2.1 가드케이블의 유지관리 기준

KDS 24 41 15(2023)에서는 가드케이블의 유지관리 및 점검 항목으로 케이블의 처짐을 관리사항으로 제시하였다^{(MOLIT, 2023a)}. 가드케이블의 처짐은 외관상으로 쉽게 관측할 수 있고, 가드케이블의 처짐량을 통하여 가드케이블의 긴장력 유추하고 지주에 발생하는 변위를 가늠할 수 있기 때문에 주요 관리 요소라 할 수 있다. ｢도로안전시설 설치 및 관리 지침-차량방호 안전시설편^{(MOLIT, 2024)}｣에 따르면 가드케이블은 월 1회 이상 정기점검을 실시하고, 케이블의 장력을 일정한 장력을 유지할 수 있도록 한다. 또한 가드케이블의 시공 및 동적 처짐에 대한 성능기준을 Table 1과 같이 제시하였고, 지주 간격과 장력에 따른 케이블의 처짐 값을 준용하여 1 tonf (9,800 N)과 경간 7 m를 적용할 경우 가드케이블의 유지관리가 필요한 처짐 한계는 120 mm가 된다.

2.2 가드케이블에 발생하는 하중

본 연구에서는 가드케이블의 장력 손실 및 처짐 메커니즘을 검토하기 위함이므로, 풍하중, 지진하중 등 일시적으로 작용하는 하중은 장기적인 장력변화와 연계성이 낮고 지배하중이 아니며 민감도 검토 범위 밖이기에 배제하도록 한다. 충격하중(Impact load) 60 kgf는 ｢도로안전시설 설치 및 관리 지침-차량방호 안전시설편^{(MOLIT, 2024)}｣에 대한 지침을 적용하였다. 가드케이블은 온도 하강 시 장력이 증가함에 따라 처짐은 감소하게 되며, 온도 상승 시 장력이 감소함에 따라 처짐이 증가한다. 본 연구는 가드케이블의 장력 손실에 따른 처짐 메커니즘을 검토하기 위함으로, 온도 하중(Temperature)은 설계기준에서 적용한 강교와 보통기준을 적용하여 30도의 온도상승을 고려하였다^{(MOLIT, 2023b)}. 강봉 정착장치의 슬립(Slip at anchorage)의 경우 강봉의 직경에 따라 결정되며 소구경의 강봉을 기준으로 0.5 mm의 슬립량을 적용하였다^{(FREYSSINET, 2013)}. 강연선과 지주의 마찰(Friction with the support)은 국부적이기에 고려하지 않는다. 선행연구^{(Kim, 2009)}를 검토한 결과 본 연구에 적용한 강연선과 그에 상응하는 긴장력은 릴랙세이션(Relaxation)의 발생이 미미한 것으로 검토되며, 이에 본 연구에서는 적용하지 않는다. 지반의 상태에 따라서 앵커리지 기초는 부등침하가 발생하게 되는데, 앵커리지 기초에 부등침하가 발생할 경우, 앵커리지는 가드케이블의 긴장력 방향으로 전도가 발생하게 된다. 이와 같은 현상을 지점침하(Settlement)로 고려하였다. 가드케이블에 지점침하를 적용함에 있어서 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침^{(MOLIT, 2021)}과 지하 구조물의 허용수평변위^{(Shin et al., 2011)}를 고려하여 적용하였다. 본 연구에서 고려하는 하중의 종류 및 값은 Table 2와 같으며 이는 가드케이블의 장력 및 처짐의 산정 시 적용한다.

2.3 가드케이블의 형상

가드케이블의 초기형상결정 방법으로는 시산법(Trial & Error), 초기부재력법, TCUD(Target configuation under dead loads), I.IFM(Improved initial force methods), I.TCUD(Improved target configuation under dead loads) 등이 있다^{(Choi, 2012)}. 가드케이블의 형상은 케이블에 작용하는 외력과 자중, 수평장력에 의해서 결정되며, 하중에 의해서 기하비선형의 변형 형상을 보이기에, 케이블의 단위 요소에 대하여 평형 방정식을 적용하고, 규모를 고려하여 시산법(Trial & Error)으로 변수의 반복계산을 통하여 케이블의 처짐을 산정한다. 본 연구에서 적용한 절점의 평형 방정식과 각 케이블 요소의 평형 방정식에 대하여 Appendix A에 나타내었다.

3.1 기존 방식의 구조물의 구성 및 하중조건

가드케이블에 온도하중, 지점 침하 및 충격하중이 작용할 경우 케이블의 긴장력에 변동이 생기고 이에 상응하는 처짐이 발생하게 된다. 각 하중 조건에 따른 처짐량을 비교 검토하여 어떠한 요인이 가드케이블의 안전성에 큰 영향을 주는지 분석하고자 한다. 본 연구에 적용한 가드케이블의 제원은 Table 3과 같다. 방호울타리를 5경간, 9경간, 13경간으로 구성하였으며, Fig. 2와 같이 지주는 각 경간마다 설치하고 방호울타리의 단부에는 앵커리지를 양단에 설치하도록 계획하였다. 가드케이블에 발생하는 각 하중조합별 하중과 구성은 Table 4와 같으며 이를 적용하여 가드케이블의 처짐을 산정한다.

3.2 기존 방식의 해석 메커니즘

기존 방식의 경우, 가드케이블에 작용하는 충격하중($P$)은 하중이 작용하는 경간에만 영향을 미치는 것이 아닌, 하중이 작용하지 않은 경간에도 영향을 미치게 된다. 기존의 자중에 의한 처짐($S1$) 이외에도, 중앙 경간에 하중이 작용하게 될 경우 중앙 경간에 추가적으로 충격하중에 의한 처짐($S2$)이 발생하게 되며, 유효 긴장력($F_e$) 이외에 추가 수평력($F_\Delta$)이 발생한다. 가드케이블에 추가적인 수평력이 발생하면, 이웃되는 측 경간에서는 가드케이블의 긴장력의 증가로 인한 처짐의 감소($S3$)가 발생한다. 이 감소된 처짐으로 인하여 케이블은 지주에서 이동($\Delta_d$)이 발생하게 되고, 발생된 이동량은 중앙 경간에 집중되는 메커니즘을 가진다. 이에 대하여 도식화를 하면 Fig. 2와 같다. 최종적으로 중앙 경간에 발생하는 처짐은 $S1+S2$가 발생하며 처짐이 증가되고, 이웃 측 경간의 처짐은 $S1-S3$가 발생하여 자중에 의한 처짐보다 감소된다. 중앙부의 처짐은 이웃되는 측 경간에서 이동한 케이블에 의하여 처짐이 증폭되는 현상이 발생한다.

Fig. 2. Conventional guard cable sagging mechanism

3.3 처짐 발생 알고리즘

기존 방식에 대한 가드케이블의 처짐을 산정하는 알고리즘은 총 2단계를 통하여 처짐량을 산정한다. 기존 방식의 자세한 처짐 산정 알고리즘은 Appendix B에 나타내었다.

3.4 기존 방식의 하중 조건별 처짐

가드케이블은 가설 후 다양한 요소에 의하여 케이블의 장력이 손실되는데, 손실된 장력에 상응하여 케이블의 처짐이 변동된다. 각각의 Load case별로 처짐 발생 알고리즘을 통하여 가드케이블의 처짐량을 산정하였다. 이 중 Load case 4-1과 4-2의 35 m 모델에 대하여 도식화하면 Fig. 3과 같이 표현할 수 있으며 그래프에서는 각 경간에 대하여 중앙부를 기점으로 절반의 처짐량을 도식화 하였다. Table 5는 각 총 경간과 Load case에 따른 가드케이블의 중앙 경간에 대한 하향 처짐이고, 처짐의 산정 위치는 최대 처짐이 발생하는 경간의 중앙부에 대하여 산정하였다. ｢도로안전시설 설치 및 관리 지침-차량방호 안전시설편^{(MOLIT, 2024)}｣에 따르면 가드케이블의 동적 처짐에 대한 성능 기준을 적용할 경우, 허용 처짐은 120mm를 적용하기에, 모든 총 경간의 동적 처짐 하중 조건에 대하여 성능 기준을 만족하지 못하는 것으로 검토되었다.

Fig. 3. Sagging of load cases 4-1 and 4-2 with total span 35 m

3.5 영향분석 결과에 대한 결론

본 연구에서는 기존 가드케이블의 장력 손실에 따른 처짐 발생을 분석하였다. 분석 결과 기존 방식의 구조물은 충격하중 작용 시 케이블의 장력은 감소하며 처짐이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 가드케이블의 장력 손실 시 방호울타리 기능의 손실이 발생하여 구조물의 역할을 수행할 수 없다고 결론지었다. 따라서 이에 대한 대안이 필요하다.

4.1 제안 방식에 대한 고찰

가드케이블의 장력에 대한 유지보수는 구조물의 기능을 확보하기 위해서 반드시 필요하다. 그러나 현재의 가드케이블과 지주의 구조만으로는 가드케이블의 장력 손실과 방호능력 및 유지보수의 효용성을 확보하기가 어렵다. 또한 가드케이블은 집중하중이 가해지는 지주에서 케이블의 휨이나 꺾임이 상당한 크기로 발생하기에 그 위치에 큰 곡률을 가지는 구조로 설계되어야 한다^{(Ryu, 2014)}. 이에 대한 대안을 제시하기 위하여 다음과 같은 제안 방식의 구조물에 대한 목적을 정의하기로 한다.

1) 가드케이블의 장력 유지 기능

2) 가드케이블의 처짐 방지 기능

3) 가드케이블의 지주에서 이동 방지 기능

4.2 제안 방식에 대한 구조물 계획

제안 방식은 기존 가드케이블에서 실현하지 못한 장력 손실을 개선하기 위해 계획되었으며, 가드케이블이 긴장력을 유지하고 처짐을 저감하며 구조물의 목적에 해당하는 구조를 갖도록 계획하였다^{(Kim, 2025)}. 제안 방식에 대한 구조는 Fig. 4와 같다. 제안 방식은 지주에 원형 새들을 적용하고 가드케이블을 1회 권사하는 형태로 이루어져 있다. 가드케이블은 1회 권사하는 형태를 취하기에 추가적인 정착장치가 필요하지 않으며 케이블의 연결 또한 필요하지 않다.

Fig. 4. Structural plan for proposed method

4.3 긴장력 유지장치의 구동 메커니즘

제안 방식에 대하여 지주에 긴장력 유지장치가 적용이 되었다. 가드케이블에 장력 손실 발생 시 판스프링은 탄성 회복이 발생하며, 손실된 장력만큼 스프링 사이의 유격이 늘어나게 된다. 탄성 회복력은 케이블의 장력 손실을 방지하며 일정한 유효장력을 유지하도록 한다. 지주에 설치된 가드케이블의 긴장력 유지장치의 자유물체도는 좌우 대칭이므로 이에 대하여 절반만을 도식화 하면 Fig. 5와 같다. 가드케이블과 판스프링 사이에는 가드케이블의 긴장력에 의하여 마찰력이 발생하게 되는데 압연강판의 표면 마찰계수($\mu$) 0.2를 적용하였다^{(BSI, 2018)}. 케이블이 다양한 원인에 의하여 유효 긴장력을 손실할 경우, 판스프링의 탄성 회복력에 의하여 내부는 일정하게 $F_e + F_s$의 유효 긴장력을 유지하고 마찰 저항력에 의하여 케이블의 경간방향으로 유효 긴장력 $F_e$를 유지하게 된다. 가드케이블에 도입되는 최대 긴장력은 $F_e + F_s$이고 이는 판스프링에 의하여 장력이 유지되며, 케이블이 유효 긴장력을 소실할 때마다 판스프링은 탄성 회복하며 유격이 커진다. 긴장력 유지장치는 추가 도입 긴장력($F_s$)을 설정함에 있어, 출구부분의 장력($F_e$)이 초기 유효 긴장력($F_I$)을 초과하지 않지만, 근접하게 발휘되도록 추가 도입 긴장력을 설정하여야 한다. 추가 도입 긴장력이 과할 경우, 출구부분의 장력이 초기 유효 긴장력($F_I$)을 초과하게 되며, 부족할 경우 긴장력 유지장치의 장력유지기능을 발휘하지 못한다. 이에 출구부분의 장력에 대하여 초기 유효 긴장력을 94%를 기준으로 추가 도입 긴장력을 산정하였다. 적용한 산식은 다음과 같다.

여기서, $R_{H-friction}$: 마찰저항력 (N)

$\mu$: 마찰계수

$F_e$: 유효 긴장력 (N)

$F_s$: 추가 도입 긴장력 (N)

$F_I$: 초기 유효 긴장력 (N)

Fig. 5. Load equilibrium for the tension maintaining device

Fig. 6. Construction sequence of tension maintaining device

4.4 긴장력 유지장치의 가설 순서

긴장력 유지장치는 Fig. 6의 가설 순서를 통하여 가드케이블이 가설되며 각 가설 순서에 따라, 긴장력 유지장치의 탄성회복력이 가드케이블로 전이되는 메커니즘을 가진다.

긴장력 유지장치는 Step 1에서 지주에 용접 혹은 그 이외의 방법으로 강성 연결되고, Step 2에서 가설 볼트에 긴장력을 도입하여 판스프링의 유격을 목표한 양만큼 좁힌다. Step 3에서 가드케이블이 긴장력 유지장치를 1회 권사하며 설치하고, Step 4의 단계에서는 가설 볼트의 너트가 풀림에 따라 가설 볼트의 긴장력이 이완되고, 판스프링의 탄성회복력에 의하여 가드케이블에 추가 긴장력이 도입된다.

4.5 유한요소 모델링 및 검증

선행연구^{(Kang et al., 2014)}에서는 판스프링을 검증하기 위하여 ANSYS의 Coupling을 이용하여 판스프링을 구현하였다. 이에 긴장력 유지장치에 적용한 판스프링의 검증을 위하여 범용 프로그램인 Midas FEA를 사용하였으며 Contact condition을 활용한 비선형 유한요소해석을 Table 6의 해석조건으로 수행하였다. 가드케이블에 도입되는 최대 긴장력($F_e + F_s$)은 17,640 N (1.8 tonf)로 설정하였고 이에 따른 출구부분의 가드케이블의 장력 ($F_e$)는 9,206 N (0.94 tonf)가 된다. 판스프링에서 가드케이블의 긴장력은 판스프링과 가드케이블의 마찰력에 의하여 선형 감소된다.

Step 4에 대하여 유한요소해석을 수행하였고 Von-mises stress 결과는 Fig. 7, 변위 해석 결과는 Fig. 8과 같다. 가드케이블 긴장력에 대한 판스프링의 응력은 최대 798 MPa가 발생하며, 이는 SPS6의 항복응력(1,000 MPa)을 초과하지 않기 때문에, 가드케이블의 긴장력으로 인하여 판스프링은 소성 변형이 유발되지 않고 하중에 의해서 탄성 상태임을 알 수 있다. 가드케이블의 긴장력에 의하여 변위는 최대 37 mm의 상대 변위가 발생한다. 긴장력 유지장치에 하중이 제거될 경우 탄성 회복으로 인하여 원 상태의 형상으로 복원할 것이다. 이에 판스프링의 유격을 확인하여 긴장력 유지장치의 추가 긴장력 제공 능력을 확인할 수 있고, 유지보수를 수행함에 있어 재 긴장 여부를 판단할 수 있다. 긴장력 유지장치의 유격은 Step 1에서 138 mm이고, 가설 볼트의 긴장력을 통하여 64 mm (Step 2&3)의 유격으로 좁혀지며, 가설 볼트의 긴장력을 제거함에 따라, 66 mm (Step 4)를 유지하게 된다. 가드케이블의 시공완료 후, 가드케이블의 장력이 손실됨에 따라 긴장력 유지장치의 유격은 최종 138 mm로 증가하게 되고, 긴장력의 추가 도입 기능을 상실하게 되며, 재 긴장을 필요로 하게 된다.

Fig. 7. Von-mises stress plot in Step 4

Fig. 8. Displacement plot in Step 4

4.6 제안 방식과 기존 방식의 장력 손실 비교

가드케이블은 가설 후 시간이 지나면서 다양한 요소에 의하여 케이블의 장력이 손실된다. 기존 방식의 가드케이블은 장력의 손실이 발생할 경우 처짐이 바로 증가하지만, 제안 방식은 장력의 손실이 일정량 이상일 경우 긴장력 유지장치에 의하여 장력이 일정하게 유지되는 차이점을 보인다. Fig. 9는 가드케이블에 유격이 발생하고, 유격의 크기가 커짐에 따라 가드케이블의 장력변화에 어떠한 영향을 발휘하는지에 대한 기존 방식과 제안 방식을 비교한 그래프이다. 기존 방식의 경우 유격이 발생함에 따라서 유효 긴장력이 지속적으로 감소한다. 제안 방식의 경우 유격 0.08 mm, 유효 긴장력 9,206 N 때까지 기존 방식과 동일하게 유효 긴장력이 감소하지만 그 이상의 유격 발생 시에는 긴장력 유지장치의 장력유지효과로 인하여 긴장력 감소가 줄어든다. 기존 방식의 경우 3 mm의 유격 발생 시 유효 긴장력은 모두 손실되고, 제안 방식의 경우 8,432 N을 유지한다.

Fig. 9. Effective force according to displacement

4.7 마찰계수에 의한 민감도 비교

판스프링과 가드케이블의 사이의 마찰계수($\mu$)는 0.2를 적용하였지만, 현장에서는 마모, 부식, 도장에 의하여 마찰계수가 변화할 수 있다. 마찰계수에 의한 민감도를 비교하기 위해 강연선이 지나가는 새들 구조에 대한 재료계수($\gamma_{M,fr}$) 1.65를 적용하였다^{(BSI, 2006)}. 출구부분의 가드케이블은 목표로 하는 초기 도입 긴장력($F_I$)을 유지해야하기 때문에 변화되는 마찰계수에 대하여 긴장력 유지장치에 의한 추가 도입 긴장력($F_s$)이 필요하게 된다. 재료계수의 적용에 따른 마찰계수와 긴장력 유지장치의 최대 긴장력($F_e + F_s$) 그리고 출구부분의 가드케이블의 장력($F_e$)는 Table 7와 같다. 추가적으로 실제 구조물에 대하여 적용해야하는 마찰계수는 확인이 필요하며, 실제 구조물의 목업을 활용하여 추후 실험을 계획하고 수행할 것이다.

4.8 제안 방식의 해석 메커니즘

제안 방식의 경우, 지주에 긴장력 유지장치가 설치가 되어 있기 때문에, 가드케이블에 작용하는 충격하중($P$)은 하중이 작용하는 경간에만 영향을 미치게 된다. 기존의 자중에 의한 처짐($S1$)이 있는 상태에서, 중앙 경간에 하중이 작용하게 될 경우 중앙 경간에 추가적으로 충격하중에 의한 처짐이($S2$) 발생하게 되며, 유효 긴장력($F_e$)이외에 추가 수평력($F_\Delta$)이 발생한다. 가드케이블에 추가적인 수평력이 발생하지만, 측 경간에서는 가드케이블의 긴장력에 변동이 없으므로 처짐에 변화가 발생하지 않으며 지주에서도 케이블의 이동 또한 발생하지 않는다. 이에 대하여 도식화를 하면 Fig. 10과 같다.

Fig. 10. Proposed method sagging mechanism

4.9 처짐 발생 알고리즘

가드케이블의 처짐을 산정하는 알고리즘은 총 3단계를 통하여 처짐량을 산정한다. 제안 방식의 자세한 처짐 산정 알고리즘은 Appendix C에 나타내었다.

4.10 제안 방식의 하중조건별 처짐

제안 방식의 가드케이블은 또한 가설 후 다양한 요소에 의하여 케이블의 장력이 손실되는데 손실된 장력에 상응하여 케이블의 처짐이 변동한다. 각각의 Load case별로 처짐 발생 알고리즘을 통하여 가드케이블의 처짐량을 산정하였다. 이에 대하여 도식화하면 Fig. 11과 같이 표현할 수 있다. 긴장력 유지장치에 의하여 지주에서 가드케이블의 이동이 방지되기에 이웃되는 측 경간에서의 처짐의 감소가 발생하며, 긴장력 유지장치에 의한 마찰 저항 때문에 처짐이 이웃한 측 경간에 전가되지 않는다.

Table 8는 각 총 경간과 Load case에 따른 가드케이블의 중앙 경간에 대한 하향 처짐이고, 처짐의 산정 위치는 최대 처짐이 발생하는 경간의 중앙부에 대하여 산정하였다. ｢도로안전시설 설치 및 관리 지침-차량방호 안전시설편^{(MOLIT, 2024)}｣에 따르면 가드케이블의 동적 처짐에 대한 성능 기준을 적용할 경우 모든 Load case에서 성능 기준을 만족하는 것으로 검토되었다. 이에 긴장력 유지장치를 통한 가드케이블의 처짐이 효과적으로 제어될 수 있음을 검증할 수 있다.

Fig. 11. Sagging of load cases 4-1 and 4-2 with total span 35 m

4.11 긴장력 유지장치의 목업 검토

제안 방식의 긴장력 유지장치에 대한 제작 가능성 및 시공가능성에 대하여 검토가 필요하다. 긴장력 유지장치에 대한 목업을 제작하여 제작성에 대한 검토를 Fig. 12와 같이 수행하였다. 추후 전체 구조물에 대한 목업 제작 및 충격시험을 통하여 구조적 안전성에 대하여 확인이 필요하기에 다음을 목표로 실험을 계획하고 수행할 것이다.

1) 유한 요소 해석과 목업의 실험에 대한 비교 연구

2) 긴장력 유지장치의 구간별 케이블의 장력변화 연구

3) 긴장력 유지장치의 강성 접합부에 대한 영향 연구

4) 가드케이블의 2차응력 저감 기능에 대한 영향 연구

5) 지주간 상호 하중 분배 기능에 대한 연구

6) 충격하중의 저감 기능에 대한 연구

7) 가드케이블과 긴장력 유지장치에 대한 마찰계수 연구

Fig. 12. Verification by prototype production