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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.1 pp.42-49
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.1.042

Interactions on Passenger Protection Performances Considering Uncertainties of Car Crash and Guard Rail Structures

Lee Sang-Youl1, Kyo-Rok Lee2
1Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
2Master Student, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
·

본 논문에 대한 토의를 2019년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Lee, Sang-Youl Department of Civil Engineering, Andong National University, 1375 Gyeongdong-ro, Andong, Gyoungsangbuk-do, 760-749, Korea. Tel: +82-54-820-5847, Fax: +82-54-820-6255, E-mail: lsy@anu.ac.kr
February 1, 2019 February 10, 2019 February 13, 2019

Abstract


A car crash analysis was performed to predict passenger protection performances of a guard rail structure considering uncertainties of car crash and guard rail structures. Probabilistic parameters based on the Lain Hypercube Sampling method were generated to consider real car crash situations. Parametric examples represented a significance of the interactions between passenger protection performances and the probabilistic parameters. The results of this study may serve as a benchmark for future guidelines in designing guard rail structures for the passenger safety against the car crash.



차량 충돌 및 방호울타리 구조의 불확실성을 고려한 탑승자 보호성능 상호영향 해석

이 상열1, 이 교록2
1안동대학교 토목공학과 부교수
2안동대학교 토목공학과 석사과정

초록


본 연구는 차량 충돌 및 방호울타리 구조의 불확실성을 고려하여 탑승자의 보호성능과의 상호관계 분석을 수행하였 다. 라틴 하이퍼큐브 샘플링 기법을 기반으로 실제 충돌 상황을 고려할 수 있는 확률적 변수를 결정하였다. 매개변수 예제는 탑 승자 보호 성능과 확률적 매개변수와의 상관관계의 중요성을 나타내었다. 본 연구 결과는 차량충돌로 인한 탑승자 보호를 고려 한 방호울타리의 설계에 대한 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.



    1. 서 론

    차량방호 안전시설은 도로와 교량 등 설치 위치와 목적에 따라 분류할 수 있으며, 그 역할은 차량이 저속 및 고속으로 충돌할 경우 발생하는 에너지를 분산시키거나 변형에 의해 소산시키는 기능을 수행 한다. 또한, 차량 주행 중 부주의 등으로 차로를 이 탈하는 것을 방지하며 차량 탑승자 및 보행자 또는 도로변의 주요시설을 안전하게 보호하는 역할을 수 행한다. 이러한 역할을 수행하는 방호울타리를 설치 하기 위해서는 국내 지침에 따라 각 등급에 해당하 는 실물충돌시험을 수행하여 탑승자 보호성능, 충돌 후 차량의 거동 및 안전시설의 거동 등을 분석하여 성능을 평가하고 충돌안전성을 검증받고 사용하도록 되어있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015). 그러나 차량탑승자의 안전성을 만족하는 방호 울타리를 개발하고 실물충돌시험을 실시하기에는 많 은 비용 및 제약조건이 발생하게 되므로 3차원 유한 요소해석을 통하여 방호울타리의 안전성 평가가 선 행되는 것이 바람직 할 것이다.

    방호울타리에 차량이 충돌하는 경우 차량의 전복 및 이탈을 방지하고 탑승자의 안전성을 높이고자 컴 퓨터 시뮬레이션을 통한 많은 연구가 수행되고 있 다. Lee 등은 기존의 일반적인 가드레일을 개선한 충격흡수 파이프를 적용한 시스템에 대한 소형차 충 돌해석을 수행하였으며 탑승자 위험도 평가를 실시 하였다(Lee et al., 2013). 또한, Lee 등은 3차원 지반 모델을 기반으로 하여 다양한 지주 형상에 따라 탑 승자 보호성능평가를 수행하였다(Lee et al., 2014). 그러나, 이 연구는 지주 형상에 따라 국내기준인 THIV(Theoretical Head Impact Velocity)관한 비교 분 석만 수행되었다. 방호울타리의 탑승자 보호성능 평 가 항목으로는 2009년 개정된 유럽기준(EN1317)으로 부터 THIV와 함께 ASI(Acceleration Severity Index) 지수로 평가하도록 되어있으며, 국내의 경우 THIV, PHD(Post-impact Head Deceleration)를 평가 항목으로 규정되어있다(Noh and Lee., 2017). 또한 국내의 경우 유럽연합의 기준으로 ASI를 계산하고 사용하고 있으 므로 평가에 관계없이 기록하도록 되어있다. 한편, Kwon 등은 차량속도, 각도 및 중량 변화에 따른 탑 승자 안전성 평가를 실시하였다(Kwon et al., 2016). 그러나 이 연구는 각 변수에 대한 연관성 해석을 수 행되지 않았다.

    방호울타리의 충돌문제에서 각 변수들과 탑승자 안전지수와의 상관관계를 직관적으로 예측하는 것은 난해하다. 따라서, 본 연구에서는 SB3-B등급 방호울 타리에 관하여 차량의 충돌조건 및 방호울타리의 성 능의 확률론적 불확실성을 적용하여 라틴 하이퍼큐 브 샘플링(Lain Hypercube Sampling: LHS) 기법을 기 반으로 탑승자 보호성능을 평가하는 THIV, PHD 및 ASI와의 연관성을 상세 분석하고자 한다. 또한, 실제 거동과 유사하도록 지반은 3차원 Soild 요소로 모델 링하여 지반-구조물 상호작용 효과를 고려하였다.

    2. 기본 이론

    본 연구에서 적용한 라틴 하이퍼큐브 샘플링은 실험 하고자 하는 변수를 결정하는데 있어 반복없이 모든 실험 영역을 고려할 수 있으며 많은 시간이 소요되 는 실험을 비교적 적게 할 수 있는 장점이 있다. LHS는 k개의 무작위 변수 X1, ⋯, Xk에서 n개의 다른 값을 선택한다. 각 변수의 범위는 동일한 확률을 기 준으로 n개의 비 중첩으로 나눌 수 있다. 따라서 밀 도함수의 각 구간에 대한 면적은 P(x)=1/n의 확률 값과 같아야 한다. 예를 들어 n = 5의 표본 크기에 대하여 확률밀도함수는 동일한 확률값인 P(x) = 0.2 의 5부분으로 나뉘며 Fig. 1과 같이 나타낼 수 있다 (Erberik and Elnashai, 2003).

    실험 영역 (0, 1)에서 n개의 서로 겹치지 않는 간 격에서 n개의 다른 값이 각 확률변수에 대해 선택된 다. 간격 당 선택된 값을 선형변환을 통하여 n간격 마다 누적확률로 변환한다. 식(1)은 무작위로 생성된 숫자에서 얻은 m번째 간격에 대한 누적 확률값을 나타낸다.

    P m = ( 1 n ) U m + ( m 1 n )
    (1)

    여기서, m은 간격에 해당하는 1과 n사이의 정수 의 수이며 Um은 0과 1사이에서 생성된 난수이다. Pm 의 하한값과 상한값은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    m 1 n < P m < m n
    (2)

    각 간격에 대해 랜덤값을 얻은 후 식(3)과 같이 역분포 함수와 사용되어 라틴 하이퍼큐브 샘플링에 사용된 특정값 Xk,m을 생성한다.

    X k , m = F X 1 ( P m )
    (3)

    여기서, Xk,mk번째 확률변수에 대해 생성된 m번째 값, F X 1 은 특정 확률변수의 역 누적 분포함 수이다. 최종적으로 n개의 생성 된 값에 해당하는 n 개의 숫자를 무작위로 순열(Permutation)하여 각 변수 에 사용하며 그룹화는 다른 임의의 순열을 연관시켜 수행한다.

    3. 수치해석 모델

    3.1 해석 모델

    해석에 적용된 SB3-B 등급의 방호울타리는 K사에서 개발하여 제공한 단면을 적용하였으며 대상의 상세 제원은 Fig. 2와 같으며 수치해석 형상 및 충돌조건 형상은 Fig. 3과 같다. 본 방호울타리는 2단 형식의 가로보를 갖는 구조이며 상단 가로보 높이는 740mm, 상단과 하단사이의 높이간격은 300mm이다. 또한, 지 주간의 간격은 2.0m이며 가로보와 지주 사이에 결합 되어 충격에너지를 흡수 및 전달하는 블록아웃으로 구성되어 있다. 지반 모델을 제외한 지주, 블록아웃, 레일, 보조지주는 4절점 Shell요소로 모델링을 수행하 였다. 방호울타리에 적용된 강재의 물성은 Table 1과 같 으며 변형률 속도를 고려하기 위하여 Cowper_Symonds 이론에 기반한 간편화된 소성접선계수를 적용하였다 (Cowper and Symonds, 1957).

    SB3-B등급 방호울타리의 탑승자 보호성능 평가 하는 시험조건은 “차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람”의 시험방법을 참조하였으며 SB3-B등급에 대한 탑승자보호성능 평가를 위한 시험조건의 차량 중량, 충돌속도, 충돌각도는 각각 1.3ton, 120km/h, 그 리고 20°이다. 본 연구에서 충돌 시뮬레이션을 수행 하기 위하여 비선형 동적해석 전용 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다. 충돌해석을 위하여 사용된 차량모델은 NCAC(National crash analysis center)에서 제공하는 차량으로 현재 국내에서 사용되고 있는 차 량제원과 가장 유사한 모델인 Dodge_Neon을 사용하 였다. Dodge-Neon 모델은 267,786개의 Shell 요소와 2,852개의 Solid 요소 및 122개의 Beam 요소, 15개의 기타 요소로 총 270,775개의 요소로 구성되어 있으 며 대부분의 물성값은 탄성계수 210GPa, 항복강도 400MPa인 강재로 되어있다.

    지반의 경우 3차원 Solid요소로 모델링 하였으며 지반의 물성을 적용하기 위해 Mat-05 Soil and Foam 재료모델을 사용하였다. Table 2는 지반재료 모델의 물성치를 나타내며 실물충돌시험을 실시하기 전 지 반의 수평지지력을 테스트한 시험결과 데이터와 비 교하여 지지력에 대한 적절성을 확인하였다.

    4. 매개변수해석 결과 및 분석

    4.1 충돌조건과 탑승자 안전지수간의 연관성 분석

    본 절에서는 차량충돌 조건과 같은 매개변수에 따라 탑승자보호성능 평가 항목인 THIV, PHD, ASI와의 영향성을 고찰하고자 상관계수를 통하여 비교 분석하 였다. 상관계수(r)란 두 변수간의 연관성에 대한 척도 를 정량적인 수치로 나타내는 계수이며, -1 < r < 1의 범위를 가지며 각각 양과 음의 상관관계를 나타낸 다. 일반적으로 산광관계의 수치가 0에 가까운 결과 값을 나타내면 두 변수간의 상관관계는 없거나 미소 하다고 판단한다. 본 연구에서 충돌 조건에 관한 매 개변수는 차량의 충돌속도, 중량, 강도로 결정하였 다. 또한, 방호울타리 구조적 성능에 관한 매개변수 는 블록아웃 두께, 레일 두께, 강재의항복강도로 결 정하였다. 차량 충돌 시 방호울타리의 요소 중 충돌 에너지를 가장 먼저 받게 되는 레일과 이를 전달 및 흡수하는 블록아웃의 두께 및 방호울타리를 구성하 는 강재의 강도를 주요 매개변수로 결정하였다.

    Table 3은 라틴 하이퍼 큐브 샘플링을 사용하여 차량의 충돌 조건에 관한 매개변수 실험조건을 나타 내며 해석을 수행하기 위한 방법으로는 하나의 조건 에 대하여 Random 변수를 결정하고 나머지 조건에 대해서는 고정으로 두고 해석을 수행하였다. 예를 들어 충돌속도에 관한 Random 변수를 결정할 경우 차량의 중량 1100kg, 충돌 각도 20°, 블록아웃두께 3.70mm, 레일 두께 4.00mm, 강재의 항복강도 302,500 MPa로 고정하여 해석을 수행하였다. Figs. 46는 충 돌 시뮬레이션을 수행한 후 충돌조건에 관한 매개변 수에 따라 도출된 탑승자 안전지수 항목인 THIV, PHD, ASI의 분포도를 나타내며, Table 4는 충돌조건 에 관한 매개변수와 결과값 사이의 상관계수를 나타 낸 것이다.

    충돌 속도 및 충돌 각도가 증가할수록 탑승자 안 전지수 항목인 THIV, PHD, ASI값이 증가하는 것으 로 나타났으며 상관계수의 값이 1에 가까운 값을 나 타내어 높은 상관관계를 가지는 것으로 도출되었다. 이는 충돌속도 및 각도가 증가할수록 충돌에너지가 증가하므로 탑승자에게 높은 충격도를 전달하게 되 어 탑승자 안전지수 항목이 증가하는 경향을 보이는 것으로 판단된다. 또한, 충돌속도가 약 10km/h 증가 할 경우 THIV는 약 10%의 증가율을 나타내었으며 충돌각도의 경우 약 5°씩 증가하는 경우 30%의 증 가율을 나타내었다. 허용기준의 경우 충돌속도가 약 115km/h, 충돌각도는 26°를 넘어가는 경우 THIV, PHD의 허용기준을 만족하지 못하여 탑승자의 안전 성이 감소하는 것으로 도출되었다.

    한편, 차량의 중량이 증가하는 경우 탑승자 안전 지수가 감소하는 경향이 나타났으며 PHD의 경우 상 대적으로 낮은 경향이 도출되었다. 이는 차량의 중 량이 증가할수록 충돌 시 탑승자의 안전성이 증가하 여 탑승자 안전지수가 감소하는 것으로 판단된다. 또한, 결과값의 분포도에서 THIV, ASI에 비해 PHD 의 값은 상대적으로 일정한 경향을 나타내지 않고 있으며 이는 충돌 후 차량의 거동이 충분히 선회를 하지 못하고 지주 및 블록아웃 등과 같은 부재와 부 딪혀 발생하는 스내깅(Snagging)현상으로 인해 분포 도가 일정하지 않은 것으로 판단된다. Fig. 6

    4.2 방호울타리성능과 안전지수간의 연관성 분석

    Table 5는 라틴 하이퍼 큐브 샘플링을 사용하여 방 호울타리 성능에 과한 매개변수 실험조건을 나타낸 다. 또한, Figs. 79은 충돌 시뮬레이션을 수행한 후 방호울타리 성능에 관한 매개변수에 따라 도출된 탑 승자 안전지수 항목인 THIV, PHD, ASI의 분포도를 나타낸 것이다. 또한, Table 6은 방호울타리 성능에 관한 매개변수와 결과값 사이의 상관계수를 나타낸 것이다. 블록아웃의 경우 두께가 증가 할수록 THIV, ASI는 감소하는 것으로 나타났으나 탑승자 안전지수 의 수치가 큰 폭으로 감소하지 않는 것으로 나타났 다. 이러한 결과로부터 블록아웃의 두께가 증가 할 수록 충돌에너지를 흡수하거나 전달하는 성능이 향 상되어 THIV 및 ASI를 감소시키는 데 미소한 영향 을 미치는 것으로 판단된다. 또한, PHD는 상대적으 로 큰 연관성이 없는 것으로 분석되었다. 한편, 레일 두께가 증가할수록 ASI값이 증가하는 경향이 나타났 으며 THIV는 상대적으로 낮은 상관계수를 보였다. 이는 레일의 두께가 증가할수록 충격에너지를 충분 히 상쇄 및 흡수하지 못하고 탑승자의 위험도를 증 가시키기 때문이다. 또한, 강재의 항복강도가 증가하 면서 PHD는 감소하는 경향이 나타났으며 이는 미소 한 연관성을 보였다. 이러한 결과로부터 강도가 증 가할수록 동적경화 현상이 좋아지면서 파단의 여유 가 증가하여 PHD의 감소에 영향을 미친 것으로 분 석된다. 그러나 블록아웃 및 레일의 두께, 강재의 항 복강도에 나타난 PHD의 분포도가 THIV, ASI의 분 포도와 달리 넓게 분포되어있는 것으로 나타났으며 이는 차량의 충돌 후 거동에서 스내깅(Snagging)이 발생하여 분포도가 넓은 것으로 판단된다. Fig. 8

    5. 요약 및 결론

    본 연구에서는 SB3-B등급 방호울타리에 강종 SS275 를 적용하여 가드레일 시스템의 유한요소 비선형 동 적해석을 수행하였다. 본 연구의 특징은 차량의 충 돌조건 및 방호울타리의 성능에 관한 매개변수를 결 정하여 탑승자 안전지수인 THIV, PHD, ASI와의 연 관성을 비교 분석한 것이다. 본 연구결과를 요약하 면 다음과 같다.

    • (1) 소형차의 충돌조건에 관한 매개변수를 설정 하여 탑승자 안전지수인 THIV, PHD, ASI와의 상관 관계를 분석한 결과로부터 충돌 속도 및 각도가 증 가하게 되면 탑승자 안전지수 또한 증가하는 경향이 나타났으며 이는 충돌 속도 및 각도가 증가할수록 충돌에너지가 증가하여 탑승자에게 전달되는 충격도 가 높게 발생되는 것으로 판단된다.

    • (2) 충돌속도 115km/h, 충돌각도 26°를 넘어가게 되면 THIV, PHD 허용기준을 초과하는 것으로 나타 났다. 한편, 차량의 중량이 증가하는 경우 탑승자 안 전지수는 감소하는 경향이 나타났으며 이는 차량의 중량이 증가함에 따라 탑승자의 안전성이 증가되는 것으로 판단된다.

    • (3) 방호울타리의 성능에 관한 매개변수 해석 결 과 블록아웃의 두께가 증가할수록 탑승자 안전지수 는 감소하는 경향이 나타났으며 이는 블록아웃의 두 께가 증가할수록 충돌에너지를 분산하거나 전달하는 성능이 향상되어 미소하게 감소하는 경향이 나타는 것으로 판단된다.

    • (4) 레일의 두께 및 강재의 항복강도의 증가함에 따라 탑승자안전지수의 값은 매우 미소하게 증가 및 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 매개변수 해석결과 THIV, ASI에 비해 PHD의 경우 결과값의 분포도가 넓으며 이는 차량의 충돌 후 거동에서 스내깅 (Snagging)이 발생하여 PHD의 값의 분포도가 상대적 으로 넓은 것으로 판단된다.

    결론적으로 차량의 충돌조건인 충돌속도, 각도, 중량이 탑승자 안전지수에 가장 큰 영향을 미치며 방호울타리의 성능은 상대적으로 낮은 영향을 나타 내었다. 그러나 향후 방호울타리의 지주 제원 등 추 가적인 변수에 관한 상세 영향성 분석이 필요하다.

    Figure

    KOSACS-10-1-42_F1.gif
    Density Function Divided into Five Intervals of Equal Probability
    KOSACS-10-1-42_F2.gif
    Detailed Geometry of Guardrail System
    KOSACS-10-1-42_F3.gif
    FE Model of SB3-B Grade Roadside Barrier and Crash Condition
    KOSACS-10-1-42_F4.gif
    Induced THIV Distributions for Collision Condition Parameters
    KOSACS-10-1-42_F5.gif
    Iduced PHD Distributions for Collision Condition Parameters
    KOSACS-10-1-42_F6.gif
    Iduced ASI Distributions for Collision Condition Parameters
    KOSACS-10-1-42_F7.gif
    Induced THIV Distributions for Guardrail System Parameters
    KOSACS-10-1-42_F8.gif
    Induced PHD Distributions for Guardrail System Parameters
    KOSACS-10-1-42_F9.gif
    Induced ASI Distributions for Guardrail System Parameters

    Table

    Material Properties of SS275 in LS-DYNA
    Physical Properties of Soil Model
    Probabilistic Models for Crash Condition
    Correlation Coefficient between Parameters for Different Occupant Safety Index
    Probabilistic Models for Guardrail System
    Correlation Coefficient Between Guardrail System Parameters for Different Occupant Safety Index

    Reference

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