KR20150068930A - 콘크리트 종방향 강성 배리어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 종방향 강성 배리어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량충돌 시 탑승자의 보호를 위하여 탑승자 충격속도(THIV) 등과 충돌 후 차량의 전도 등을 고려한 최적의 단면형상의 이중 경사 각도를 갖는 콘크리트 종방향 강성 배리어에 관한 것이다.
본 발명은 차량 충돌 측면이 이중 경사 각도를 가지는 콘크리트 종방향 강성 배리어로서, 아래쪽 측면 경사 기울기가 지면과 70도이고, 위쪽 측면 경사 기울기가 지면과 85도를 이루며, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이가 450mm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 최적의 효율적인 이중 경사를 갖는 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어를 제공함으로써 차량이 중앙분리대에 충돌할 경우, 탑승자 충격속도(THIV), 탑승자 가속도(PHD) 및 차량 롤(Roll) 각도 등에 있어서 적합한 값을 나타내어 운전자의 안전을 확보하며, 최적의 효율적인 이중 경사를 갖는 중앙분리대를 개시함으로써 중앙분리대의 단면을 최소화할 수 있어 비용적인 면에서 경제성이 있다.

Description

콘크리트 종방향 강성 배리어{LONGITUDINAL CONCRETE BARRIER}

본 발명은 콘크리트 종방향 강성 배리어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량충돌 시 탑승자의 보호를 위하여 탑승자 충격속도(THIV) 등과 충돌 후 차량의 전도 등을 고려한 최적의 단면형상의 이중 경사 각도를 갖는 콘크리트 종방향 강성 배리어에 관한 것이다.

콘크리트 종방향 강성 배리어는 고속도로 중앙분리대용 배리어로 가장 광범위하게 사용되고 있는 ‘차량방호 안전시설’ 중 하나인 ‘방호울타리’이다.

‘차량방호 안전시설’이란 주행 중 진행 방향을 잘못 잡은 차량이 길 밖, 또는 대향 차로 등으로 이탈하는 것을 방지하거나 차량이 구조물과 직접적인 충돌을 방지하여 차량 탑승자 및 차량, 보행자 또는 도로변의 주요시설을 안전하게 보호하기 위하여 설치되는 시설을 말하며, 방호울타리’는 주행 중 정상적인 주행 경로를 벗어난 차량이 길 밖, 대향 차로 또는 보도 등으로 이탈하는 것을 방지하는 동시에 탑승자의 상해 및 차량의 파손을 최소한도로 줄이고 차량을 정상 진행 방향으로 복귀시키는 것을 주목적으로 하며, 부수적으로는 운전자의 시선을 유도하고 보행자의 무단 횡단을 억제하는 등의 기능을 갖는 시설이다.

방호울타리의 종별은 설치 위치 및 기능에 따라 노측용, 분리대용, 보도용 및 교량용으로 나뉘며, 시설물의 강도에 따라서는 연성 방호울타리와 강성 방호울타리로 구분된다. 종방향 강성 배리어는 종방향 연성 배리어에 비하여 대형차 충돌 시 횡방향 변형이 작고 소형차의 고속 충돌 시 탑승자 안전성능이 우수하며 생애주기 비용이 적기 때문에 충돌사고 발생 시 치명적인 사고로 이어지는 고속도로에 주로 적용되고 있다.

콘크리트 종방향 강성 배리어는 1940년대 중반 미국의 캘리포니아(California)에서 사용되었다는 기록이 있으며, 1950년대 차량의 성능 향상과 도로의 증가로 인한 중앙선 침범사고 증가를 막기 위해서 제너럴모터스(General Motors)사가 두 개의 경사로 구성된 콘크리트 중앙분리대를 제안하였고, 1950년대 말에 오늘날 콘크리트 중앙분리대로 가장 많이 사용되고 있는 뉴저지(New Jersey)형(NJ-Shape) 중앙분리대가 개발되었다. 뉴저지형 중앙분리대 설치 이후에도 계속적인 대형사고의 발생으로 인해 새로운 중앙분리대 형상에 대한 연구(Bronstad, et al., 1976)가 수행되어 에프형(F-Shape) 중앙분리대가 개발되었다.

국내에서는 1980년 남해 고속도로에 뉴저지형 콘크리트 중앙분리대가 처음 적용되었으며 1990년대 초반부터는 뉴저지형 콘크리트 중앙분리대를 본격적으로 사용하였다(한국도로공사, 1989). 2001년 도로안전시설 설치 및 관리지침의 개정으로 등급별 실물 충돌시험에 의한 배리어 설치가 법제화된 후 기존 에프형(F-Shape) 중앙분리대에 대하여 SB5 등급(소형차 충돌조건: 충돌차량 질량 1,300kg, 충돌속도 100km/h, 충돌각도 20도; 대형차 충돌조건: 충돌차량 질량 14,000kg, 충돌속도 80km/h, 충돌각도 15도)에 대한 실물 충돌시험이 수행되었다. 실물 충돌시험 결과 배리어 높이가 81cm인 기존 F-Shape 중앙분리대가 성능평가 기준을 만족시키지 못하였고 이에 대한 대안이 조사되었다. 개선된 콘크리트 중앙분리대의 시공결과 추적조사 및 최적화 연구(도로교통연구원, 2001)에서는 대형차 전도와 방현 기능을 고려하여 에프형(F-Shape)의 아래쪽 경사의 각도와 높이는 그대로 유지하고 위쪽 경사의 높이만 증가시켜 전체 배리어 높이를 127cm로 만든 단면을 제시하였고 실물 충돌시험을 통하여 그 성능이 검증되었다(도로교통연구원, 2006). 배리어 높이가 127cm인 F-Shape 콘크리트 중앙분리대는 신설고속도로와 기존고속도로 중앙분리대 개선사업에 적용되고 있다.

도 10은 공지기술로서 기존에 실시되고 있는 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면도로서 상기 높이가 127cm인 F-shape 중앙 배리어의 단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이 상기 종래의 높이가 127cm인 F-shape 콘크리트 종방향 강성 배리어는 최상단의 폭이 150cm이고 이중 각도로 측면이 형성되어 있음을 알 수 있다.

이와 같은 공지 기술과 콘크리트 종방향 강성 배리어의 형상에 대한 다양한 연구가 수행되어 왔지만 이중 각도 등의 변경을 통한 최적 형상을 도출하기 위하여, 충돌 후 차량의 거동과 탑승자의 보호 성능을 고려하면서도, 동시에 단면적을 줄임으로써 경제성을 높일 뿐만 아니라 기존의 충돌조건 보다 상향된 2012년 충돌조건(SB5-B, 소형차 충돌조건: 충돌차량 질량 900kg, 충돌속도 120km/h, 충돌각도 20도)에 맞는 충돌조건에 대한 ‘경제성 있는’ 최적 형상에 관한 연구는 부족한 실정이다. 또한, SUV 차량에 대한 고려도 되지 않고 있는 문제점이 있었다.

일반적으로 중앙분리대로 사용되는 콘크리트 종방향 강성 배리어를 설계하는 경우 상/하 차도의 교통 분리, 다른 정상적인 차량의 안전 확보(대향 차도 돌입 방지) 또는 진입 차량 탑승자의 안전 확보(정차 또는 조정 능력 회복) 등을 고려하여야 하며, 차량이 중앙분리대에 충돌하는 경우, 충돌 후 차량의 거동과 탑승자의 보호 성능 등을 ‘도로안전시설 및 관리지침’으로 그 ‘성능 기준’을 제시하고 있다.

‘성능 기준’을 제시하는 것이어서, 이 성능에 부합하는 중앙분리대의 단면을 강구하는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 매우 중요한 것이다. 즉 단순히 제시된 설계 기준에 따라 방호울타리를 설계하는 것이 아닌, 성능 기준에 부합하는 단면을 많은 시험 등을 통하여 도출하여야 하는 것이다. 즉 본원 발명자는 차량 방호울타리는 적용도로의 설계속도별로 시설물의 강도(충격도)를 기준으로 한 등급에 대해 주어진 시험조건에 따라 실물차량 충돌시험시, 구조 성능, 탑승자 보호 성능, 충돌 후 차량의 안전 성능 등이 각각의 성능 기준을 만족하도록 장기간에 걸친 각고의 노력과 시험을 통한 입증을 한 것이다.

특히, 2012년 대한민국 도로안전시설 및 관리지침은 ‘차량방호 안전시설 편’의 개정을 통하여 대한민국의 도로 및 교통 조건과 지형 조건 및 기술 수준 등을 종합적으로 고려하여 설계속도 110km/시 이상에 적용하는 등급인 SB3-B 및 SB5-B를 설정하였다(SB: Safety Barrier).

새로운 등급의 탑승자 보호 성능 평가를 위한 시험 조건은 다음과 같다.

또한 탑승자 보호 성능 평가 기준은 다음과 같다.

THIV(Theoretical Head Impact Velocity, 탑승자-컴파트먼트 충돌속도): 차량이 안전시설에 충돌할 때 탑승자의 충돌 위험도를 평가하기 위한 지수들 중에 하나로 탑승자의 머리가 차량의 충돌속도로 자유 비행한다고 보고, 차량이 시설물과 충돌하여 감속되는 동안 머리가 자유 비행하여 차량 내부공간의 가상 면에 부딪힐 때의 차량과 이상화된 탑승자 머리의 순간 상대속도를 말한다.

PHD(Post-impact Head Deceleration, 탑승자-컴파트먼트 충돌 후 최대 가속도); 탑승자가 차량 내부공간의 가상 면에 부딪힌 후 접촉을 유지하여 차량의 가속도를 그대로 받게 된다고 보아 THIV가 계산된 이후 계산된 차량의 10m/sec 평균가속도의 최대치를 말한다.

이와 같은 조건은 과학기술 측면에서 대한민국 보다 일반적으로 앞서고 있다고 인정되는 미국이나 유럽보다 엄격한 성능 기준이며, 이러한 성능 기준에 부합하는 배리어의 단면을 강구하는 것은 매우 곤란한 것이라고 할 수 있다. 참고로 미국 종방향 차량방호울타리 충돌조건(Manual for Assessing Safety Hardware, AASHTO, 2009)의 차량 충돌속도는 50 내지 100km/hr이며 유럽 종방향 차량방호울타리 충돌조건의 경우에도 차량 충돌속도는 65 내지 110km/hr이다. 즉 본 발명이 달성하고자 하는 충돌속도 120km/시는 전 세계적으로도 선례를 찾기 어려운 매우 엄격한 조건이며, 이러한 조건을 만족하는 단면을 찾는다는 것은 매우 어려운 것이라 할 수 있다. 이와 같이 충돌속도를 높여 성능 기준을 확보하는 경우 사망률과 인적/물적/사회적 피해 비용을 낮출 수 있다.

한편 콘크리트 강성 배리어의 단면은 공사비에 직접으로 영향을 미친다. 엄격한 성능조건을 만족하기 위하여 단면을 키운다는 것은 공사비 증가를 초래한다. 본 발명에 있어서 종래의 단면보다 단면의 넓이가 커지지 않는 범위 내에서 상기의 성능 기준을 만족하는 것은 매우 중요하다. 상기의 성능 조건을 만족하면 단면도 커지지 않도록 하는 콘크리트 강성 배리어의 단면을 강구하는 것은 더욱 어렵다는 것이다. 더 나아가 본 발명은 세계적으로 유래를 찾기 어려운 고속 충돌 조건 하에서의 성능기준을 만족하면서, 경제성을 고려하여 콘크리트 단면도 종래보다 작게 할 뿐만 아니라, 근래 다양한 SUV의 전복사고를 고려하여 SUV에 대한 안정성도 확보하고자 한다.

본 발명은 정밀기기나 화학발명과는 구별되는 토목기술에 관한 발명이다. 과학 기술은 각각의 기술 분야에 따른 특성이 있으며, 토목 기술은 정밀기기나 화학발명과는 구별되는 막대한 비용이 소요되며, 대규모 현장이 요구되는 시험을 요구하기도 한다. 본 발명은 장기간 막대한 비용을 투자한 구조 계산, 시뮬레이션, 간이 시험과 실제 차량을 충돌시키는 실물충돌시험을 통하여 본 출원발명에 이르게 된 것이다.

이와 같은 성능 평가는 규격이 ‘정하여진 기준'에 의한 것이 아니라 ’성능 기준'을 만족하기 위한 구조를 도출하는 것으로서, 본원 발명자의 발명 경과를 고려할 때 당분간은 이러한 성능의 배리어 단면을 강구하는 것은 매우 어렵다 할 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 고속도로 중앙분리대용 배리어로 가장 광범위하게 사용되고 있는 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면을 차량충돌 시 탑승자의 보호를 위한 탑승자 충격속도 등과 충돌 후 차량의 전도 등을 고려하여 제시하고자 한다. 이와 같은 최적의 단면형상의 2중 경사 각도를 갖는 콘크리트 종방향 강성 배리어는 SB5-B 등급 충돌조건도 고려하여 이를 만족하도록 검토되었다. 또한, 기존 공지의 배리어의 단면적보다 적은 단면적으로 설계를 하여 공사비 절감을 도모하였다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 콘크리트 종방향 강성 배리어에 관한 효율적인 단면을 개시한다.

본 발명은 차량 충돌 측면이 이중 경사 각도를 가지는 콘크리트 종방향 강성 배리어로서, 아래쪽 측면 경사 기울기가 지면과 68도 내지 72도이고, 위쪽 측면 경사 기울기가 지면과 83도 내지 87도를 이루며, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이가 425mm 내지 475mm 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 아래쪽 측면 경사 기울기는 70도이고, 상기 위쪽 측면 경사 측면 기울기는 85도이며, 상기 위쪽 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이는 450mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 배리어의 하단은 수직부가 일정 높이 형성될 수 있으며, 상기 배리어의 하단 수직부의 일정 높이는 50mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

정리건대, 2012년 11월 국토해양부 '도로안전시설 설치 및 관리 지침'의 '차량방호 안전시설 편'의 개정에 따라 방호울타리의 등급이 9등급으로 늘어나고, 설계속도 110km/시 이상에 적용하는 등급인 'SB3-B'와 'SB5-B' 등급이 신설되었다. 따라서 신설된 상기 등급의 '탑승자 보호 성능 평가'를 위한 '고속충돌조건(소형차 충돌속도 120km/h 이상)'에 적합한 강성 배리어 단면 개발이 필요하게 되었으며, 본원의 발명자는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 다양한 단면에 대하여 성능을 평가하여 가장 성능이 우수한 단면을 선정하였다. 선정된 단면에 대하여는 실물차량 충돌시험을 통하여 성능을 검증하였다. 뿐만 아니라 이러한 단면은 기존의 단면에 비하여 그 면적이 넓어지지 않았고, 오히려 좁아졌으며, 별도의 기준이 제시되지 않은 SUV에 대한 안정성도 만족하였다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 최적의 효율적인 이중 경사를 갖는 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어를 제공함으로써 차량이 중앙분리대에 충돌할 경우, 탑승자 충격속도(THIV), 탑승자 가속도(PHD) 및 차량 롤(Roll) 각도 등에 있어서 적합한 값을 나타내어 운전자의 안전을 확보한다.

둘째, 최적의 효율적인 이중 경사를 갖는 중앙분리대를 개시함으로써 중앙분리대의 단면을 최소화할 수 있어 비용적인 면에서 경제성이 있다. 기준이 제시하고 있지 않는 본원 발명만의 효과라 할 것이다.

셋째, 최적의 효율적인 이중 경사를 갖는 중앙분리대를 제공함으로써 도로 설계속도 상향에 따른 도로안전성 확보에 기여할 수 있다.

넷째, 최적의 효율적인 이중 경사를 갖는 중앙분리대를 제공함으로써 측방 여유 폭을 확보할 수 있다.

다섯째, SUV 차량에 대한 안정성도 확보할 수 있다. 기준이 제시하고 있지 않은 본원 발명만의 효과라 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예인 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면도.
도 3 내지 도 9은 본 발명을 설명하기 위한 그래프.
도 10은 공지기술로서 기존에 실시되고 있는 종방향 강성 배리어의 단면도.

이하 본 발명을 실시하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조로 하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예인 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면도이고, 도 2는 별도로 후술하는 본 발명의 다른 실시예인 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면도로서 콘크리트 종방향 강성 배리어의 바닥수직부가 형성된 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 콘크리트 종방향 강성 배리어는 기본적으로 아래가 넓고 점차 위가 좁아지는 단면을 가진 형상이며, 일정한 높이에서 하단과 상단이 서로 다른 이중의 경사 기울기를 가진다.

본 출원인은 단일의 경사를 갖는 형상에 대하여도 충돌 후 차량의 거동과 탑승자의 보호 성능 등을 시뮬레이션을 통하여 검토하였다. 즉, 단일의 경사를 갖는 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단일 경사 기울기를 90도에서 50도까지 5도씩 변경시키며 해석을 수행하였고 배리어의 높이와 최상단의 폭은 현재 적용되고 있는 배리어와 동일하게 하였다. 검토 결과, 단일 경사 기울기를 가지는 배리어는 안전성면에서 바람직하지 않으며, 2중 경사를 갖는 것이 단일 경사를 가지는 형상보다 안정성과 경제성 측면에서 유리함이 확인되었다.

결과적으로 단일 경사를 가지는 콘크리트 종방향 강성 배리어의 경우 충돌 후 차량의 거동과 탑승자의 보호 성능 및 경제성(현재 적용되는 공지의 단면보다 단면적이 적은지 여부)을 모두 갖춘 단면을 제시할 수 없었다.

따라서 본 발명자는 이중 경사 즉, 지면과 접하는 콘크리트 종방향 강성 배리어의 최하단부터 배리어의 최상단까지 점차 그 두께가 작아지되, 그 측면이 지면과 이루는 기울기 값이 일정 지점에서 나뉘어 이중 경사를 가지는 콘크리트 강성 배리어에 대한 충돌 후 차량의 거동과 탑승자의 보호 성능 및 경제성을 검토하였다. 단순히 탑승자의 보호 성능만을 고려한 것이 아닌 경제성 또한 중요한 요소로 고려하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 이중 경사 기울기를 가지는 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면도로서, 위에서 설명한 바와 같이 그 측면이 두 개의 다른 경사 기울기를 가지는데, 이 중 아래쪽 측면 경사 기울기가 지면과 이루는 각도를 'α'로 표시하였고, 위쪽 측면 경사 기울기가 지면과 이루는 각도는 'β'로 표시하였다. 또한, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이는 'H1'으로 표시하였다.

상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)로 형성되는 차량 충돌 외측면은 배리어 하단부로서, 차량이 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어에 충돌하는 경우에 차량의 타이어가 접촉하게 되어 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)에 의해 충돌 후 차량의 거동 및 탑승자의 보호 성능에 영향을 미친다. 또한, 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β)로 형성되는 차량 충돌 외측면은 배리어의 상단부로서, 차량이 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어에 충돌하는 경우에 차량의 범퍼 및 측면이 접촉하게 되어 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β)에 의해 충돌 후 차량의 거동 및 탑승자의 보호 성능에 영향을 미친다.

본 발명인 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어의 일 실시예 및 다른 실시예는 최상단의 폭을 150mm로 하였다. 이는 철근 배근, 거푸집 설치 및 콘크리트 타설의 시공성을 고려한 것이며, 배경기술에서 전술한 도 3에 도시된 현재 적용되고 있는 종래 공지의 기술과 동일하게 하여, 현재 적용되고 있는 종래 공지의 단면과 단면적을 비교함으로써 경제성을 검토하기 위함이다. 높이 또한 종래 공지의 것과 동일하게 하였다.

즉, 본 발명은 공지의 배리어와 최상단의 폭과 높이를 동일 시 하면서, 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α), 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β) 및 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)를 변화시키면, 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α), 상기 두 번째 경사 기울기(β) 및 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 값에 의하여 단면의 형태가 결정되고, 충돌 후 차량의 거동, 탑승자의 보호 성능 및 경제성을 검토할 수 있다.

수차례의 시뮬레이션과 시험을 통하여 본 발명이 개시하는 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어는 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 지면과 68도 내지 72도를 이루고, 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β)는 지면과 83도 내지 87도를 이룬다. 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)는 지면으로부터 425mm 내지 475mm이다.

바람직하게는, 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 지면과 70도이고, 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β)는 지면과 85도이다. 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)는 지면으로부터 450mm이다.

상기 위쪽 및 아래쪽 경사의 기울기(α, β)는 시공의 정밀도 한계를 고려하여 최적 값에서 2도의 편차를 둔 것이며, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 범위는 후술하는 바와 같이 50mm 단위로 시뮬레이션을 하였는바 최적 값의 범위를 50mm로 정한 것이다.

이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면형상은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 아래쪽 측면 경사 기울기(α)와 위쪽 측면 경사 기울기(β) 그리고 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)로 정의할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 소형차 차량 충돌 시험을 실행하였고, 소형차 차량 충돌 조건은 900kg의 승용차가 120km/h의 속도와 20도의 각도로 충돌하는 조건[SB3-B, SB5-B 등급]으로 하였다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 본 출원인이 실시한 차량 충돌 시뮬레이션의 대표적인 예를 구체적으로 설명한다. 우선, 본 발명가가 개시하는 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어의 단면은 장기간에 걸친 다수의 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 결과이며 그 과정을 설명하면 다음과 같다.

첫째, 차량의 롤(Roll) 각도를 저감시킬 수 있도록 위쪽 측면 경사 기울기(β)를 85도를 적용하고 아래쪽 측면 경사 기울기(α)별로 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 변화의 작용을 검토하였다.

둘째, 아래쪽 측면 경사 기울기(α)별 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 변화 검토를 통하여 선정된 단면에 대하여 위쪽 측면 경사 기울기(β)에 대한 변화의 작용을 검토하였다.

셋째, 아래쪽 측면 경사 기울기(α)별 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 변화 검토와 위쪽 측면 경사 기울기(β)에 대한 변화 검토를 통하여 선정된 단면에 대하여 다시 아래쪽 측면 경사 기울기(α)를 작게 변화시키며 아래쪽 측면 경사 기울기(α)의 영향을 조사하여 소형차 충돌조건에 대한 최종 단면형상을 선정하였다.

참고로, 본 발명의 상기 시뮬레이션에 있어서, 우선적으로 위쪽 측면 경사 기울기(β)를 85도로 정한 이유는 단일 경사의 배리어를 가지고 시뮬레이션한 결과(도 3 참조)와 종래 공지 단면적보다 적은 단면적을 고려한 것이다.

위쪽 측면 경사 기울기(β)를 85도로 고정하고, 아래쪽 측면 경사 기울기(α)를 55도, 60도, 65도, 70도로 하여 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 변화에 따른 탑승자 충격속도와 차량 롤 각도를 그래프로 표시한 도면은 각각 도 4, 도 5, 도 6, 도 7이다.

차량 롤(Roll) 각도 변화의 불확실성과 차량 전도의 위험성을 고려하여 최대 롤(Roll) 각도 변화를 20도로 제한하는 경우 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 60도 및 65도인 단면은 탑승자 충격속도가 한계 값을 초과하였다. (시뮬레이션에 의한 roll각도는 실물충돌 시험값의 두배 정도로 나타났다. "Concrete Median Barrier Research Volume 1 Executive Summary, FHWA-RD-77-3"에서 roll 각도가 55도 이상이면 전도 위험성이 큰 것으로 판정하는 기준을 적용하면 시뮬레이션에 의한 Roll 각도 한계를 25°이하, 바람직하게는 20°로 적용하여 적절성을 검토하였다.)

상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 55도를 갖는 단면 중에서 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)가 290mm 근처에서 최대 차량 롤(Roll) 각도가 20도보다 작고 탑승자 충격속도(THIV)를 만족하는 단면을 찾을 수 있지만 단면적, 그래프 경향과 탑승자 충격속도 안전율 측면에서 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 70도이면서 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)가 450mm인 단면이 보다 바람직하였다.

아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 70도, 위쪽 측면 경사 기울기(β) 85도, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)가 450mm인 단면의 단면적이 0.39m2로 기존에 실시되고 있는 공지의 중앙분리대(F-shape; 0.40m2)보다 작았으며, 차량 롤(Roll) 각도와 탑승자 충격속도(THIV) 기준도 만족함을 확인하였다. (시뮬레이션 신뢰성 검토를 통하여 시뮬레이션에 의한 THIV가 실물차량 충돌시험에 비하여 THIV를 약 6% 낮게 평가하였다. 따라서 시뮬레이션에 의한 THIV평가 한계값을 "도로안전시설 설치 및 관리지침"에서 제시하고 있는 기준값인 33km/h보다 6% 낮은 값인 31km/h을 적용하여 평가하였다.)

따라서 새롭게 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)를 70도로 고정하고, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)도 450mm로 고정한 후, 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β)의 변화에 따른 탑승자 충격속도와 차량 롤(Roll) 각도를 시뮬레이션을 통하여 검토하였고, 그 결과를 그래프로 도시한 것이 도 8 이다.

즉, 도 8은 아래쪽 측면 경사 기울기(α) 70도, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)를 450mm로 고정하고, 위쪽 측면 경사 기울기(β)를 70도에서 90도까지 변화시킨 것으로 차량 충돌 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 탑승자 충격속도(THIV)와 차량 롤(Roll) 각도 변화를 나타낸 그래프이다. 또한 변화에 따른 콘크리트 종방향 강성 배리어 단면적의 변화가 바(bar) 차트로 나타나있다.

도 8에 도시된 바와 같이 β가 70도에서 85도인 경우 탑승자 충격속도(THIV)와 차량 롤(Roll) 각도의 변화는 거의 없었지만 단면적은 크게 감소하였다. 위쪽 측면 경사 기울기(β)가 90도인 경우에는 탑승자 충격속도(THIV)가 한계 값을 초과하였다. 탑승자 충격속도(THIV) 한계 값을 만족시키고 차량 롤(Roll) 각도 변화가 크지 않으면서 콘크리트 종방향 강성 배리어 단면적이 가장 작은 단면은 아래쪽 측면 경사 기울기(α) 70도, 위쪽 측면 경사 기울기(β) 85도, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)가 450mm인 단면이다. 본 시뮬레이션을 통하여, 앞의 시뮬레이션 결과를 검증한 것이다.

덧붙여, 위쪽 측면 경사 기울기(β)를 다시 85도로 하고, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)를 450mm인 상태에서 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)의 구간을 작게 하여 변화시켜 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α)의 영향을 다시 검토하였다.

도 9는 그래프로서 위쪽 측면 경사 기울기(β) 85도, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1) 450mm인 단면에 대하여 아래쪽 측면 경사 기울기(α)를 60도에서 72도까지 변화시킨 것으로 차량 충돌 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 탑승자 충격속도(THIV)와 차량 롤(Roll) 각도 변화를 나타낸 그래프이다. 또한 변화에 따른 콘크리트 종방향 강성 배리어 단면적의 변화가 바(bar) 차트로 나타나 있다.

도 9에 도시된 바와 같이 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 68도 이하인 경우에는 차량 롤(Roll) 각도의 변화가 크게 증가하였고 아래쪽 측면 경사 기울기(α)가 69도 이상인 경우에 대하여 탑승자 충격속도(THIV)가 가장 작게 나타나는 아래쪽 측면 경사 기울기(α)는 70도로 나타났다. 아래쪽 측면 경사 기울기(α)의 작은 변화로 인하여 나타나는 콘크리트 종방향 강성 배리어 단면형상의 변화는 크지 않았다.

참고로, 아래 표는 다양한 상기 아래쪽 측면 경사 기울기(α), 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β) 및 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1)의 배리어를 시뮬레이션한 결과 중 대표적인 사례를 정리한 것이다.

아래 표를 통하여 탑승자 충격속도(THIV), 탑승자 가속도(PHD) 및 차량 롤(Roll) 각도를 확인할 수 있으며, 이를 통하여 탑승자 보호 정도와 차량의 전도가능성을 평가할 수 있다. 또한 단면적을 통하여 경제성을 검토할 수 있다.

아래 표의 판정은 일반적으로 현재 고속도로에 적용되고 있는 기존 공지의 중앙분리대(F-shape)의 단면적이 0.40㎡이기 때문에 경제성을 고려하여 단면적이 0.40m2이하인 단면에 대하여 별표를 부여하였고, 탑승자 충격속도(THIV)값은 안전율을 고려하여 31.0 km/h 이하인 단면에 대하여 별표를 부여하였으며, 차량 롤(Roll) 각도 변화는 안정적인 차량 거동을 위하여 20도를 넘지 않는 단면에 대하여 별표를 부여하였다. 본 발명이 가장 많은 별표를 받았음을 확인할 수 있으며, 탑승자 가속도(PHD)에서도 안전한 값을 얻을 수 있었다. (시뮬레이션에 의한 PHD는 실물 충돌시험값보다 상당히 크게 평가하는 경향이 있고 시뮬레이션에 의한 PHD가 지침의 기준값 20g을 넘는 경우는 거의 없었기 때문에 PHD는 보조적인 평가 자료로 활용하였다.)

즉, 본 발명인 아래쪽 측면 경사 기울기(α) 70도, 위쪽 측면 경사 기울기(β) 85도, 상기 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이(H1) 450mm인 단면적이 충돌 후 차량의 거동, 탑승자의 보호 성능, 경제성 등 효율적인 단면인 것으로 판정되었다. 또한, SB-3 / SB5-B 등급도 만족함을 알 수 있다.

이를 다시 정리하면, 1차 평가(THIV 평가)와 2차 평가(Roll 각도 평가)를 만족하는 단면 중에서 단면적이 기존보다 작은 단면을 최종모델로 선정하였는데, 단면적이 감소하면 도로 점유폭이 감소하게 되고 점유폭 감소는 우천시 도로 배수단면을 증가시키고 운전자의 시야 확보에 유리하며 시공 시와 유지/보수 시 교통사고의 위험성을 감소시키는 장점이 있다.

나아가, 2차 평가와 단면적 검토를 통하여 소형차(차량질량 900kg) 충돌조건에 대하여 적절성을 만족시키는 단면에 대하여 SUV(차량질량 2000kg) 충돌조건을 적용하여 검토하였다. SUV 충돌조건을 적용한 경우에도 소형차 충돌조건 검토를 통하여 선정된 단면의 THIV가 가장 작게 나타났고 Roll 각도도 적절하게 나타났다.

시뮬레이션에 의한 소형차와 SUV 충돌조건에 대한 검토결과 α=70°, β=85°, H1=450mm인 단면이 고속충돌조건에 대한 최적의 단면 형상인 것으로 파악되었으며, 상기 단면에 대한 실물차량 충돌시험을 통한 성능검증을 수행하였다.

한국도로공사 도로교통연구원에서의 본 발명에 의한 중앙분리대에 관한 대형차에 의한 '강도성능 평가 충돌 시험' 및 소형차ㆍ에스유브이(SUV)차량에 의한 '탑승자 보호성능 평가 충돌시험' 결과, 모든 항목에서 적합한 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 최종 선정 단면에 대한 실물차량 충돌시험 결과 아래와 같이 탑승자 안전지수, 충돌후 차량거동, 그리고 구조 적절성까지 모든 기준값을 만족하였다.

한편 상기 위쪽 측면 경사 기울기(β)로 형성되는 차량 충돌 외측면의 아래에는 지면으로부터 일정 높이 외측면이 수직인 바닥수직부가 형성될 수 있다. 도 2는 상기 바닥수직부가 형성된 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어 도면으로서, 상기 바닥수직부의 지면으로부터 높이는 H2로 표시하였다.

상기 바닥수직부는 콘크리트 타설을 위한 거푸집을 설치하는데 있어서 이를 용이하게 위한 것으로서 상기 배리어의 시공성을 위한 형상이다. 다만, 시공성을 고려하되 바닥수직부의 지면으로부터 높이(H2)가 너무 크면 상기 이중 경사 최적 형상 콘크리트 종방향 강성 배리어의 기능에 영향을 미칠 수 있으므로, 바닥수직부의 지면으로부터 높이(H2)는 50mm로 하였다.

참고로, 시뮬레이션 신뢰성 검토를 위한 사전 과정은 다음과 같다.

[시뮬레이션 신뢰성 검토를 위한 실물충돌 시험]

① 대상 배리어 : 시뮬레이션의 신뢰성 검토를 위하여 F-t1형과 F-t2형에 대한 실물차량 충돌시험과 시뮬레이션 결과를 비교 검토하였다. F-t1형 단면과 F-t2형 단면이 기존의 고속도로에 적용되고 있는 F 형에 비하여 다른 점은 경사가 변하는 위치이다. F-t1형 단면은 두 번째 경사가 변하는 높이가 5cm 낮고 첫 번째 경사가 변하는 높이는 2.5cm 높다. 그리고 F-t2형 단면은 두 번째 경사가 변하는 높이가 5 cm 낮다.

② 충돌조건 : 차량 질량 900kg, 충돌 속도 120km/h, 충돌 각도 20°

③ 실물 충돌시험 결과

[실물충돌 시험과 시뮬레이션 결과 비교]

① 아래와 같이 Full scale 시뮬레이션 모델을 적용하였다.

② 실물 충돌시험과 시뮬레이션 결과 비교 : 시뮬레이션에 의한 THIV는 실물 충돌시험과 매우 유사함. PHD는 시뮬레이션이 실물 충돌시험 보다 약 2배 크게 나타났고 Roll 각도는 절반 정도로 나타났다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

α 아래쪽 측면 경사 기울기
β 위쪽 측면 경사 기울기
H1 위쪽 측면 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이

Claims (3)

1. 설계속도 110km/시 이상의 도로에 적용되는 차량 충돌 측면이 이중 경사 각도를 가지는 콘크리트 종방향 강성 배리어에 있어서,
   아래쪽 측면 경사 기울기가 지면과 이루는 70도이고, 위쪽 측면 경사 기울기는 85도이며, 상기 위쪽 경사가 시작되는 지점의 지면으로부터 높이는 450mm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 종방향 강성 배리어.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 배리어의 하단은 수직부가 일정 높이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트 종방향 강성 배리어.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 배리어의 하단 수직부의 일정 높이는 50mm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 종방향 강성 배리어.

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