2.1 교통신호등주 단체표준

한국 도로교통 시설물 공업협동조합에서 2022년 발간한 “교통신호등주 단체표준”은 측주식 횡형 교통신호등주의 형식, 구성요소 및 기본 치수를 규정한 기준이다(KRTFIC, 2022). 교통신호등주를 지주, 부착대, 받침부, 와이어, 플랜지로 구성된 일체형 구조로 정의하고 있으며, 특히 바닥판-지주 연결부와 지주-부착대 연결부에는 국부 응력집중을 완화하고 강성을 보강하기 위한 목적으로 보강판부착을 요구하고 있다. 또한 교통신호등주의 형식은 부착대의 개수에 따라 단방향 신호등주와 양방향 신호등주로 분류하며, 지역별 풍속 조건에 대응할 수 있도록 설계풍속 범위를 제시하고 있다.

단체표준에서 제시하는 형상 및 치수를 Figs. 1, 2와 Tables 1-3에 정리하였다. Table 1은 A형 및 B형 교통신호등주의 지주부 치수를 제시하고 있으며, 지주 길이, 저부 및 상부 외경, 두께를 나타낸다. Fig. 1은 A형 교통신호등주 부착대의 형상을 나타낸 것으로, 지주 상단에 원형 강관 부착대가 연결된 측주식 횡형 구조로 부착대는 원형 단면을 가지며, 길이 방향을 따라 3개 단면(l₁, l₂, l₃)으로 구분되는 변단면 구조로 구성되어 있다. 각 변단면 사이에는 2개의 용접부가 존재하여, 용접부를 기준으로 단면 치수가 단계적으로 변화하는 형상으로 Table 2에서 A형 부착대의 원형 강관형 부착대 치수를 나타내고 있다. Fig. 2는 B형 교통신호등주 부착대를 나타내며, 부착대 단면이 팔각형으로 설계된 테이퍼형 구조로 Table 3에서와 같이 D₁은 지주부와 접합되는 팔각형 단면의 외경, D₂는 부착대 끝단 팔각형 단면의 외경을 의미하며, 부착대는 길이 방향으로 갈수록 단면 크기가 감소하는 테이퍼 형상 및 용접부가 없는 것이 가장 큰 특징이다.

Fig. 1

A Type Mast Arm

Fig. 2

B Type Mast Arm

Table 1

Support Dimension (A, B Types)

Table 3

B Type Mast Arm Dimension

Table 2

A Type Mast Arm Dimension

2.2 검토 모델 선정

본 연구에서 구조해석 및 내풍성능 평가를 위해 사용할 대상 모델을 단체표준을 기반으로 연구 대상은 단방향 교통신호등주, 지주 길이 8 m, 부착대 길이 7 m인 형식을 채택하였다. 해안지역에 대다수 설치되어 있고 실제 피해 사례가 많이 보고되는 형식은 Fig. 1에 제시된 A형 교통신호등주로, 단체표준에서 지역별 풍속기준 45 m/s에 대응하도록 설계된 형식이며, B형은 2019년부터 단체표준에 추가된 형식이다. 따라서 반복적인 파괴사례가 보고된 A형과, 단면 형상이 상이한 B형을 비교대상으로 선정하였으며, 두 형식 모두에 기본풍속 50 m/s를 적용한 단면 형상을 구조해석 모델로 사용하였다. 이를 통해 동일한 설계풍속 조건하에서 강관형(A형)과 테이퍼형(B형) 부착대의 내풍성능 및 파괴거동 차이를 정량적으로 분석하고자 한다.

3. 푸시오버 구조해석

교통신호등주의 대표 형식인 A형과 B형을 대상으로 비선형 푸시오버 해석을 수행하고, 푸시오버 곡선과 여유강도비(Guo et al., 2011; Jang and Song, 2017)를 구하여 내풍성능을 정량적으로 평가하였다.

특히 경찰청의 “2024년 교통신호기 설치⋅운영 업무편람”(KNPA, 2024)에서 설계기본풍속 상향(부산 지역 45 m/s → 50 m/s)에 따른 구조 성능 변화를 분석하고, 단면 형상(강관형 vs 테이퍼 팔각형) 및 부착대 응력 집중 특성에 따른 파괴유형을 비교하였다. 아울러 해안가 환경에서 반복적으로 보고되는 부식에 의한 단면 손실을 고려하여, 부식 취약부에서 발생할 수 있는 내풍 저항성능 저하와 구조적 취약성을 검토하였다.

3.1 구조해석 개요

교통신호등주의 유한요소 모델은 상용 유한요소 구조해석 프로그램인 ABAQUS 2019를 이용하였으며, Fig. 3은 좌표계를 포함한 전체 구조모델이다. 단, 좌표계의 원점은 지주와 지반이 만나는 지주 저부 위치로 하였다.

Fig. 3

Coordinate System of Traffic Light Pole Model

푸시오버 해석시 부착대와 지주의 내풍 성능을 평가하고 푸시오버 곡선을 구하기 위하여 Fig. 3의 -X 방향으로 수평 변위제어를 하였다.

부착대 및 지주는 얇은 판형 부재의 굽힘 거동을 효율적으로 모사하기 위해 Shell 요소로 모델링 하였고 4절점 감차적분 Shell 요소인 S4R을 사용하였다. 지주-부착대 접합부 등 국부 응력집중이 예상되는 부위는 Solid 요소 8절점 감차적분 요소인 C3D8R을 적용하여 모델링하여 거동을 보다 정밀하게 반영하였다(Jeon et al., 2015). Fig. 4는 A형 교통신호등주의 모델링 상세이다. 메쉬 크기는 전체 모델에 대해 약 4-50 mm의 범위에서 변화시켜 적용하였으며, 접합부 및 응력집중이 예상되는 부위는 주변 영역보다 조밀하게 메쉬를 분할하여 해석 정확도를 확보하였다. 최종 메쉬는 약 18만 7천개 수준이다.

Fig. 4

Traffc Light Pole Model (A Type)

교통신호등주의 Interaction 옵션의 경우, 부착대의 변단면 연결부위, 부착대와 지주 접합부위, 플랜지와의 접합부는 모두 용접하여 고정하기 때문에 본 모델에서 constraints-Tie 옵션과 Solid-to-Shell-Coupling 옵션을 적용하였다.

본 교통신호등주 모델의 지주 하단부 경계조건은 완전 고정으로 가정하여 모두 고정하였다.

본 연구의 재료 모델은 이선형(Bi-Linear) 재료 모델을 사용했고 재료의 물성치 제원은 SS275에 해당하는 밀도 7,850 kg/m³, 탄성계수 210 GPa, 포아송비 0.3, 항복강도 275 MPa, 인장강도 410 MPa을 적용하였다.

3.2 교통신호등주 유형별 비선형 구조해석

교통신호등주 형식 비교를 위한 모델링에서는 A형과 B형의 부착대 형상 효과에만 집중하기 위하여, 와이어는 모델링에서 제외하고 부착대 단부의 보강판을 모델에서 생략하여 단면 형상의 영향만을 평가하도록 하였다. 반면, 파괴유형 분석을 위한 정밀 해석 단계에서는 실제 구조 거동을 보다 충실히 재현하기 위해 부착대 단부 보강판을 포함하여 모델링을 수행하였다.

현재 설치되어 있는 다수의 교통신호등주는 기본풍속 45 m/s를 적용하여 설계 및 시공된 상태이다. 유형별 성능 비교를 위하여 A형 교통신호등주에 대해서는 설계기본풍속 45 m/s와 50 m/s 두 가지 단면 형상을 대상으로 비선형 푸시오버 해석을 수행하고, 내풍성능과 파괴 거동 차이를 비교⋅분석했으며, B형 부착대의 경우 단체표준에서 기본풍속 50 m/s 기준만 존재하므로, 50 m/s 모델에 대해 푸시오버 해석을 수행한 뒤 A형(50 m/s) 결과와 비교하였다.

3.2.1 A형 기본풍속별 교통신호등주 해석결과

Fig. 5는 A형 교통신호등주에 대하여 부착대 끝단 -X방향 수평변위를 제어를 통해 푸시오버 해석을 수행한 결과(반력-변위 곡선)를 나타낸 것이다. 기본풍속 45 m/s를 적용한 A형의 경우, 부착대 끝단 수평변위 제어 시 부재가 항복응력 275 MPa에 도달할 때 수평변위는 1,010 mm, 이에 대응하는 전단력은 2.1 kN으로 나타났다. 극한하중은 2.6 kN에 도달한 후 하중 저하가 발생하였다. 기본풍속 50 m/s를 적용한 A형의 경우, 항복 시 수평변위는 690 mm, 전단력은 2.3 kN, 극한하중은 3.9 kN으로 평가되었다.

Fig. 5

Pushover Curves of Type A (-X Direction Control at End of Mast Arm)

Tables 1, 2에서 확인되듯이, 기본풍속 50 m/s 모델은 45 m/s 모델에 비해 지주 및 부착대 단면 치수가 증가하므로, 극한하중이 1.5배 크게 나타났다. 또한 항복 이후 파괴에 이르기까지의 여유강도비(Reserve Strength Ratio, RSR)는 45 m/s 모델에서 1.24, 50 m/s 모델에서 1.70으로, 기본풍속 50 m/s를 적용한 단면 형상이 내풍 저항성 및 연성 측면에서 유리한 결과를 얻었다.

Fig. 6은 기본풍속 45 m/s A형 교통신호등주의 -X방향 변위제어 시 부착대 응력 분포를 나타낸 것이다. 변단면(l₁, l₂, l₃) 사이의 단면 변화 구간에서 응력 집중이 두드러지게 발생하였으며, 이로 인해 부착대 단부(플랜지 부근)보다 변단면 구간에서 먼저 항복 및 국부파괴(Local Failure)가 발생할 가능성이 높음을 확인하였다.

Fig. 6

Stress Distribution of Type A (-X Direction Control, V = 45 m/s)

한편 Fig. 7은 A형 교통신호등주의 지주 상단에 -X방향 수평변위를 제어하여 수행한 해석 결과(반력-변위 곡선)를 나타낸 것이다. 기본풍속 45 m/s 모델의 경우, 항복 시 지주 상단 수평변위는 320 mm, 이에 대응하는 전단력은 8 kN, 극한하중은 11 kN으로 나타났다. 기본풍속 50 m/s 모델과 비교하였을 때, 지주의 단면 치수가 크게 차이나지 않기 때문에 지주 상단 변위-반력 곡선상 내풍성능 차이는 상대적으로 크지 않음을 확인하였다.

Fig. 7

Pushover Curves of Type A (-X Direction Control at Top of Pole)

Fig. 8의 응력도 결과에 따르면, 지주-기초판 접합부 인근 하단부에서 응력이 크게 집중되어, 지주의 하단부가 파괴 취약부가 될 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 8

Stress Distribution of Type A (-X Direction Control at Top of Pole)

3.2.2 A, B형 교통신호등주 해석결과 비교분석

B형 교통신호등주는 단체표준에서 기본풍속 50 m/s 기준만 제시되므로, 본 연구에서는 기본풍속 50 m/s 적용 B형 모델에 대해 푸시오버 해석을 수행하고, 동일 기본풍속을 적용한 A형 모델 결과와 비교⋅분석하였다. Fig. 9는 A형 및 B형 교통신호등주에 대해 부착대 끝단 -X방향 수평변위 제어 시 얻어진 반력-변위 곡선 비교 결과를 나타낸 것이다. B형 교통신호등주의 경우, 부착대 끝단 변위제어 시 항복응력 275 MPa에 도달할 때 수평변위는 1,080 mm, 이에 대응하는 전단력은 3.3 kN, 극한하중은 4.1 kN으로 평가되었다.

Fig. 9

Pushover Curves of Type A, B (-X Direction Control End of Mast Arm)

동일 조건의 A형(50 m/s)과 비교할 때, 극한하중과 강성은 유사한 수준을 보이지만, B형은 팔각형 테이퍼 단면으로 인해 응력 분포가 보다 완만하게 형성되어 항복하중이 상대적으로 크게 나타나는 경향을 보였다. 이는 A형의 변단면 구간에서 발생하는 집중 응력이 B형에서는 변단면 구간이 없어 완화되고 있는 것으로 판단된다.

지주 상단 -X방향 변위제어 시의 B형 푸시오버 해석 결과는 Fig. 10에 제시하였다. 항복 시 수평변위는 320 mm, 전단력은 8 kN으로 나타나, 동일 기본풍속 50 m/s 조건에서의 A형 결과와 거의 일치하였다. 이는 Table 2에서 확인되는 바와 같이, 두 형식 모두 지주의 단면 치수가 동일하기 때문에 지주의 전반적 휨-전단 거동은 형식에 관계없이 유사하게 나타남을 알수 있다.

Fig. 10

Pushover Curves of Type B (-X Direction Control at Top of Pole)

Fig. 11의 응력도 결과를 보면, B형 교통신호등주는 A형과 상이한 파괴 진행 양상을 보인다. A형이 부착대 변단면 부위에서 가장 먼저 항복이 발생하는 것과 달리, B형은 부착대 끝단 플랜지 부착부에서 우선적으로 항복이 발생하였다. 즉, B형의 팔각형 테이퍼 단면은 중간 변단면에서의 응력집중을 감소시키는 대신, 단부 플랜지 부근에 응력을 집중시키는 경향이 있으며, 이로 인해 부착대 중간부에서 파괴가 발생할 가능성은 상대적으로 낮고, 단부 접합부가 주요 취약부로 작용할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 11

Stress Distribution of Type B (-X Direction Control)

3.3 부식 영향을 고려한 비선형 구조해석

노출형 강재 구조물인 교통신호등주는 설치 이후 장기간 동안 비⋅염분⋅오염물질 등 다양한 외부 환경에 노출되므로, 시간 경과에 따라 부식이 진행되기 쉬운 구조물이다. 부식이 진행되면 강관 단면 두께가 감소하여 유효 단면적과 단면계수가 줄어들고, 그 결과 하중 저항 능력이 저하되며 국부좌굴 또는 파단이 조기에 발생할 수 있는 취약부로 작용한다. Fig. 12는 해안가에 설치된 A형 교통신호등주의 실제 부식 사례로, 부착대 변단면 부위의 용접부 인근과 와이어 연결부 주변에 부식이 집중되는 양상을 확인할 수 있다.

Fig. 12

Corrosion of Traffic Light Pole

이와 같은 현장을 반영하여, 본 절에서는 부식으로 인한 단면 손실이 교통신호등주의 내풍성능 및 파괴거동에 미치는 영향을 푸시오버해석을 통해 평가하고자 한다.

3.3.2 해석 결과

부식 영향을 반영한 A형 교통신호등주 모델에 대해, 기존과 동일한 방법으로 ABAQUS 푸시오버해석을 수행하였다. 부식이 없는 기준 모델의 경우, 부착대 변단면 구간에서 응력집중이 발생하며, 변단면 부위에서 항복이 먼저 발생하는 것으로 나타났다. 반면, 부식 영향을 고려한 모델에서는 Figs. 13, 14에 나타나듯이, 부착대 단부 변단면 위치보다 부식으로 인해 단면이 감소된 구간에서 항복이 선행하여 일어나는 거동이 관찰되었다. 즉, 동일한 외력 조건하에서 부식 단면 손실부가 새로운 최소 단면 및 최대 응력 발생 위치로 기능하며, 실제 파괴가 시작되는 지배 취약부로 전환됨을 의미한다.

Fig. 13

Stress Distribution with Corrosion Effect

Fig. 14

Stress vs Displacement Curve

이 결과는, 부식에 의해 국부적으로 단면이 감소할 경우, 원래 설계 시 고려되었던 취약부(예: 변단면, 용접부 인근)와 함께 부식 손실부가 파괴를 유도할 수 있음을 정량적으로 보여주는 것이다. 따라서 교통신호등주의 내풍성능 평가 및 파괴유형 분석 시, 부식에 의한 단면 손실을 고려하지 않을 경우 실제 거동과 상이한 파괴유형 및 안전율을 평가할 가능성이 크다. 특히 해안지역과 같이 부식 환경이 가혹한 지역에서는, 부식 진행을 고려한 성능 저하 평가 및 보수⋅교체 기준 설정이 매우 중요함을 알수 있다.

4.1 강풍 피해사례 및 파괴유형 분류

본 연구에서는 문헌 조사 및 언론 보도 자료를 통해 국내에서 보고된 대표적인 강풍 피해사례를 수집하였으며, 이를 바탕으로 파괴 부재와 파괴 위치를 기준으로 한 분류 체계를 정립하였다.

교통신호등주의 파괴는 크게 모재 파괴(structural member failure)와 접합부 파괴(connection failure)로 구분된다. 모재 파괴는 부재 자체의 좌굴⋅파단에 의해 발생하는 파괴를 의미하며, 다음 두 가지로 세분할 수 있다. (i) 지주 파괴(support failure): 지주 부재에서 좌굴 또는 파단이 발생하는 유형으로 주로 지주 하단부, 기초판 인근의 최대 휨응력 발생 위치에서 발생한다. (ii) 부착대 파괴(mast arm failure): 부착대 중간부 또는 단부에서 파괴가 발생하는 유형이며, 캔틸레버 형상 특성상 단부 및 변단면 부근이 구조적으로 취약하다. 접합부 파괴는 지주-부착대, 지주-기초판, 플랜지-보강판-볼트 등의 연결부에서 발생하는 파괴를 의미하며, 부착대-지주 접합부 파괴, 기초 주각부(지주-기초) 파괴와 같은 형태로 나타난다. 지주 파괴의 경우 지주 좌굴, 지주-기초판 용접부 파손, 지주 하단부 부식에 의한 단면 감소 등이 주요 원인이다. 부착대 파괴의 경우 변단면 및 용접부에서의 응력집중, 반복풍에 의한 피로균열, 부착대 중간부 및 단부의 단면부식 등이 지배적인 취약요인이 된다. 접합부 파괴에서는 플랜지 및 보강판 주변의 응력집중, 용접부 피로, 볼트 조임 불량과 장기 노후화, 그리고 기초 콘크리트의 열화 및 앵커볼트 정착력 저하 등이 주요한 원인으로 작용한다.

Fig. 15는 이러한 분류 틀에 따라 정리한 대표적인 국내 피해사례를 나타낸 것이다. 사례 분석 결과, 대부분의 파괴는 모재 파괴, 그 중에서도 부착대 파괴가 다수를 차지하며, 일부 지주 파괴 사례도 보고되고 있음을 확인하였다. 각 사례의 개요를 요약하면 Table 4와 같다. Fig. 15와 Table 4의 (a)는 2018년 3월 서울시 종로구 대학로의 노후 신호등주 지주 하단부 파괴 사례로, 응력이 크게 작용하는 지주 하단부에서 부식이 진행된 상태에서 파괴가 발생한 것으로 추정된다. (b)는 2019년 9월 태풍 ‘링링’ 내습 시 인천시 연수구에서 발생한 부착대 단부 파괴 사례로, 캔틸레버 단부의 큰 휨모멘트에 의해 파괴가 발생한 것으로 판단된다. (c)는 2020년 9월 태풍 ‘마이삭’ 내습 시 제주국제공항 입구 신호등주의 부착대 단부 파괴 사례로, (b)와 유사한 유형의 부착대 단부 파괴로 분류 가능하다. (d)는 2019년 9월 태풍 ‘링링’ 내습 시 전라남도 무안군에서 발생한 부착대 중간부 파괴 사례로, 변단면 응력집중과 부식, 와이어 인장력 등의 복합 영향이 작용한 것으로 추정된다. (e)는 2019년 3월 충청남도 예산군 삽교읍에서 발생한 부착대 중간부 파괴 사례로, 보고 풍속은 7.9 m/s로 비교적 낮은 수준임에도 불구하고 파괴가 발생한 것으로, 구조적 취약상태(부식, 용접 결함 등)가 이미 상당히 진행된 상태였을 가능성이 크다. (f)는 2019년 9월 태풍 ‘링링’ 발생 시 인천시 송도국제도시에서 발생한 부착대 중간부 파괴 사례로, 강풍에 의한 변단면 및 부식 취약부에서의 국부파괴로 해석 가능하다.

Fig. 15

Failure Modes

Table 4

Representative Failure Cases of Traffic Light Poles Under Strong Winds

이상의 분석을 통해 교통신호등주의 강풍 피해는 부착대 파괴와 지주 파괴가 지배적인 모재 파괴 형태로 나타난다.

4.2 푸시오버 해석 기반 파괴유형 및 취약요인 분석

3장에서 수행한 단방향 교통신호등주의 푸시오버 해석 결과(기본 모델 및 부식 영향 모델)를 기반으로, Fig. 15의 피해사례와 비교⋅대응시켜 파괴 부위별 파괴유형을 기둥 하단부 파괴(Column Failure, CF)에 의한 지주 파괴, 부착대 중간부의 국부 파괴(Local Failure, LF)에 의한 부착대 파괴, 부착대 단부 파괴(Beam Failure, BF)에 의한 부착대 파괴로 분류할 수 있다. 이번 분석에서는 LF, BF, CF 세 가지 유형으로 체계화하였다. 또한 각 유형에 대해 푸시오버 해석에서 나타난 응력 분포 및 항복 진행 양상과, 현장 취약요인을 연계하여 분석하였다.

푸시오버 해석 결과에 따르면, A형 및 B형 교통신호등주에서 하중 증가에 따라 부착대와 지주, 그리고 접합부에 순차적으로 항복이 발생하며, 하중-변위 곡선의 비선형 구간에서 특정 위치에 소성변형이 집중되면서 파괴유형이 결정된다. 이러한 해석 결과는 Figs. 16-18에 제시한 바와 같이 다음 세 가지 대표 파괴유형으로 요약될 수 있다.

Fig. 16

LF (Local Failure) Mode

Fig. 18

CF (Column Failure) Mode

Fig. 16의 LF 파괴유형은 부착대 중간부 파괴로 부착대의 변단면 구간 또는 부식 손실부에서 국부적으로 항복 및 파단이 발생하는 유형이다. A형 부착대의 경우 변단면(l₁, l₂, l₃) 사이에서 응력집중이 발생하며, 3.3절에서 부식 손실을 반영한 푸시오버 해석 결과, 부착대 단부보다 부식 단면 손실 위치에서 먼저 항복이 개시되는 거동이 관찰되었다. 이는 Figs. 15(d)-15(f)에서 관찰된 부착대 중간부 파괴와 정성적으로 잘 부합한다. 주요 취약요인은 변단면 형상으로 인한 응력집중, 부착대 중간부 부식에 의한 단면 감소, 와이어 연결부 주변의 국부 응력집중 및 부식 등이다.

Fig. 17의 BF 파괴유형은 부착대 단부 파괴로 부착대 캔틸레버 단부에서 파괴가 발생하는 유형이다. 푸시오버 해석에서 부착대 끝단에 변위제어를 수행한 결과, 단부 및 변단면 인근에서 최대 휨응력과 전단응력이 발생하였으며, 특히 보강판이 부착된 경우 강성 불연속에 의해 변단면 인근 응력이 더욱 집중되는 것으로 나타났다. 이 유형는 Figs. 15(b), 15(c)와 같이 태풍 내습 시 부착대 단부에서 파괴가 발생한 사례와 일치하며, 캔틸레버 구조 특성상 단부가 구조적으로 가장 취약한 위치임을 확인할 수 있었다. 주요 취약요인은 단부 변단면 응력집중, 보강판 및 용접부 형상에 따른 국부 응력 집중, 반복풍 하중에 의한 단부 피로균열 등이다.

Fig. 17

BF (Beam Failure) Mode

Fig. 18의 CF 파괴유형은 지주부 파괴로 지주 하단부 또는 지주-기초판 접합부 인근에서 파괴가 발생하는 유형이다. 지주 상단 변위제어 푸시오버 해석 결과, 지주-기초판 접합부 인근 하단부에서 최대 휨응력이 발생하고, 이 부위에 소성힌지가 형성되는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 15(a)와 같이 지주 하단부 파괴 사례와 연계될 수 있으며, 특히 부식 및 콘크리트 기초 열화가 병행될 경우 CF 유형 발생 가능성이 증가한다. 주요 취약요인은 지주 하단부 최대 휨응력, 기초판 및 앵커볼트 인근 응력집중, 지주 하단부 부식 및 단면 감소, 기초 콘크리트 열화 등이 된다.