국부충돌을 고려한 콘크리트 중앙분리대 충돌저항성능 평가 및 개선에 관한 연구

Abstract

국내 고속도로에서는 차량의 대형화, 주행환경의 개선 등으로 인해 현재 설치된 중앙분리대의 방호성능을 초과하는 충돌사고가 빈번히 일어나고 있다. 특히 이러한 방호성능을 초과하는 사고는 주로 화물차량에 의해 발생하며, 충돌 후 비산물이 발생하기도 한다. 2015년 남성주IC에서는 화물차량이 중앙분리대에 충돌하여 발생한 중앙분리대 콘크리트 비산물이 반대차선에서 주행 중이던 차량에 충돌하는 2차사고가 발생하기도 하였다. 이러한 사고를 분석해보면 현 중앙분리대는 화물차량과 충돌 시 중앙분리대 상단부와 차량 화물칸 모서리의 국부충돌(2차 충돌)에 의해 대부분의 콘크리트 비산물이 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 기존의 중앙분리대와 차량의 충돌해석 모델은 이러한 국부충돌을 명확하게 모사하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 중앙분리대와 차량의 기존 충돌해석방법인 전체충돌해석에 본 연구에서 새롭게 제안한 국부충돌해석을 수행하여 기존 전체충돌해석을 보완하였다. 보완한 해석방법을 이용하여 다양한 콘크리트 중앙분리대 단면에 대한 충돌저항성능 평가를 수행하였다. 충돌저항성능은 충돌로 발생하는 부피손실률을 비교함으로 평가하였다. 충돌등급은 기존 SB5-B에서 SB6로 상향하여 조정하였다. 연구결과 기존 SB5-B 등급에서 SB6로 상향할 경우 통계적으로 확인된 전체 중앙분리대 충돌사고의 85%에 저항할 수 있을 것으로 기대된다. 상향된 충돌등급에 저항하기 위한 콘크리트 중앙분리대의 성능 향상을 위해 단면확대, 강재량을 증가시키는 방법과 충돌저항성능에 우수한 재료(SFRC, Crushable Concrete, 섬유보강고강도콘크리트(Fiber reinforced-high strength concrete))를 사용하는 방법을 고려하였다. 해석모델은 LS-DYNA를 이용하여 개발하였으며, 중앙분리대의 충돌저항성능은 먼저 전체충돌해석으로 구조물의 전체적인 손상 및 차량의 거동을 확인하고, 국부손상에 대해서는 국부충돌해석모델을 개발하여 부피손실률을 예측하였다. 이후 SB6 충돌등급에 저항할 수 있는 최종 중앙분리대 단면을 제시하였으며 관련된 단면의 재료비를 고려하여 기존 중앙분리대와 시공단가를 비교하였다. |The speed of vehicles on highways has increased due to improved driving environments. However, this increased speed has become one of the main reasons for collisions between vehicles and road barriers such as a concrete median barrier. Several collision accident along the Korean Expressway have been occurred recently as a result of flying concrete fragmentation from the locations of collision between concrete median barrier and heavy vehicle. The current impact level of a concrete median barrier (CMB) is SB5-B (270 kJ). However, it was found that new concrete median barrier deigned based on a stricter impact severity such as SB6 (420 kJ) could resist against 85% of total truck collision accidents observed in S. Korea. Therefore, in this study new CMBs were developed under the SB6 impact loading condition. Several designs of CMBs have been presented and numerical analysis were conducted to evaluate the impact resistance of CMBs against vehicle impact loadings (SB6 impact severity). Developed numerical models were firstly verified with some field test results and some important key parameters were calibrated based on field test results. Every proposed designs of the new CMB were evaluated by both global and local numerical models. Firstly, commercially available wire-mesh reinforcements and an increase in width of cross section were considered as design modifications. Furthermore, in order to applying new impact severity from SB5-B to SB6, other types of concrete materials such as steel fiber reinforced concrete, crushable concrete and fiber reinforced-high strength concrete which have been known as excellent materials against impact loading were considered. Finally, two optimal designs under SB6 impact severity were proposed with considerations of the construction cost.