^{Harwood et al., 2014}). 따라서 신 설 중앙분리대의 경우 NCHRP Report 790의 내용을 포함하 여 신설시 고성능 중앙분리대 적용구간 선정에 참고할 수 있 는 내용을 Table 5에 정리하였다. 표에 따르면 국내 고속도로 신설시 다음과 같은 구간에 고성능 중앙분리대 설치가 가능 할 것으로 보인다: ① IC 또는 JC가 존재하는 경우, ② 설계속 도가 높은 경우, ③ 중차량 통행량이 많은 경우.

Table 5

Proposal of locations for installing high performance concrete median barrier

4.5 개량구간 적용방안

사고기록 분석을 통해서 중차량의 교통량이 고속도로 위험 구간 선정에 중요한 요소로 작용함을 확인할 수 있다. 따라서 기존 중앙분리대 개량 시에는 중차량 교통량을 고려하는 것 이 적절할 것으로 판단된다. 중앙분리대 충돌사고 기록 분석 에 따르면 국내 중앙분리대 충돌사고(2009.01~2015.05)중 중 차량이 63%를 차지한다. 또한 차량 종류에 따른 졸음운전사 고 비율 분석에 따르면, 전체사고에서의 중차량를 제외한 모 든 차종의 비율이 졸음운전사고 비율보다 높은 반면 중차량 의 경우는 이와 반대로, 전체사고에서의 중차량 비율이 36.2% 이지만 졸음운전사고에서는 이보다 현저히 높은 42.0%로 나 타났다. 이는 중차량 운전자가 졸음운전 사고와 관련이 있다 는 사실을 보여준다. 개량 시 고성능 중앙분리대 적용 할 경우 국내 고속도로 위험구간의 사고기록을 토대로 다음 구간에 적용하는 것이 바람직 할 것이다: ① 사고빈도가 높은 구간, ② 중차량 교통량이 높은 구간, ③ 설계속도가 높은 구간.