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1 J. Korean Soc. Hazard Mitig. Vol. 20, No. 6 (Dec. 2020), pp.197~207 ISSN (Print) ISSN (Online) 지반방재 고성능낙석ㆍ토석대책시설용에너지감쇄장치개발연구 Development of Energy-Dissipating Device for Rockfall and Debris-Flow Barriers 서상훈 * 최민형 ** Seo, Sanghoon *, and Choi, MinHyong ** Abstract In this study on the development of energy-dissipating devices, a significant component of the ring-net system was investigated for the localization of a high-performance rockfall fence and debris flow barriers. The energy-dissipating device was developed as a structure that dissipated the resistance and frictional forces generated by the pipe passing through two steel bars, and the tensile force was transmitted by utilizing the pipe deformation. The performance of the developed energy-dissipating device was verified through simulation analysis and tensile tests. It was confirmed that the most effective dissipating device was made of a D t pipe subjected to a rolling interval of 40 mm, and the device exhibited an energy-dissipating performance of kj/m. Key words : Rockfall Barrier, Debris Flow Barrier, Rockfall, Debris Flow, Energy Dissipating Device 요 지 본연구에서는 100% 해외기술이적용되고있는고성능낙석방지울타리및토석류대책시설용링형네트시스템의국산화를위하여링형네트시스템의주요구성요소인에너지감쇄장치개발연구를수행하였다. 개발된에너지감쇄장치는파이프가 2 개의강봉을통과하며발생하는저항력과마찰력, 파이프변형을활용하여전달되는인장력을감쇄시키는구조로개발되었다. 개발된에너지감쇄장치는시뮬레이션분석과실물인장시험을통해그성능을검증하였으며, 가장효과적인 D t 파이프와롤링간격 40 mm 로구성된감쇄장치는 52.8~60.2 kj/m 의감쇄성능을갖는것으로확인되었다. 핵심용어 : 낙석방지울타리, 토석류포획망, 낙석, 토석류, 감쇄장치 1. 서론 낙석ㆍ토석대책시설이란낙석및토석류발생을예방하고피해를저감시키기위하여설치하는시설물로낙석방지망, 낙석방지울타리, 낙석방지옹벽, 피암터널, 토석류대책시설등으로분류된다 (KDS 낙석ㆍ토석대책시설설계기준 ; MOLIT, 2016a). 이중낙석방지시설은설계, 시공성및경제성으로인하여전체위험비탈면에대한대책공법중 70% 이상을차지하고있으며, 낙석방지울타리는낙석방지시설의 20% 를차지하고있는것으로알려져있다 (KICT, 1999). 낙석방지울타리가폭넓게활용되고있음에도불구하고낙석방지울타리에관한성능기준과설계방법등에대하여건설공사비탈면설계기준및표준시방서 (MOLIT, 2016b), 도로안전시설설치및관리지침 (MLTM, 2008) 에서명기하고있으나방호성능 48, 61 kj 에상응하는낙석방지울타리에국한되고있기때문에그이상의방호성능을갖는고성능낙석방지울타리에관한기준은미흡한실정이다. 특히, 고속도로시설물안전및유지관리실태감사결과고속도로에설치된낙석방지울타리는일반적으로발생하는 * 교신저자, 정회원, ( 주 ) 대한지오이엔씨기업부설연구소차장 (Tel: , Fax: , mccrux@naver.com) Corresponding Author, Member, General Manager, Daehan Geo Engineering & Construction Corporation ** 정회원, ( 주 ) 대한지오이엔씨기업부설연구소상무이사 Member, Managing Director, Daehan Geo Engineering & Construction Corporation 197

고속도로의낙석을충분히방호하지못하므로낙석방지울타리의성능을개선하여설치하도록권고받은바있으며, 국내에서발생한 17 개소의낙석피해사례를바탕으로낙석에너지를검토한결과 26~1,372 kj 범위에서평균 307 kj

케이블 (Cable), 지지부 (Foundation), 지주 (Post), 에너지감쇄장치 (Energy Dissipating Device) 등으로구성된다고정의하고있다 (Fig. 3). (a) Busan (2019.

Cases of Rockfall 본연구는위와같은고성능낙석방지울타리개발필요성에따라국내외적으로고성능낙석방지울타리및토석류포획망에가장많이활용되고있는링형네트시스템 (Fig.

(a) Rockfall fence Type (b) Debris-flow barrier Type Fig. 2. Example of Ring-Net Installation 2. 고성능낙석방지울타리용감쇄장치의정의및시험방법 2.

2.1.2 낙석방지울타리변형량조정효과와이어로프와감쇄장치의변위량은낙석포획시낙석방지울타리의변위량에영향을미치는데와이어로프와감쇄장치의허용변위가클수록지지부로전달되는하중은감소하게된다.

2 고속도로의낙석을충분히방호하지못하므로낙석방지울타리의성능을개선하여설치하도록권고받은바있으며, 국내에서발생한 17 개소의낙석피해사례를바탕으로낙석에너지를검토한결과 26~1,372 kj 범위에서평균 307 kj 로분석됨에따라이를바탕으로국내에적합한낙석방지울타리를 50~1,500 kj 의 9 등급으로분류하는것을제안하기도하였다 (Kim et al., 2015). 이와같은국내낙석방지울타리의성능부족으로인하여지속적인피해사례가발생하고있으며 (Fig. 1), 이에대한개선이요구되고있다. 각각 ETAG 027 (EOTA, 2008), NCHRP (AASHTO, 2015) 등의관련기준에따라방호성능 100~5,000 kj 에해당되는 9 가지등급의낙석방지울타리를규정하고있으며, 고성능낙석방지울타리시스템은네트 (NET), 케이블 (Cable), 지지부 (Foundation), 지주 (Post), 에너지감쇄장치 (Energy Dissipating Device) 등으로구성된다고정의하고있다 (Fig. 3). (a) Busan ( ) (b) 00 High way ( ) Fig. 3. Rockfall Barrier System Side View (ETAG 027) (c) Yanggu ( ) (d) Hwacheon ( ) Fig. 1. Cases of Rockfall 본연구는위와같은고성능낙석방지울타리개발필요성에따라국내외적으로고성능낙석방지울타리및토석류포획망에가장많이활용되고있는링형네트시스템 (Fig. 2) 개발을위한사전연구로서고성능낙석방지울타리의주요요소중하나인에너지감쇄장치 (Energy Dissipating Device) 의개발과성능검증을위하여수행되었다. (a) Rockfall fence Type (b) Debris-flow barrier Type Fig. 2. Example of Ring-Net Installation 2. 고성능낙석방지울타리용감쇄장치의정의및시험방법 2.1 고성능낙석방지울타리시스템고성능낙석방지울타리와관련하여유럽과미국의경우 이중주요구성요소중하나인에너지감쇄장치는일반적으로케이블과지지부사이에설치되며, 다음과같은두가지역할을수행함으로서낙석방지울타리시스템성능을결정하는데큰영향을미친다 지지부작용하중저감효과에너지감쇄장치는낙석포획시네트와케이블에의해 1 차적으로저감된충격에너지를지지부로전달하는과정에서에너지감쇄장치자체의변형을통해충격에너지를감쇄시키며, 이를통해지지부를효과적이고경제적으로설계할수있도록한다 낙석방지울타리변형량조정효과와이어로프와감쇄장치의변위량은낙석포획시낙석방지울타리의변위량에영향을미치는데와이어로프와감쇄장치의허용변위가클수록지지부로전달되는하중은감소하게된다. 그러나케이블의탄소성변형은상대적으로크지않기때문에고성능낙석방지울타리시스템의변형량은결국감쇄장치의변형량에의해결정된다. 이러한에너지감쇄장치는 Fig. 4 와같이다양한소재를활용한다양한형태의에너지감쇄장치가개발되어활용되고있다. 에너지감쇄장치는작용메커니즘에따라크게하중작용시감쇄장치자체의변형과변형량에의해에너지를저감시키는변형형 (Figs. 4(a)~(b), (i)) 과감쇄장치와와이어로프사이의마찰로억제시키는마찰형 (Figs. 4(c)~(e)), 변형형과마찰형을조합한복합형 (Figs. 4(f)~(h), (j)) 등으로분류된다. 198 한국방재학회논문집, 제 20 권 6 호 2020 년 12 월

(a) UMM (a) Tensile Test (b) MACCAFERRI (b) Simulation Fig. 5.

ISOFER-INCOFIL (e) IGOR-SAFE (f) ARTIGIANA COST (g) GEOBRUGG

, 2003; Castro-Fresno et al., 2009; Castanon-Jano et al.

위와 같은 에너지 감쇄장치에 대한 시험방법은 준정적시 험(Quasi-Static Test)으로 불리며, 일반적인

6의 A지점인 하중까지 하중-변위간 선형거동을 보이는 초기 탄성 구간(Initial Elastic Section)을

2 감쇄장치 시험기준 및 거동 양상 링형네트와 링형네트를 구성하는 요소자재들의 시험기 준은 ETAG 027에서

에너지 감쇄장치의 시험은 시혐시편의 고정과 시스템 안정 화를 위해 약간의 장력을 가하였다가 시험 시작전 장력을

5와 같다 이후 - 구간은 감쇄장치가 기능을 발휘하는 구간으 로 주요감쇄구간(Main Dissipation

3 (a) UMM (a) Tensile Test (b) MACCAFERRI (b) Simulation Fig. 5. Developement Example of Energy Dissipating Device (c) ISO200 (d) ISOFER-INCOFIL (e) IGOR-SAFE (f) ARTIGIANA COST (g) GEOBRUGG type 1 (h) GEOBRUGG type 2 (Grassl et al., 2003; Castro-Fresno et al., 2009; Castanon-Jano et al., 2017; Olmedo et al., 2017; Xu et al., 2018). 위와 같은 에너지 감쇄장치에 대한 시험방법은 준정적시 험(Quasi-Static Test)으로 불리며, 일반적인 시험 결과는 Fig. 6과 같은 양상을 띤다. 감쇄장치에 하중이 작용하면, Fig. 6의 A지점인 하중까지 하중-변위간 선형거동을 보이는 초기 탄성 구간(Initial Elastic Section)을 갖으며, 이후 감쇄장치의 특성에 따라 다양한 거동양상을 보이는데 이때 A지점은 감쇄장치 활성점(Activation Point)으로 정의 된다. Fig. 6. Typical Load-Displacement Curve from a Quasi-Static Test (i) TRUMER type 2 (j) TRUMER type 2 Fig. 4. Cases of Energy Dissipating Device in Rock Fall Barrier System 2.2 감쇄장치 시험기준 및 거동 양상 링형네트와 링형네트를 구성하는 요소자재들의 시험기 준은 ETAG 027에서 상세히 규정하고 있으며, 링형네트를 구성하는 에너지 감쇄장치에 관한 시험방법에 대해서도 서술하고 있다. 에너지 감쇄장치의 시험은 시혐시편의 고정과 시스템 안정 화를 위해 약간의 장력을 가하였다가 시험 시작전 장력을 0으로 셋팅하도록 하고 있으며, 시편이 파단될 때까지 2 mm./s의 속도로 인장력을 재하하여 시험을 수행하도록 하고 있다. 이와 같은 방법에 따라 에너지 감쇄장치에 대한 시뮬레 이션 및 실물성능시험을 수행한 사례의 예는 Fig. 5와 같다 이후 - 구간은 감쇄장치가 기능을 발휘하는 구간으 로 주요감쇄구간(Main Dissipation Mechanism Section)으로 정의되며, 감쇄장치의 특성에 따라 선형, 지그재그, 물결형, 복합형 등의 다양한 거동양상을 보인다. 감쇄구간이 끝나는 B지점인 하중은 감쇄장치 경화점(Stiffening Point)으로 정의되며, 이후의 구간은 케이블 거동 구간(Single Cable Behavior)으로 정의된다. 일반적으로 하중 이후에는 보조 케이블이나 추가거동 방지장치 등 감쇄장치의 특성에 따라 하중이 증가한 후 파괴되는 양상을 보인다(Castanon-Jano et al., 2017). 한편, 감쇄장치에 대한 준정적시험 후 도식화된 그래프에 서 하중-변위 그래프의 면적(Fig. 6의 빗금영역)은 다음 Eq. (1)에 의하여 감쇄장치가 발휘한 감쇄에너지로 정의할 수 있다. 고성능 낙석ㆍ토석 대책시설용 에너지 감쇄장치 개발 연구 199

4 (1) 여기서, = 감쇄에너지 (J) = 힘 (N) = 이동거리또는변위 (m) 3. 에너지감쇄장치개발 3.1 에너지감쇄장치구상기존개발된에너지감쇄장치중가장최근에개발된감쇄장치의경우 (Figs. 4(h), (j)) 마찰과변형특징을모두갖는복합형형태를띠고있으며, 감쇄장치몸체와부재의분리와결합이용이하도록고려되는등유지관리측면에서진보된형식을띠고있다. 특히동일한감쇄장치몸체에다양한형태와길이의감쇄부재를체결함으로서감쇄장치의성능을조절하기매우유리한것이특징이다. 본연구에서는최근개발되고있는에너지감쇄장치개발연구및사례를바탕으로유사한개념의감쇄장치를구상하였으며, 그결과는 Fig. 7 과같다. 고안된감쇄장치는감쇄장치몸체를감쇄부재인파이프가통과하면서발생하는변형과마찰에의해기능이발휘되도록고려하였으며, 추가적으로와이어로프를감쇄장치몸체에채결한후여유장을두고 지지부에연결함으로서감쇄장치가성능을다하거나파손될경우와이어로프가힘을발휘할수있도록하는등의안전장치를추가하였다. 3.2 감쇄부재선정및시험에너지감쇄장치의감쇄부재인파이프는경제성확보를위하여상용화된파이프를활용하는것으로결정하였으며, 에너지감쇄장치가낙석방지울타리상하부의메인케이블에연결되어지지부에결속되므로감쇄부재인파이프의파괴강도가메인케이블용와이어로프에준하는강도를갖는사양으로고려하였다. 고성능낙석방지울타리의경우일반적으로 Table 1 과같이방호성능등급에따라직경 D18~25 mm 의 IWRC 6 36 와이어로프를활용하고있으므로이를고려하여감쇄부재시험용파이프를선정하였으며, 그제원은 Table 2 와같다. 선정된감쇄부재시험용파이프를대상으로파이프가일정간격으로배치된강봉을통과하며발생하는거동양상을확인하기위하여 Fig. 8 과같은파이프롤링시험을수행하였다. 시험방법은 Fig. 8(a) 와같이롤링간격을조정할수있는외부지그와파이프시편을고정시키는내부지그로구성된파이프롤링시험지그 (Fig. 8(b)) 를고안하여 Fig. 8(c) 와 (a) Pre-operation Energy Dissipating Device (b) Post-operation Energy Dissipating Device Fig. 7. Conept of Energy Dissipating Device Table 1. Characteristic of Wire Rope (6 36 IWRC) for Rockfall Barrier Division D18 D20 D22 D25 Tensile Strength (kn) Rockfall Barrier Class ~ 1,000 kj class ~ 2,000 kj class 2,000 ~ kj class Table 2. Characteristic of Pipe for Energy Dissipating Device Division D60.5, 1.8t D60.5, 3.2t D60.5, 5.5t Area (mm) Tensile Strength (kn) 한국방재학회논문집, 제 20 권 6 호 2020 년 12 월

위와같은거동특성에따라감쇄장치용파이프의롤링간격은 40 또는 35 mm 가가장적합할것으로판단되며, 본연구에서는롤링간격 40 mm 를갖는감쇄장치를개발하였다. (a) Pipe Rolling Test Zig (c) Pipe Rolling Test Fig. 8.

10, 11 과같다. 감쇄장치몸체및강봉은일반구조용압연강재 (KS D 3503) 에적합한 SS275 강종을사용하였으며, 감쇄부재는일반구조용탄소강관 (KS D 3566) 및배관용탄소강관 (KS D 3507) 에적합한외경 D60.5 mm 의자재를사용하였다.

5t의배관용탄소강관 (KS D 3507) 을사용하였으며, 파이프롤링간격을 25, 30, 35, 40 mm로조정하여수행하였다. 본시험은핸드유압기로수행한개략시험으로서각시험조건이상이하여직접적인비교는힘들지만롤링간격이작을수록최대롤링하중이상승하였다 (Table 3).

Detail Design of Energy Dissipating Device Table 3. Result of Pipe Rolling Test Division Pipe Rolling Space (mm) 25 30 35 40 Max Load (kn) 95.6 85.

에너지감쇄장치시뮬레이션분석 4.1 에너지감쇄장치시뮬레이션분석현재에너지감쇄장치에대한실물성능시험에관한연구사례및재품개발사례가매우부족하기때문에재품개발에있어많은시행착오및반복시험이필요할것으로예상된다.

5 위와같은거동특성에따라감쇄장치용파이프의롤링간격은 40 또는 35 mm 가가장적합할것으로판단되며, 본연구에서는롤링간격 40 mm 를갖는감쇄장치를개발하였다. (a) Pipe Rolling Test Zig (c) Pipe Rolling Test Fig. 8. Pipe Rolling Test (b) Pipe Rolling Test Setting (d) Result of Pipe Rolling Test 3.3 에너지감쇄장치상세설계및제작에너지감쇄장치대한구상및감쇄부재에대한시험결과를바탕으로한에너지감쇄장치상세설계및시제품은 Figs. 10, 11 과같다. 감쇄장치몸체및강봉은일반구조용압연강재 (KS D 3503) 에적합한 SS275 강종을사용하였으며, 감쇄부재는일반구조용탄소강관 (KS D 3566) 및배관용탄소강관 (KS D 3507) 에적합한외경 D60.5 mm 의자재를사용하였다. 양단인지지부및와이어로프체결부는가장일반적으로사용하는미국연방규격 RR-C-271D Type IVA, Grade A, Class 3 에적합한샤클을사용하였다. 같이압축시험기에거치한후시험을수행하였다. 시험에사용된감쇄부재인파이프는직경 60.5 mm, 5.5t의배관용탄소강관 (KS D 3507) 을사용하였으며, 파이프롤링간격을 25, 30, 35, 40 mm로조정하여수행하였다. 본시험은핸드유압기로수행한개략시험으로서각시험조건이상이하여직접적인비교는힘들지만롤링간격이작을수록최대롤링하중이상승하였다 (Table 3). 그러나롤링간격 40, 35 mm 시험의경우시편의탄성거동이끝나고소성변형이시작되는감쇄부재의활성점 (Activation Point) 인 하중이확인되는반면, 롤링간격 30, 25 mm 시험의경우감쇄부재의활성점이명확히구분되지않은특징을보인다 (Fig. 9). Fig. 10. Detail Design of Energy Dissipating Device Table 3. Result of Pipe Rolling Test Division Pipe Rolling Space (mm) Max Load (kn) Load (kn) Fig. 9. Load-Displacement Curve of Pipe Rolling Test Result Fig. 11. Prototype of Energy Dissipating Device 4. 에너지감쇄장치시뮬레이션분석 4.1 에너지감쇄장치시뮬레이션분석현재에너지감쇄장치에대한실물성능시험에관한연구사례및재품개발사례가매우부족하기때문에재품개발에있어많은시행착오및반복시험이필요할것으로예상된다. 따라서본연구에서는설계된감쇄장치에대한성능확인을위해우선적으로상용유한요소해석프로그램인 Explict Dynamics 를활용하여동적구조해석을수행하였으며, 이를실물성능시험과비교하였다. 에너지감쇄장치에대한시뮬레이션은실제낙석발생시에너지감쇄장치의거동특성을고려하여전체거동시간을약 0.1 s 조건으로수행하였으며, 적용한입력물성치및모델링결과는다음 Table 4, Figs. 12~13 과같다. 고성능낙석ㆍ토석대책시설용에너지감쇄장치개발연구 201

2E+05 MPa 0.3 Table 5. Result of Energy Dissipating Device Simulation in Real Test Condition Division D60.5-1.8t D60.5-3.

6 (a) Modeling Element Dis. (mm) 755.4 785.5 820.6 Dis. (mm) - 816.4 - (kj/m) 12.5 50.1 143.

Modeling of Energy Dissipating Device for Simulation Fig. 14.

4 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 15.9 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다. 예상되는감쇄장치의성능은 12.5 kj/m로분석되었다. (a) 0.044 sec (b) 0.

Result of Energy Dissipating Device Simulation 특히, 감쇄장치의성능을결정하는감쇄부재인파이프는재료의비선형적인특성을고려하기위해 bilinear curve 를사용하였으며,

6 Table 4. Characteristic of Energy Dissipating Device for Simulation Yield Strength Modulus of Elasticity Poisson s Ratio 355 MPa 2E+05 MPa 0.3 Table 5. Result of Energy Dissipating Device Simulation in Real Test Condition Division D t D t D t Load (kn) Load (kn) Load (kn) Dis. (mm) (a) Modeling Element Dis. (mm) Dis. (mm) (kj/m) (b) Contact Condition (c) Constrain Condition (d) Load & Boundary Condition Fig. 12. Modeling of Energy Dissipating Device for Simulation Fig. 14. Load Displacement Graph of Energy Dissipating Device Test Result D t 재원의파이프를활용한감쇄장치 하중 4.4 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 15.9 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다. 예상되는감쇄장치의성능은 12.5 kj/m로분석되었다. (a) sec (b) sec Fig. 13. Result of Energy Dissipating Device Simulation 특히, 감쇄장치의성능을결정하는감쇄부재인파이프는재료의비선형적인특성을고려하기위해 bilinear curve 를사용하였으며, 그외다른부재들은선형재료를적용하여수치해석을수행하였다. 4.2 시뮬레이션결과감쇄장치에대한시뮬레이션결과는 Table 5, Fig. 14 와같다 D t 재원의파이프를활용한감쇄장치 하중 13.3 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 59.5 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다. 예상되는감쇄장치의성능은 50.1 kj/m로분석되었다 D t 재원의파이프를활용한감쇄장치 하중 40.7 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다. 예상되는감쇄장치의성능은 kj/m 로분석되었다. 한편, 하중은감쇄부재인파이프롤링시험시확인된하중 36.5 kn 보다높은것으로분석되었는데이는파이프롤링시험시파이프에가해지는하중방향이파이프의축방향과동일하였지만감쇄장치에가해지는하중방향은감쇄장치몸체와파이프의간섭으로인하여파이프의축방향에서 15 기울어져발생하기때문인것으 202 한국방재학회논문집, 제 20 권 6 호 2020 년 12 월

로판단된다. 감쇄부재인파이프두께에따른 3 가지형식의감쇄장치에대한시뮬레이션결과 D60.5-3.2t 제원의파이프를감쇄부재로선정하여제작한감쇄장치가가장적합할것으로판단된다. 따라서본연구에서는 D60.5-1.8t 파이프를활용한감쇄장치실물시험 1 회, D60.5-3.2t 파이프를활용한감쇄장치실물시험 3 회, D60.5-5.

1 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다 (Fig. 19(a)). 예상되는감쇄장치의성능은 12.2 kj/m로분석되었다. 5. 에너지감쇄장치의실물성능실험 5.1 실험방법개발된에너지감쇄장치에대한실물성능시험은국내에에너지감쇄장치에관한시험관련기준이마련되어있지않기때문에공인인증시험기관인 한국건설시험원부설유니콘기술연구소와그방법을조율하여수행하였다 (Fig.

2 실험결과감쇄장치에대한실물성능시험은 Fig. 17 과같이 D60.5-1.8t 5.2.2 D60.5-3.2t 제원의파이프를활용한감쇄장치 하중 10.0~12.5 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 39.9~42.6 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다 (Figs. 19(b)~(d)). 예상되는감쇄장치의성능은 52.8~60.

감쇄장치에대한실물시험결과감쇄장치활성점인 하중은시뮬레이션결과대비유사하거나높게측정되었으며, D60.5-5.5t 제원의파이프를활용한감쇄장치의경우시뮬레이션보다약 1.65 배높은값으로측정되었다 (Fig. 20). 이와같은이유는감쇄장치몸체를와이어로프에체결할때 Fig.

7 로판단된다. 감쇄부재인파이프두께에따른 3 가지형식의감쇄장치에대한시뮬레이션결과 D t 제원의파이프를감쇄부재로선정하여제작한감쇄장치가가장적합할것으로판단된다. 따라서본연구에서는 D t 파이프를활용한감쇄장치실물시험 1 회, D t 파이프를활용한감쇄장치실물시험 3 회, D t 파이프를활용한감쇄장치실물시험 1 회를수행하였으며, 그결과는다음과같다. 1 회, D t 3 회, D t 1 회, 총 5 회를수행하였으며, 그결과는 Table 6, Figs. 18~19 와같다 D t 제원의파이프를활용한감쇄장치 하중 4.2 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 12.1 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다 (Fig. 19(a)). 예상되는감쇄장치의성능은 12.2 kj/m로분석되었다. 5. 에너지감쇄장치의실물성능실험 5.1 실험방법개발된에너지감쇄장치에대한실물성능시험은국내에에너지감쇄장치에관한시험관련기준이마련되어있지않기때문에공인인증시험기관인 한국건설시험원부설유니콘기술연구소와그방법을조율하여수행하였다 (Fig. 15). 실물성능시험은유럽관련기준인 ETAG 027 에준하여수행하였으며, 시험시계측데이터는 LVDT 에의한변위와 Load Sell 에의한하중을측정하였다 (Fig. 16). Fig. 15. Experimental Device (a) LVDT Installation (b) Load Sell Installation Fig. 16. Installataion Position of Sensors 5.2 실험결과감쇄장치에대한실물성능시험은 Fig. 17 과같이 D t D t 제원의파이프를활용한감쇄장치 하중 10.0~12.5 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 39.9~42.6 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다 (Figs. 19(b)~(d)). 예상되는감쇄장치의성능은 52.8~60.2 kj/m로분석되었다 D t 제원의파이프를활용한감쇄장치 하중 67.2 kn까지초기탄성구간을갖으며, 감쇄장치경화점인 하중 kn까지감쇄장치가기능을발휘하는주요감쇄구간을갖는다 (Fig. 19(e)). 예상되는감쇄장치의성능은 kj/m로분석되었다. 감쇄장치에대한실물시험결과감쇄장치활성점인 하중은시뮬레이션결과대비유사하거나높게측정되었으며, D t 제원의파이프를활용한감쇄장치의경우시뮬레이션보다약 1.65 배높은값으로측정되었다 (Fig. 20). 이와같은이유는감쇄장치몸체를와이어로프에체결할때 Fig. 21(a) 와같이감쇄장치몸체에 3/4 샤클을 2개체결한후 1 샤클로고정부 ( 또는와이어로프 ) 에연결하였는데연결된샤클이감쇄부재인파이프에밀착되면서마찰을발생시켜감쇄부재인파이프의롤링시하중을상승하게한것으로판단된다 (Fig. 21(b)). 감쇄장치경화점인 하중까지인 - 구간의경우시뮬레이션에서지속적으로하중이증가하는것으로분석되었으나실제실물성능시험결과하중이증가된후유지되거나증가한후소폭감소하는특성을보이며, 경화점인 하중직전에 5~10 kn이감소하는경향이확인되었다. 이는감쇄부재인파이프의변형이한계이상으로발생하는것을억제하기위하여스토퍼역할을하는볼트를체결하기위하여파이프를천공하였기때문인것으로판단된다 (Fig. 22). 한편, 감쇄장치의최대하중인 하중의경우 Stopper가모델링이되지않은시뮬레이션에서는확인이되지않으나 Stopper를설치한실물시험에서는확인된다. D t 제원의파이프를활용한감쇄장치의경우 하중은 하중대비약 20 kn 증가되며, D t 제원의파이프를활용한감쇄장치의경우 하중은 하중대비약 40 kn 증가되는것을확인하였다. 이는 Stopper로활용되는볼트의강도뿐만아니라 Stopper가설치되는파이프의강도에의해서도영향을받기때문인것으로판단된다. 고성능낙석ㆍ토석대책시설용에너지감쇄장치개발연구 203

8 (a) D t (b) D t, Test 1 (c) D t, Test 2 (d) D t, Test 3 (e) D t Fig. 17. Energy Dissipating Device Test Setting (a) D t (b) D t, Test 1 (c) D t, Test 2 (d) D t, Test 3 (e) D t Fig. 18. Result of Energy Dissipating Device Test (a) D t (b) D t, Test 1 (c) D t, Test 2 (d) D t, Test 3 (e) D t Fig. 19. Load-Displacement Curve of Energy Dissipating Device Test Result 204 한국방재학회논문집, 제 20 권 6 호 2020 년 12 월

Table 6. Result of Energy Dissipating Device Tensile Test Division D60.5-1.8t D60.5-3.2t Test 1 D60.5-3.2t Test 2 D60.5-3.2t Test 3 D60.5-5.5t Load (kn) 4.2 11.8 10.0 12.5 67.2 Load (kn) 12.1 42.0 39.

2017) 와본연구를통해개발된감쇄장치의실험결과비교결과는 Table 7 과같다. 표와같이개발된감쇄장치중기존개발된감쇄장치와유사한거동을특성을보이는것은 D60.5-3.2t 와 D60.5-5.5t 파이프를감쇄부재로사용하는감쇄장치인것으로확인된다. Table 7. Comparison with Existing Energy Dissipating Device Division MACCA -FERRI GEO -BRUGG VARI GITECO Developmnets 1.

6 166.2 Load (kn) 95.0 260.0-140.0-160.0 30.2 82.7-85.8 - Dis. (mm) 150.0 26.5 12.7-38.0 53.0-100.0 10.6 6.7-9.9 28.8 Dis. (mm) 1010.0-381.0 180.0-720.0 811.4 759.1-765.0 905.4 Dis. (mm) 1035.0 920.

9 (a) Installation of Stopper (b) Effect of Stopper Fig. 22. Installation and Effect of Stopper 5.3 기존기술과의비교분석기존개발된감쇄장치에대한실험결과 (Castanon- Jano 특히 D60.5-3.

9 Table 6. Result of Energy Dissipating Device Tensile Test Division D t D t Test 1 D t Test 2 D t Test 3 D t Load (kn) Load (kn) Load (kn) Dis. (mm) Dis. (mm) Dis. (mm) (kj/m) et al,. 2017) 와본연구를통해개발된감쇄장치의실험결과비교결과는 Table 7 과같다. 표와같이개발된감쇄장치중기존개발된감쇄장치와유사한거동을특성을보이는것은 D t 와 D t 파이프를감쇄부재로사용하는감쇄장치인것으로확인된다. Table 7. Comparison with Existing Energy Dissipating Device Division MACCA -FERRI GEO -BRUGG VARI GITECO Developmnets 1.8t 3.2t 5.5t Fig. 20. Load Displacement Graph of Energy Dissipating Device Test Result Load (kn) Load (kn) Load (kn) Dis. (mm) Dis. (mm) Dis. (mm) (a) Occurrence of Friction (b) Deformation of Axis Fig. 21. Effect by Coupling Shackle (kj/m) (a) Installation of Stopper (b) Effect of Stopper Fig. 22. Installation and Effect of Stopper 5.3 기존기술과의비교분석기존개발된감쇄장치에대한실험결과 (Castanon- Jano 특히 D t 파이프를감쇄부재로활용한감쇄장치의경우기존개발된감쇄장치의거동특성과가장유사하며, 평균적인감쇄효과를발휘하는것으로확인되었다. D t 파이프를감쇄부재로활용한감쇄장치의경우초기거동 (, ) 은기존개발된감쇄장치와유사한거동을보이지만, 감쇄장치경화점하중 가상대적으로매우크기때문에전체적인감쇄효과는매우클것으로판단된다. 그러나 D t, D t 파이프를활용한감쇄장치의거동양상과다소상이하므로추가적인시험과검토가필요할것으로판단된다. 한편, D t 파이프를감쇄부재로활용한감쇄장치 고성능낙석ㆍ토석대책시설용에너지감쇄장치개발연구 205

10 의경우거동특성이기존개발된감쇄장치에비해매우낮은것으로확인되며, 이에따라고성능낙석방지울타리에대한감쇄장치로의사용은어려울것으로판단된다. 6. 결론 본연구는국내외에서고성능낙석방지울타리및토석류대책시설로활용되고있는링형네트시스템에대한국산화를위하여링형네트시스템의주요구송요소인에너지감쇄장치를개발하여시뮬레이션과실물성능시험을통해그성능을검증하였다. 개발된감쇄장치는감쇄부재인파이프가 2 개의강봉을통과하며발생하는저항력과마찰력, 파이프변형을통해전달되는인장력을감쇄시키는구조로개발되었다. 이와같은구조는주요감쇄부재인파이프의연장과제원을조정하거나강봉의간격을조정하여감쇄장치의성능을조절하기용이한특징을갖는다. 본연구를통해외경 60.5 mm 의파이프를감쇄부재로활용할경우 2 개강봉의롤링간격은 40 mm 가가장적당한것으로확인되었으며, 이를바탕으로파이프의두께에따라 1.8t, 3.2t, 5.5t 3 가지형식의감쇄장치를제작하여시뮬레이션과실물성능시험을수행하였다. 개발된감쇄장치에대한시뮬레이션결과감쇄부재인파이프의두께에따라 1.8t, 3.2t, 5.5t 각각 12.5, 50.1, kj/m 의감쇄성능을발휘할것으로분석되었으나실물성능시험결과 12.2, 52.8~60.2, kj/m 의감쇄성능을발휘하는것으로확인되었다. 실물성능시험결과가높게측정된것은감쇄부재인파이프가감쇄장치몸체에체결된샤클과의간섭으로인하여보다마찰력이크게작용하였기때문인것으로판단된다. 그러나감쇄장치몸체에체결된샤클은감쇄부재인파이프가압착되는과정에서파이프를중앙에위치하도록가이드하는역할을수행하기때문에추가적인형상변경은수행하지않고최종시제품으로결정하였다. 기존개발된감쇄장치에대한실물실험사례와비교하여본연구를통해개발된감쇄장치중가장효용성이높은형식은 D t 의파이프를감쇄부재로하는 52.8~60.2 kj/m 의감쇄성능을갖는감쇄장치인것으로확인되었으며, 이를활용하여고성능낙석방지울타리및토석류대책시설국산화를위한링형네트개발에활용할계획이다. 감사의글 본연구는국토교통과학기술진흥원 2019 년국토교통기술촉진연구사업창의도전연구분야의연구비지원 (20CTAP -C ) 에의해수행되었습니다. References American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). (2015). Guidelines for certification and management of flexible rockfall protection systems. NCHRP Castanon-Jano, L., Blanco-Fernandez, E., Castro-Fresno, D., and Ballester-Muñoz, F. (2017). Energy dissipating devices in falling rock protection barriers. Rock Mech. Rock Eng., Vol. 50, No. 3, pp Castro-Fresno, D., del Coz Díaz, J.J., García Nieto, P.J., and Norambuena Contreras, J. (2009). Comparative analysis of mechanical tensile tests and the explicit simulation of a brake energy dissipater by FEM. International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation, Vol. 10, No. 8, pp European Organization for Technical Approvals (EOTA). (2008). Guideline for European technical approval of falling rock protection kits. ETAG 027. Grassl, H., Bartelt, P., Volkwein, A., and Wartmann, S. (2003). Experimental and numerical modeling of highly flexible rockfall protection barriers. Proceedings of 12th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Cambridge, Massachusetts, USA, pp Olmedo, I., Robit, P., Bertrand, D., Galandrin, C., Coulibaly, J., and Chanut, M.-A. (2017). Extended experimental studies on rockfall flexible fences. Proceedings of 6th Interdisciplinary Workshop on Rockfall Protection, Barcelona, Spain, pp Kim, K.D., Ko, M.G., Kim, D.S., and Moon, B.G. (2015). Performance assessment for rockfall protection systems I: Performance assessment criteria. Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 35, No. 1, pp Korea Institute of Construction Technology (KICT). (1999). Development and operation of road cut-slope management system (II). Ministry of Construction & Transportation. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTM). (2008). Installation and management guidelines of road safety facilities rockfall fence. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). (2016a). Design standard for falling rock and debris flow countermeasure facilities (KDS ). Korean Design Standard, Korea Constriction Standards Center (KCSC). Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT). 206 한국방재학회논문집, 제 20 권 6 호 2020 년 12 월

11 (2016b). Design standard of slope. Xu, H., Gentilini, C., Yu, Z., Qi, X., and Zhao, S. (2018). An energy allocation based design approach for flexible rockfall protection barriers. Engineering Structures, Vol. 173, pp Received September 24, 2020 Revised September 28, 2020 Accepted October 5, 2020 고성능낙석ㆍ토석대책시설용에너지감쇄장치개발연구 207

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Æ÷Àå½Ã¼³94š Cho, Mun Jin (E-mail: mjcho@ex.co.kr) ABSTRACT PURPOSES : The performance of tack coat, commonly used for layer interface bonding, is affected by application rate and curing time. In this study, bonding