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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.3 pp.23-29
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.3.023

Evaluation of the Protection Performance of Reinforced F S hape B arrier u sing Wire Mesh

Joo, Bongchu1, Youngmo Yeon2, Jungho Kim3, Sungjin Lee4, Sangwon Jee5
1Senior Researcher, Korea Institute of Civil Engineering & Building Technology, Goyang, Korea
2Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Senior Fellow, Korea Institute of Civil Engineering & Building Technology, Goyang, Korea
4Post Doc., Korea Institute of Civil Engineering & Building Technology, Goyang, Korea
5Master’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Joo, Bongchul Underground Space Safety Research Center, Korea Institute of Civil Engineering & Building Technology, 283, Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Gyeonggi-do, 10223, Korea. Tel: +82-31-910-0138, Fax: +82-31-910-0121 E-mail: bcjoo@kict.re.kr
March 22, 2021 April 15, 2021 May 2, 2021

Abstract


This study is an experimental study to evaluate the vehicle-protection performance of the reinforced F section of a concrete median barrier. To reinforce the strength performance and durability of the F section, the design strength of concrete was increased and a wire mesh was added. The reinforced F section was tested in an actual collision to verify the protection performance of the SB4 class(Impact Severity: 160kJ) concrete barrier. In the truck-crash test for strengthperformance evaluation, no damage or no sufficient scattering occurred to cause damage to a third party. In addition, the truck smoothly moved through an escape box after the collision. THIV and PHD, which are criteria for evaluating the occupant-protection performance, were measured at 75% and 64% of the limit, respectively, and were confirmed to provide good occupant-protection performance. The vehicle rotations after the collision were 12%–19% of the allowed limits.



용접철망으로 보강된 F단면 콘크리트 방호울타리 SB4등급 방호성능 평가

주봉철1, 연영모2, 김정호3, 이성진4, 지상원5
1한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터 수석연구원
2충북대학교 토목공학과 박사과정
3한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터 선임연구위원
4한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터 박사후연구원
5충북대학교 토목공학과 석사과정

초록


본 연구는 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리 F단면을 보강하고 차량방호성능을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 기 존 F단면의 성능 및 내구성을 보강하고자 콘크리트 설계강도를 증가시키고 단면중앙에 용접철망을 추가 배치하였다. 이 후 보 강된 F단면은 SB4 등급의 방호성능을 확인하기 위해 실물충돌실험을 실시하였다. 실험결과 보강된 F단면에 대형차량이 충돌하 여도 제3자에게 피해를 줄 정도의 파손과 비산 없어 강도성능을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 대형차량 충돌 후 차량은 탈 출박스를 통해 원만히 진행하는 것으로 나타났다. 승용차 충돌실험 결과 탑승자보호 성능평가 기준인 THIV와 PHD가 각각 제 한치의 75%와 64% 수준의 우수한 탑승자보호성능을 갖추고 있는 것으로 확인되었으며, 차량회전량은 기준치의 12∼19%수준으 로 측정되었다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT)

    1. 서 론

    도로안전시설 중 차량의 주행노선 이탈을 막아 주 는 방호울타리는 차량충돌 및 추락 등 대형 교통사 고를 억제하는 주요 안전시설이다(Lee and Lee, 2019). 특히 중앙분리대용 방호울타리는 마주 달리 는 차량과의 정면충돌을 방지하는 중요한 차량방호 안전시설이다.

    국내 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리는 1980 년 남해고속도로에 New Jersy Shape(이하 NJ단면)이 처음 적용되었다. 이후 이 NJ단면을 개량한 F Shape (이하 F단면)이 국도건설공사 설계실무 요령(MLIT, 2016) 콘크리트 중앙분리대 표준도(이하 기존 단면) 에 적용되어 최근까지 일반국도(설계속도 80km/h 이 하)에 설치되고 있다.

    미국 AASHTO (2011)는 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리 중 NJ단면과 F단면을 일반적인 안전단면 으로 사용하고 있다. 그리고 표준 높이 32인치 (813mm) NJ단면과 F단면은 미국 방호울타리 성능기 준 TL-4 수준의 방호성능을 만족하고 있으며, 42인치 (1,067mm) 이상으로 설계될 때 TL-5 수준의 방호성 능까지 만족할 수 있는 것으로 알려져 있다. 유럽도 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리로 NJ단면과 F단 면을 기본으로 사용하였으나 2010년 이후, NJ단면을 개선한 계단식 단면(The Step Barrier)을 개발하여 사 용하고 있다(EUPAVE, 2018). 계단식 단면은 단일경 사단면과 같이 상하단 경사는 동일하나 단면 중앙부 에 계단모양의 경사 절곡부를 두어 NJ단면 같은 다 중경사 효과를 구현하였다.

    방호울타리 성능평가기준과 실물충돌조건은 국가 마다 서로 차이가 있어 국외에서 방호성능이 인증된 제품이라도 국가별로 정해진 실물충돌시험 기준에 따라 별도 성능평가를 받아야 한다.

    국내에서는 Lee et al. (2001)이 높이 810mm F단 면에 대해 실물충돌시험을 실시하고, 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리에 대한 방호성능을 평가하였 다. 평가결과 차량중량 13.71tonf, 충돌속도 60km/h, 충돌각도 15°의 대형차량 충돌조건(충격도 기준 현 재 지침 SB3등급(충격도: 130kJ) 수준)에서 구조적 안전성에 문제가 발생할 정도의 파손은 없었으며, 주변 교통의 안전에 영향을 미칠 수 있는 파편은 발 견되지 않은 것으로 보고하였다. 다만 성능평가를 위한 실물충돌시험은 1997년 개정된 도로안전시설 설치 및 관리 지침(방호울타리편)(이하 지침)(MCT, 1997)에 따라 수행되었으나, 2001년 지침이 대폭 개 정되면서 차량방호성능평가를 위한 실물충돌시험 기 준도 변경되어 현재 지침(MLIT, 2014)의 방호울타리 등급으로 평가하기는 어렵다.

    Oh et al. (2006)은 고속국도(설계속도 100km/h) 환경에 적합한 SB5등급 조건으로 F단면을 실물충돌 시험을 실시하고 방호성능을 평가하였다. 강도성능 평가를 위한 대형차량 충돌조건(차량중량 14tonf, 충 돌속도 80km/h, 충돌각도 15°)에서 F단면은 크게 파 손되고 다수의 비산물이 발생하여 SB5등급 강도성 능을 만족하지 못하는 것으로 평가하였다.

    이후 한국도로공사는 높이 1,270mm의 SB5등급, SB5-B등급, SB6등급의 고속국도 중앙분리대용 콘크 리트 방호울타리를 개발(Lee et al., 2001;Oh et al., 2006;Kim et al., 2009;Lee et al., 2017)하고, 고속국 도에 설치하고 있다. 개발 단면은 방현기능을 고려 하여 높이를 1,270mm로 설정하여 추가적인 현광방 지시설 설치가 필요 없으며, 단면 중앙부에 용접철 망(Wire Mesh)을 배치하여 강도성능을 향상시키고 비산물 발생을 최소화 하였다. Lee et al. (2017)은 시 뮬레이션 충돌해석을 통해 용접철망의 단면이 증가 할수록 파손량이 작아지는 것으로 나타나 용접철망 의 강도성능 보강효과를 확인하였다.

    Joo et al. (2021)은 일반국도에 설치 가능한 SB4 등급 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리 단면을 개 발하고 실물충돌시험을 통해 방호성능을 평가하였 다. 개발된 단면은 SB4등급 방호성능을 모두 만족하 였으며, 소정의 방현기능을 갖추기 위해 선행연구 (Lee et al., 2001;Oh et al., 2006;Kim et al., 2009;Lee et al., 2017)를 참조하여 높이를 1,270mm로 설계 하였다. 그리고 방호울타리 하부폭을 가능한 작게 설계하여 중앙분리대 폭이 좁은 일반국도 설치조건 에 적합한 단면이다. 해당 연구를 통해 용접철망의 파손된 콘크리트 비산억제성능을 확인하고 콘크리트 방호울타리 설계 시 용접철망 배치의 필요성을 강조 하였다. 그러나 높이가 높은 방호울타리는 대형차량 충돌로 인한 비산물이 발생할 가능성이 높아 방현기 능이 불필요한 환경에는 F단면을 사용하는 것이 바 람직 할 것으로 판단된다. 그리고 일반국도에 설치 된 F단면은 최근까지 SB4등급(설계속도 80km/h) 실 물충돌시험을 통해 성능검증이 이루어지지 않아 이 에 대한 성능평가가 필요한 시점이다(BAI, 2018).

    이에 본 연구는 최신 콘크리트설계기준을 반영하 고, 비산물억제성능 및 강도성능 향상을 위해 용접 철망으로 보강한 F단면을 SB4등급 시험조건으로 실 물충돌시험을 실시하여 보강된 F단면의 방호성능을 평가하고자 한다.

    2. 연구방법 및 단면보강

    2.1 연구방법

    중앙분리대용 콘크리트 방호울타리 성능평가 관련 문 헌 및 콘크리트설계기준을 검토하여, 방호성능을 향 상시킨 F단면을 설계하였다. 그리고 SB4등급 실물충 돌시험을 통해 보강된 F단면의 차량방호성능을 평가 하였다. 실물충돌시험은 국토교통부 차량방호 안전 시설 실물충돌시험 업무편람(이하 업무편람)(MLIT, 2015)에 따라 수행하였다.

    2.2 기존 단면 검토

    콘크리트 방호울타리 단면은 Fig. 1과 같이 다양하 다. 단면 높이와 두께를 제외한 전면 형상은 탑승 자 보호성능에 영향이 크고, 충돌차량의 복귀 거동 에도 영향을 미친다. 저속구간에 적용되는 직벽 단 면(Fig. 1(c))은 방호울타리에 의한 충격량 감소효과 는 없으나 충돌차량 복귀성능은 탁월하다. 단일경 사 단면(Fig. 1(d))은 필요한 방호성능을 확보하기 위해 상대적으로 넓은 방호울타리 폭이 필요하다. 이에 대부분의 국가에서 F단면(Fig. 1(a))과 NJ단면 (Fig. 1(b)) 같은 다중 경사단면을 일반적으로 사용 한다.

    콘크리트로 제작되는 중앙분리대용 강성방호울타 리는 대부분 미국의 NJ단면을 기반으로 국가별 성능 기준에 적합하게 개량하여 사용하고 있다. NJ단면은 1955년 미국 뉴저지주(New Jersey State)에서 개발한 분리대용 방호울타리 단면이다. 2중 단면경사 구조 로 이루어진 NJ단면은 하부 경사면을 통해 차량의 충격력 일부를 상향력으로 변화시켜 충격량을 감소 시키는 효과가 탁월하여 차량 파손 저감 효과와 탑 승자 보호성능 측면에서 우수한 단면이다(Lee et al., 2001). 다만 일부 소형차를 과도하게 들어 올려 차량 이 전복되는 경향이 있어 이를 개선한 단면이 F단면 이다.

    F단면은 NJ단면의 1차 경사면과 상부 2차 경사 면이 만나는 변곡점 높이를 낮추어 소형차 전도 가 능성은 낮아진 단면이다. 하부 1차 경사면과 상부 2 차 경사면이 만나는 변곡점 높이는 충돌 시 차량의 안전성과 충돌 후 차량의 거동에 직접적인 영향을 미치는 중요한 인자이다. NJ단면에 비해 충격량을 다소 증가하나 차량의 주행 방향 복원성능은 우수한 것으로 평가되고 있다(Buth et al., 1 990). 이러한 이 유로 현재 일반국도 중앙분리대용 콘크리트 방호울 타리 표준도 단면으로 F단면을 사용하고 있다.

    2.3 방호울타리 방호성능 기준

    1995년까지 우리나라 차량방호시설 성능확보 방안은 지침을 통해 표준 설치규격을 제시하여 방호울타리 의 품질을 확보하는 체계였다. 그러나 미국이나 유 럽은 규격기준 대신 성능기준을 제시하여 도로안전 시설의 품질을 확보하고 있어 우리나라도 1996년 도 로안전시설 설치 및 관리 지침(방호울타리 편)(이하 지침)(MCT, 1996)을 제정하고 차량방호울타리에 대 한 성능 기준을 마련하였다. 이후 변화하는 도로여 건과 사회적 요구에 맞추어 지속적으로 개정되고 있 다. Table 1은 현재 적용되고 있는 방호울타리 성능 등급을 나타낸 것으로 충격도에 따라 총 9개 등급으 로 구분하고 있다(MLIT, 2014).

    2.4 F단면 보강

    F단면은 1987년 FHWA에서 개발된 이후 지금까지 국내외에서 가장 보편적으로 설치되는 중앙분리대용 콘크리트 방호울타리 단면이다. 기존 F단면은 콘크 리트 설계기준압축강도가 24MPa로 설계되어 겨울철 염화물계 제설제를 주로 사용하는 국내 도로환경에 서 내구성이 취약한 단면이다.

    콘크리트 구조 내구성 설계기준(MLIT, 2021)은 제빙화학제 등 염화물에 간접적으로 노출되는 환경 (노출등급: ES1)에 설치되는 콘크리트는 최소 30MPa 이상의 설계기준압축강도를 요구하고 있다. 이에 내 구성 보강 및 강도성능 향상을 위해 콘크리트 설계기 준압축강도를 30MPa로 25% 향상시켰다. 그리고 기존 F단면은 내부보강재가 없어 파손 시 비산위험이 높다. 이에 단면중앙에 용접철망을 배치하여 강도성능 향 상 및 비산방지성능을 보강하였다. Fig. 2는 보강된 F단면도이다.

    3. 성능검증

    3.1 실물충돌시험 성능평가방법

    지침(MLIT, 2014)은 충격량에 따라 방호 성능등급을 구분하고 설계속도와 도로 주변 환경에 따라 설치 가능한 적정 등급을 제시하고 있다. 실물충돌시험을 통한 차량방호성능평가는 강도성능평가와 탑승자 보 호성능평가로 구분하여 실시하도록 규정되어 있다. 일반국도(설계속도 80km/h)의 중앙분리대는 SB4등급 에 해당한다. 지침에 따르면 SB4등급 강도성능 평가 시험은 14톤 트럭을 65km/h의 속도와 15° 각도로, 탑 승자 보호성능 평가시험은 1.3톤 승용차를 80km/h의 속도와 20° 각도로 방호울타리에 충돌시켜 방호성능 을 평가하도록 규정하고 있다.

    강도성능 평가기준은 충돌한 차량이 방호울타리 를 돌파하거나 방호울타리 구성 부재가 비산하여 탑 승자나 제3자에게 피해를 주지 않는 조건을 만족하 도록 규정하고 있다(MLIT, 2015). 그리고 충돌차량은 전도되거나 급정거하지 않고 탈출박스(Exit Box)를 통해 원만히 진행해야 한다. Fig. 3에 탈출박스 개념 도를 나타내었다.

    탑승자보호성능 평가기준은 충돌로 인하여 탑승 자의 머리가 차량내부 가상면에 부딪치는 충돌속도 (이하 THIV, Theoretical Head Impact Velocity)와 이후 접촉을 유지하면서 차량으로부터 전달되는 가속도 (이하 PHD, Post-impact Head Deceleration)가 각각 33km/h, 20g 이하가 되도록 규정하고 있다. 그리고 충돌차량의 Roll, Pitch 최대회전각은 75°이하여야 하 고 충돌차량은 전도되지 않고 탈출박스를 통해 원만 히 진행하여야 한다. 시험에 사용된 차량의 제원과 탈출박스를 Table 2에 나타내었다.

    3.2 강도성능 시험결과

    Table 3은 강도성능평가를 위한 충돌시험 결과를 정 리한 표이다. 보강된 F단면은 SB4등급 강도성능 기 준을 모두 만족하였다. 방호울타리와 충돌한 대형차 량은 전도되지 않고 탈출박스를 통해 원만히 진행하 였으며, 제3자에게 피해를 줄 정도의 비산도 없었다. 대형차량 충돌장면과 충돌 후 방호울타리의 모습을 각각 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다.

    Fig. 6은 대형차량 충돌 후 파손된 방호울타리 손 상사진이다. 대형차량 충돌로 확인되는 손상은 전륜 타이어휠로 인한 단면 중앙부 수평 방향 패임과 후 륜축의 충돌로 인한 방호울타리 상단부 파손이다. 방호울타리에 충돌한 트럭은 진행 방향이 변경되면 서 차량후륜이 회전 상승하였고, 이에 차량후륜이 방호울타리와 2차 충돌하여 방호울타리 상단부 파손 이 발생하였다. 이는 초고속카메라로 촬영한 Fig. 7 을 통해 확인할 수 있다. 업무편람은 파손된 구성부 재가 비산하여 탑승자나 제3자에게 피해를 주지 않 도록 개별중량 2kgf 이상, 비산거리 2m 이상의 비산 물이 발생하지 않도록 제한하고 있다. 대형차량 충 돌로 인한 보강된 F단면의 파손과 비산물은 제한치 에 크게 미치지 않는 미미한 수준이다.

    3.3 탑승자보호성능 시험결과

    Fig. 8은 탑승자보호성능평가를 위해 수행된 승용차 충돌시험 장면이며, Fig. 9는 승용차 충돌시험 이후 방호울타리 모습을 나타낸다. 탑승자보호성능 시험 결과를 Table 4과 Fig. 10에 정리하였다.

    승용차 충돌에 의한 방호울타리 손상은 발생하지 않았다. 시험을 통해 계측된 THIV는 24km/h, PHD는 6g이며 각각 허용치의 73%, 30% 수준으로 F단면은 SB4등급 탑승자보호성능을 확보하고 있으며 충돌 후 차량은 탈출박스를 통해 양호하게 선회하였다. 차량 회전량 Rolling과 Pitching은 각각 최대 14.23°, 8.89°로 허용치의 19%, 12% 수준이다.

    4. 결 론

    본 연구는 일반국도 중앙분리대용 콘크리트 방호 울타리 F단면을 보강한 후 실물충돌시험을 통해 방 호성능을 검증하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

    • 1) 보강된 F단면은 SB4등급 강도성능평가를 위한 대형차량 충돌조건에서 방호울타리의 안전이 나 제3자에게 피해를 줄 정도의 파손과 비산 이 없어 SB4등급 강도성능을 확보하고 있는 것으로 확인되었다.

    • 2) F단면은 SB4등급 승용차 충돌조건에서 탑승자 보호성능평가 기준값 THIV와 PHD가 각각 제 한치의 75%와 64% 수준으로 나타나 양호한 탑승자보호성능을 갖추고 있는 것으로 확인되 었다.

    • 3) 보강된 F단면은 콘크리트 설계강도를 25% 증 가시켜 내구성이 향상되었으며, 단면 중앙에 배치된 용접철망(Wire Mesh)으로 인하여 강도 성능 향상뿐만 아니라 방호울타리 파손으로 인한 2차 사고예방 능력이 향상되었다.

    • 4) 대형차량의 방호울타리 충돌을 고려할 때 차 량의 회전수평충돌뿐만 아니라 회전상승충돌 도 반드시 고려해야 함을 확인하였다.

    • 5) 향후 충돌시뮬레이션 해석연구를 통해 콘크리 트 강도와 용접철망 보강에 따른 강도성능 증 가 및 비산억제 효과를 보다 면밀히 검토하여 F단면에 대한 지속적인 성능개선이 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부의 연구비 지원으로 수행되 었습니다. 이에 감사합니다.

    Figure

    KOSACS-12-3-23_F1.gif
    Median Concrete Barrier Sections in High Speed Condition (ADB, 2018)
    KOSACS-12-3-23_F2.gif
    F Shape Concrete Median Barrier Section for SB4 Class
    KOSACS-12-3-23_F3.gif
    Exit Box for Longitudinal Barriers (AASHTO, 2016)
    KOSACS-12-3-23_F4.gif
    Truck Crash Test Scene at 1st Impact by Front Wheel Axle
    KOSACS-12-3-23_F5.gif
    Damaged Barrier after Truck Crash
    KOSACS-12-3-23_F6.gif
    Broken Barrier by 2nd Impact by Rear Wheel Axle
    KOSACS-12-3-23_F7.gif
    Truck Crash Test Scene at 2nd Impact by Rear Wheel Axle
    KOSACS-12-3-23_F8.gif
    Passenger Car Crash Test Scenes
    KOSACS-12-3-23_F9.gif
    Barrier after Passenger Car Crash
    KOSACS-12-3-23_F10.gif
    Safety Evaluation for Occupant Risk

    Table

    Performance Class of Vehicle Safety Barrier in Korea (MLIT, 2014)
    Vehicle Specification Used for Test & Exit Box Criterion
    Test Result for Strength Performance Evaluation
    Test Result for Passenger Protection Performance Evaluation

    Reference

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