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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.3 pp.28-34
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.3.028

Crash Performance Assessment of Vehicle Guard-Rail Structures Made of a YS275 Steel Type

Kyo-Rok Lee1, Sang-Youl Lee2
1Master Student, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
Corresponding author: Lee, Sang-Youl Department of Civil Engineering, Adong National University, 388 Songchon-dong, Kyoungsangbuk-do 760-749, Seoul, Korea. Tel: +82-54-820-5847, Fax: +82-54-820-6255, E-mail: lsy@anu.ac.kr
August 10, 2018 August 21, 2018 August 31, 2018

Abstract


A finite element impact simulation study was performed to assess crash performances of a vehicle guard-rail structures for roadside using a YS275 steel type revised in the KS standard. The type YS275 shows an enhanced tensile strength in comparison with the former type SS400(YS245). Subsequent simulation results present that the improved model performs much better in containing and redirecting the impacting vehicle in a stable manner. In particular, the guard-rail made of the YS275 steel type shows better performances for PHD standard than that of the existing SS400(YS245). The numerical results for various parameters are verified by comparing different models with dynamic responses determined in the barrier from the crash simulation.



YS275 강재를 적용한 차량 방호울타리 구조의 충돌 성능 평가

이 교록1, 이 상열2
1안동대학교 토목공학과 석사과정
2안동대학교 토목공학과 부교수

초록


본 연구에서는 KS 강종 규격 YS245(SS400)에서 YS275(SS275)로 개정됨에 따라 고속구간에 설치하는 SB3-B등급에 대 하여 탑승자보호성능 평가 및 강도성능 평가를 위한 충돌시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 소형차에 대하여 탑승자 보호 성능평가항목인 탑승자 충격속도 및 탑승자 가속도를 평가하고, 대형차에 대해서 강도성능을 비교 분석하기 위하여 비선형 유 한요소 동적 해석을 수행하였다. 수치해석 예제로부터 YS275 강종은 기존강재에 비하여 전반적으로 우수한 충돌 성능을 보였으 며, 특히 PHD의 개선효과가 상대적으로 더욱 우수함을 알 수 있었다. 본 연구에서 적용한 솔리드 지반-구조물 상호작용 모델은 지진해석으로 적용할 수 있다.



    1. 서 론

    강재로 구성된 도로시설물 중 차량방호울타리(가드레 일)는 차량이 충돌하는 경우 발생하는 에너지를 분산 시키거나 변형에 의해 소산시키는 기능을 수행한다. 또한 충돌 후 차량이 도로 밖으로 이탈하지 않도록 하며 차량이 구조물과의 직접적인 충돌을 방지하여 차량 탑승자 및 차량과 보행자 또는 도로변의 주요시 설을 안전하게 보호하는 역할을 한다. 이러한 차량방 호울타리는 설치 위치에 따라 교량용, 중앙분리대용, 노측용으로 구분되며 방호울타리 제품들은 교통부에 서 제시한 9개 등급별 충돌시험조건을 이용해 소형차 및 대형차 충돌에 대해 탑승자에 대한 보호성능과 방 호울타리에 대한 강도성능을 검증하여 충돌 안전성을 검증하여 사용하도록 규정되어 있다 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015). 최근 국가기 술표준원은 2018년부터 본격적으로 시행되는 KS D 3503 등 23종의 강종을 유럽, 미국 등과 같이 국제표 준기준으로 규격을 상향하였다. 이로 인하여 기존에 사용하던 강재로 구성된 구조물보다 안전성과 경제성 을 확보할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 신 규격 소 재를 적용하여 방호울타리를 개발하는 경우, 실제 차 량충돌 실험을 실시하여 충돌 성능을 검증하여야 하나 비용 및 시간이 소요되므로 3차원 수치 시뮬레이션을 통한 성능 평가가 선행되는 것이 바람직할 것이다.

    방호울타리 각각의 등급에 관한 탑승자 보호성능 및 강도성능을 만족하기 위해 방호울타리의 재료의 변경 및 구조 형식 개발에 관한 다양한 연구가 진행 되었다. Kim 등은 LS-DYNA 프로그램을 이용하여 SB4 등급의 교량용 방호울타리의 상, 하단빔을 복합 소재를 적용하여 성능평가를 실시하였다 (Kim et al., 2011). 또한, Noh 와 Lee는 SB4등급의 가드레일에 대 하여 용융아연알루미늄 마그네슘 합금도금 강재를 적 용하였으며 지반을 Spring으로 모델링하여 대형차에 대한 강도 성능을 평가 하였다 (Noh and Lee, 2016). Lee 등은 SB3등급 가드레일의 전이구간에 대하여 충 돌시뮬레이션을 통한 탑승자 보호성능평가 및 강도성 능 평가를 실시하였다 (Lee et al., 2017). 그러나, KS 개정 상향된 항복강도를 갖는 강재를 적용한 시뮬레 이션 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고속구간에 설치하는 SB3-B등급 가드레일에 대하여 기존 SS400 강재와 개정된 SS275 강재를 각각 적용 하고 충돌 거동을 비교 분석하기로 한다. 또한, SS400, SS275 강재를 표기하는 방법의 변경으로 혼동 의 우려가 있어 Yield Stress를 의미하는 약자 YS를 사용하여 SS400은 YS245, SS275는 YS275로 표기하 여 나타내었다. 시뮬레이션은 소형차에 대하여 탑승자 보호성능평가항목인 탑승자 충격속도 및 탑승자 가속 도를 평가하고, 대형차에 대해서 강도성능을 비교 분 석하기 위하여 비선형 유한요소 동적 해석을 수행하 고자 한다.

    2. 기본 이론

    2.1 개정된 KS 강재 개요

    2018년부터 개정된 KS D 3503(일반 구조용 압연강재) 은 기존의 인장강도 기준으로 표기하는 방법에서 항 복강도를 기준으로 표기하는 방법으로 변경되었다. 즉, 기존 YS245(SS400) 강종은 YS275(SS275)으로 명 칭이 변경되었고, 이는 인장강도가 400MPa 이상이라 는 의미에서 항복강도가 275MPa이라는 의미로 변경 되었음을 뜻한다. 또한, Table 1과 같이 화학적성분인 C(탄소), Si(규소), Mn(망간)을 규정하여 개정하도록 하였다.

    YS275(SS275)는 화학적 성분 규정에 따라 강재의 물리적 성질 변화로 기존의 YS245(SS400)보다 항복강 도 및 인장강도가 상향되었으며 이에 대한 상세한 내 용은 Table 2와 같다. Table 2와 같이 YS275 (SS275) 의 항복강도는 기존 245MPa에서 275MPa로 약 12% 상향되었으며, 인장강도는 2.5% 상향되었다. 이러한 물성의 변화는 가드레일의 차량 충돌 시 기존 강재와 다른 충돌 후 거동 특성을 보일 수 있다.

    2.2 탑승자 충돌 안전 평가

    차량이 방호울타리에 충돌할 때 탑승자의 충격에 대 한 위험도를 평가는 차량 무게중심에서 계측된 가속 도 및 각속도를 이용하여 탑승자 안전지수를 측정하 여 결정된다. 탑승자 안전지수는 미국의 NCHRP Report 350(National Cooperative Highway Research Program)에서는 OIV(Occupant Impact Velocity)와 ORI(Occupant Ridedown Acceleration)를 사용하며 유 럽 CEN(European Committee for Standardization)과 우 리나라는 탑승자 충격속도(THIV: Theoretical Head Impact Velocity)와 탑승자 가속도(PHD: Post-impact Head Deceleration)를 사용하고 있다(Kim et al., 2007).

    THIV는 차량 내부 탑승자의 머리가 차량의 충돌 속도로 자유 비행하는 물체로 가정하고 차량이 시설 물과 충돌하여 감속되는 동안 머리가 차량 내부공간 의 가상면에 종방향과 횡방향으로 각각 0.6m, 0.3m에 도달하였을 때 시간 T에서의 탑승자와 차량 간 순간 상대속도를 의미하며 다음의 식과 같다

    T H I V = [ v x 2 ( T ) + v y 2 ( T ) ] 1 / 2
    (1)

    여기서, vxvy는 차량 좌표계에 대한 머리의 상 대속도를 나타내며 T는 탑승자 머리의 비행시간으로 가상의 충돌면 3곳 중 어느 한 면에 부딛친 시간을 나타낸다. PHD는 THIV가 계산된 이후 내부공간의 가 상 면에 부딪힌 후 머리가 접촉을 유지한다고 가정한 다면, t > T 이후 차량이 받는 가속도를 그대로 받게 된다고 볼 수 있다. 따라서, PHD는 충돌 후 계측된xc, yc의 10ms(millisecond) 평균가속도의 최대값을 의미하 며. 다음과 같이 식으로 계산된다.

    P H D = M A X ( < x c > 2 + < y c > 2 ) 1 / 2 , t > T
    (2)

    여기서, xc, yc는 10ms의 평균 가속도이다.

    Table 3은 SB-3B등급의 충돌 안전성을 평가하기 위해 탑승자 안전지수의 평가기준을 나타낸 것이다.

    3. 수치해석 및 결과분석

    3.1 해석 모델

    본 연구에서는 비선형 유한요소 동적 해석 프로그램 인 LS-DYNA를 사용하여 충돌해석을 수행하였다 (LSTC, 2007). SB3-B 등급 가드레일의 구조는 K사에 서 개발하였으며 YS275강재를 적용한 단면을 사용하 여 모델링을 수행하였으며, Fig. 1은 가드레일의 모델 링 형상을 나타낸다. 2단 형식의 가로빔을 갖는 구조 이며 블록아웃, 지주, 고정 볼트로 구성되어 있다. 또 한, 지주간의 간격은 2m로 되어있으며 각각의 파트들 은 4절점 Shell 요소로 모델링을 수행하였다. 각각의 파트간의 연결부분인 볼트의 경우 Beam 요소로 모델 링하였으며 절점간의 파단조건을 적용하여 연결되도 록 하였다. 가드레일의 전체길이는 실차시험 조건을 고려하여 소형차의 충돌해석에서는 30m, 대형차의 충 돌해석에서는 50m의 길이로 모델링을 수행하였다. YS245와 YS275의 물성을 적용하기 위해 LS-DYNA에 서 제공하는 Mat24_piecewise linear plasticity 재료모델 을 사용하였다. 이 재료모델은 중⋅저속 충돌 시뮬레 이션에서 발생하는 강재의 변형률속도를 고려할 수 있도록 Cowper-symonds 재료상수를 입력하거나 유동 응력-소성 변형률을 직접 입력하여 정의할 수 있다.

    Table. 4는 강재 YS245, YS275의 변형률 속도 (Strain rate)를 고려하기 위하여 Cowper-symonds 상수 와 소성접선계수(Tangent modulus)의 값을 구하여 물성 과 같이 나타낸 것이다(Cowper and Symonds, 1957). 지반-구조물 상호작용을 고려하여 지반의 경우 8절점 Solid요소를 사용하여 모델링을 수행하였으며 Mat5_Solid and Foam 재료모델을 사용하였다. 이러한 지반-구조물 상호작용 모델링은 향후 지진해석 등에 적용이 가능하다. 또한, 가드레일의 파트들간의 초기 관통 현상을 줄이고 해석의 정확성을 높이고자 LS-DYNA에서 제공하는 Automatic_Surface-to- Surface 옵션을 적용하여 접촉조건을 설정하였다.

    3.2 차량 모델

    본 논문에서 가드레일의 충돌해석을 위해 사용된 차 량은 미국의 NCAC(National crash analysis center)에서 제공하는 차량으로 현재 국내에서 사용되고 있는 차 량제원과 가장 유사한 모델을 사용하였으며 3차원 차 량 모델의 형상은 Fig. 2와 같다 (NCAC, 2012). SB3-B등급의 탑승자 안전지수를 평가하기 위해 사용 되는 소형차의 질량은 1300kg으로 규정되어 있으며 본 연구에서는 NCAC에서 제공하는 유한요소 차량모 델 중 Dodge-Neon 모델을 사용하여 해석을 수행하였 다. Dodge-Neon 모델은 270,768개의 요소로 이루어져 있으며 대부분의 물성은 탄성계수 210GPa, 항복강도 400MPa인 강재로 되어있다. 대형차의 경우 NCAC에 서 제공하는 유한요소 챠랑인 CME-HGV Truck을 사 용하였으며 총 32,808개의 요소로 구성되어 있다. 차 량 대부분의 물성치는 탄성계수 207GPa, 항복강도 610MPa로 이루어져 있다. 대형차의 경우 “차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람”의 가드레일의 강도 성능평가를 위한 시험방법을 참고하여 NCAC에서 기 본 제공된 대형차량의 중량을 8.0ton으로 수정하여 해 석을 수행하였다(Ministry of land transport and maritime affairs, 2012).

    3.3 탑승자 보호성능 평가

    강재 YS245와 YS275를 적용하여 SB3-B등급 가드레 일의 탑승자 보호성능 비교 평가를 위하여 Fig. 3과 같이 비선형 동적 시뮬레이션을 진행하였으며 Table 5 는 시험조건과 결과를 보여준다. 소형차 충돌은 시속 120km이고 충돌각도는 15°이다. Table 5에서 보는 바 와 같이 두 강재 모두 Table 3에서 제시한 THIV 기 준을 통과되는 것으로 분석되었다. 반면, YS245 강재 의 경우 PHD는 기준 항목을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 또한, Figs. 45에서 보는 바와 같이 YS245강재의 경우 차량의 충돌 후 YS275의 강재보다 비교적 상대속도가 낮게 예측되어 THIV의 수치가 다 소 낮게 나왔으나, 가속도의 경우는 보다 높게 예측되 어 PHD가 높게 나타났다. PHD의 경우 YS275 강재가 YS245 강재보다 약 25%의 감소효과를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 12%의 항복강도 상향으로 약 2배 이상의 PHD 감소효과를 보인 점에서 주목할 만하다.

    Fig. 6은 소형차 충돌 순간의 차량 거동을 상세 비 교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 두 강재에 대 하여 차량이 충돌 후 전복되거나 가드레일을 넘어가 지 않고 충분히 선회하는 결과가 나타났다. 그러나 차 량의 손상은 YS245 강재를 적용한 경우가 다소 크게 나타났다.

    3.4 강도성능평가 결과

    YS245와 YS275를 적용한 SB3-B등급 가드레일의 강 도성능을 평가하기 위하여 중량 8.0ton의 트럭모델을 적용하였으며 시속 85km/h, 충돌각도 15°의 조건으로 해석을 진행하였다. 대형차에 대한 강도성능평가를 위 한 국내기준은 충돌 후 가드레일의 과다한 변형이 발 생하였을 때 차량이 차로를 이탈하여 보도로 침범하 거나 교량 밖으로 떨어질 우려가 있기 때문에 최대 충돌변형거리가 지주를 흙속에 매입할 경우 1.0m이하, 콘크리트 기초에 설치할 경우 0.3m이하가 되도록 규 정되어 있다. 본 해석에서는 지반을 흙으로 모델링하 였기 때문에 충돌 후 가드레일의 최대 충돌변형거리 를 측정하여 1.0m이내에 들어오는 것을 만족하는 것 으로 평가한다. 또한, 차량이 가드레일을 뚫고 넘어가 지 않고 차로로 선회하는 거동을 보이면 강도성능을 만족하는 판단한다. Fig. 7은 YS245 및 YS275 강재로 이루어진 가드레일에 대하여 각 시간대별 차량의 충 돌 거동을 나타낸 것이다. 전체적인 거동은 유사하며 안정적인 것으로 분석되었다.

    Fig. 8은 시간변화에 따른 가드레일 지주의 동적 변위를 비교하여 도시한 것이다. YS245강재를 적용한 가드레일의 경우 0.716m의 최대 변형거리가 나타났으 며 YS275의 경우 0.633m 최대 변형거리가 발생하였 다. YS245강재를 적용한 가드레일이 YS275보다 최대 변형거리가 높게 측정되었으나 강도성능 평가 기준은 만족하는 것으로 나타났다. 해석결과 YS275를 사용한 경우, 최대 변형거리는 약 13.1% 감소하는 효과가 있 음이 분석된다. 또한, Fig. 9에서 보는 바와 같이 두 강재를 적용한 경우에 대한 최대 충돌 거동은 모두 차량의 충돌 후 가드레일을 돌파하여 넘어가거나 차 로를 이탈하지 않고 선회하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, YS245를 적용한 경우 지주가 수평방향으로 좀 더 꺾이는 거동을 보였다.

    4. 요약 및 결론

    본 연구에서는 KS 강종 규격 YS245(SS400)에서 YS275(SS275)로 개정됨에 따라 고속구간에 설치하는 SB3-B등급에 대하여 탑승자보호성능 평가 및 강도성 능 평가를 위한 충돌시뮬레이션을 수행하였다. 본 연 구결과를 요약하면 다음과 같다.

    • (1) 소형차 충돌에 의한 탑승자 보호성능 평가에 서 기존 YS245(SS400) 및 상향된 YS275(SS275)를 적 용한 가드레일 모두 THIV 기준을 만족하였으나, YS245 강재의 경우 PHD는 초과하였다. 특히, PHD의 경우 YS275 강재가 YS245 강재보다 약 25%의 감소 효과를 보였으며, 이는 12%의 항복강도 상향으로 약 2배 이상의 PHD 감소효과로 YS275 강재의 우수한 장점으로 주목할 수 있다.

    • (2) 두 강재는 소형 차량이 충돌 후 전복되거나 가드레일을 넘어가지 않고 충분히 선회하는 결과가 나타났다. 그러나 차량의 손상은 YS245 강재를 적용 한 경우가 다소 크게 나타났음에 유의해야 한다.

    • (3) 대형차의 강도성능평가 결과, YS245강재를 적 용한 가드레일이 YS275보다 최대 변형거리가 높게 측정되었으나 강도성능 평가 기준은 만족하는 것으로 나타났다. YS275를 사용한 경우, 최대 변형거리는 약 13.1% 감소하는 효과를 나타냈다.

    • (4) 두 강재를 적용한 경우에 대한 최대 충돌 거 동은 모두 차량의 충돌 후 가드레일을 돌파하여 넘어 가거나 차로를 이탈하지 않고 안정적으로 선회한다. 그러나, YS245을 적용한 경우 지주가 수평방향으로 좀 더 꺾이는 거동을 보임에 유의해야 한다.

    결론적으로 YS275 강종은 기존강재에 비하여 전 반적으로 우수한 충돌 성능을 보였으며, 특히 PHD의 개선효과가 상대적으로 더욱 우수함을 알 수 있었다. 본 연구에서 적용한 솔리드 지반-구조물 상호작용 모 델은 지진해석으로 적용할 수 있다. 다만, 향후 충돌 해석 해석평가 시에 Material hardening에 대한 비교 등의 추가적 연구가 필요하다.

    후 기

    본 연구는 (주)포스코의 지원과 한국연구재단 기초연 구사업(No.2018R1D1A1B07050080)의 지원을 받아 수 행된 연구임.

    Figure

    KOSACS-9-28_F1.gif
    FE Model of SB3-B Grade Roadside Barrier
    KOSACS-9-28_F2.gif
    Vehicle Finite Element Model
    KOSACS-9-28_F3.gif
    Sequential Simulation Results for a Passenger Car
    KOSACS-9-28_F4.gif
    Resultant Velocity for THIV Calculations
    KOSACS-9-28_F5.gif
    Resultant Acceleration for 10ms Average x-y Accelerations Calculation
    KOSACS-9-28_F6.gif
    Sequential Simulation Result for Passenger Cars for Different Steel Types
    KOSACS-9-28_F7.gif
    Sequential Simulation Result for Trucks
    KOSACS-9-28_F8.gif
    Induced Dynamic Displacements for Different Steel Types
    KOSACS-9-28_F9.gif
    Sequential Simulation Result for Trucks for Different Steel Types

    Table

    Chemical Composition of Steel Types SS400 and SS275 in the KS D 3503
    Mechanical Properties of Steels in KS D 3503
    Occupant Protection Performance Evaluation Criteria
    Material Properties of YS245 and YS275 in LSDYNA
    Crash Simulation Condition and Results

    Reference

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