도로충격흡수시설의개발에관한연구 최기준 권용석 전주대학교토목환경공학과 (2010. 12. 6. 접수 / 2011. 10. 6. 채택 ) A Study on Development of Crash Cushion Ki-Jun Choi Yong-Seok Kwon Department of Civil and Environment Engineering, Jeonju University (Received December 6, 2010 / Accepted October 6, 2011) Abstract : The crash cushion has drawn a great attention because of its versatility, efficiency and simplicity in reducing the mortality and damages from traffic accidents. However, the existing cushion systems are high priced or have limited functions. The purpose of the study was to devise an improved crash cushion which can offer higher safety compared to the available ones at present. In addition, the conformity of the cushion with the facility standards was assessed through computer simulation for collision with vehicles. The novel cushion system adopts the used tires as shock absorber, which can not only secure cushioning effect but also reduce the production cost. Moreover, it is highly durable and easy to maintain and repair the damaged parts. According to the simulation using BARRIER VII program, the novel cushion system showed PHD of 17.4 g and 10.1 g for a frontal collision and a side collision, respectively. Based on the results, it could be concluded that the novel cushion system met the test standards in the guideline for road safety facility installation and management. Key Words : transportation, traffic safety, safety facility, crash cushion, simulation 1. 서론 * 우리나라의교통안전현황은, 매년조금씩감소하고있으나 09 년교통사고사망자가 5,838 명에이르는등, 교통사고사망자율이 OECD 30 개국가중 26 위라는열악한수준에머물러있는실정이다. 이러한교통사고의피해를줄이기위해교통사고를감소시키는또는사고의정도를완화시키는여러가지기술적인대안들이연구되고있다. 그중톨게이트, 분기점, 교각, 터널입구등에설치하는충격흡수시설은차량단독사고로인한인명피해를줄이는방안으로범용성, 효율성, 간편성등에서많은주목을받고있다. 충격흡수시설의기능은다음과같이정리된다. 첫째, 충격흡수시설은충돌한차량이받는충격에너지를흡수하거나소산시키는기능및탑승자를안전하게보호하는기능을갖는다. 둘째, 충돌차량을정지시키거나원래의방향으로유도시켜주는기능을갖는다. 즉차도를이탈한차량이충돌한우 To whom correspondence should be addressed. jisankys@jj.ac.kr 려가있는시설물을제거하거나이설할수없는경우시설물의전방에배치하여차량을안전하게감속시키거나충돌전의진행방향으로되돌려주는기능을갖는시설물이다. 충격흡수시설은적은시설비로높은설치효과를얻을수있다는것이세계각국에서증명되어현재시설의설치가늘어나고있는추세이다. 그러나외국에서개발된충격완화장치는여러종류가있으나고가이고수입시비싼로열티를지불해야하는문제가있다. 또한현재국내에서공인된제품은그기능이다소제한적이고외국의제품을모방한수준에그치고있다. 따라서현재설치되어있는충격흡수시설은그유용성에도불구하고초기설치비및차량충돌로인한부분파손시보수의어려움등관리상의문제점이있고이의개선요구가제기되고있다. 또한충격흡수시설물의중요도가높은만큼현재다양한시설이무분별하게설치되고있는현실을개선하여보다안전성이확보되고성능이인정되는시설의개발과설치가필요하다. 7
최기준, 권용석 본연구의목적은기존충격흡수시설의문제점을개선하고보다안전한시설의설치를위하여국내외의기술수준과설치기준등을정리 분석하고, 이를통해새로운충격흡수시설을설계하고자한다. 또한개선된충격흡수시설의실차충돌시험을대비한컴퓨터시뮬레이션을시행하여시설기준적합정도를검증하고자한다. 2. 문헌고찰 현재우리나라의충격흡수시설에대한지침및성능시험기준은국토해양부 ( 구건설교통부 ) 에서작성한각종지침들에 1-3) 정의되어있다. 우리나라의지침들에의하면충격흡수시설은탑승자와충돌차량을효과적으로보호할수있는기능을가져야하며이러한기능은실물충돌시험에의해평가한다. 실물충돌시험은시설을설치하고자하는도로의설계속도와기술수준등을고려하여시설물의등급을정하고이에따른충돌시험방법에따라시험을실시한다. 일본의 4) 경우충격흡수시설에대한성능평가기준이마련되어있지않다. 최근들어경량의발포콘크리트를이용한충격흡수시설개발등의열의를보이고있지만아직까지는아이디어나형식에있어미흡한실정이다. 일본의경우방호울타리나충격흡수시설등의도로안전시설보다는시선유도시설, 표지판, 조명시설등에치중하고있다고판단된다. 미국의 5) 충격흡수시설시설및설치기준은충격흡수시설의구조적인적합성, 탑승객의위험도, 차량궤적순으로구성되어있고, 이는각각국내성능평가기준의항목인충돌후충격흡수시설의거동, 탑승자보호성능, 차량의충돌후거동과일치한다고할수있다. 전체적으로국내기준이구체적인수치위주로되어있는반면에미국의기준은포괄적인규범적내용이많음을알수있다. 유럽의 6) 경우충격흡수시설기준은국내기준과거의같다. 이는우리나라의 2001 년충격흡수시설의성능평가기준이유럽연합의충격흡수시설기준을많이참조하였기때문인것으로분석된다. 특히독일, 프랑스를중심으로충격흡수시설의연간차량충돌시험회수가각각 70 여회에이를정도로다양한시설들이개발되고있다. 3.1. 현황 3. 기존충격흡수시설의문제점 국내에설치되어있는충격흡수시설들은충격을흡수하는주재료의종류에따라모래채움형, 폐타이어형, 고무형, 쿼드가드형, 철재형충격흡수시설등으로구분할수있다. 각각의특성과단점은 Table 1 과같다. Table 1 에서와같이저가제품은차량충돌시완충효과가떨어져운전자의안전을확보하지못하고, 차량의이상거동과비산물발생등의문제로 2 차사고를유발할수있다. 또한고가의제품은그유용성에도불구하고, 초기설치비과다및경미한차량충돌로인한부분파손시에도전체시설의보수필요등관리상의문제점이있어, 이의개선이요구된다. Table 1. Comparison of existing crush cushions 종류특성가격 모래채움 - 플라스틱박스안에모래충전 고속충돌부적합 - 충돌시파편발생 저가 폐타이어 - 강화플라스틱박스안에폐타이어를채워하부레일과고정 저가 - 충돌시파편발생 고무 - 부틸고무와지그재그형철재로충격흡수 중가 쿼드가드 - 충격흡수카트리지사용 (Quadguard) - 유지보수의어려움 고가 철재 - 철재의인장응력을이용 - 유지보수의어려움 고가 (a) Fig. 1. Damaged crush cushions. (b) 8 Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 5, 2011
도로충격흡수시설의개발에관한연구 Fig. 1 은 (a) 기준미비충격흡수시설이차량과운전자의안전을확보하지못한사례와 (b) 비산물로인한 2 차사고유발로작용하는사례이다. 4.1. 설계방향 4. 신규충격흡수시설의설계 본연구에서는기존시설들의문제점을보완하고, 장점들은받아들이는신규충격흡수시설을설계하고자하였다. 따라서신규충격흡수시설은다음과같은기준을고려하여설계에임하였다. 첫째, 고가의충격흡수카트리지대신에저가의폐타이어를충격흡수재로이용하여, 충격흡수능력을확보하면서제작비를절감시켜, 시장경쟁력을가진다. 둘째, 하단부탈선방지판의레일구조와중간판을도입하여, 높은내구성을지니면서부분파손시 유지보수가용이하도록한다. 셋째, 폐타이어를충격흡수시설본체를고정시키고, 측면부에가드레일을설치하여, 충돌시시설물잔해비산을최소화한다. 4.2. 충격흡수시설의설계신규충격흡수시설의구조는후방댐퍼, 중간판, 충격흡수재 ( 폐타이어 ), 가드레일로이루어져있다. 후방댐퍼는충격흡수시설을최종지지하며, 충격흡수고강도스프링을삽입하여차량충격시밀려오는차량의속도를완화시키고, 충돌후차량거동을기준이하로유지시킨다. 중간판은횡방향충돌에대한강성을나타내고정면충돌시완충재의강도를후방으로전달하는역할을한다. 중간판은측면을보강하는충격흡수고무를설치하고, 경미한측면충돌시가드레일을보호 1. 후방댐버설치 2. 하단부레일에중간판설치하여프레임완성 3. 폐타이어부착 4. 측면가드레일및전면부설치한완제품 Fig. 2. Design concept of new crush cushion 한국안전학회지, 제 26 권제 5 호, 2011 년 9
최기준, 권용석 하는여유움직임을확보하였다. 충격흡수제는폐타이어를사용하여제작단가절감과재료공급의용이함을추구하였다. 폐타이어는본체내에서와이어로고정되어사고시비산될소지를줄였다. 가드레일은도로에서일반적으로사용하는 3 W 형가드레일을사용하여제작비를줄였다. 가드레일은종방향및횡방향의충격에저항하며, 하단부탈선방지판의레일과롤러로연결된다. 레일과롤러의작동으로후방으로밀려갈때의탈선을방지할뿐만아니라유지보수의용이함을도모하였다. 5. 충격흡수시설의성능평가 충격흡수시설의성능평가는도로안전시설설치및관리지침 ( 차량방호안전시설편 ) 의기준을충족하여야한다. 실제차량을충격흡수시설에정면및측면으로충돌시켜적합기준준수여부를따진다. 일반도로에서많이사용하는 CC(Crash Cushion) 1 등급충격흡수시설의충돌조건및적합판정기준은 Table 2 와같다. 본연구에서는실차충돌테스트를수행하기전에시뮬레이션을통해신규충격흡수시설의성능을검증하였다. 차량충돌시거동을분석하는도구로서전산프로그램 BARRIER VII 7) 이사용되었다. 이프로그램은 1973 년미국에서개발되어많은구조물의해석과설계에사용되어그효율성이입증되어왔다. 이프로그램은기본적으로충돌을 2 차원평면상에서해 Table 2. Collision conditions & acceptable standard 시험항목충돌속도차량중량충돌각도적합기준 정면충돌 60 km/h 900~1,300 kg 0 탑승자가속도 <20 g 15 측면충돌 15 석하며대상구조물은적절한강도를나타내는프레임구조로모델링한다. BARRIER VII 에사용되는차량모델은집중질량과이를둘러싼일련의비선형스프링으로구성되어있으며, 실험에사용된차량모델은국산소형차에기초를둔모델로약 1200 kg 의차중을가지고있다. 정면충돌시충격흡수시설과차량의변위형상은 Fig. 3 과같다. 청색은충격완화시설이고, 적색은차량을나타낸다. 충격흡수시설의거동은충돌시발생하는충격에의해서종방향으로수축했다가다시차량을반동시키는것을볼수있다. 일반적으로충격완화시설은발생한소성변형을유지하지만완충재로사용된타이어의재료적특성때문에일반적인충격완화시설에비하여큰탄성변형량을보이고있다. Fig. 4 는측면충돌시의시뮬레이션결과이다. 차량과구조물이겹치는부분은차량의소성변형으로나타나게된다. 해석결과는측면에충돌한차량이충돌각을줄이면서충격완화장치를스쳐지나가는것을볼수있다. 차량충돌시운전자의안전을확보하기위해서는, 차량이 1 차충돌로인해발생되는 2 차충돌시탑승자가차량내부공간의가상면에부딪힐때머리가받게되는탑승자가속도 (PHD ; Post-impact Head Deceleration) 가 20 g 미만이어야한다. Fig. 3. Deformation of crash cushion's frontal collision. 10 Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 5, 2011
도로충격흡수시설의개발에관한연구 Fig. 4. Deformation of crash cushion's Side collision. 정면충돌 횡방향 종방향 측면충돌 Fig. 5. Time history of PHD. 시뮬레이션결과는 Fig. 5 와같은데 x 축은시간, y 축은탑승자가속도값이다. 신규충격흡수시설은정면충돌에서시간이력이여러개의첨두값을보이는있는데, 이는각타이어가압착되어강도가증가되는것을나타낸다. 가장높은탑승자가속도는최후의첨두값에서발생하였으며 17.4 g 의값을나타냈다. 측면충돌에서는종 횡방향 2 개의탑승자가속도가발생한다. 시뮬레이션결과최대탑승자가속도는횡방향 5.13 g, 종방향 10.1 g 로나타나모두기준에적합하였다. 또한충격흡수시설의성능기준에서요구하는, 충돌후차량의거동도탈출박스경계선내에서이루어졌고, 구성부재가도로상이나도로밖으로비산 한국안전학회지, 제 26 권제 5 호, 2011 년 11
최기준, 권용석 하여탑승자나제 3 자에게피해를줄만한요소를제공하지않았다. 한편시뮬레이션결과시설물의구성부재가차량내부공간을관통하지않았고, 탑승자에게큰부상을줄수있는차량내부공간의변이는없는것으로분석되었다. 6. 결론 본연구에서는기존충격흡수시설의문제점들을검토하고, 여러요소를감안한설계방향에따라신규충격흡수시설을설계하였다. 신규충격흡수시설은충격흡수재로폐타이어를사용하고새로운개념의부품설계를하여, 내구성과경제성을만족하면서제작공정은단순화하였다. 신규충격흡수시설에대한차량충돌시뮬레이션을수행하여충격흡수시설의성능을평가한결과, 신규충격흡수시설은탑승자가속도가정면충돌시 (17.4 g), 측면충돌시최대 (10.1 g) 로나타나 도로안전시설 설설치및관리지침 상의기준에적합한것으로분석되었다. 참고문헌 1) 국토해양부, 도로의구조 시설기준에관한규칙해설및지침, 2010. 2) 건설교통부, 도로안전시설설치및관리지침 - 차량방호안전시설편, 2001. 3) 건설교통부, 차량방호안전시설실물충돌시험업무편람, 2001. 4) 日本道路協會, 防護柵設置基準 同解說, 1998. 5) NCHRP 350 Report, Recommended Procedures for the Safety Performance Evaluation of Highway Feature, TRB 6) European Committee for Standardization, Road Restraint System, 1997. 7) Powell, G.H., A Computer Program for Evaluation of Automobile Barrier System, 1973. 12 Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 5, 2011