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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.4 pp.72-79
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.072

Nonlinear Dynamic Performance and Safety Assessment of Guardrail Structrues for Roadside Considering a Simplified Tangent Modulus

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

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


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: 82-054-820-6255, E-mail: lsy@anu.ac.kr
October 27, 2018 November 4, 2018 November 4, 2018

Abstract


A finite element crash analysis was carried out to assess impact performances of a guard-rail system for roadside using simplified tangent modulus curves. Strain rate effects based on the Cowper-Symond model were considered to improve the accuracy of our simulations. Subsequent simulation results show a significance of the improved model considering tangent modulus effects. The numerical results for various parameters are verified by comparing different model with dynamic responses and passenger safety indexes determined in the barrier from the crash simulation.



간편화된 소성접선계수를 고려한 노측용 가드레일 구조의 비선형 동적 성능 및 안전성 평가

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

초록


본 연구는 간편화된 소성 접선 곡선을 적용하여 노측용 가드레일 시스템의 충격 성능을 평가하기 위한 유한요소 충 돌해석을 수행하였다. 충돌해석은 Cowper-Symond 모델을 적용하여 변형률 속도 영향에 대한 결과의 정확성을 향상시켰다. 수치 해석 결과는 소성 접선 곡선을 고려한 향상된 모델의 중요성을 보여준다. 다양한 매개변수에 대한 해석 결과는 서로 다른 모델 에 대하여 동적 응답 및 탑승자 안전지수를 중심으로 비교 검증하여 도출하였다.



    1. 서 론

    도로시설물 중 강재로 구성된 대표적인 구조시설물 인 가드레일은 차량이 저속 및 고속으로 충돌할 경 우 발생하는 에너지를 분산시키거나 변형에 의해 소 산시키는 기능을 수행한다. 또한 차량이 주행 중 부 주의 등으로 차로 이탈 등을 방지하거나 차량 탑승 자 및 보행자 또는 도로변의 주요시설을 안전하게 보호하기 위한 도로시설물이다. 국토교통부에서 제 시한 9개 등급별 충돌시험조건을 이용해 소형차 및 대형차 충돌에 대해 탑승자에 대한 보호성능과 가드 레일에 대한 강도성능을 검증하여 충돌안전성을 검 증받고 사용하도록 되어있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015). 그러나 충돌안전성 을 평가하기 위해 실차 충돌실험을 실시하기에는 많 은 비용 및 제약조건이 따르므로 사전 변수 시뮬레 이션을 통해 충돌안전성을 예측하는 과정이 필요하 다. 가드레일에 관련된 시뮬레이션 연구는 다양한 연구자들을 통하여 수행되었다. 예를 들면, Min 등 은 방호울타리에 대한 구조성능 해석을 위하여 차량 의 이탈 각도 및 이탈속도를 각 시간별 변형양상과 주요 부재의 흡수에너지를 산출하여 평가하였다(Min et al., 2011). Lee 등은 고속도로에 주로 적용하는 SB5등급 강재 방호울타리와 SB6등급 콘크리트 방호 울타리에 대한 충돌해석을 실시하여 차량이 전도 또 는 추락할 것으로 예상되는 정량적인 파괴 및 차량 전도 조건을 산전하기 위한 평가를 수행하였다(Lee et al., 2012). 또한, Lee 등은 기존의 일반적인 가드 레일을 개선한 충격흡수 세이프티롤러 가드레일을 설계하여 LS-DYNA 시뮬레이션을 수행하여 탑승자 위혐도 평가를 실시하였다(Lee et al., 2013). Joo등은 LS-DYNA를 이용한 충돌시뮬레이션과 실물차량 충 돌시험을 통해 철재 노측용 가드레일 보강방안을 개 발하는 연구를 수행하였다(Joo et al., 2013). 그러나, 전술한 연구들은 Copwer-Symonds 재료상수인 C, p 값을 입력하는 방법으로 변형률 속도 효과를 고려하 였으며, 탄성영역 이후의 응력-변형률 곡선을 구체적 으로 고려하지 않았다. Kwon 등은 차량속도, 각도 및 중량 변화에 따른 탑승자 안전평가를 실시하였으 며 가드레일 강재의 물성 적용 시 재료적 비선형 문 제를 소성접선계수로서 고려하였다(Kwon et al., 2016). 그러나, 이 연구는 승용차의 탑승자 안전지수 에 대한 국내기준인 THIV(Theoretical Head Impact Velocity)와 PHD(Post -impact Head Dceleration)에 초 점을 두고 있다. 2009년 개정된 유럽기준(EN1317)부 터 PHD가 제외되었으며 ASI(Acceleration Severity Index) 지수로 평가하도록 개정되었다(Noh and Lee., 2017). 또한, 이 연구는 대형차에 의한 가드레일 시 스템의 충돌 구조적 성능에 대한 상세 해석은 수행 되지 않았다.

    따라서, 본 연구에서는 고속도로용 SB3-B등급의 가드레일 시스템에 대하여 Cowper-Symonds 모델에 기반한 간편화된 소성접선계수를 적용하여 소형차 및 트럭에 대한 충돌시뮬레이션을 실시하여 적용 여 부에 따른 가드레일의 탑승자 보호성능평가 항목인 THIV와 PHD를 비롯하여 ASI를 추가적으로 산정하 고, 가드레일 시스템의 구조 강도성능평가를 수행하 였다. 또한, 본 연구의 특징은 개정된 KS D 3503(일 반구조용 압연강재)의 강종 SS275를 적용하였다는 것이다. 최신 개정된 강종을 가드레일에 적용하여 다양한 변수 충돌해석을 수행하였으며, 실제 거동과 유사하도록 지반은 3차원 Soild 요소로 모델링하여 동적 지진해석 등에 적용할 수 있는 지반-구조물 상 호작용 효과를 고려하였다.

    2. 기본 이론

    2.1 Cowper-symonds 구성방정식

    차량 충돌과 같은 중⋅저속 동적하중을 받는 구조물 에 대한 수치해석에서 사용하는 강재에 대한 소성데 이터는 실험에서 얻어지는 공칭응력과 공칭변형률을 사용하지 않는다. 이는 실험시 강재의 단면적 변화 를 고려하지 않았기 때문이다. 이에 따라 충돌에 의 한 강재의 단면적 변화를 고려한 진응력과 진변형률 이 사용되며 수치해석 상에서는 기하학적 비선형도 같이 고려되어야 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다. 그러나 수치해석 상에서는 변형률에 따른 응력의 변 화를 고려하기 복잡하기 때문에 일반적으로 단순화 되고 선형화된 응력-변형률 곡선을 사용한다. 강재의 경우 비선형 거동을 정확히 묘사하기 위해서 강판의 변형률 경화, 변형률 속도 경화, 열적 연화효과가 고 려되어야 한다. 시간 이력해석에 관한 수치해석에서 는 준정적해석과 동적해석으로 구분하여 진행할 수 있다. 충돌 시뮬레이션에서 준정적해석이란 충돌체 의 속도와 가속도에 따른 관성력이 고려되고 있지 않은 상태로 시간에 따라 정적해석을 진행하는 것을 말한다. 이때는 충돌체들 사이에 힘의 평형에 의한 반발력만 고려된다(Noh et al.,. 2015).

    한편, 충돌체가 강재인 경우 변형률속도에 따른 경화도가 고려되어야하는데 이는 고속 인장실험을 통하여 재료의 물성치가 얻어진다. 그러나 반복적 인 실험을 실시하여 구성방정식을 얻기 위해서는 많은 실험을 실시하여야하며 이는 많은 비용을 발 생 할 수 있고 이를 피하기 위해 정적 실험 데이터 를 이용하여 동적방정식을 유도할 수 있는 구성방 정식을 사용한다. 일반적으로 강재의 변형률 속도 를 고려할 수 있는 재료 모델로는 Johnson-Cook 모 델과 Cowper-Symonds모델이 있다(Johnson and Cook., 1955;Cowper and Symonds., 1957). Johnson-Cook 모 델의 경우 열에 따른 물성치의 변화를 고려할 수 있 고 고속충돌에서의 열에 의한 연화 등을 구성방정식 을 통하여 구현할 수 있으며 Cowper-Symonds 모델 은 열 발생으로 인한 연화를 고려할 수 없기 때문에 차량 충돌과 같은 중⋅저속 충돌해석에 적합하다. 본 논문에서 적용한 Cowper-Symonds 구성 방정식은 식(1)과 같다.

    σ d σ s = 1 + ( C ) 1 p
    (1)

    여기서 σd는 동적 항복응력, σs는 정적 항복응력, є는 소성 변형률속도이고 C, p는 Cowper-Symonds의 재료상수를 의미한다.

    2.2 변형률 속도를 고려한 강재모델

    본 연구에서는 유한요소 동적해석 전용 프로그램인 LS-DYNA을 사용하였으며, 강재의 비선형 동적해석 에 대하여 변형률 속도를 고려하였다(LSTC, 2007). Cowper-Symonds 구성방정식을 적용하기 위해 탄소 성 재료모델인 Mat-24 piecewise linear plasticity을 사 용하였다. 중⋅저속 충돌 시뮬레이션 해석 시 변형 률 속도 효과를 고려하기 위한 첫 번째 방법으로는 강재의 물성과 식 (1)의 Cowper-Symonds 재료상수인 C, p 값을 입력하고 재료의 실제 인장실험을 통하여 얻은 응력-변형률 곡선의 데이터를 입력하는 방법이 다. 두 번째 방법으로는 첫 번째 방법과 같이 각각 의 물성값을 입력하고, Fig. 1과 같이 탄성영역 이후 의 응력-변형률 곡선을 단순화하여 소성접선계수 (Tangent Modulus)를 예측한 후, 그 값을 입력하는 방법이다. 본 연구에서는 소성접선계수 예측 곡선을 고려한 두 번째 방법을 적용하여 해석을 수행하였 다. Table 1은 본 연구에서 탄소성 재료모델에 적용 한 SS275 강재의 물성 및 변형률 속도 계수, 소성접 선계수 값을 요약한 것이다. SS275강재의 물성치는 개정된 KS규격의 강종 두께 16mm 이하에 대한 항 복강도 275MPa을 기준으로 적용하였다.

    3. 수치해석 모델

    3.1 가드레일 및 지반-구조물 유한요소 모델

    본 수치해석 대상 가드레일 시스템의 상세 제원은 Fig. 2과 같다. 본 가드레일은 2단 형식의 가로보를 갖는 구조이며 가로보의 두께는 4.2 mm를 기준으로 하였다. 또한, 지주간의 간격은 2,000mm로 설정하였 으며 가로보와 지주 사이에 결합되어 충격에너지를 흡수 및 전달하는 역할을 하는 블록아웃이 적용되어 있다. 유한요소 모델링은 지주, 가로보, 블록아웃 파 트들은 모두 4절점 Shell요소로 모델링 되었으며 각 각의 파트간 연결부는 파단조건을 고려하여 Beam으 로 연결되도록 가정하였다. 수치해석 과정에서 차량 과 충돌시 가드레일의 각 파트간의 침투 간섭이 발 생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 LS-DYNA에서 제공하는 Automatic single surface라는 접촉 옵션을 사용하여 침투간섭을 줄이고 해석의 정확성을 높이 고자 하였다. 지반의 경우 Fig. 3과 같이 3차원 솔리 드 요소를 사용하여 모델링하였으며 지주가 지반에 매입되어 일체거동 효과를 적용하기 위해서 LS-DYNA에서 제공하는 Tied surface to surface 옵션 을 적용하여 접촉조건을 정의하였다. 이러한 지반-구 조물 모델링은 지진 동적해석에 적용할 수 있다. 지 반의 물성을 적용하기 위해 Mat-05 soil and foam 재 료모델을 사용하였다. Table 2는 지반재료 모델의 물 성치를 나타내며 수평지지력 시험결과를 사용하여 지지력에 대한 적절성을 확인하였다.

    3.2 차량의 유한요소 모델

    SB3-B등급 가드레일의 충돌 안전성평가에 사용된 차량은 실차 충돌시험시 사용되는 차량과 가장 유 사한 모델을 사용하기 위해 NCAC(National crash analysis center)에서 제공하는 모델을 사용하였 (NCAC, 2012). SB3-B등급의 탑승자 보호성능평가 를 위해 사용된 소형차의 모델은 Dodge-Neon이며 중량은 1,300kg이며 차량을 구성하고있는 대부분의 물성값은 탄성계수 210GPa, 항복강도 400MPa인 강 재로 되어있다. 또한, 가드레일의 구조적 성능평가 를 위해 사용된 대형차(트럭)의 모델은 CME-HGV 이며 중량은 8,000kg며 대부분의 물성값이 탄성계 수207GPa, 항복강도 610MPa인 강재로 구성된 모델 이다. Fig. 4

    4. 해석 결과 및 분석

    4.1 탑승자 안전지수 평가

    KS D 3503인 SS275 강재를 사용하여 소성접선계수 고려 여부에 따른 소형 및 대형차에 대한 충돌 해석 을 수행하였다. 국토교통부에서 제시하는 허용기준 의 경우 THIV는 33km/h, PHD는 20g이다. 또한, 현 재 유럽기준으로 ASI를 계산하여 사용하고 있기 때 문에 계측된 가속도를 이용하여 이를 계산하여 기록 하면 외국과 실험결과를 공유하기 편리하기 때문에 평가에 관계없이 기록하도록 되어있다. Table 2는 국 토교통부에서 제시하는 SB3-B등급의 소형차 충돌 시뮬레이션을 위한 해석조건을 보여준다. Case I은 소성접선계수를 고려하였으며, Case II는 고려하지 않았다. Fig. 5는 0.05sec 간격으로 소형차 충돌에 대 하여 Case I과 Case II의 동적 거동을 비교한 것이 며, 해석 결과 Case II에 대한 가드레일의 변형이 Case I보다 다소 크게 나타났다. 이는 소성접선계수 를 고려하지 않음으로 소성영역에서의 비선형 동적 거동의 부정확성으로 인한 것으로 판단된다. 이러한 경향은 Fig. 6의 상세거동 비교에서 더욱 자세히 나 타난다.

    Figs. 78는 시간변화에 따른 상대속도 및 가속 도의 변화를 나타낸 것이다. Fig. 7로부터 소성접선 계수가 고려된 Case I의 경우가 상대속도가 높음을 관찰할 수 있다. 이러한 결과는 소형차 충돌 시 변 형률 속도에 의한 소성경화 현상이 Case II 보다 더 욱 정확하게 재현되어 변위가 작게 발생한 것으로 분석된다. 또한, Fig. 8의 가속도 데이터의 경우는 Case II가 상대적으로 높은 것을 알 수 있다. Table 3로부터 소성접선계수가 고려된 경우 THIV는 30.19 km/h(0.1042s), PHD는 17.17g(0.1079∼0.1179s)의 결과 가 나와 허용기준에 만족함을 알 수 있다. 반면, 소 성접선계수가 고려되지 않은 경우 THIV는 26.81km/h (0.1053s)로 허용기준에는 만족하지만, Case I과는 약 12% 차이를 보였다. PHD의 경우는 25.16g (0.1615∼0.1715s)로 허용기준을 초과하는 결 과가 나타났다. 이러한 오차를 고려하였을 경우, 소 성접선계수는 소형차 충돌해석 시 반드시 고려해야 할 사항으로 판단된다.

    4.2 가드레일 시스템의 강도성능 평가

    본 절에서는 소성접선계수 적용 여부에 따른 가드레 일 시스템의 강도성능을 평가 비교하기 위해 대형차 충돌 시뮬레이션을 실시하였다. Table 4는 국토교통 부에서 제시하는 SB3-B등급의 대형차 충돌 조건을 보여준다. Fig. 9는 분할시간에 따른 소성접선계수를 고려한 경우(Case III)과 고려하지 않은 경우(Case IV)의 전체 거동을 비교한 것이다. 전체적인 거동에 서 두 경우 모두 차량이 차로를 이탈하지 않고 부드 럽게 선회하는 것을 알 수 있으며, 유사한 거동을 보이고 있다. 상세 거동에 대한 비교에서는 Case IV 의 경우가 좀 더 불안정한 선회 거동을 보였다. 또 한 동적 최대 변형거리의 경우, Fig. 10과 같이 차이 를 보인다. 소성접선계수를 고려한 경우 동적 최대 변형거리는 0.633m이며, 소성접선계수를 고려하지 않은 경우는 0.726m로서 두 경우 모두 허용기준인 1.0m 이내로 만족하고 있으나, 약 13%의 오차를 보 이고 있다. 이러한 오차는 차량 충돌 속도 및 각도, 가드레일의 기하학적 물성, 그리고 재료물성에 따라 더욱 증가할 수 있다. 따라서, 대형차 충돌에 대한 가드레일의 강도성능 평가에 있어서도 소성접선계수 의 고려가 필요할 것으로 판단된다.

    4.3 매개변수에 의한 THIV 영향분석

    소성접선계수를 적용한 가드레일 시스템에 대하여 차량의 충돌조건 및 가드레일의 성능과 같은 매개변 수에 따라 THIV와의 연관성을 규명하기 위해 소형 차 시뮬레이션을 수행하였다. 매개변수와 THIV의 연관성을 조사하기 위해 상관계수를 통하여 비교하 였으며, 차량의 충돌속도 및 각도의 상관계수가 0.49, 0.63로 계산되어 연관성이 가장 큰 것으로 나 타났다. 또한, Fig. 11과 같이 차량의 충돌 속도 및 각도가 증가함에 따라 THIV가 증가하는 경향을 보 였다.

    5. 요약 및 결론

    본 연구에서는 개정된 KS 강종 SS275를 적용하여 가드레일 시스템의 유한요소 비선형 동적해석을 수 행하였다. 본 연구의 특징은 변형률 속도를 고려하 기 위하여 Cowper-Symonds 구성방정식을 적용하는 방법으로 소성접선계수의 적용 여부에 따른 탑승자 보호성능 평가 및 강도성능 평가를 비교 분석한 것 이다. 또한, Solid 요소를 적용한 지반-구조물 상호작 용 모델을 구현하여 지진 스펙트럼 해석에 적용할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 도출한 수치해석 결 과를 요약하면 다음과 같다.

    • (1) 소형차 충돌에 대하여 소성접선계수를 고려 하지 않은 경우가 고려한 경우보다 가드레일의 변형 이 다소 크게 나타났다. 이는 소성접선계수를 고려 하지 않음으로 충돌시 소성영역에서의 비선형 동적 거동의 부정확성으로 인한 것으로 판단된다.

    • (2) 소성접선계수가 고려된 경우, 산출된 THIV 및 PHD는 허용기준에 만족하였다. 반면, 소성접선계 수가 고려되지 않은 경우, THIV는 허용기준에는 만 족하지만, 소성계수가 고려된 경우와는 약 12% 차이 를 보였다. PHD의 경우도 허용기준을 초과하였다. 이러한 오차를 고려하였을 경우, 소성접선계수는 소 형차 충돌해석 시 반드시 고려해야 할 사항으로 판 단된다.

    • (3) 대형차 충돌 결과, 전체적인 거동에서는 두 경우 모두 차량이 가드레일을 돌파하여 차로를 이탈 하지 않고 부드럽게 선회하였다. 그러나, 상세 거동 에 대한 비교에서는 소성계수를 고려하지 않은 경우 가 좀 더 불안정한 선회 거동을 보이는 차이가 발생 하였다.

    • (4) 동적 최대 변형거리의 경우, 두 경우 모두 허 용기준이내로 만족하고 있으나, 약 13%의 오차를 보 였다. 이러한 오차는 차량 충돌 속도 및 각도, 가드 레일의 기하학적 물성, 그리고 재료물성에 따라 더 욱 증가할 수 있다. 따라서, 대형차 충돌에 대한 가 드레일의 강도성능 평가에 있어서도 소성접선계수의 고려가 필요할 것으로 판단된다.

    결론적으로 차량의 가드레일 충돌 시 탑승자 안 전 및 가드레일 구조성능 평가에서 소성접선계수를 무시하면 안되며, 정확한 결과를 위하여 고려해야 할 주요인자이다. 향후, 실차 충돌시험과의 비교 검 증이 필요하며, SB5 등급에 대한 비교 연구도 수행 되어야 할 것이다.

    후 기

    본 논문은 행정안전부 장관의 방재안전분야 전문인 력양성 사업으로 지원되었습니다.

    Figure

    KOSACS-9-72_F1.gif
    Simplified Hardening Curve of Strain-Rate Effects for Different Steel Types
    KOSACS-9-72_F2.gif
    Detailed Geometry of Guardrail System
    KOSACS-9-72_F3.gif
    3D-Solid Foundation Model for a Soil-Structure Interaction
    KOSACS-9-72_F4.gif
    Comparison of Behaviors for Different Time Steps (Small Car)
    KOSACS-9-72_F5.gif
    Comparison of Behaviors in Detail (Small Car) for different Cases
    KOSACS-9-72_F6.gif
    Comparison of Resultant Velocities for Different Cases
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    Resultant Acceleration for 10ms Average x-y Accelerations Calculation
    KOSACS-9-72_F8.gif
    Comparison of Behaviors for Different Time Steps (Truck)
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    Induced Dynamic Displacements at Guardrails for Different Cases
    KOSACS-9-72_F10.gif
    Induced THIV Distributions for Various Parameters

    Table

    Material and Physical Properties of Roadside Barriers
    Physical Properties of Soil Model
    Crash Simulation Condition for a Small Car
    Comparison of Induced THIV, PHD, and ASI for Different Cases
    Crash Simulation Condition for Guardrail Strength Safety Evaluation

    Reference

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