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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.62-67
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.062

Truck Crash Performance Evaluation of Guardrails Made of PosMac Steels Considering the Ground Bearing Capacity Effect

Myung-Hyun Noh1 , Sang-Youl Lee2
1Senior Researcher, Structure Research Group, Steel Solution Marketing Dept., POSCO, Incheon, Korea
2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
Corresponding author: Lee, Sang-Youl, Department of Civil Engineering, Andong National University, 388 Songchon-dong, Andong, Kyoungsangbuk-do 760-749, South Korea +82-54-820-5847, lsy@anu.ac.kr
October 17, 2016 November 20, 2016 November 23, 2016

Abstract

This study dealt with truck crash performance evaluation of new guardrails made of PosMac steels considering the ground bearing capacity effect. Subsequent crash simulation results for SB2 and SB4 grades present that the developed model performs much better in containing and redirecting the impacting vehicle in a stable manner. In this paper, the existing finite element crash analysis of guardrails using the LS-DYNA program is further extended to study the nonlinear dynamic response of the guardrail structures with new type poles supported by external stiffeners. The numerical results for various parameters are verified by comparing different grades with displacements occurred in the barrier from the crash simulation.


지반 지지력 효과를 고려한 PosMac 강재 적용 가드레일의 대형차 충돌 성능 평가

노 명현1 , 이 상열2
1포스코 철강솔루션마케팅실 구조연구그룹 책임연구원
2안동대학교 토목공학과 부교수

초록


    Ministry of Science, ICT and Future Planning
    National Research Foundation
    No.2015R1A2A2A01005637

    1.서 론

    최근 각종 차량의 방호울타리(가드레일) 충돌에 의한 대형 사고가 빈번해짐에 따라 도로 시설물에 대한 구조성능에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 도로를 주행하는 트럭 등의 대형차는 충돌 시 도로시설물을 크게 손상시키거나 2차 사고를 유발하는 위험성을 내포하고 있다. 가드레일 구조는 차량이 주행 중 도 로또는 교량 밖으로 이탈하는 것을 방지하는 동시에 탑승자 부상 및 차량의 피해를 줄이고 차량을 본래 의 진행방향으로 복원 시킬 수 있는 성능을 가져야 한다. 미국의 경우, 도로안전구조물의 충돌 시 위험도 에 대한 기준은 NCHRP에서 발간한 Report 350에서 충돌실험에 대한 구체적인 방법과 평가규정을 제시하 고 있다(Ross et al., 1993). 최근 미국은 방호울타리 자체에 대한 연구에서 확장하여 단부나 전이구간과 같은 취약부에 대한 연구를 중점적으로 수행하고 있 으며 교통흐름의 변화에 따른 성능평가 기준 및 지 침에 대한 개선, 축적된 자료를 활용한 설계와 해석 에서의 컴퓨터 시뮬레이션의 활용, 새로운 방호성능 을 지닌 재료의 개발, 국제적인 협력과 조화, 측면 충돌에 대한 안전성 등에 대한 다양한 연구를 수행 하고 있다. 유럽의 경우에는 유럽표준위원회(CEN, European Committee for Normalization)에서 제정한 기준에서 충돌시험과 설치에 대한 규정을 제시하고 있다(European Committee for Standardization, 1998). 국내의 경우는 가드레일의 등급은 시설물의 강도 성 능을 기준으로 9등급으로 구분한다. 기본적으로 SB2, SB3, SB3-B를 기본등급으로 하고, 교량구간 및 추락 혹은 차로 이탈시 심각한 사고가 예상되는 위험구간 에서의 사고는 일반구간의 사고에 비해 상대적으로 사고 피해의 정도가 크므로 SB4, SB5, SB5-B과 같 은 더욱 높은 등급을 적용한다(Ministry of land transport and maritime affairs, 2008, 2009).

    가드레일의 구조 성능 평가는 해석 시뮬레이션에 의한 방법과 실차 충돌시험에 의한 방법으로 나눌 수 있다. 실차 충돌시험의 경우는 가드레일의 구조성 능을 실제 환경에서 측정하고 평가할 수 있는 장점 이 있으나, 실험을 위한 비용 및 요구 공간이 매우 크다는 단점을 갖는다(Coon and Reid, 2006). 최근 컴퓨터 시뮬레이션 해석기술의 발전은 이러한 충돌 시험을 실제로 수행하지 않고도 가드레일 구조성능에 대한 정확한 평가가 가능하도록 한다. 일반 강재를 적용한 기존 연구결과에 비하여 본 연구의 특징은 포스코에서 개발한 내식성 및 충격 흡수성능이 높은 PosMac 강재를 적용하였다는 점이다. 또한, 가드레일 충돌 시뮬레이션 시 중요한 고려사항은 지주를 지탱 하고 있는 지반에 대한 모델링이다. 실제 충돌시험 시 지반지지력을 고려하지 않으면 해석결과가 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지주를 지탱 하는 지반을 Spring으로 모델링하고, 실제 시험 조건 과 부합하는 지반지지력을 산정하여 해석의 정확성을 높이고자 한다. 본 연구에서는 지반지지력 효과를 고 려하고 PosMac 강재 적용한 신규 가드레일 구조에 대하여 대형차 충돌에 대한 구조적 성능을 검증하는 것을 목적으로 한다.

    2.Spring 모델링에 의한 지반지지력 산정

    충돌시뮬레이션 해석 시 지반과 연결된 지주는 차량 충돌에 대한 충격을 지지해주는 중요한 역할을 한다. 그러나, 지반에 대한 정확한 지지력 산정을 하지 않 고, 고정단과 같이 지반에 단단하게 고정하여 모델링 하는 경우에는 Fig. 1과 같이 지주가 꺾이는 현상이 발생하게 된다. 충돌 시뮬레이션 결과와 같이 지주가 꺾이는 현상은 일반적인 성토부 시험에서는 발생할 소지가 높지 않다.

    가드레일에 연결된 지주가 충돌 시뮬레이션 상에 서 밀리지 않고 꺾이는 현상은 지반 지지력이 너무 크기 때문인 것으로 추정된다. 이러한 문제는 기존 수평 지지력 3.5ton일 때의 spring 강성 계수(k)를 2.5ton일 때의 정확한 spring 강성 계수로 변환하여 충돌 시 지주의 자연스러운 밀림 현상을 구현할 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 지반-구조물 상 호작용 모델링을 수행하였다. 하중을 2,500kgf으로 고정하고 k값을 변화시키면서 한국도로공사 도로교통 연구원에서 수행한 실제 정적실험에 의한 지주구조의 하중-처짐 그래프의 최대 처짐과 동일한 최대 처짐 (350mm)이 발생하였을 때의 k값을 스프링 강성으로 결정하였다.

    본 연구에서는 시뮬레이션에 의한 적정 지반지지 력 산정에 대하여 2,500kgf의 하중을 9개의 노드점 분포 하중으로 변환하여 절점당 2,725N의 하중을 재 하였다. 하중은 지반에서 650mm 높이에 재하하였으 며, 지주 및 지주보강판은 SS490이다. 지반은 전술한 바와 같이 지반 반력을 Spring 요소로 적용한 모델, 경사면만큼 Spring 적용 높이를 조절하여 수정된 모 델을 적용하였다. 지반 Spring 강성을 반복적으로 변 화하면서 해석을 수행하였으며, 해석 결과 하중 2500kgf, 스프링 강성 k는 13.2로 결정하였으며, 이와 같은 경우 최대 처짐 350mm을 만족하였다. 본 연구 에서 산정한 k값은 실제 지주 성능을 위한 성토부 시험 환경과 유사하게 구현하기 위하여 시행 착오법 에 의하여 임의로 결정된 값으로 실제 지반에서의 물리적 의미와는 다소 상이할 수 있다. Fig. 3.

    3.수치해석 및 결과분석

    3.1.해석 모델

    본 연구에서는 충돌해석을 위하여 비선형 유한요소 동적 해석 전용프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다 (ANSYS, 2012). 대형차 모델은 NCAC(National Crash Analysis Center)가 제공하는 16ton 규모의 트럭 (CME-HGV Truck) 사양을 적용하였다(NCAC, 2000). 트럭 하중의 경우 31,166개의 Shell 요소와 1,550개의 Solid 요소 및 62개의 Beam 요소, 30개의 기타 요소 로 총 32,808개의 요소로 구성되어있다. 대부분의 물 성치는 항복응력 610MPa, 탄성계수 207,000MPa인 강 재로 되어 있다. 트럭의 경우 NCAC에서 제공된 모 델은 중량이 16.0ton이나 “차량방호 안전시설 실물충 돌시험 업무편람”의 방호울타리의 강도 성능 평가를 위한 시험을 위해 14.0ton(SB4등급) 트럭으로 하중을 감소시켜 사용하였다(Ministry of land transport and maritime affairs, 2008).

    대형차 충돌해석에 적용한 SB2 및 SB4 등급 가드 레일 구조는 K사에서 개발하여 제공한 PosMac 강재 가 적용된 신규 단면을 적용하였다. Fig. 4는 LS-DYNA 프로그램에 대한 PosMac 490 강재에 대한 재료 입력 데이터를 나타낸다. 재료모델은 LS-DYNA 에서 제공하는 Mat24_piecewise linear plasticity를 적 용하였다. 이 재료모델은 Cowper -symonds 모델을 적 용할 수 있으며 충돌속도에 따라서 유동응력-소성변 형률 선도를 직접 입력하거나 Cowper-symonds 재료 상수를 입력하여 변형률 속도를 정의할 수 있다. 개 발된 가드레일 단면은 지주보강은 내부 파이프를 설 치하는 대신 Fig. 5에서 보는바와 같이 엠보싱을 갖 는 날개형 외부 보강판으로 구성되어 있는 특징을 갖는다. 본 충돌해석에 적용한 가드레일 단면의 상세 제원 및 물성은 신규 구조이므로 공개를 생략하기로 한다. 최종적으로 적정 지반지지력을 구현하는 Spring 요소로 구성한 지반 가드레일-차량 충돌해석에서 마 찰계수 0.1을 고려하여 해석을 실시하였다.

    한편, 가로보, 지주, 지주보강 및 블록 아웃에 적용 된 소재는 고속변형률속도(strain rate) 효과를 고려한 Bi-linear SS400, SS490를 Cowper-symonds 모델로 변 경 후 해석하였다(Cowper and Symonds, 1957; Kim and Lee, 2015). 지반은 경사면만큼 Spring 적용 높이 를 조절하여 지반 반력을 Spring 요소로 적용한 모델 을 적용하였으며, 지반 깊이에 따라 토압의 영향이 달라지므로 Spring 강성도 다르게 적용하였다. 본 연 구에서는 2장에서 기술한 방법에 의하여 지표면으로 부터 0~800mm 깊이에서는 k=13.2N/mm를, 800~ 1,200mm 깊이에서는 k=30N/mm를 각각 적용하였다. 가드레일 구조의 전체 길이는 60m이며, 단부 변위를 제어하였고, 지주의 간격은 2m이다. Fig. 6은 트럭 하 중 모델링 및 가드레일에 충돌하였을 때 최대 발생 처짐의 측정 위치를 나타낸다.

    3.2.대형차 충돌 해석

    3.2.1.SB2 등급

    SB2 등급 충돌해석을 위하여 8ton 트럭 모델을 적용 하였으며, 시속 65km로 주행시켰다. 트럭이 가드레일 에 충돌하는 각도는 국내설계기준에 제시된 15도이 며, 0.1의 마찰계수를 적용하였다. 가드레일에 관한 국내기준에 의하면 가드레일 구조 성능 평가 기준은 충돌 하중이 극대화 되는 대형차를 기준으로 설계에 반영한다. 대형 차량을 이용한 시험에서는 연성 방호 울타리에 과다한 변형이 발생 했을 경우, 차량이 도 로에서 밀려져 나와 노측이나 교량 밖으로 떨어지거 나 보도로 침범할 우려가 있기 때문에 허용할 수 있 는 최대 충돌변형거리가 지주를 흙 속에 매입할 경 우 1,000mm 이하, 콘크리트 기초에 설치하는 경우에 는 300mm 이하가 되도록 규정하고 있다. 대형차 충 돌 이후 가드레일의 최대 변형 거리를 측정하여 구 조 성능을 평가한다. 또한, 충돌 후 그대로 관통하지 않고 차량이 가드레일 안쪽으로 돌아들어 오는 거동 을 보이면 적절한 구조성능을 보이는 것으로 판단한 다.

    Fig. 7은 SB2 등급에 대하여 각 시간대별 측정 변 위 값 및 충돌 후 가드레일의 변형 형상을 보여준다. SB2 등급은 비교적 저중량의 트럭이 주행하는 경우 이므로 가드레일 충돌 시 구조성능에 중대한 문제가 발생하지 않을 경우로 예상된다. 예상대로 충돌해석 결과, Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 810mm의 최대 처짐이 발생하여 허용치 이내임을 알 수 있다. Fig. 8 은 각 시간대별 가드레일 및 지주의 변위 형상 및 트럭의 주행방향을 보여준다. 그림에서 보는 바와 같 이 가드레일 충돌 후 트럭의 방향은 안정적으로 가 드레일 내로 돌아오는 것을 확인할 수 있다.

    3.2.2.SB4 등급

    SB4 등급은 고성능 가드레일 구조로서 고속도로 등 에 적용된다. 본 연구에서는 대형차 충돌해석을 위하 여 14ton 트럭 모델을 적용하였으며, 시속 65km로 주행시켰다. SB2의 경우와 같이 트럭이 가드레일에 충돌하는 각도는 15도이며, 0.1의 마찰계수를 적용하 였다. Fig. 9는 SB4 등급에 대하여 각 시간대별 변위 값 및 충돌 후 가드레일 변형 형상을 보여준다. Fig. 9(a)에서 보는 바와 같이 931mm의 최대 처짐이 발생 하여 SB2 등급의 경우보다 증가하였으나 허용치 이 내임을 알 수 있다.

    Fig. 10은 SB4 등급에 대하여 각 시간대별 변위 값 및 충돌 후 가드레일 변형 형상을 보여준다. 충돌 해석 결과, 그림에서 보는 바와 같이 SB4 등급의 경 우 지주 보강판이 떨어져 나가는 현상이 관측되었다. 이것은 지주 보강판의 절점을 프로그램 상에서 고정 시켰지만 큰 하중이 부딪히면서 고정시켰던 노드점이 깨지면서 발생한 현상이다. 또한 0.87sec 이후 차량의 바퀴가 들리는 현상이 발생하였으나 가드레일 안쪽 뱡향으로 주행하여 안정화되는 거동을 나타냈다.

    4.요약 및 결론

    본 연구에서는 기존의 강재 가드레일을 개선한 신규 PosMac490 강재를 적용하여 SB2 및 SB4 등급에 대 한 대형차 충돌 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 지반 -지주 상호작용을 고려하기 위하여 실제 성토지반 환경의 지반지지력을 산정한 Spring 지반 모델링을 적용하였다.

    8ton 트럭하중에 대한 SB2 등급의 충돌해석 결과, 가드레일에 810mm의 최대 처짐이 발생하여 허용치 이내임을 알 수 있었다. 또한, 가드레일 충돌 후 트 럭의 방향은 안정적으로 가드레일 내로 돌아오는 것 을 확인할 수 있다. SB4 등급에 대하여 각 시간대별 변위 값 및 충돌 후 가드레일 변형 형상을 보여준다. 한편, SB4 등급의 경우 지주 보강판이 떨어져 나가 는 현상이 관측되었다. 이것은 지주 보강판의 절점을 프로그램 상에서 고정시켰지만 큰 하중이 부딪히면서 고정시켰던 노드점이 깨지면서 발생한 것으로 실제로 는 발생하지 않는 것으로 판단된다. 또한 0.87sec 이 후 차량의 바퀴가 들리는 현상이 발생하였으나 가드 레일 안쪽 뱡향으로 주행하여 안정화되는 거동을 나 타냈다.

    결론적으로 본 연구에서 수행한 충돌해석 결과 PosMac 강재를 적용한 신규 가드레일 구조는 대형차 충돌 시 허용치 내의 구조성능을 보였다. 향후 실제 충돌 시험을 통하여 구조성능에 대한 검증을 더욱 명확하게 해야 하며, 지주를 보강하는 다양한 구조를 적용하여 가드레일의 구조적 성능을 더욱 최적화할 필요가 있다.

    후 기

    본 연구는 (주)포스코의 지원과 2015년도 정부(미래 창조과학부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업 (No.2015R1A2A2A01005637)의 지원을 받아 수행된 연구임.

    Figure

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    Broken ground poles in a truck crash simulation

    KOSACS-7-4-62_F2.gif

    Interaction modeling between ground and poles using spring elements

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    Maximum displacements at ground poles for increased loads

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    Input data of PosMac490 in the LS-DYNA

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    Detailed sections of new guardrail structures used in this study

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    Measuring point of a maximum displacement

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    Deformed shapes for the truck crash simulation (SB2 grade)

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    Deformed shapes for the each time step (SB2 grade)

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    Deformed shapes for the truck crash simulation (SB4 grade)

    KOSACS-7-4-62_F10.gif

    Deformed shapes for the each time step (SB4 grade)

    Table

    Reference

    1. (2012) ANSYS(LS-DYNA) User’s Manual , ANSYS Corp,
    2. Coon BA , Reid JD (2006) “Reconstruction Techniques for Energy-Absorbing Guardrail end Terminals” , Accident Analysis & Prevention, Vol.38 ; pp.1-13
    3. Cowper G , Symonds P (1957) Strain Hardening and Strain Rate Effects in the Loading of Cantilever Beams , Brown Univ. Applied Mathematics Report. Report No. 28,
    4. European Committee for Standardization (1998) “Road restraint systems”. EN, Vol.1317 ; pp.1-3
    5. Kim GD , Lee SY (2015) “Finite Element Crash Analysis of Support Structures Made of Various Composite Materials” , Journal of Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol.6 (1) ; pp.45-50(in Korean)
    6. Liu C , Song X , Wang J (2014) “Simulation Analysis of Car Front Collision Based on LS-DYNA and Hyper Works” , Journal of Transportation Technologies, Vol.4 ; pp.337-342
    7. Ministry of land transport and maritime affairs (2008) “Installation and maintenance guideline road safety appurtenance-Bridge Barrier” , Design Guidelines,
    8. Ministry of land transport and maritime affairs (2009) “Specifications on the structure and facility standards” , Professional code,
    9. NCAC Public Finite Element Model Archive (2000) “FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center website page(www.ncac.gwu.edu)” , Washington. D.C,
    10. Ross HE , Sicking DL , Zimmer RA (1993) “Recommended Procedures for the Safety Performance Evaluation of Highway Features” , NCHRP Report 350. TRB. Washington. D.C,