KR20010099475A - 다기능성 가드레일 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 교량이나 방호책의 가드레일의 난간이나 지주가 단순 철재 파이프, 알루미늄 파이프, 스테인레스 스틸 파이프를 사용하고 있는데, 이들의 강도, 에너지 흡수, 및 고비용의 단점을 보완하기 위한 것이다. 기존의 제품이나 구조는 단순히 파이프의 두께를 증가시키면서 강도의 증대를 도모하고 있으나, 이것이 승객 및 차량보호를 위한 충격에너지 흡수 대책은 아니며 비용만 증가시킨다. 본 발명은 알루미늄합금 발포재료를 사용하여 기포가 발생되며, 이는 내부의 폐쇄기공의 벌집구조와 내부 파이프를 사용하는 특징에 의하여 강도 및 충격에너지 흡수에 의한 차량 및 승객의 보호를 동시에 달성하면서 저 비용의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 구조물이다.

Description

다기능성 가드레일 구조 {The Structure of Multi-functional Guard Rail}

본 발명은 교량용 난간이나 방호책 등에 사용되는 가드레일 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가드레일을 특수한 구조로 충격력을 흡수하면서 지지강도를 향상시키며 비용의 감소효과를 얻을 수 있는 가드레일 구조에 관한 발명이다.

난간은 현재 철재 및 알루미늄을 주 소재로 하여 광범위하게 활용되고 있다.

특히 알루미늄은 외관 및 배기가스의 오염으로 인한 부식방지에 뛰어난 효과를 나타내고 있으며, 유지비용이 저렴하여 교량용 난간에 많이 사용되고 있다. 그러나 알루미늄은 충격굽힘 강도에서 일반 철 파이프류보다 떨어지기 때문에 이를 보완해주기 위하여 알루미늄 파이프의 두께(Thickness)가 매우 두꺼워지는 단점을 가지고 있다. 이는 강도에서뿐만 아니라 비용적인 측면에서 매우 불리하기 때문에 이에 대한 새로운 방법이 지속적으로 연구 개발되고 있으나 기존의 시스템 및 소재로는 개발에 대한 한계에 도달해 있는 실정이다.

본 발명은 기존의 난간이 필요로 하는 기능인 충분한 강도와 충돌시 에너지의 흡수로 인한 승객 및 차량의 보호기능, 및 저 비용 특성을 동시에 갖도록 하기 위함이다. 일반 철재나 알루미늄은 강도를 증대시키기 위하여 파이프의 두께를 두껍게 해야한다. 이는 곧 비용의 상승을 의미하기 때문에 기존의 기술로는 최소의 파이프 두께를 적용하는 결과를 초래하게 된다. 이는 충격에너지가 최소 적용범위를 벗어날 경우 치명적인 사고를 유발할 위험을 가지게 된다.

본 발명은 새롭게 개발된 알루미늄합금 발포재료라는 신소재를 난간의 보강재로 사용함으로서 기존의 난간 강도에 비해 최소 5배 이상의 증가와 아울러 차량이 충돌할 때 충격에너지를 70%이상 흡수하는 기능을 가지며, 동시에 비용 면에서도 종래의 압출 알루미늄 구조에 비하여 50% 이상 비용을 절감시킬 수 있는 구조를가진 다리 난간 및 지주에 관한 것이다.

본 발명이 가지고 있는 기존 제품과의 차이는 다음과 같다.

첫 째로 본 발명에 의하면 외부의 철재나 알루미늄 또는 스테인레스의 파이프 내부에 발포알루미늄(출원 번호 10-2001-0039373)을 발포시켜 충진하면 기존의 단일 파이프 구조에 비하여 최소 5배 이상의 강도 상승을 가져온다 [도 4, 5 참조]. 즉 고가의 알루미늄 파이프나 스테인레스 스틸 파이프의 두께를 최소로 얇게 한 상태에서도 충분한 충격강도를 얻을 수 있다.

두 번재로 충격에너지를 흡수하는 기능을 가지고 있다. 즉 기존의 제품으로 강도를 상승시키다 보면 가드레일에는 손상을 입히지 않으나 승객의 안전에 치명적인 충격에너지를 전달할 수 있다. 그러나 본 발명은 충돌시 발포재가 가지고 있는 폐쇄기공 및 벌집구조의 조직이[도 3 참조] 충돌에너지를 흡수함으로서 승객의 안전뿐만 아니라 벌집구조에 의한 높은 강도로 차량의 추락을 막을 수 있는 특징을 가지고 있다[도 4, 5 참조]. 즉 폐쇄기공내부에는 제조시 발생하는 수소가스가 잔류하고 있으며, 1-5mm 크기의 구조가 얇은 막으로 서로 연결되어 있으면서 [도 4]에서와 같이 소성영역에서 일반 금속에서 볼 수 없는 일정한 크기의 하중이 상당히 긴 영역(Plateau region)에 의해 많은 충격에너지를 흡수시켜주는 역할을 하게된다.

세 번째 기능으로 본 발명은 기존의 알루미늄이나 스테인레스 재질의 특성을 그대로 활용함으로서 미관을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 내부의 발포재와 보강재에 의하여 강도를 높이고 충격에너지 흡수기능을 유지하기 때문에 피복 파이프의 소재인 알루미늄이나 스테인레스 소재를 최소의 두께로 유지할 수 있어 비용절감의 효과를 아울러 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적 가드레일의 지주(기둥) 및 난간에 대한 구조 예이고,

도 2는 난간 또는 지주의 알루미늄합금 발포재료를 발포시킨 후 여러 형태의 구조도이고,

도 3은 알루미늄합금 발포재료의 폐쇄기공 및 벌집구조 형상이고,

도 4는 충격에너지 흡수 영역인 긴 소성변형 영역 및 강도증가 실험결과를 나타내는 그래프이고,

도5는 내부 A1 합금발포재료 토막 삽입시 곡강도에 미치는 영향을 평가한 실험 결과이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1-피복 파이프(또는 채널) 2-공 간

3-외부 파이프 4-알루미늄합금 발포재

5-내부 파이프

종래의 가드레일용 파이프의 구조는 [도 1]에 도시된 바와 같이 단면이 원형[도 2a참조] 이거나 또는 사각형 구조를 갖고 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 저 충격강도(예: 승용차급 충돌) 및 높은 충격흡수 에너지가 요구되는 곳에는 피복파이프(1)내에 알루미늄 합금발포재료(4)를 직접 발포하여 만든 구조인 도 2b가 적합하다.

중급 충격강도(예: 5톤 이하의 트럭급 충돌) 및 고 충격에너지 흡수가 요구되는 곳에는 외부파이프(3)을 알루미늄합금 발포재료(4)와 함께 피복파이프(1)에 삽입시키는 구조인 도 2c가 적합하다.

고 충격강도(예: 5톤 이상의 트럭충돌) 및 높은 충격흡수가 요구되는 곳에는 내·외파이프(5,3)사이에 알루미늄합금 발포재료(4)를 결합시킨 후 피복파이프(1)에 삽입하는 구조인 도 2d가 적합하다.

중간 이상의 충격강도(예: 5톤 이하의 트럭충돌) 및 높은 충격흡수가 요구되는 곳에는 알루미늄합금 발포재료(4)와 내부파이프(5)만 있는 상태로 피복파이프(1)에 삽입하는 구조인 도 2e가 적합하다.

낮은 충격강도(예: 승용차 충돌) 및 아주 높은 충격흡수가 요구되는 곳에는 속이 빈 알루미늄합금 발포재료(4)를 피복파이프(1)에 삽입하는 구조인도 2f가 적합하다.

이하에서는 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

알루미늄합금 발포재료(4)를 발포하게 되면 [도 3]에 도식된 바와 같이 폐쇄기공을 가지며, 각 각의 기공이 얇은 벽을 사이에 두고 결합구조를 갖는 벌집구조(Honeycomb)를 갖는다. 종래의 벌집구조물은 일 방향으로의 하중을 분산시키지만, 알루미늄합금 발포재료(4)는 원형구조이기 때문에 등방향성을 가지므로 모든 방향의 하중에 대하여 동일한 분산을 시킬 수 있는 특징이 있다. 또한 내부에는 발포 중에 생성된 수소가스가 채워진 폐기공으로 구성되어 있기 때문에 충격시 완충역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 밀도를 조절하여 에너지 흡수와 강도를 조절할 수 있는 특징이 있다. [도 4]에 도식된 바와 같이 알루미늄합금 발포재료(4)가 들어있지 않은 빈 파이프와 알루미늄 합금 발포재료(4)가 채원진 파이프의 강도가 적게는 5배에서 크게는 10배 이상의 상승효과를 나타내고 있다. 또한 에너지 흡수효과는 하중 그래프의 아래의 면적으로 표기되므로 발포재료가 채워진 파이프 구조가 종래의 파이프에 비하여 5배 이상의 에너지 흡수를 하는 특징을 나타내고 있다.

알루미늄합금 발포재료(4)를 제작하는 방법에서 비용의 절감, 공정의 단순화, 대량생산성을 위하여 긴 구조물의 채워질 알루미늄합금 발포재료(4)의 길이를 작은 길이로 분리하여 제작한 후 파이프내에 채웠을 때의 영향을 [도 5]의 실험결과에서 도식되어 있다. 결과에 의하면 여러 개를 각 각 발포시켜 장착하는 것이 강도를 오히려 상승시키는 결과를 나타내고 있다.

상기한 알루미늄합금 발포재료(4)를 [도 2b]와 같이 종래의 알루미늄이나 스테인레스 또는 철재 파이프의(1)내부에 발포시키면, 강도가 5배에서 10배 이상 상승하게 된다. 또한 [도 2b]에서 알루미늄 합금발포재료(4)의 밀도를 0.5 ∼ 1.0 g/㎤로 조절함에 따라 경차, 중형 승용차, 및 대형 트럭에 이르는 충격 강도의 범위를 다양하게 변화시킬 수 있다. 그러므로 고가의 압출 알루미늄이나 스테인레스스틸 파이프 두께를 최소로 얇게하거나 직경을 축소시키더라도 종래 난간 및 지주 구조물에 비하여 월등한 성능을 유지한다. 또한 상기한 알루미늄합금 발포재료(4)의 특성으로 차량 충돌시 충돌에너지 흡수가 뛰어나 승객 및 차량의 안전에도 큰 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 특징으로 내부에 추가적인 보강재를 삽입하여 발포시키면 강도에서는 내부 보강재의 두께 및 알루미늄합금 발포재료(4)의 밀도에 따라 20배 이상의 강도가 상승할 수 있는 특징이 있다. [도 2c]에서 충격강도를 높이고자 할 때 외부파이프(3)의 두께를 증가시키고, 충격 흡수율을 높이고자 할 때는 알루미늄합금 발포재(4)의 밀도를 0.5 ∼ 1.0 g/㎤로 조정하는 것이 적합하다. [도 2c]에 도식된 바와 같이 철 재질의 외부파이프(3)내에 알루미늄합금 발포재료(4)를 발포시킨 후 피복파이프(1)내에 삽입시킨다. 본 공정의 장점은 외부파이프(3)을 금형으로 발포를 시키기 때문에 피복파이프(1)의 표면처리를 해야하는 공정이 제외되며, 피복파이프(1)에 직접 발포시킬 때 발생할 수도 있는 열 변형을 방지하는 효과를 제공하는 장점이 있으며, 아울러 강도의 상승과 충격에너지 흡수 능력을 그대로 유지시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기에 기술된 바와 같이, 고 하중 차량의 보호를 위해서는 내부에 이중의보강재를 요구할 수 있다. [도 2d]에서 충격강도를 최대로 높이고자 할 때는 외부파이프(3)과 내부파이프(5)의 두께를 최대로 하고, 충격흡수율을 높이고자 할 때는 알루미늄합금 발포재(4)의 밀도를 0.5 ∼ 0.7 g/㎤ 범위로 하는 것이 적합하다. [도 2d]는 외부파이프(3)과 내부파이프(5) 사이에 알루미늄합금 발포재료(4)를 발포시켜 만든 구조물로 최대의 강도를 유지할 수 있는 구조물이다. 그러면서도 내부의 발포재료에 의하여 충격흡수에너지의 상승을 유지하는 장점이 있다. 본 구조물의 제작방법은 피복파이프(1)의 내경보다 약간 작은 외경을 가진 외부파이프(3)과 동심을 이루도록 내부파이프(5)를 구성하고 사이에 알루미늄합금 발포재료(4)를 발포시켜 내·외 파이프(5, 3)이 밀결합 상태로 제작된다. 이를 피복파이프(1)에 삽입시켜 만든 구조물이다. 제작방법에 있어서도 내·외파이프(5, 3)을 금형으로 삼아 발포시킨 후 피복파이프(1)에 장착하기 때문에 생산성이 증대되며, 피복파이프(1)의 열변형을 방지할 수 있는 특징이 있다. 상기에 기술한 바와 같이 길이가 짧은 구조물을 여러 개 삽입할 수 있는 장점이 있기 때문에 현장에서 시공하는데 편리함을 제공한다.

본 발명에 의한 다양한 형태의 발포 구조물은 국도나 고속도로 등의 조건에 맞게 구조물의 강도를 필요에 따라 제작할 수 있는 것을 특징으로 한다. [도 2e]에서 충격강도를 증가시키기 위해서는 내부파이프(5)의 두께와 직경을 조절하고, 충격흡수를 증가시키기 위해서는 알루미늄합금 발포재(4)의 밀도를 조절한다. [도 2e]는 상기 [도 2d]의 방법과 같이 제작한 것을 외부파이프(3)을 제거한 상태에서 피복파이프(1)에 삽입하는 제작방법이다. 본 발명의 특징은 중간 단계의 하중을 견딜수 있도록 만든 구조물이며, 이때 외부파이프(3)은 금형으로 반복적인 사용이 가능하기 때문에 제작비용의 절감 효과를 얻을 수 있는 특징이 있다.

[도 2f]에 도식된 구조는, 충격강도를 증가시키기 위해서는 피복파이프(1)의 두께를 조절하고, 충격흡수를 조절하기 위해서는 알루미늄합금 발포재료(4)의 밀도와 공간(2)의 직경을 조절한다. 상기 [도 2d]의 방법과 같이 제작한 후 내·외파이프(5,3)를 모두 제거한 구조물이다. 본 발명의 제작 특징은 내·외파이프(5,3)를 금형으로 활용하고, 발포 후 제거한 후 알루미늄합금 발포재료(4)만 피복파이프(1)에 장착하기 때문에, 사용된 내·외파이프(5,3)을 금형으로 반복 사용이 가능한 장점이 있어, 무게의 감소 및 비용의 절감효과를 얻을 수 있다. 또한 [도 2b]와 같이 피복파이프(1)내부 전체를 알루미늄합금 발포재료(4)로 모두 채울 경우 재료비의 상승을 가져온다.

본 발명은 종래의 압출 알루미늄 파이프 나 스테인레스스틸 파이프의 보강재료로 사용함으로서 피복 파이프의 크기(두께 및 외경)를 감소시켜 비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 높은 강도와 많은 충격에너지를 흡수할 수 있는 특징이 있어 승객과 차량을 보호해 줄 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 저 충격강도 및 높은 충격에너지 흡수가 요구되는 곳에 적합하도록 피복파이프(1)인 알루미늄, 또는 스테인레스스틸, 또는 철재 파이프(또는 형상 채널) 내부에 알루미늄 합금발포재료(4)를 한 개 또는 여러 토막 삽입하는 것을 특징으로 하는 구조. [도 2b 참조].
2. 제 1항에 있어서, 중급 충격강도 및 고 충격에너지 흡수가 요구되는 곳에 적합하도록 알루미늄 또는 스테인레스스틸 재질의 피복파이프(1)의 내경과 같은 크기의 철재 외부파이프(3) 내부에 알루미늄합금 발포재료(4)를 발포시킨 후, 피복파이프(1) 내부에 외부파이프(3)을 한 개 또는 여러 토막 삽입하는 것을 특징으로 하는 구조[도 2c 참조].
3. 높은 충격강도 및 높은 충격에너지 흡수가 요구되는 곳에 적합하도록 외부파이프(3)내에 작은 구경의 내부파이프(5)를 동심으로 삽입한 후, 상기 내·외파이프(5,3) 사이에 알루미늄합금을 발포하여 내·외파이프(5,3)사이가 알루미늄합금 발포재료(4)로 결합되도록 하고, 상기 피복파이프(1)내에 한 개 또는 여러 토막 삽입하는 것을 특징으로 하는 구조[도 2d 참조].
4. 중간 이상의 충격강도 및 높은 충격에너지 흡수가 요구되는 곳에 적합하도록제 3항에서 외부파이프(3)이 제거된 상태인 내부파이프(5)의 외주에 알루미늄합금 발포재료(4)가 감싸고 있는 구조물을 피복파이프(1)내부에 한 개 또는 여러 토막 삽입하는 것을 특징으로 하는 구조[도 2e 참조].
5. 낮은 충격강도 및 아주 높은 충격에너지 흡수가 요구되는 곳에 적합하도록 제 3항 또는 4항에 있어서, 외부파이프(3)과 내부파이프(5)를 모두 제거하여, 도우넛 형상의 순수한 알루미늄합금 발포재료(4)로 구성된 형상 구조물을 피복파이프(1)내부에 한 개 또는 여러 토막 삽입하는 것을 특징으로 하는 구조[도 2f 참조].