2.1 연구 방법

추가적인 현광방지시설 설치가 불필요한 일반국도 CMB 단면은 방현기능을 갖는 높이를 확보하고, 좁은 일반국도 중앙분리대에 설치할 수 있도록 단면폭은 가능한 한 좁게 설계하고자 하였다. 이를 위해 단계별로 CMB 단면을 축소하면서 충돌해석 통해 방호성능을 검토하였다. 최종 설계 단면은 유한요소 충돌해석 및 실물 충돌시험을 통해 방호성능이 검증되었다. 유한요소 충돌해석은 범용구조해석 프로그램인 Ansys의 LS-Dyna 버전 R713을 사용하였다.

2.2 성능평가방법

국토교통부는 ｢도로안전시설 설치 및 관리 지침｣(이하 지침)(MLIT, 2014)⁽⁹⁾에서 Table 1과 같이 충격량에 따라 방호 성능등급을 구분하고 설계속도와 주변 환경에 따라 설치 가능한 최소 등급을 제시하고 있다. 설계속도 80 km/h인 일반국도 중앙분리대는 SB4 등급에 해당한다. Table 2는 지침에서 규정한 방호울타리 성능등급별 실물충돌시험 조건이다. 실물충돌시험을 통한 차량 방호성능 평가는 방호울타리의 강도성능 평가와 탑승자 보호성능 평가로 구분하여 각각 실시하도록 규정하고 있다. 지침에 따르면 SB4 등급 강도성능 평가시험은 14톤 트럭을 65km/h의 속도와 15° 각도로 방호울타리에 충돌시키고, 탑승자 보호성능 평가시험은 1.3톤 승용차를 80km/h의 속도와 20° 각도로 충돌시켜 방호성능을 평가한다.

업무편람에서 강도성능은 차량이 방호울타리를 돌파하거나 방호울타리 구성 부재가 비산하여 탑승자나 제3자에게 피해를 주지 않는 조건을 만족하도록 규정하고 있다. 그리고 충돌차량은 전도되거나 급정거하지 않고 탈출박스(Exit Box)를 통해 원만히 진행해야 한다. Fig. 1에 탈출박스 개념도를 나타내었다. 탈출박스를 구성하는 A와 B 길이는 Table 3과 같이 시험에 사용된 차량의 폭과 길이에 의해 결정된다.

Fig. 1. Exit Box for Longitudinal Barriers (AASHTO 2016)

탑승자 보호성능은 충돌로 인하여 탑승자의 머리가 차량내부 가상면에 부딪치는 충돌속도(이하 THIV, Theoretical Head Impact Velocity)와 이후 접촉을 유지하면서 차량으로부터 전달되는 가속도(이하 PHD, Post-impact Head Deceleration)가 각각 33km/h, 20g 이하가 되도록 지침에서 규정하고 있다. 그리고 충돌차량의 Roll, Pitch 최대회전각은 75°이하여야 하고 충돌차량은 전도되지 않고 탈출박스를 통해 원만히 진행하여야 한다. Fig. 2는 차량회전각 측정기준을 설명한 그림이다.

Fig. 2. Recommended Vehicle Coordinate System (AASHTO 2016)

2.3 단면 설계

도로 중앙분리대는 Table 4와 같이 설계속도에 따라 최소 1 ~ 3m 이상의 폭을 가지고 있어야 한다(MLIT, 2020)⁽¹¹⁾. 일반국도의 중앙분리대 최소 폭은 고속국도의 절반 수준이다. 따라서 일반국도의 좁은 중앙분리대 폭을 고려할 때 설계단면의 폭을 최대한 작게 설계할 필요가 있다.

Fig. 3은 고속국도에 설치되는 CMB 단면 폭과 높이를 등급별로 나타낸 그림이다. 고속국도에 사용되는 CMB는 모두 방현기능을 포함하고 있으며 각각 방호성능에 따라 폭과 측면경사는 다르지만 높이는 모두 1,270mm로 일정함을 알 수 있다. 본 연구에서도 방호울타리의 높이는 방현기능을 갖도록 1,270mm로 설정하였다.

Fig. 3. Concrete Median Barrier Sections in High Speed Condition

콘크리트 설계강도는 방호성능 향상 및 내구성을 고려하여 30MPa로 설정하였다. 또한 CMB 단면폭과 단면적을 최소화하기 위해 반복적인 유한요소 충돌해석을 수행하여 Fig. 4와 같은 새로운 CMB 단면을 도출하였다. Table 5에 설계단계별 주요 설계사항을 정리하였다. 단면폭은 540mm로 기존 일반국도 표준도 단면보다 30mm 작고, 단면적은 Fig. 3(a)의 SB5 등급 CMB 단면의 88% 수준이다. 콘크리트 파손과 비산물을 제어하기 위해 단면중앙에 보강근을 배치하였다. 이후 연구는 개발단면이 SB4 등급의 강도성능과 탑승자 보호성능을 확보하고 있는지 해석적‧실험적으로 검증하였다.

Fig. 4. Concrete Median Barrier Design Sections for SB4 Class

2.4 유한요소 충돌해석

2.4.1 재료 모델

전술한 바와 같이 개발된 단면의 방호성능을 검증하기 위한 유한요소 충돌해석은 범용구조해석 프로그램인 Ansys의 LS- Dyna 모듈을 사용하여 진행하였다. 충돌해석에 사용된 콘크리트 재료모델은 미국 교통부(U.S. Department of Transporttation) 산하 FHWA(Federal Highway Administration)에서 차량과 콘크리트 구조물 충돌해석을 목적으로 개발한 Concrete Material Model 159 (Murray, 2007)⁽¹²⁾이 사용되었다. Fig. 5는 사용된 콘크리트 모델의 3차원 항복특성을 나타낸 그림이다.

이 모델은 압축조건에서 Cap의 형태로 한계 항복면이 줄어들도록 하여 콘크리트 압축 거동을 효과적으로 표현할 수 있다. 그리고 요소의 소성변형률이 소정의 값(Erode)에 도달하면 해당 요소를 제거하면서 해석을 수행할 수 있어 제거된 요소량을 계산하여 콘크리트의 파손량과 비산정도를 추정할 수 있는 재료모델이다(Lee et al., 2017)⁽¹³⁾. 본 연구에서 적용한 재료모델과 계수 값은 Table 6과 같다. 콘크리트 모델 요소 크기는 36mm이며, 그리드 형태인 와이어매쉬(Wire Mesh)의 수직근과 수평근 용접효과는 접촉면 요소를 상호 공유하도록 모델링하여 구현하였다.

Fig. 5. General shape of the concrete model yield surface in three dimensions (Murray, 2007)

Table 6. Material Model Used for Collision analysis

Material	Model	Option		Coefficient
Concrete	Continuous Surface Cap Model	Erode		1.41)
		Repow		1.02)
		B		103)
		D		0.13)
	Element	Size		36 mm
		Type		Reduced Integration
Steel	Piecewise Linear Plasticity	D		1.05e7 4)
		p		8.34)
1) Thai et al. (2014) 2) Murray et al., (2007)			3) Lee et al.(2017) 4) Chung et. al., 2011

2.4.3 충돌해석 결과

강도성능 및 탑승자 보호성능 평가를 위한 유한요소 충돌해석 결과를 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 6. Vehicle Model Used for Collision Analysis

Fig. 7. Damaged Area of Median Concrete Barrier by Truck Crash

Fig. 8. Collision Analysis Results

Fig. 9. Analysis Result for Occupant Risk Evaluation

Fig. 7은 트럭 충돌에 의한 콘크리트의 응력분포를 나타낸 것으로 차량 전면부 충돌 위치와 적재함 충돌 위치에 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 발생 응력 크기가 작아 손상은 발생하지 않고 강도성능 기준을 만족하는 것으로 예측되었다. Fig. 7에서 Impact Side는 차량 충돌면을, Back Side는 차량 충돌면의 배면을 의미하며, Fringe level은 손상지수로서 소성변형률을 나타낸다.

Fig. 8은 주요 충돌장면을 3단계로 구분하여 시간별로 나타낸 그림이다. Fig. 8(a)는 강도성능 평가를 위한 트럭 충돌장면으로 트럭 전면부가 충돌하는 1차 충돌, 이어서 적재함 전면 모서리가 충돌하는 2차 충돌, 그리고 적재함 측면이 충돌하는 3차 충돌로 구분할 수 있다. 방호울타리 높이가 적재함 높이보다 높은 경우 일반적으로 2차 충돌에 의해 방호울타리 손상이 가장 크게 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 해석결과에서도 2차 충돌로 인한 방호울타리 변형이 가장 크게 발생하는 결과를 나타내었다. Fig. 8(b)는 탑승자 보호성능 평가를 위한 승용차 충돌장면으로 차량 전면부가 충돌하는 1차 충돌, 차량 전륜이 방호울타리 경사면을 따라 상승하면서 충돌하는 2차 충돌, 회전에 의한 차량 후륜 충돌을 3차 충돌로 구분할 수 있다. 이 중에서 2차 충돌에 의한 차량 상승량이 탑승자 보호성능에 가장 큰 영향인자이다. 충돌해석을 통해 예측된 THIV와 PHD 값은 각각 24.74 km/h, 12.82g이며 이는 SB4 등급 허용치의 각각 75% , 64%로 개발 단면은 탑승자 보호성능을 만족하는 해석결과를 나타내었다. Fig. 9에 승용차 충돌해석으로 산출된 시간과 Rolling, Pitching, Yawing 관계를 나타내었다. 충돌 후 차량의 회전운동량 Pitching, Rolling, Yawing은 각각 14.4°, 6.7°, 40°로 허용치 75°보다 작아 본 연구에서 개발한 단면은 충돌차량을 안정적으로 유도하는 것으로 해석되었다.

3.1 실물 충돌시험

본 연구를 통해 개발된 CMB 단면의 강도성능을 검증하기 위해 지침에 따라 14톤 트럭을 65km/h의 속도와 15° 각도로 방호울타리에 충돌시키고, 탑승자 보호성능 평가시험을 위해서는 1.3톤 승용차를 80km/h의 속도와 20° 각도로 방호울타리에 충돌시키면서도 방호성능을 확인하였다. 시험에 사용된 차량의 제원은 Table 7과 같다.

3.2 강도 성능평가 시험결과

트럭 충돌시험 결과는 Table 8과 같고 트럭 충돌 장면을 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10(a)는 적재함 전면이 충돌하는 2차 충돌 순간이며, Fig. 10(b)는 적재함 후면이 충돌하는 3차 충돌 순간이다.. 본 연구에서 개발된 CMB는 지침에서 제시하고 있는 강도성능을 모두 만족하는 것으로 나타났다.

Fig. 11은 충돌실험 종료 후 파손된 방호울타리의 모습이며 타이어 자국이 있는 위치가 1,2차 충돌이 발생한 충돌유도 지점이다. 방호울타리의 파손은 대부분 바닥면에서 약 1.1m 이상 높이에 발생하였다. 이는 트럭 적재함 높이에 해당하여 파손의 주원인이 적재함 충돌임을 알 수 있다. 특히 본 시험에서는 충돌유도 지점으로부터 후방 약 4m 지점에 3차 충돌로 인한 추가적인 파손이 확인되었다. 이는 충돌 이후에 차량 진행방향이 변경되면서 차량이 회전하여 적재함 후면 모서리가 방호울타리와 충돌하면서 발생한 것으로 시험 중 촬영된 영상을 통해 확인할 수 있다.

Fig. 10. Truck Crash Test Scenes

Fig. 11. Damaged Barrier after Truck Crash

Fig. 12는 2차 및 3차 충돌장면과 방호울타리 손상위치를 나타낸 그림이다. Fig. 10(b)에서 차량 회전에 의한 3차 충돌은 적재함이 위로 들리면서 방호울타리에 상향하중이 작용하는 것을 확인할 수 있다. 방호울타리에 수평 하중이 주로 작용하는 1, 2차 충돌은 3차 충돌과 다른 손상 패턴을 보였다.

고성능 고속도로 중앙분리대 개발을 위해 SB6 등급 그리고 SB5-B 등급에서 충돌각도를 20도로 상향한 조건에서 수행되었던 실물충돌실험(Kim et al. 2019, Lee et al. 2019)^(19,22)의 주요 손상은 2차 충돌에서만 발생하였다. 그러나 본 연구에서 3차충돌에 의해서도 주요한 손상이 발생할 수 있음이 확인되었다.

본 연구에서는 방현기능을 추가하기 위해 방호울타리의 높이가 고속도로 중앙분리대 수준으로 상향되었으며 이러한 영향이 국내 트럭 적재함 높이에 방호울타리의 취약부가 위치하게 하여 국부손상을 발생시킬 수 있으므로 설계시 이에 고려가 필요하다.

Fig. 13는 충돌면 방호울타리 손상상태를 나타낸 그림이다. 1, 2차 충돌부의 파손 길이는 약 1.4m 이나 3차 충돌부 파손길이는 약 0.7m이었다. 이는 충돌하중 작용 방향에 따른 영향으로 지속적인 수평하중이 작용한 1, 2차 충돌부는 손상 길이가 길고, 상향력을 포함한 순간적인 충격하중이 작용한 3차 충돌부는 손상 길이가 짧게 나타났다. 손상 길이는 유효 보강근 수와 영향이 있어, 파손 길이가 긴 1, 2차 충돌부는 파손량은 크나 파편이 크게 이탈하지 않았다. 그러나 3차 충돌부는 파손량은 상대적으로 적지만 파편이 크게 이동하였다.

Fig. 12. Damaged Locations after Truck Crash

Fig. 13. Barrier Damage due to 2nd and 3rd Impact (Impact Side View)

Fig. 14는 충돌단계별 최대 손상 단면의 파괴면을 나타낸 그림이다

1, 2차 충돌부의 파괴면을 나타낸 Fig. 14(a)를 통해 보강근의 전단제어 효과를 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 14(b)의 3차 충돌부 파괴면에서는 보강근에 의한 전단제어를 확인하기 어렵다. 본 시험에서는 3차 충돌로 인하여 기준치 이하의 파손된 콘크리트 조각이 비산하였고, 파손 부위의 콘크리트 덩어리가 방호울타리에서 이탈할 위험성이 있음을 확인하였다.

본 시험을 통해 적재함 후면 모서리의 회전 충격에 대한 충분한 검토가 필요함을 확인하였다. 1m 이상의 높이가 높은 CMB 단면은 파손된 콘크리트의 비산제어를 위해 와이어매쉬와 같은 내부 보강재 설치가 필수적이며, 보강재는 가능한 단면 상단까지 배치하고, 배치 간격이 좁을수록 콘크리트 덩어리 이탈 및 비산 억제에 효과적인 것으로 확인되었다.

Fig. 14. Crack Line at Damaged Section

본 연구에서 수행된 유한요소법을 활용한 충돌해석모델은 적재함 후면 모서리의 국부충돌에 의한 방호울타리 파손과 비산량 예측에 한계를 나타내었다. 이는 해석 차량모델과 시험 트럭의 구조적 차이(Kim, 2021)⁽²⁰⁾와 이러한 차이에서 발생할 수 있는 차량과 방호울타리 상호작용시 순간적 충돌조건의 불확실성 그리고 요소의 삭제(erode)를 통해서만 비산물의 모사가 가능한 유한요소 해석법의 한계로 판단된다. 국부적인 충돌이 강재량이 적은 중앙분리대 상부 콘크리트에 순간적으로 영향을 주게 되므로 전체충돌 해석으로부터 명확한 국부충돌의 조건(충돌위치, 충돌속도)을 유추할 수 있어야 하며 국부충돌이 발생하는 위치의 상세한 모델 그리고 비산량 예측에 용이한 입자법(SPH 등)의 활용이 필요할 것으로 판단된다. 최근 이러한 콘크리트 구조물의 충돌시 손상 형상 및 비산량의 정확한 예측을 위해 다양한 해석 기법에 대한 연구가 진행중이다(Kim et al. 2019, Kim et al. 2020)^(21-22).

3.3 탑승자 보호성능 시험결과

Fig. 15는 탑승자 보호 성능평가를 위해 수행된 승용차 충돌시험 장면이고, Fig. 16은 차량충돌시험 이후의 방호울타리 모습이다. 탑승자 보호성능 평가시험 결과는 Table 9에 정리하였다.

승용차 충돌에 의한 방호울타리 손상은 발생하지 않았다. 충돌시험을 통해 계측된 THIV는 25km/h, PHD는 9g이며 각각 허용치의 76%, 45%로 본 연구를 통해 개발된 단면은 SB4 등급의 탑승자 보호성능을 확보한 것으로 나타났다. 충돌 후 차량은 양호하게 선회하였고 차량 회전량 Rolling과 Pitching은 각각 7.4°, 6.6°로 측정되었다.

Fig. 15. Passenger Car Crash Test Scenes (2^nd Impact)

Fig. 16. Barrier after Passenger Car Crash

Table 10은 THIV와 PHD에 대한 시험치와 해석치를 비교한 표이다. THIV와 PHD의 해석치에 대한 실험치의 비는 각각 101%, 78%로 나타나 탑승자 보호 성능을 평가하기 위한 충돌해석은 신뢰성이 있는 것으로 확인되었다. 다만 해석차량과 시험차량의 중량과 구조가 서로 다른 것을 고려할 때 시뮬레이션 충돌해석이 보수적인 결과를 나타내는 것으로 판단된다.