컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 고속도로용 낙석방지울타리개선안의 한계성능을 평가하였다. 중앙경간 길이의 3/4 위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg의 낙석을 75 kJ의 에너지로 충돌시켰을 때 낙석이 관통하였다. 6번째와 7번째 와이어로프 사이의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였기 때문에 100 kJ의 낙석 충돌에너지에 대하여 낙석의 관통을 방지할 수 있도록 2가지 방안을 고려하였다. 첫 번째는 와이어로프 간격이 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 간격유지대의 설치 간격을 조정하였다. 두 번째는 75 kJ에서 낙석이 관통되었기 때문에 부족한 30 kJ 정도의 낙석충돌에너지를 소산할 수 있도록 브레이킹(Breaking) 요소를 개선안에 추가하였다.
3.3.1 간격유지대의 설치간격 조정
간격유지대의 설치간격이 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 5개의 해석모델을 구성하였다. 모델별 해석조건은
Table 6과 같다.
Table 6
Analysis Conditions of S5, S6, S7, S8, and S9 Model
Model |
Impact Location of Rockfall |
Weight of Rockfall |
S5 |
5/8 of a Span Length, Between the 6 and 7 Wire-rope |
160kg |
S6 |
7/12 of a Span Length, Between the 6 and 7 Wire-rope |
160kg |
S7 |
9/16 of a Span Length, Between the 6 and 7 Wire-rope |
160kg |
S8 |
Center of a Center Span, 1/2 Fence Height |
160kg |
S9 |
Center of a Center Span, 1/2 Fence Height |
320kg |
Figs.
8(a),
8(b), 그리고
8(c)에는 경간 길이의 3/4위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg의 낙석을 충돌시킨 S5, S6, 그리고 S7 모델의 변형형상이 나타나있다. S5 모델은 간격유지대가 아래에서부터 위로 8번째 와이어로프까지 연결되고 한 경간에 0.75 m 간격으로 3개의 간격유지대가 설치된 모델이다. S6 모델은 간격유지대가 아래에서부터 위로 8번째 와이어로프까지 연결되고 한 경간에 0.5 m 간격으로 5개의 간격유지대가 설치된 설계이다. S7 모델은 간격유지대가 아래에서부터 위로 8번째 와이어로프까지 연결되고 한 경간에 0.375 m 간격으로 7개의 간격유지대가 설치된 모델이다.
Fig. 8
Deformed Shapes of S5, S6, S7, S8, and S9 Models
S5와 S6 모델의 경우에 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 벌어지면서 낙석이 관통하였다. S7 모델은 낙석이 회전하였음에도 불구하고 간격유지대에 의하여 와이어로프의 간격이 유지되면서 관통을 방지하였다.
Figs.
8(d)와
8(e)에는 S7 모델에 ETAG 27의 낙석충돌위치(중앙경간 중앙에서 기둥 높이의 1/2 위치)를 적용한 해석모델 S8과 S9 모델의 변형형상이 나타나있다. S8과 S9 모델이 모두 낙석의 관통이 발생하지 않았다. 고속도로용 낙석방지울타리 개선안에 간격유지대를 경간 당 0.375 m 간격으로 7개씩 설치한 설계가 낙석의 충돌 위치에 상관없이 낙석의 관통을 방어하였다.
3.3.2 파이프를 이용한 브레이킹(Breaking) 요소 적용
낙석의 충돌에너지를 소산시키기 위하여 사용되는 브레이킹 요소는 일반적으로 변형에너지를 발생시키는 다양한 형태의 장치로 이루어진다. 본 연구에서 사용된 브레이킹 요소는 파이프의 변형과 파열에너지를 이용하여 충돌에너지를 소산하도록 구성하였다.
Fig. 9와 같이 파이프의 안쪽으로 와이어로프가 들어갔다 나오는 구조이다. 파이프 하단부 구멍에 고장력 볼트가 체결되어있어서 와이어로프가 빠지지 않고 파이프와 고정된다. 낙석이 낙석방지울타리에 충돌할 경우에 와이어로프가 당겨지면서 파이프에 변형이 발생하게 되며 이 때 발생되는 파이프의 변형과 파열 에너지를 이용하여 충돌에너지를 소산시키는 원리를 이용하는 브레이킹 요소이다.
Fig. 9
Breaking Element Using a Pipe
파이프는 1개 혹은 2개 이상을 중첩하여 사용될 수 있다. 본 연구에서는 1개의 파이프와 2개 중첩된 파이프의 에너지소산능력을 정적실험을 통하여 평가하였다. 파이프의 강종과제원으로 KS D 3566 일반 구조용 탄소강관의 STK400을 사용하였다.
브레이킹 요소의 에너지 소산능력을 조사하기 위하여 2개의 브레이킹 요소 실험체에 대하여
Fig. 10과 같이 만능시험기(UTM)을 이용한 정적실험과 유한요소해석(FEA)을 수행하였다. 첫 번째 실험체 P1은 1개의 150 mm길이를 갖는 파이프로 구성하였고 파이프의 외경과 두께는 각각 114.3 mm와 4.5 mm이다. 두 번째 실험체 P2는 2개의 150 mm길이를 갖는 중첩된 파이프로 구성하였고 파이프의 외경은 각각 114.3 mm와 101.6 mm이다. 그리고 바깥쪽과 안쪽 파이프의 두께는 각각 4.5 mm와 5.0 mm이다.
Fig. 10
Static Tests of Breaking Elements
유한요소해석(FEA)은 LS-DYNA 프로그램을 사용하여 수행되었다. 파이프, 볼트, 그리고 와이어로프는 각각 Shell요소, Solid요소, Beam요소로 정의되었다. 볼트, 와이어로프, 그리고 파이프의 항복강도와 인장강도는 해당강종의 최소값을 적용하였다. 브레이킹 요소에 사용된 항복강도와 인장강도는
Table 7과 같다. 각 구성요소의 재료모델은 에너지소산을 안전 측으로 예측하기 위하여 탄성-완전소성 모델을 적용하였다.
Table 7
Input Data for Material Models of Breaking Elements
Component |
Modulus of Elasticity(MPa) |
Yield Strength(MPa) |
Rupture Strength(MPa) |
Failure Strain |
Pipe |
205,000 |
245 |
245 |
0.3 |
Bolt |
205,000 |
900 |
1000 |
0.14 |
실험체 P1과 P2에 대한 정적실험과 FEA에 의한 하중-변위관계가
Fig. 11에 나타나있고 변형형상은
Fig. 12에 나타나있다. 실험체 P1과 P2의 정적실험은 UTM의 최대 인장거리의 한계 때문에 변형거리 100 mm에서 실험을 중단하였다. 실험체 P1의 변형형상은 변형거리 100 mm에서 파이프 상단의 원형단면이 직사각형 단면으로 변형을 겪은 후에 약간의 파열이 발생된 상태이다. 정적실험을 통하여 P1의 최대 변형에너지를 파악할 수 없었기 때문에 이를 예측하기 위하여 FEA를 수행하였다. FEA는 파이프의 변형이 가능한 226.5 mm의 최대길이까지 수행하였다. FEA에 의한 P1의 변형형상과 하중-변위 관계는 변형거리 100 mm까지 정적실험의 결과와 유사하였다. 변형거리 226.5 mm까지의 FEA에 의한 하중-변위 관계는 브레이킹 요소의 에너지 소산능력을 안전 측으로 예측한 것을 나타낸다. FEA에 의한 P1의 변형에너지는 약 5.1 kJ로 나타났다.
Fig. 11
Load-Displacement Relationships of Breaking Element P1 and P2
Fig. 12
Deformed Shapes of Breaking Element P1 and P2
실험체 P2의 변형형상은 변형거리 100 mm에서 파이프상단의 원형단면이 직사각형 단면형상으로 변화했으나 파열은 발생하지 않은 상태이다. FEA에 의한 P2의 변형형상과 하중-변위 관계는 100 mm까지 정적실험의 결과와 유사하였다. 변형거리 226.5 mm까지의 FEA 하중-변위 관계는 브레이킹 요소의 에너지 소산능력을 안전 측으로 예측한 것을 나타낸다. FEA에 의한 P2의 변형에너지는 약 11.9 kJ로 나타났다.
고속도로용 낙석방지울타리 개선안의 한계평가를 통하여 개선안이 100 kJ의 낙석충돌에너지를 소산시키기 위해서는 약 30 kJ 정도의 에너지소산능력이 추가적으로 필요한 것으로 조사되었다. 따라서 30 kJ의 부족한 에너지를 브레이킹 요소를 사용하여 소산시키기 위해서는 와이어로프 1개당 P1은 경간 당 2개씩 3경간에 총 6개(=약 30.6 kJ), P2는 경간 당 1개씩 3경간에 총 3개(=약 35.7 kJ)를 설치하는 것이 적절할 것이다. P2의 경우에 파열이 시작되는 강도가 91 kN인 반면에 P1의 경우에는 38 kN으로 나타났다. 파열강도가 큰 경우에 낙석이 여러 개의 와이어로프에 동시에 충돌한다면 브레이킹 요소가 파열되지 않고 에너지를 충분히 소산시키지 못하기 때문에 부적절한 거동이 나타날 가능성이 높아진다. 따라서 본 연구에서는 보다 안전 측의 설계를 위하여 하나의 와이어로프에 경간 당 2개씩 설치하는 파열강도가 작은 브레이킹 요소 P1을 선정하였다.
브레이킹 요소가 낙석방지울타리의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 4개의 해석모델을 구성하였다. 모델 별 해석조건은
Table 8과 같다.
Table 8
Analysis Conditions of S10, S11, S12, and S13 Model
Model |
Impact Location of Rockfall |
Weight of Rockfall |
S10 |
3/4 of a Span Length, Between the 6 and 7 Wire-rope |
160kg |
S11 |
3/4 of a Span Length, Between the 6 and 7 Wire-rope |
320kg |
S12 |
Center of a Center Span, 1/2 Fence Height |
160kg |
S13 |
Center of a Center Span, 1/2 Fence Height |
320kg |
Fig. 13(a)와
13(b)에는 경간 길이의 3/4위치에서 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프 사이에 160 kg과 320 kg의 낙석을 충돌시킨 S10과 S11 모델의 변형형상이 나타나있다. S10과 S11 모델이 모두 6번째와 7번째 와이어로프의 간격이 유지되면서 낙석의 관통을 방지하였다. 아래에서부터 위로 6번째와 7번째 와이어로프에 설치된 12개의 브레이킹 요소에 변형이 집중되었고 이 외의 다른 와이어로프에 설치된 브레이킹 요소는 변형을 겪지 않았다. S10과 S11 모델에서12개의 브레이킹 요소에 의하여 각각 100 kJ의 29.3%와31.1%의 낙석에너지가 소산되었기 때문에 낙석의 관통을 방지하였다.
Fig. 13
Deformed Shapes of S10 and S11 Models
Fig. 14(a)와
14(b)에는 ETAG 27의 낙석충돌위치(중앙경간중앙에서 기둥 높이의 1/2 위치)에 160 kg과 320 kg의 낙석을 각각 충돌시킨 S12와 S13 모델의 변형형상이 나타나있다.
Fig. 14
Deformed Shapes of S12 and S13 Models
S12와 S13 모델이 모두 낙석의 관통을 방어하였다. 아래에서부터 위로 7번째, 8번째, 그리고 9번째 와이어로프에 설치된 18개 브레이킹 요소에 변형이 집중되었고 이 외의 다른 와이어로프에 설치된 브레이킹요소는 변형을 겪지 않았다. S12와 S13 모델에서 18개의 브레이킹 요소에 의하여 각각 100 kJ의 37.1%와 40.8%의 낙석에너지가 소산되었기 때문에 낙석의 관통을 방지하였다.
S10, S11, S12, 그리고 S13 모델의 구성요소별 소산에너지가
Table 9에 나타나있다. S10, S11, S12, 그리고 S13 모델에서 하나의 브레이킹 요소가 평균적으로 소산시킨 에너지가 각각 평균 2.4 kJ, 2.5 kJ, 2.0 kJ, 그리고 2.2 kJ로 상당히 작게 나타났다. 낙석이 여러 개의 와이어로프에 동시에 충돌하면서 낙석의 충돌하중이 예상보다 많은 브레이킹 요소로 분산되었기 때문으로 판단된다.
Table 9
Dissipated Energies of the Components of Rockfall Protection Fences
Model |
Energy of Rockfall Protection Fence (kJ) |
Rockfall Defence |
Wire-rope |
Net |
Post |
Binding Spiral Wire |
Spacing Maintainer |
Breaking Element |
Total |
S10 |
28.6 |
10.5 |
27.4 |
1.5 |
0.5 |
28.4 |
96.9 |
Yes |
S11 |
29.2 |
10.8 |
24.4 |
1.5 |
0.6 |
30.1 |
96.6 |
Yes |
S12 |
24.6 |
6.7 |
28.0 |
0.6 |
1.6 |
36.3 |
97.8 |
Yes |
S13 |
23.5 |
6.3 |
26.7 |
0.7 |
0.8 |
40.0 |
98.0 |
Yes |
간격유지대를 아래에서부터 위로 10번째 와이어로프까지 연결하고 한 경간에 0.375 m 간격으로 7개의 간격유지대를 설치하는 설계와 파이프의 파열에너지를 이용하는 브레이킹요소를 하나의 와이어로프에 경간 당 2개씩 설치하는 설계가 100 kJ의 낙석충돌에너지를 방어할 수 있었다.
간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계와 브레이킹 요소를 적용하는 설계의 경간 당 강재 증가량은 각각 108 cm3과 190 cm3이다. 브레이킹 요소를 적용하는 설계가 간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계에 비하여 경간 당 강재증가량이 1.76배 더 크게 나타났다. 간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계의 경우에 U볼트를 이용하여 와이어로프에 연결하는 방식으로 간격유지대가 설치된다. 그리고 브레이킹 요소를 적용하는 설계의 경우에는 파이프의 안쪽으로 와이어로프가 들어갔다 나오게 되는 구조로 브레이킹 요소가 와이어로프에 연결된다. 간격유지대의 설치간격을 조정하는 설계가 브레이킹 요소를 적용하는 설계에 비하여 시공성이 우수할 것으로 조사되었다.
국외의 경우에 300 kJ 이상의 낙석충돌에너지를 효율적으로 소산시키기 위해서 브레이킹 요소가 낙석방지울타리에 적용되고 있다. 낙석충돌에너지가 증가할수록 에너지를 효율적으로 소산시킬 수 있는 에너지 소산 Mechanism의 선정이 매우 중요하게 요구되고 있다. 본 연구에서는 300 kJ 이상의 낙석충돌에너지를 방어할 수 있는 낙석방지울타리의 개발 가능성을 증진시키기 위하여 브레이킹 요소를 적용하는 설계를 실물충돌시험용 100 kJ 낙석방지울타리로 선정하였다.