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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.4 pp.23-33
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.4.023

Vehicle Collision Safety Review of Filter Mounted Structure for Fine Dust Reduction

Sangwon Ji1, Kinam Hong2, Hyeokjung Kim3, Yuseung Choi4
1Master’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Chair Professor, Industry Academic Cooperation Foundation Center, National University, Gyeonggi-Do, Korea
4President, Yoonsung Development Company CO., LTD, Daegu, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Hong, Kinam Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 1, Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju-si, Korea. Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-261-2268 E-mail: hong@cbnu.ac.kr
June 10, 2020 July 3, 2020 July 28, 2020

Abstract


This paper reports on the performance evaluation process and results for road structures designed to reduce fine dust at bus stops. First, collision analysis for the target structure was performed using LS-DYNA, a finite element analysis program. Structural analysis was performed under various conditions considering the vehicle speed and the collision location as analysis variables. The performance of the target structure and safety performance of the vehicle after the collision were evaluated using structural results. From the results of the analysis, it was confirmed by the amount of damage to the concrete that the structural performance of the structure and the safety performance of the vehicle after the collision deteriorated as the collision speed increased and the collision location approached the front of structure. In addition, through the analysis of the behavior of the vehicle after the collision, it was predicted that if a continuous curb was installed in the facility, it would be expected to secure safety by preventing the vehicle from leaving the driving road. Finally, it was confirmed that the target structure secured sufficient safety performance up to 40 km/h, which is larger than the target collision speed of 25km/h considered in the design.



미세먼지 저감용 필터설치 구조물의 차량충돌 안전성 검토

지 상원1, 홍 기남2, 김 혁중3, 최 유승4
1충북대학교 토목공학과 석사과정
2충북대학교 토목공학부 교수
3한경대학교 석좌교수
4윤성개발(주) 대표이사

초록


본 논문은 버스정류장 미세먼지 저감을 위해 설계된 도로시설물의 성능평가 과정 및 결과를 보고한다. 먼저, 유한요 소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 대상 구조물에 대한 충돌해석이 수행되었다. 해석변수로 차량의 속도와 충돌 위치를 고려한 다양한 조건에서의 구조해석이 진행되었다. 대상 시설물의 성능은 이 결과를 이용하여 구조적 성능과 충돌 후 차량의 안전성능이 평가되었다. 해석결과로부터 충돌속도가 증가하고 충돌위치가 전면으로 갈수록 시설물의 구조성능과 차량의 충돌 후 안전성능이 저하되는 것이 콘크리트의 손상량을 통해 확인되었다. 더불어 충돌 후 차량의 거동에 대한 분석을 통해 시설물 에 연속되는 연석이 설치되면 차량의 이탈을 방지해 안전성능을 확보하는 것으로 예측되었다. 최종적으로, 대상 시설물은 설계 시 고려된 목표 충돌속도 25km/h보다 더 큰 40km/h까지 충분한 안전성능을 확보하고 있다는 것이 확인되었다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19POQW-B152342-01

    1. 서 론

    도시 내 발생하는 여러 환경문제 중 미세먼지의 증 가에 따른 대기오염이 심각한 문제로 대두되고 있 다. 특히 대기 중의 미세먼지(PM10) 및 초미세먼지 (PM2.5) 농도의 상승은 질병 및 사망률 증가와 큰 상 관성이 있는 것으로 보고된 바 있다(Heo et al., 2013). 국내 미세먼지의 오염도는 2019년 PM10 41μg/m3 , PM2.5 24.8μg/m3으로 경제협력개발기구(OECD) 회원 국인 36개국 중 가장 나쁜 것으로 나타났다(Lee, 2017). 이를 해결하기 위해 정부는 미세먼지 저감 및 관리 를 위한 미세먼지 특별법과 미세먼지 종합대책을 마 련하는 등 여러 가지 정책을 실시하고 있다(Jo et al., 2020).

    현재 도시 내 미세먼지 저감 및 관리를 위한 다양 한 연구가 국 내⋅외에서 진행 중이다. Gorbachevskaya and Schreiter(2010)는 대기 환경 개선을 위해 식생 시 스템을 건물 지붕에 설치하여 식물이 공기정화에 미 치는 영향을 연구하였다. Franco et al. (2012)는 실내 에 설치된 벽면녹화 시스템을 이용하여 다양한 온도 및 습도환경에 따른 정화 능력을 분석하였다. Meiller et al. (2016)은 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 를 저감시키는 전기집진기의 분리효율을 분석하여 최적화 방법을 제안하였다. 또한, Kim & Park(2015) 은 전기집진기의 재비산 문제를 해결하기 위해 방전 및 정전 분무를 이용하여 집진효율 향상에 관한 연 구를 하였다. Lee & Kim(2017)은 도로환경에 적용 가능한 통기성 정전 필터를 개발하여 미세먼지의 흡 착력과 재생능력을 평가하였다. 이와 같은 미세먼지 저감을 위한 기존 연구는 대규모 발전시설 및 인구 가 밀집된 내부시설에 활용하기 위한 연구가 대부분 이며, 유동인구가 많은 도로환경에서의 미세먼지 저 감에 관한 연구는 미흡한 실정이다.

    특히 도로환경의 타이어 마모에 의한 비산먼지, 주행에 의한 재비산먼지는 도심지에서의 미세먼지 배 출에 큰 영향을 주는 것으로 보고되었다(Yoo et al., 2009). 그중 도로에 차량이 정체되는 버스정류장에서 의 미세먼지 농도는 일반도로의 미세먼지 농도보다 높은 것으로 나타났다(Beak et al., 2019). 이러한 문 제를 해결하기 위해 도로환경에 노출된 미세먼지를 효과적으로 저감할 수 있는 미세먼지 저감 장치 개 발이 필요한 실정이다. 도로환경 미세먼지 저감 장 치는 미세먼지 농도가 높은 버스정류장에 설치해야 하며, 유동인구가 많고 차량 간의 충돌사고가 빈번 히 발생하는 버스정류장에서는 안전성 검토가 필수 적으로 선행되어야 한다.

    이에 본 연구에서는 도시 내 버스정류장 미세먼 지 저감을 위해 설계된 구조물의 안전성 평가를 위 해 유한요소 해석프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 구조물과 차량의 충돌해석을 수행하였다. 또한, 해석 결과를 도로설계편람(MLIT, 2014)과 도로안전시설 설치 및 관리지침(MLIT, 2015)에 적용하여 구조물의 안전성 평가를 수행하였다.

    2. 대상 구조물

    본 연구의 연구진들은 사전 연구를 통해 미세먼지 저감을 위한 일면 필터형, 이면 필터형, 콘크리트 일 면 필터형 구조물을 설계하였다. 설계 시 NCHRP Report 86에서 제안한 Olson Model(Olson et al., 1970) 의 식 (1)∼(7)을 통해 횡 방향 충돌하중을 정적하중 으로 치환하여 구조물이 차량 충돌에 대해 안전성을 확보할 수 있도록 하였다.

    S l a t ( t 0 , t p ) = A s i n θ 0.5 B ( 1 cos θ ) + D
    (1)

    V a υ g = S l a t ( t p t 0 )
    (2)

    a υ g G l a t V 0 sin θ g ( t p t 0 )
    (3)

    a υ g G l a t V 0 2 sin 2 θ 2 g [ A sin θ 0.5 B ( 1 cos θ ) + D ]
    (4)

    max G l a t = π 2 ( a υ g G l a t )
    (5)

    a υ g F l a t = ( a υ g G l a t ) W
    (6)

    max F l a t = π 2 ( a υ g F l a t )
    (7)

    여기서 Slat, Vaυg, aυgGlat, maxGlat은 각각 시간 t0tp 사이의 횡 방향 이동거리, 횡 방향 평균속도, 평균 및 최대 감가속도를 나타낸다. 또한, 식 (6)과 (7)은 각각 평균 및 최대 충돌하중을 나타낸다.

    Table 1은 충돌하중을 정적하중으로 치환하기 위 한 차량 무게, 충돌속도, 충돌각도, 차량 앞면으로부 터 차량 중심까지의 거리(A), 차량 폭(B), 횡 방향 변위(D) 조건들과 식 (7)을 통해 계산된 횡 방향 정 적하중을 나타내었다. 설계된 필터설치형 구조물의 안전성은 충격하중과 재료의 강도에 안전계수를 도 입한 한계상태설계법을 적용하여 검토되었다.

    2.1 일면 및 이면 필터형 구조물

    Fig. 1(a), (b)는 본 연구에서 설계된 미세먼지 저감용 도로시설물로 일방향 차로에서 발생하는 미세먼지 저감을 위한 일면 필터형 구조물을 나타낸다. 일면 필터형 구조물은 기초부 상단에 두께 10mm의 강판 박스, 충돌부에 두께 9mm의 강재 프레임, 강판 박스 안에 두께 3mm의 브레싱이 설치되었으며, 철근콘크 리트 기초부와 지주로 구성되어 있다.

    Fig. 1(c)는 이면 필터형 구조물의 단면으로, 차로 중앙에 위치하여 양방향 미세먼지 저감을 위해 설계 되었다. 이면 필터형 구조물은 일면 필터형 구조물 과 같은 강판 박스, 강재 프레임, 브레싱, 철근콘크 리트 기초, 지주로 이루어져 있다. 상부 강재구조물 과 철근콘크리트 기초부의 연결을 위해 일면 및 이 면 필터형 구조물 모두 M20 볼트가 사용되었다.

    2.2 콘크리트 일면 필터형 구조물

    콘크리트 일면 필터형 구조물은 Fig. 1(d) 단면과 같 이 기초부 상단을 강재가 아닌 콘크리트를 적용하여 일체형 철근콘크리트 구조물로 설계되었다. 기초부 철근은 일면 및 이면 필터형 구조물과 같은 D13을 사용하였고 상부구조에는 D10 철근이 사용되었다. 또한, 철근의 피복두께는 D13과 D10 철근에서 각각 50mm와 20mm이다.

    3. 유한요소 충돌해석

    설계된 도로시설물과 차량의 충돌해석을 위해 유한 요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다.

    LS-DYNA는 3차원 비탄성 구조물의 동적 반응을 해석하여 다양한 종류의 동적 거동, 충돌, 폭발 등의 시뮬레이션에 특화된 유한요소해석 프로그램으로 자 동차, 조선, 항공 등의 다양한 분야에 활용되고 있다 (Kim et al., 2019).

    3.1 해석모델의 형상

    충돌 차량모델은 구조물의 설계 시 사용된 조건인 트럭을 적용하여 미국의 차량충돌 연구센터 NCAC (National Crash Analysis Center at George Washington University)에서 제공하는 8tonf 차량모델을 사용하였 다. Fig. 2와 Table 2는 해석에 사용된 차량의 모델과 차량모델의 정보를 나타낸다. 구조물설계 시 적용된 차량 중량 14tonf를 적용하기 위해 유한요소 해석프 로그램에 내재 된 ELEMENT_MASS를 사용해 차량 후면 짐칸 중량을 6tonf 증가시켰다.

    Fig. 3은 충돌해석에 사용된 미세먼지 저감용 일 면, 이면, 콘크리트 일면 필터형 구조물의 모델링 형 상을 나타낸다. 구조물 상부 강재 부분과 지주는 Shell요소를 이용하여 모델링하였고, 철근과 볼트는 Beam요소를 이용하여 모델링하였다. 콘크리트 기초 는 Solid요소를 사용하였으며, 유한요소 해석의 정확 도를 높이기 위해 Solid요소는 정육면체의 균일한 Mesh가 요구된다(Elmarakbi et al., 2009). 따라서 콘 크리트기초는 균일한 크기의 정육면체로 Mesh를 생 성한 후 해석을 진행하였다.

    3.2 재료 모델링

    구조물을 구성하는 재료는 LS-DYNA에서 제공하는 재료모델을 적용하여 모델링하였다. 철근, 볼트, 강 재는 충돌 시 비탄성 효과를 고려할 수 있는 재료모 델인 MAT_24(PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)를 사 용하였다. 콘크리트에는 손상계수를 정의하여 차량 충돌에 의한 파괴형상을 나타낼 수 있는 MAT_ 159 (CSCM_CONCRETE) 재료모델을 적용하였다. Table 3에 해석에 사용된 재료 물성값을 나타내었다.

    3.3 접촉 및 경계조건

    충돌해석 시 차량과 도로시설물 사이의 침투현상을 방지하기 위해 AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 기 능을 사용하였다. 또한, 지주와 콘크리트 기초, 강판 박스와 콘크리트 기초 사이의 침투현상을 방지하기 위해 Wang et al.(2013)의 연구를 참고하여 MASTER 와 SLAVE 요소 사이 침투를 방지하는 AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE를 적용하였다.

    차량이 이동하고 대상 구조물이 설치되는 도로면 을 정의하기 위해 반 무한체 평면인 Rigid Wall을 사 용하였다. 일반적으로 타이어와 도로면 사이의 마찰 계수는 0.5에서 0.65사이 값을 적용하는데(Fricke and Baker, 1990), 본 해석에서는 마찰계수로 0.5를 사용 하였다. 그 외의 차량 및 구조물 사이 마찰계수는 Han et al. (2017)이 제시한 0.2를 적용하였다.

    일면 및 이면 필터형 구조물의 경우 상부 강재구 조물과 콘크리트 기초부를 연결하기 위해 사용되는 볼트를 모델링 해야 한다. 본 연구에서는 해석의 단 순화를 위해 Noh et al.(2013)이 제시한 바와 같이 Beam요소를 이용하여 볼트를 모델링 하였다.

    볼트와 강재는 CONSTRAINED_NODAL_RIGID_ BODY을 사용하여 연결하였다. 볼트는 콘크리트 내 부에 앵커형으로 매입되어 이를 표현하기 위해 연결 부를 LAGRANGE_IN_SOLID로 설정하였다. 이것은 FHWA(2007)의 연구에서 콘크리트와 철근을 보강하 기 위해 사용된 KEYWORD로 일체거동 및 파괴현상 을 나타낼 수 있다. 해석 시 지주와 지반 연결은 완 전 고정된 것으로 가정하여 모델링하였다.

    3.4 해석 방법

    본 연구에 사용된 도로시설물은 차도와 보도의 경계 인 버스정류장에 설치되므로 보행자의 안전 및 차량 운전자의 안전을 고려해야 한다(Lee et al., 2011). 따 라서 도로안전시설 설치 및 관리지침(MLIT, 2014)과 차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무 편람(MLIT, 2015)의 규정을 충돌해석결과에 적용하여 안전 성능 평가를 수행하였다.

    본 연구의 대상 구조물은 차량 속도 25km/h, 차 량 중량 14tonf, 충돌 각도 15°을 기준으로 설계되었 다. 이를 고려하여 충돌해석 시 차량 중량과 충돌 각도는 각각 14tonf와 15°로 같은 값을 적용하였다. 해석 변수로는 충돌속도와 충돌위치를 고려하였다. 충돌속도는 설계속도 25km/h와 일반도로의 제한속도 인 60km/h, 그리고 그 중간 속도인 40km/h를 속도변 수로 설정하였다. 또한, 차량의 충돌위치에 따른 구 조물의 변형을 비교하기 위해 구조물과 차량의 충돌 위치를 시작점(0mm), 중간점(750mm), 끝점(1,500mm) 으로 변경하여 충돌해석을 실시하였다. 각각의 충돌 해석 변수는 Table 4에 나타내었다. Table 4에서 첫 대문자 O, B, C는 구조물의 종류인 일면, 이면, 콘크 리트 일면 필터형 구조물을 나타내며, 그 뒤에 표현 된 숫자 25, 40, 60은 충돌속도 25km/h, 40km/h, 60km/h를 의미하며, 마지막 S, M, E은 구조물의 충 돌 위치인 시작점, 중간점, 끝점을 나타낸다.

    4. 해석결과 및 분석

    도로시설물 평가 규정은 도로구조물이 차량의 충돌 에 저항하여 차량의 이탈을 막아야 하는 구조적 성 능, 차량의 이탈에 따른 2차 추돌사고 및 전복 승월 현상을 예방하는 충돌 후 차량의 안전성능 그리고 차량충돌 중 탑승자와 차량의 충격으로부터 탑승자 보호 성능을 검토하도록 하고 있다. 하지만 본 연구 에서 설계된 미세먼지 저감용 도로시설물의 설치 위 치는 도로 위 차량이 서행하는 버스정류장이므로 도 로시설물의 모든 규정을 만족하는 것은 과다한 설계 가 될 수 있다. 이에 본 연구는 충돌속도 및 충돌위 치에 따른 구조적 성능과 충돌 후 차량의 안전성능 만을 평가하였다.

    4.1 구조적 성능평가

    대상 구조물의 충돌해석 후 구조적 성능을 도로안전 시설 설치 및 관리지침에 따라 평가하였다. 구조적 성능은 도로시설물이 가져야 할 주요한 성능으로 차 량의 이탈 방지를 위한 시설물의 부재 파손 및 돌파 여부를 확인해야 한다. 이러한 성능의 만족 여부 중 도로시설물의 과다한 변형이 발생하는 것을 방지하 기 위해 충돌 후 횡 방향 변형 거리는 지주를 흙 속 에 매입할 경우 1.0m 이하, 콘크리트 기초에 설치할 경우 0.3m 이하로 규정한다(MLIT, 2014).

    Table 5는 설계된 도로시설물의 충돌해석 후 최 대 횡 방향 변형 거리를 나타낸다. 해석 시 지주가 흙 속에 매입되어 있음을 가정하여 횡 방향 변형 거 리 제한을 1m로 설정하였으며, 최대 횡 방향 변형 거리는 설계된 구조물의 충돌 후 밀려진 횡 방향 거 리 중 최댓값을 측정하였다. 해석결과 모든 도로시 설물은 충돌속도가 증가함에 따라 횡 방향 변형 거 리는 충돌속도 25km/h에서 40km/h 증가 시 2.62배, 충돌속도 40km/h에서 60km/h 증가 시 2.43배로 증가 하여 구조물의 성능이 저하되는 경향을 보였다. 하 지만 모든 조건에서의 변형 거리 결과가 성능평가규 정의 제한 값인 1m보다 작음을 확인할 수 있다. 이 면 필터형 모델의 충돌속도 25km/h 해석결과 B25-S 는 동일 속도에 비해 큰 횡 방향 변형 거리가 나타 났다. 이것은 차량이 콘크리트 기초부를 타고 넘어 가는 승월현상으로 인해 강판 박스에 직접적인 충돌 이 발생한 것으로 판단된다. 콘크리트 일면 필터형 모델은 강재를 사용한 일면 및 이면 필터형 모델보 다 평균 2.17배 작은 횡 방향 변형 거리가 나타났다. 이것은 충돌 시 일체형으로 설계된 도로시설물이 부 분적인 볼트결합에 비해 더 큰 저항성능을 가짐을 의미한다.

    Fig. 4, 5는 일면 및 이면 필터형 구조물의 충돌 속도에 따른 콘크리트 von-Mises응력분포 및 구조물 의 변형 형상을 나타낸다. 모든 일면 및 이면 필터 형 구조물의 응력은 콘크리트 기초부와 강판 박스의 볼트연결부분에 집중되어 콘크리트에 균열이 발생함 을 보여준다.

    충돌속도에 따른 해석결과인 Fig. 4(a), (b), (c) 및 Fig. 5(a), (b), (c)는 속도가 증가함에 따라 콘크리트 기초부의 파괴면적 및 강판 박스의 변위가 증가하는 경향을 보여준다. 특히 O60-S모델은 콘크리트 기초 부의 피복두께인 50mm 이상 깊이까지 손상되어 구 조적 성능이 크게 저하되는 것으로 예측되었다.

    Fig. 6은 콘크리트 일면 필터 구조물의 충돌 후 von-Mises응력분포 및 변형 형상을 나타낸다. 콘크리 트의 응력분포는 일면 및 이면 필터형 구조물과 달 리 충돌이 발생한 부분에 집중된 형상을 나타내며, 충돌속도 증가에 따른 변형은 일면 및 이면 필터형 구조물과 같이 확대되는 경향을 보인다.

    Fig. 7은 대상 구조물의 충돌 과정의 중량 변화를 나타낸다. 충돌 후 피복두께 이상의 파괴가 나타난 O60-S의 중량 손실량은 115kgf으로 B60-S와 C60-S의 손실량 대비 80%, 39% 정도 크게 증가하였다. 더불 어 O60-S모델을 제외한 모든 변수에서 대상 구조물 들은 피복두께 이상의 파괴는 일어나지 않았으며, 구조적 기능을 수행하는데 아무런 문제가 없는 것으 로 예측되었다.

    4.2 충돌 후 차량의 안전성능평가

    설계된 구조물의 충돌 후 차량의 안전성능은 도로 안전시설 설치 및 관리지침(MLIT, 2014;MLIT, 2015)에 따라 수행되었다. 충돌 후 차량의 안전성능 은 차량이 전도 및 급정지하지 않고 대향차에 영향 을 미치지 않아야 하며, 충돌 후 Fig. 8의 탈출박스 경계선을 침범하지 않아야 한다. 이때 탈출박스의 A폭은 4.4m(트럭), 차량 폭, 차량길이의 16%를 더한 길이만큼 떨어진 평행선으로 B폭은 20m(트럭)로 정 의된다.

    Table 6은 초기 차량속도와 충돌 후 차량속도를 비교하여 나타낸 것이다. 일면 및 콘크리트 일면 필 터형 구조물은 평균 오차 3%이하의 유사한 속도차 이를 보였다. 또한, 모든 모델에서 초기속도의 60% 이상 충돌 후 속도를 확보하여 차량의 급정지가 발 생하지 않는 것으로 나타났다.

    Fig. 9와 Fig. 13은 충돌속도 25km/h의 일면 및 콘크리트 일면 필터형 구조물의 충돌 위치에 따른 해석결과로써 유사한 차량의 이동 경로를 나타낸 다. 대상 구조물의 설계 시 적용된 25km/h에서 충 돌 이후 연속되는 연석이 없으므로 차량이 주행도 로를 이탈할 수 있는 거동이 나타났지만, 차량과 구조물의 충돌 시 구조물을 따라 차량이 이동하 는 것을 볼 수 있으므로 연속되는 연석이 있는 경우 안전성이 있다고 판단된다. 충돌속도 40km/h, 60km/h의 해석결과는 Fig. 10 및 Fig. 14와 같이 나 타났다. 충돌속도의 증가에 따라 차량은 회전이 보 다 크게 발생하지만 다시 주행차로로 복귀하였다. 또한, 충돌 후 차량의 승월 및 전도현상은 나타나 지 않음을 확인할 수 있다.

    Fig. 11은 충돌속도 25km/h 이면 필터형 구조물의 충돌 위치를 달리한 해석결과로 Fig. 11(a)에서 콘크 리트 기초부의 승월현상이 나타났지만, 강재박스에 의해 주행도로로 복귀한 결과를 보이고 있다. 충돌 위치가 중간점, 끝점인 모델 Fig. 11(b), (c)의 충돌 결과 차량 승원 및 전도현상이 없는 것으로 나타나 며, 이면 필터형 구조물의 경우 충돌 이후 연속되는 연석이 없지만 모든 위치에서 주행도로를 이탈하지 않는 거동을 보여준다. 이것은 이면 필터형 구조물 의 강판 박스의 폭이 더 넓고 지지대의 위치가 중앙 에 위치되어 더 많은 충격을 흡수해 차량을 주행도 로에 복귀시킨 것으로 판단된다. Fig. 12는 충돌속도 40km/h, 60km/h에서의 차량거동을 보여준다. 차량의 회전은 속도가 증가함에 따라 커지는 경향이 나타나 지만, 충돌 후 차량은 도로면으로 복귀하여 안전성 능을 만족하는 것으로 예측된다.

    5. 결 론

    본 연구는 미세먼지 저감을 위해 설계된 버스정류장 도로시설물을 유한요소 해석프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 해석결과는 도로 시설물 평가 규정에 적용하여 구조물의 성능평가 및 차량의 안전성능평가를 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 일면 필터형 구조물의 경우 충돌속도 25km/h 와 40km/h에서 구조적 성능평가를 만족하였지 만, 충돌속도 60km/h에서는 철근 피복두께인 50mm이상의 콘크리트 손상이 발생하는 것으 로 나타났다. 이면 및 콘크리트 일면 필터형 구조물은 60km/h의 충돌속도에서도 구조적 성 능을 확보하였다.

    • 2) 충돌 후 차량의 안전성을 평가한 결과 이면 필터형 구조물을 제외한 해석 구조물은 충돌 후 연결되는 연석의 부재 시 주행도로를 이탈 하는 경향이 나타났지만, 충돌 중 콘크리트 기초부를 따라 진행되는 것으로 보아 연속되 는 연석이 있다면 안전성능을 확보하는 것으 로 예측되었다.

    • 3) 충돌 전과 후의 속도를 비교한 결과 해석 대 상 모든 구조물이 모든 해석 조건에서 차량 이 충돌 이후 급정지가 아닌 초기속도의 60% 이상 충돌 후 속도를 확보하는 것으로 나타나 급정거의 가능성이 없는 것으로 확인 되었다.

    • 4) 국내 도로시설물 규정을 미세먼지 저감을 위 해 설계된 필터 설치형 구조물에 적용하여 평 가한 결과 목표 충돌속도 25km/h에서 더 나아 간 40km/h까지 충분한 안전성을 확보한 것을 확인하였다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술진흥원의 지원 (19POQW-B152342-01)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KOSACS-11-4-23_F1.gif
    Designed Filter Mounted Structure (Unit: mm)
    KOSACS-11-4-23_F2.gif
    Truck Model Used for Analysis
    KOSACS-11-4-23_F3.gif
    Analysis Model
    KOSACS-11-4-23_F4.gif
    Analysis Result of One-side Structure
    KOSACS-11-4-23_F5.gif
    Analysis Result of Both-side Structure
    KOSACS-11-4-23_F6.gif
    Analysis Result of Concrete Structure
    KOSACS-11-4-23_F7.gif
    Self-weight Comparison of Each Structure
    KOSACS-11-4-23_F8.gif
    Vehicle Escape Box
    KOSACS-11-4-23_F9.gif
    Analysis Result of O25 Variable Series (25km/h)
    KOSACS-11-4-23_F10.gif
    Analysis Result of O40 and O60 Analysis Variable
    KOSACS-11-4-23_F11.gif
    Analysis Result of B25 Variable Series (25km/h)
    KOSACS-11-4-23_F12.gif
    Analysis Result of B40 and B60 Analysis Variable
    KOSACS-11-4-23_F13.gif
    Analysis Result of C25 Variable Series (25km/h)
    KOSACS-11-4-23_F14.gif
    Analysis Result of C40 and C60 Analysis Variable

    Table

    Design conditions of filter mounted structure
    Information of truck model
    Material model used for analysis
    Analysis variables
    Deformation result of each analysis case
    Comparison of vehicle velocity before and after collision

    Reference

    1. Beak, C. M. , Lee, S. H. , Moon, S. Y. , Jang, D. H. , and Park, H. M. (2019), “Analysis of the Effect of Different Types of Roadside Bus Stops on the Characteristics of Fine Particulate Matter,” International Journal of Highway Engineering, Vol. 21, No. 5, pp. 25-34. (in Korean)
    2. Elmarakbi, A. M. , Hu, N. , and Fukunaga, H. (2009), “Finite Element Simulation of Delamination Growth in Composite Materials Using LS-DYNA,” Journal of Composites Science and Technology, Vol. 69, No. 14, pp. 2383-2391.
    3. Franco, A. , Fernandez, R. , Perez, L. , and Valera, D. L. (2012), “Wind Tunnel Analysis of Artificial Substrates Used in Active Lining Walls for Indoor Environment Conditioning in Mediterranean Buildings,” Journal of Building Science and its Applications, Building and Environment 51, pp. 370-378.
    4. Fricke, L. B. , and Baker, J. S. (1990), “Drag Factor and Coefficient of Friction in Traffic Accident Reconstruction,” Northwestern University Traffic Institute, ISBN, Evanston Illinois, USA.
    5. Gorbachevskaya, O. , and Schreiter, H. (2010), “Contribution of Extensive Building Naturation to Air Quality Improvement,” pp. 1-5, Germany.
    6. Han, K. J. , Ko, M. K. , and Kim, K. D. (2017), “Development of a Semi-rigid Barrier Satisfying a Small Car Impact Speed of 130km/h and a High Impact Severity of 272kJ,” Journal of Korean Soc Hazard Mitig, Vol. 17, No. 4, pp. 29-39. (in Korean)
    7. Heo, J. A. , Kim, H. M. , Heo, S. G. , Kim, S. W. , Kim, H. H. , Choi, J. H. , and Lee, J. T. (2013), “Time Series Change of the Effects of Fine Dust Concentration in the Air on Death,” Symposium and Academic Conference on Environmental Toxic Health, The Korean Society of Environmental Toxicology, pp. 221-222. (in Korean)
    8. Jo, H. I. , Kim, B. G. , Lee, W. S. , and Lee, B. G. (2020), “Making Primary Policies for Reducing Particulate Matter”, Journal of Society for e-Business Studies, Vol. 25, No. 1, pp. 109-121. (in Korean)
    9. Kim, M. I. , Jung, D. Y. , Kim, S. M. , Lee, J. K. , Choi, M. H. , and Kim, H. Y. (2019), “A Collision Simulation Study on the Structural Stability for a Programmable Drone,” Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 20, No. 5, pp. 627-635. (in Korean)
    10. Lee, J. H. , Kwon, S. D. , Park, J. J. , and Ha, T. J. (2011), “A Method for Locating Bus Stops Considering Traffic Safety at Signalized Intersections,” Journal of The Korean Society of Civil Engineers, Vol. 31, No. 4D, pp. 527-538. (in Korean)
    11. Lee, J. S. (2017), “Legislative Proposal for Fine Dust Regulation,” 129th Korea Society of Environmental Law a Regular Academic Conference, Korean Society of Environmental Law, pp. 55-85. (in Korean)
    12. Lee, J. Y. , and Kim, I. H. (2017), “Characteristics of a Filter Module Adsorption for Fine Dust Removal on Road,” Journal of Korean Society Environmental Engineers, Vol. 39, No. 1, pp. 19-25. (in Korean)
    13. Meiller, M. , Zach, J. , Jakuttis, M. , and Hornung, A. (2016), “Development of an Electrostatic Precipitator for Small Scale Biomass Funraces,” 23th European Biomass Conference and Exhibition.
    14. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2014), “Guidelines for Installation and Management of Road Safety Facilities-Vehicle Protection Safety Facility,” Korea.
    15. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2015), “Manual of Actual Collision Testing of Road Safety Facility,” Korea.
    16. Murray, Y. D. , Abu-Odeh, A. , and Bligh, R. (2007), “Evaluation of LS-DYNA Concrete Material Model 159,” Report FHWA-HRT-05-063, Federal Highway Administration, McNean, USA
    17. Noh, M. H. , Lee, S. Y. , and Park, K. S. (2013), “Simplified Finite Element Model of an Anchor Bolt Inserted Through Concretes Considering Clamping Forces,” Journal of Computational Structural Engineering Institute of Korea, Vol. 26, No. 4, (in Korean) pp. 293-300.
    18. Olson, R. M. , POST, E. R. , and McFARLAND, W. F. (1970), “Tentative Service Requirements for Bridge Rail Systems,” Highway Research Board National Academy of Sciences 2101 Washington, D.C, USA.
    19. Wang, Q. , Fang, H. , Li, N. , Weggel, D. C. , and Wen, G. (2013), “An Efficient FE Model of Slender Members for Crash Analysis of Cable Barriers,” Journal of Engineering Structures, Vol. 52, pp. 240-256.
    20. Yoo, E. C. , Dou, W. G. , and Cho, J. G. (2009), “Study for the Control of Re-suspended Dust from Paved Road,” The Annual Report of Busan Metropolitan City Institute of Health & Environment, Vol. 19, No. 1, pp. 177-186. (in Korean)