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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.1 pp.59-65
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.1.059

Strong Wind Weakness Safety Evaluation of Road Sound Insulation Wall Facilities

Jung-Kyu Choi1, Woo-Young Jung2
1Master Couse Student, Department of Civil Engineering, Gangneung-Woju National University, Gangneung, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung-Woju National University, Gangneung, Korea
Corresponding author: Jung, Woo-Young Department of Civil Engineering, Gangnueng-Wonju National University, Jukhungil 7, Gangnueng-si, Kangwon-do, Korea. +82-10-4539-9539, +82-2-400-2268, woojung@gwnu.ac.kr
March 7, 2017 March 14, 2017 March 17, 2017

Abstract

Recently, the damage caused by typhoons and strong winds frequently displayed according to world climate change tends to be increasing. In the case of soundproof / windproof wall installed on the road, frequent occurrence does function for damage due to strong wind. As a result, in this study, strong wind fragility evaluation was performed to predict the degree of damage of strong winds of soundproof / windproof walls. We were conducting research focusing on the destruction mode in which the overall destruction of the sound barrier caused by the destruction of the aluminum frame occurs. Three node bending experiments were conducting for grasping the material properties of a soundproof wall aluminum frame that is currently being constructed on a road. Based on the results of this experiment, the resistance performance of the target structure was calculated, the frame breakage was selected as the limit state, and the wind load acting on the simplified soundproof wall model was measured using the Monte Carlo model model technique to measure.From now on, through the additional study, it will be necessary to proceed with a more accurate evaluation of the safety against strong windsof the soundproof wall structure using the vulnerability evaluation execution and the setting of the limit state.This study is expected to be the basic data of the study on prediction technique of wind - induced damage of soundproofing and windshield walls in the future.


도로용 방음벽 시설물에 대한 강풍 취약안전도 평가

최 정규1, 정 우영2
1강릉원주대학교 토목공학과 석사과정
2강릉원주대학교 토목공학과 교수

초록


    Ministry of Public Safety and Security

    1.서 론

    최근 지구온난화로 인한 이상기후 현상이 전 세계적 으로 나타나고 있으며 태풍⋅강풍에 의한 취약시설의 손상으로 인한 피해가 증가함에 따라 정부기관 및 관 련업체의 바람재해 대응방안 마련은 매우 중요한 관 심사로 대두되고 있다. 선진국의 경우 바람재해 피해 경감을 위하여 Hazus-MH와 같은 피해예측시스템을 개발, 사용하고 있으나 아직 국내에서는 이들 강풍에 대한 정확한 피해예측 조차도 어려운 실정이다.

    강풍에 취약한 많은 시설물 중 방음벽 시설물의 경우, 기존 방음벽의 높이로는 방음효과 기능을 제대 로 실현할 수 없다는 연구결과(Kim, 2012)에 따라 신 설되는 방음벽의 높이는 날이 갈수록 높이지고 있다. 이에 따라 강풍에 대한 방음벽 시설물의 취약도는 매 우 커질 수밖에 없는 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 실제 도심지나 고속도로에 시공되는 기본 방음벽에 대하여 강풍에 의한 피해정 도를 확률적으로 예측하기 위한 취약도 연구를 수행 하였으며 이를 통하여 강풍세기에 따른 대상시설물 손상함수를 개발하였다. 대상 방음벽 모델의 경우, 도 로공사 방음벽 설계기준을 고려하여 선정하였으며 방 음벽 알루미늄 프레임에 대한 구조실험과 이를 통한 다양한 방음벽 유한요소 모델링 및 해석연구를 상용 해석프로그램인 ABAQUS를 활용하여 수행하였다. 최 종적으로 국내 방음벽 시설물에 대한 6가지 확률론적 강풍 취약도함수를 도출하였다.Fig. 1

    2.방음벽 프레임 부재 성능실험

    2.1.방음벽 프레임의 재료 물성치 평가

    일반적으로 방음벽 구조물은 지주프레임과 방음판 보 강 프레임 그리고 방음판으로 구성되어지며 각각의 주요부재에 대한 물성치는 Table. 1과 같다. 본 연구 에서 고려된 방음벽 시설물로는 ㈜명성산업개발에서 생산, 서울-광명 고속도로 현장에 실제 적용된 방음벽 시설을 대상으로 하였으며 그 형상 및 제원은 Fig. 2 와 같다. 구조실험의 경우, 강풍발생 시 방음벽 내 바 람의 영향이 가장 큰 방음판을 보강하고 있는 알루미 늄 프레임에 대하여 성능평가를 실시하였다.

    일반적으로 강풍 발생 시 방음벽의 파손형태는 프 레임의 파손이 방음벽의 전체적인 파손으로 이어지는 경우와 지반에 고정되어있는 지주프레임의 파손으로 인한 방음벽 전체의 파손, 아크릴판의 프레임 탈락 등으로 분류될 수 있다. 이러한 방음벽 파괴패턴 중 방음판 탈락에 의한 보강 프레임 손상이 실제적으로 가장 빈번히 발생한다는 관련업체의 의견을 고려, 방 음판 보강 알루미늄 프레임 손상연구를 본 연구에서 는 가장 핵심적인 연구주제로 고려하였다.

    실제 현장적용 방음벽 알루미늄 보강 프레임의 처 짐 및 강성을 알아보기 위하여 Fig. 3과 같이 길이 1m의 알루미늄 프레임(40x60x1T)을 10 ton의 구조시 험기를 이용, 3절점 휨 실험을 수행하였으며 휨 파괴 가 예상되는 프레임 중앙지점에 Fig. 4 와 같이 LVDT를 설치, 발생되는 변위를 측정하였다. 최종적 으로 실험에서 얻어진 하중-변위 곡선은 Fig. 5와 같 이 나타났으며 이를 상용 해석프로그램인 ABAQUS 내 2D beam element를 이용, 해석을 수행하여 그 결 과를 실험값과 비교하였다. Fig. 5에서 보이듯 해석 및 실험값은 잘 일치하는 결과를 나타내었다.

    2.2.최적 방음벽 모델링

    실제 방음벽의 경우 대부분 유한의 결합 형태로 존재 하며 지주프레임을 기준으로 각각의 Part를 연결하여 제작된다. 본 연구에서는 방음벽 모델의 유한결합 형 태를 고려한 최적의 해석모델을 선정하기 위해 양쪽 지주프레임을 기준으로 하는 방음벽을 하나의 기본요 소(4m)로 선정하고 이를 토대로 한 요소씩 늘려가며 순차적으로 해석을 진행하였다. 설계하중으로는 도로 공사 방음벽 설계 시 기준치인 3.0KN/m2의 하중을 적 용하였으며 최대 변위가 발생할 것으로 예상되는 지 점 변위를 각각 비교, 분석하여 유한결합을 통하여 제 작되는 방음벽에 대한 최적 해석모델링을 결정하였다.

    경계거동이 발생할 수 있는 알루미늄 프레임과 방 음판 연결부, 방음벽 지주프레임 및 지반 정착부는 모두 완전한 고정부로 가정하였으며 투명방음판과 보 강 프레임은 완전한 탄성거동체로 고려하였다.

    본 연구에서는 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS Platform을 이용하여 3D Elastic Linear Fe Model로 구 축하였으며, Model 구축에 사용된 요소는 지주프레임 과 알루미늄 프레임은 3D Beam요소, 투명아크릴판은 Shell요소를 사용하였다.

    Fig. 6에서 Fig. 8은 해석연구를 통해 도출된 결과 들을 나타낸다. Fig. 7에서 보이듯 기본 방음벽 모델 을 기준으로 연결 방음벽의 수를 늘려나가며 최적의 모델 수를 해석한 결과, 중앙지점과 양끝단의 변위 모두 3개 요소로 결합된 해석모델을 지날 때부터 결 과값의 큰 차이가 발생하지 않음을 알 수 있으며 최 종적으로 5개 기본요소로 연결된 모델(20m)에서 확실 히 수렴하는 것으로 나타난 바 5개의 기본 방음벽 요 소를 연결한 모델을 최적 해석모델링으로 결정하였다.

    Fig. 78은 방음벽 기본요소와 5개로 연결된 최 종 해석모델링의 변위결과를 보여주고 있다.

    3.방음벽 구조 저항성능 산정

    5개의 방음벽 기본요소를 연결한 전체 모델링에 대하 여 선형 탄성해석을 수행, 그 결과를 토대로 방음벽 저항성능을 산정하였다. 방음벽 전체구조에 대한 저 항성능 산정 시 고려된 한계상태로는 도로공사 방음 벽 시험기준을 고려하였으며 Fig. 9과 같이 제시된 50mm 허용변위를 기준으로 발생되는 하중-변위관계 를 최대 저항성능으로 고려하였다. Fig. 910에서 보이듯 본 연구에서는 탄성해석으로 인하여 무한한 하중 및 변위증가가 결과에서 보이고 있는데 이는 방 음벽 구성요소 및 경계조건을 완전 탄성체로 가정한 데 있다. 향후 정확한 재료 물성치와 경계조건 적용 을 통하여 보다 실제 거동에 가까운 비선형 해석이 가능할 것이며 이를 통하여 보다 신뢰성 있는 저항성 능 산정이 가능할 것이다.

    4.풍하중 산정

    본 연구의 대상구조물인 20m의 방음벽 구조물에 작 용하는 풍하중을 산정하기 위해 ASCE 7-10의 식 (1) 을 활용하였다.

    W = q h G C f A s
    (1)

    여기서 qh는 높이 h에서의 동적속도압, G는 가스 트 영향계수 Cf는 압력계수를 As는 풍압을 받는 면 적을 의미한다. 여기서 qh는 식 (2)로부터 계산할 수 있다.

    q h = 0.613 K z K z t K d V 2 I ( N / m 2 )
    (2)

    이 식의 각각의 변수들은 각각 풍향, 지형계수, 풍 속의 고도, 중요도 등을 고려하는 계수이고 이는 확 률론적 분포로서 ASCE 7-10의 풍하중 산정변수를 Table. 2와 같이 평균과 변동계수로서 나타내었다. 이 를 통해 풍하중을 몬테카를로 모사모형을 이용하여 산정하게 된다.

    5.강풍취약도 평가

    5.1.취약도 기본개념

    시설물의 강풍취약도 평가는 크게 경험적 평가방법과 구조성능을 통한 확률론적 평가방법으로 구분될 수 있다. 경험적 방법은 시설물의 피해자료가 충분히 많 은 경우에 적용이 가능하며, 경험적 방법을 통한 취 약도 구현은 취약도 평가의 최종목표라고 볼 수 있는 피해액 예측으로의 연결이 용의하여 피해자료가 충분 할 경우 경험적 방법을 적용하는 것이 유리하다.

    하지만 대상구조물인 방음벽의 경우 피해자료가 경험적 방법을 적용할 만큼 충분하지 않아 구조성능 기반의 확률론적 방법을 통한 취약도 구현을 수행하 였다. 확률론적 강풍취약도 평가는 모든 풍속구간에 대한 시설물의 파괴확률을 나타내는 함수의 형태로 표현된다. 본 연구에서는 해석적 연구수행을 통해 저 항성능을 산정하고 ASCE 7-10의 식을 활용해 풍하중 변수를 산정하여 취약도함수에 적용하였다. 풍하중 변수는 확률적 분포를 통해 표현되어 있으며, 이를 임의로 추출된 표본자료를 이용하여 강풍 및 저항성 능을 모사하고 이를 식 (1)에 대입하여 강풍 취약도를 평가한다.(3)

    f ( V ) = R W
    (3)

    이렇게 구축된 취약도를 연속함수의 형태로 표현 하기 위해 식 (4)과 같이 로그정규누적분포의 형태로 나타내어진다.

    F r ( V ) = Φ [ ln  ( V ) m R ξ R ]
    (4)

    여기서 mR은 모평균을 ξR은 표준편차를 의미하며 이는 최대우도추정법 (Maximum Likelihood Estimation Method)을 통해 최적화될 수 있다.Fig. 11

    5.2.방음벽 강풍취약도 평가

    일반적으로 구조물 강풍취약도 평가의 경우, 손상레 벨에 따라 Damage State 1, 2, 3, 4 등으로 각각의 파 괴정도를 정의하고 이들 파괴정도에 대한 취약도 평 가가 개별적으로 이뤄진다. 하지만 방음벽 구조물의 경우, 구성부재에 대한 구조성능 확률분포도 분석값 이 부족하여 정확한 최대 한계상태에 대한 정의가 어 렵다. 따라서 본 연구에서는 방음벽 구조물의 도로공 사 시험기준인 50mm 변위 값을 최대 한계상태로 정 의하고 지표조도구분에 따른 각각의 강풍 취약도를 평가하였다. 지표조도구분은 지표의 거칠기 요소에 대한 구분으로서 일반적인 내풍설계기준에서 제시한 바와 같이 각각에 대상구조물의 위치에 대한 분류로 Fig. 12과 같이 Category B, C 와 D로 구분된다.

    방음벽 구조물 취약도 분석에 있어 고려된 주요 영 향인자로는 방음벽 설치조건에 따라 양쪽 마지막 끝 단의 설치되는 방음벽의 강풍에 대한 취약성과 내부 에 설치되는 방음벽의 취약성이 서로 다를 것으로 판 단하고 이를 구분하여 평가하였으며 그 결과는 다음 과 같다.

    5.3.양 끝단(Edge) 설치 방음벽의 취약도 평가

    Fig. 13와 Table. 3은 양 끝단에 설치된 방음벽에 대 하여 각각의 지표조도 B, C, D에서 발생되는 강풍 취 약도 및 해당 분포의 모수를 나타낸다. 방음벽 구조 물의 양 끝단에 있는 방음벽 프레임의 경우, 파괴를 유발시키는 초기풍속은 약 13m/s으로 나타났으며 초 속 40m/s에서 대상 구조물에 대한 최종 파괴가 발생 됨을 예측할 수 있다. 양 끝단에 위치한 방음벽의 경 우 전반적으로 강풍의 세기가 약함에도 구조적으로 손상이 발생할 확률이 다소 큰 것으로 나타났다.

    지표조도를 B에서 D로 변화하면서 방음벽의 취약 도 평가를 수행하였다. 그 결과 파괴를 유발시키는 초기풍속은 약 18m/s에서 13m/s로 다소 낮아짐을 알 수 있었다. 이는 같은 형상, 같은 높이의 구조물이라 도 지표면 조건에 따라 취약 안전도가 변화함을 알 수 있다.

    5.4.중앙부 설치 방음벽의 취약도 평가

    Fig. 14와 Table. 4는 중앙부에 설치된 방음벽의 강풍 취약도 평가 결과를 보여준다. 양쪽으로 방음벽이 연 결되어 지지된 방음벽 내 프레임의 경우, 최초 손상 을 유발시키는 초기 풍속은 약 29m/s로 나타났고 약 70m/s에서 대부분 파괴가 발생함을 예측할 수 있다. Fig. 1314에서 나타난 결과 비교를 통하여 일반적 인 방음벽의 경우 양 끝단에 설치되는 방음벽 프레임 에 비해 중앙부에 연결되어 설치된 방음벽이 양쪽 지 지에 의하여 상대적으로 보다 우수한 내풍 저항능력 을 갖는 것으로 나타났다.

    5.5.방음벽 설계 및 시공기준에 대한 제안

    방음벽 설치 시 설치위치에 따라 양끝단과 양쪽에 지 지된 중앙부에 설치된 방음벽들에 대하여 여러 지표 조도들 중 Category B 유형에 대하여 취약도 평가결 과를 비교하였다. Fig. 14에서 보이듯 방음벽 프레임 의 파괴를 유발시키는 초기풍속은 양쪽 지지된 중앙 부 방음벽에서 약 35m/s로 나타났는데 이는 양 끝단 에 비대칭으로 설치되는 방음벽의 최종파괴가 일어나 는 최대 한계풍속 30m/s를 초과하는 풍속에 해당된다. 이들 결과들은 향후 방음벽 내풍설계에 있어 모든 방 음벽에 대하여 동일한 설계기준을 적용하기 보다는 양 끝단에 설치되는 방음벽의과 양쪽 지지된 중앙부 설치 방음벽의 설계 및 시공조건에 각기 다른 가중치 를 부여할 필요가 있을 것으로 판단된다.Fig. 15

    6.결 론

    국내 도로에 설치되는 방음벽 구조물의 주요 취약부 재에 대하여 구조실험을 통해 구조성능 평가를 수행 하였고 그 결과를 토대로 방음벽 구조물의 최적 해석 모델링을 도출하였다. 선정된 최적 해석모델링을 토 대로 각각의 지표조도 B, C, D에 대하여 방음벽 강풍 취약도를 산정하였다. 취약도 산정 시 고려된 주요 영 향인자로는 방음벽 구조물의 시공특성을 고려하여 방 음벽 양끝단부와 양쪽이 연결된 중앙부 방음벽으로 나 누어 그 결과를 도출, 비교하였다.

    • -  방음벽 시공 시 양 끝단에 설치되는 방음패널의 방 음판 고정 보강프레임의 경우 약 13m/s 발생 풍속 에서 초기 손상이 발생하는 것으로 예측되었다.

    • -  방음벽 시공 시 양쪽 연결에 의하여 지지된 중앙 부 설치 방음패널의 경우, 초기풍속이 약 29m/s 에서 방음판 고정 보강프레임의 초기 손상이 발 생하는 것으로 예측되었으며 이는 양 끝단에 설 치되는 방음패널에 비하여 동일한 패널임에도 불 구하고 상대적으로 우수한 강풍 저항성능을 보유 하고 있는 것으로 판단된다.

    • -  구조해석 결과, 독립된 기본패널을 연결하는 방식 으로 시공되는 방음벽의 특성 상 강풍에 의하여 하나의 패널에서 손상이 발생할 경우 인접한 방 음패널이 양끝단과 유사한 형태로 변화하여 강풍 에 더욱 취약한 상태가 되어 방음벽 전체 구조물 의 연쇄적 손상에 영향을 미쳐 구조물의 점진적 파괴를 야기할 수 있을 것으로 판단된다.

    • -  지표면 거칠기에 따른 방음벽 구조물의 취약성을 분석한 결과, Exposure D와 Exposure B에서 초기 손상을 유발하는 풍속의 크기가 약 13m/s (50%파 괴확률일시)정도 차이가 나는 것으로 나타났다. 이를 통하여 국내 평야지대에 설치되는 방음벽의 경우 산지나 도심에 시공된 방음벽보다 보다 더 세밀한 기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.

    본 연구는 방음벽 내 보강판지지 알루미늄 프레임 부재에 대한 실험 및 관련 데이타를 활용하여 강풍취 약도 평가를 수행하였다. 실제 방음벽 설치 시 구성 되는 부재의 종류는 다양하며 현장에서 발생되는 강 풍 피해사례를 고려할 때 방음판 등에서 발생하는 손 상에 대한 평가결과도 보다 더 신뢰성 있는 예측모델 을 구성하기 위해서 향후 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 현재 국내에 설치된 방음벽의 형상에 따른 각각의 구조성능 데이터 확보와 통계분석을 통 한 한계상태 설정이 필요할 것이며 본 연구에서 도출 된 결과들은 향후 바람재해 피해예측시스템 구성을 위한 손상함수 구축자료로 활용될 수 있을 것으로 기 대한다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 재난안전기 술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임 [MPSS- 자연-2015-79]

    Figure

    KOSACS-8-59_F1.gif
    Example of breakage of soundproof wall
    KOSACS-8-59_F2.gif
    Shape and specification of structure
    KOSACS-8-59_F3.gif
    General installation of soundproof wall and aluminum frame sample
    KOSACS-8-59_F4.gif
    Experimental procedure and result of aluminum frame
    KOSACS-8-59_F5.gif
    Comparison of experimental and analytical result of aluminum frame
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    Displacement of edge and middle wall in function of wall section number
    KOSACS-8-59_F7.gif
    Analysis result of a single wall model (4m)
    KOSACS-8-59_F8.gif
    Analysis result of five walls model (20m)
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    Resistance capacity for edge and middle wall
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    Analysis result from the applied wind load (Displacement)
    KOSACS-8-59_F11.gif
    Monte Carlo Simulation flowchart
    KOSACS-8-59_F12.gif
    Wind exposure category chart
    KOSACS-8-59_F13.gif
    Edge wall fragility curves for each exposure category
    KOSACS-8-59_F14.gif
    Middle wall fragility curves for each exposure category
    KOSACS-8-59_F15.gif
    Comparison of fragility by installation position

    Table

    Material Properties
    Wind Load Parameters (ASCE 7-10)
    Parameter of Fragility Curve for Edge Wall
    Parameters of Fragility Curves for Middle Wall

    Reference

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