1. 서 론
2. 고강도 선재 포획망 개발
3. 고강도 포획망 현장 테스트
3.1 시험 장비 및 조건
3.2 시험 방법
4. 고강도 포획망 현장테스트 결과
4.1 일반 PVC 코팅망 시험 결과
4.2 고강도 선재(선경 3.2mm, 1,000Mpa) 시험 결과
4.3 고강도 선재(선경 2.8mm, 2,000Mpa) 펀칭 시험
4.4 PVC 코팅망 및 고강도 선재(1,000MPa, 2,000MPa) 현장 시험 결과
5. 결 론
1. 서 론
국내 낙석시설의 관련 기준으로는 낙석방지망(국토교통부 KCS 11 75 05, 2016), 고속도로공사 전문시방서(한국도로공사, 2012) 등이 있으며 국토교통부 도로안전시설 설치 및 관리지침 등이 마련되어 있으며 이에 대한 낙석방지망의 흡수가능에너지를 산정하는 계산식이 작성되어 있다. 그러나 정확한 흡수가능에너지는 실물 시험을 통하여 낙석의 통과여부 또는 낙석방지망의 파괴여부로부터 흡수에너지를 평가 할 수 있다고 나타나있다. 도로공사 표준도 낙석방지망의 경우 PVC 코팅망을 기반으로 와이어로프를 최소 3,000mm × 3,000mm 간격으로 배치하도록 하고 있으나, 낙석 발생을 충분히 억제하지 못하고 낙석의 하중으로 인해 PVC 코팅망이 찢어지는 현상이 빈번하게 발생하고 있다. 기존의 낙석방지망 연구 중 변위량 산정요인의 적절성을 파악하고 국외 성능기준을 이용하여 낙석방지망 흡수가능 에너지를 평가하였다(Seo & Hwang, 2021). 또한, 육각 낙석방지망을 대상으로 실내 및 실대형 시험을 실시하였으며, 그 결과 실내시험과 실대형 시험에서 낙석과 같은 하중재하 시 육각 낙석방지망에 작용하는 응력은 스프링형 지지 장치에 의해 응력이 완화되어 충격에 의한 소성파괴에 대한 저항성이 우수한 반면 사각 낙석방지망은 작용하는 응력이 직접적으로 낙석방지망에 작용하여 하중에 대한 저항력이 적다고 판단하였다(Youn et al., 2014). 따라서 본 연구에서는 이를 방지하기 위하여 고강도 포획망을 개발하여 일반 PVC 코팅망과의 성능을 비교하고 나아가 시공 공정을 단순화하여 시공성 및 경제성을 향상할 수 있는 고강도 선제 포획망을 개발하는 것이 목적이다.
2. 고강도 선재 포획망 개발
고강도 선재 포획망 개발을 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석에 사용된 프로그램은 Ansys explicit dynamic(Ansys, 2023)이다. 이 프로그램은 구조해석 제품의 복잡한 구조적 문제를 해결하고 설계를 더욱 효과적으로 빠른 시간 내에 확인할 수 있도록 지원한다. 설계부터 최적화, 고급/복합재료 등 다양한 산업별 요구사항을 위한 솔루션으로 유한요소해석(FEA)을 사용하는 대표적인 엔지니어링 솔루션이다. 기존에 사용되고 있는 PVC 코팅망의 성능 확인과 개발 기술과의 비교‧분석을 위하여 기존 PVC 코팅망의 수치해석을 분석 수행하였다. 수치해석 분석 시 입력한 선재의 물성자료는 최대 540MPa급 강선으로 적용하였다(Fig. 1).
또한 고강도 선재의 절곡각 40~85°에 따른 포획망 성능 확인과 기존의 PVC 코팅망 및 개발 기술과의 비교‧분석을 위하여 수치해석을 분석 수행하였다. 해당 모델링은 Beam 요소를 적용하였으며, 접촉부분(졸곡되는 곡선 부분)은 고품질(Fine mesh)의 2.0mm 요소 사이즈로 격자를 형성하여 모델링하였다. 수치해석 분석 시 입력한 선재의 물성 자료는 최대 2,000MPa급 강선으로 적용하였다(Fig. 2).
위의 결과를 바탕으로 고강도 선재 포획망의 형상은 해외 관련 기술 조사 분석 결과와 같이 고강도 선재 포획망 개발은 다양한 형태 및 제원으로 개발되어 적용되고 있다. 망의 형상에 따라 거동 특성 분석을 위한 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 반영하여 고강도 선재 포획망의 형상을 결정하였다. 특히 국내에 적용되고 있는 기존 낙석방지 시스템에서는 일반적으로 망목 50 × 50mm, 절곡각도 85°의 PVC 코팅망을 사용하고 있으며, 기존 기술과의 연계성 및 호환성을 고려하여 개발된 고강도 선재 포획망의 망눈을 50mm로 제작하였다(Fig. 3).
3. 고강도 포획망 현장 테스트
위와 같은 방법으로 개발된 고강도 선재 포획망의 성능을 알아보기 위해 현장 테스트를 실시하였다. 실물 시험의 종류에는 사면 낙석시험, 펜튤럼 시험, 론칭시험, 수직낙하시험이 있으나, 이 중에서 타격 위치 조정이 가장 좋은 수직 낙하시험을 사용하였다.
3.1 시험 장비 및 조건
고강도 포획망 현장 시험에 사용되는 낙석의 무게는 600kg을 사용하였으며, 충돌 후 망의 변위 측정을 위하여 초고속 카메라를 설치하여 촬영을 실시하였다. 또한, 수직낙하실험의 경우 바람의 영향으로 발생하는 타격위치 오차를 줄이기 위해 제어장치를 이용하여 수행하였다(Fig. 4). 시험에 사용된 PVC 코팅망 및 고강도 선재 포획망의 정보는 Table 1과 같다.
Table 1.
Comparison of rockfall net
3.2 시험 방법
시험방법은 수직낙하 시험을 중심으로 각형강관의 규격은 □175 × 175 × 5를 이용하여 포획망 거치대를 만들었으며, 크레인, 초고속 카메라, 낙석볼(600kg) 등으로 시험을 실시하였으며, 순서는 다음과 같다.
➀ 포획망 거치대(각형강관 □175 × 175 × 5) 3,000mm × 3,000mm 설치
➁ PVC 망, 고강도 선재 포획망(1,000MPa, 2,000MPa) 설치
➂ 타격 제어장치 설치 및 낙석 볼 설치(600kg)
➃ 낙설볼 낙하
➃-1 PVC망 40kJ(6.8m), 50kJ(8.5m), 60kJ(10.2m) 실시
➃-2 고강도(1,000MPa) 60kJ(10.2m), 70kJ(11.9m) 실시
➃-3 고강도(2,000MPa) 60kJ(10.2m), 70kJ(11.9m), 80kJ(13.6m) 실시
➄ 데이터 측정철재 낙석볼과 체결
➅ 데이터 분석
위의 1번부터 6번까지 순서로 시험을 수행하였으며, 600kg의 낙석볼을 이용하여 낙석 발생 시 PVC 코팅망과 개발된 고강도(1,000MPa, 2,000MPa)의 성능을 분석하였다. 이를 위해 시험의 중점 요소인 망의 변위 값을 측정하기 위하여 카메라의 쵤영 높이는 망과 동일하게 촬영을 하였으며, 정면과 측면에 총 2대를 설치하여 촬영하였다. 낙석과 충돌 후 변위값 측정을 위하여 운동하는 물체의 위치를 분석할 수 있는 Traker 프로그램을 이용하여 망의 변위를 측정하였다.
4. 고강도 포획망 현장테스트 결과
4.1 일반 PVC 코팅망 시험 결과
현장 시험을 위해 사용된 각형강관의 규격은 □175 × 175 × 5을 대상으로 3,000mm × 3,000mm를 설치하였다. 그 후 600kg 낙석볼을 이용하여, 40kJ(6.8m), 50kJ(8.5m), 60kJ(10.2m) 의 시험을 통해 관통될 때까지 수행하였다. 그 결과는 Fig. 5와 같다.
➀ 일반 PVC 40kJ(낙석볼 위치 6.8m) 시험 결과: 최종변위 129.2cm
➁ 일반 PVC 50kJ(낙석볼 위치 8.5m) 시험 결과: 최종변위 135.2cm
➂ 일반 PVC 60kJ(낙석볼 위치 10.2m) 시험 결과: 관통
4.2 고강도 선재(선경 3.2mm, 1,000Mpa) 시험 결과
현장 시험을 위해 사용된 각형강관의 규격은 □175 × 175 × 5을 대상으로 3,000mm × 3,000mm를 설치하였다. 그 후 600kg 낙석볼을 이용하여, 60kJ(10.2m), 70kJ(11.9m)의 시험을 통해 관통될 때까지 수행하였다. 그 결과는 Fig. 6과 같다.
➀ 고강도 선재(선경 3.2mm, 1,000MPa) 60kJ(낙석볼 10.2m) 시험 결과: 최종변위 148.5cm
➁ 고강도 선재(선경 3.2mm, 1,000MPa) 70kJ(낙석볼 11.9m) 시험 결과: 관통
4.3 고강도 선재(선경 2.8mm, 2,000Mpa) 펀칭 시험
현장 시험을 위해 사용된 각형강관의 규격은 □175 × 175 × 5을 대상으로 3,000mm × 3,000mm를 설치하였다. 그 후 600kg 낙석볼을 이용하여, 60kJ(10.2m), 70kJ(11.9m), 80kJ(13.6m)의 시험을 통해 관통 될 때 까지 수행하였다. 그 결과는 Fig. 7과 같다.
➀ 고강도 선재(선경 2.8mm, 2,000MPa) 60kJ(낙석볼 10.2m) 시험 결과: 최종변위 115.2cm
➁ 고강도 선재(선경 2.8mm, 2,000MPa) 70kJ(낙석볼 11.9m) 시험 결과: 최종변위 130.6cm
➂ 고강도 선재(선경 2.8mm, 2,000MPa) 80kJ(낙석볼 13.6m) 시험 결과: 관통
4.4 PVC 코팅망 및 고강도 선재(1,000MPa, 2,000MPa) 현장 시험 결과
위의 일반 PVC 코팅망 부터 고강도 선재(1,000MPa, 2,000MPa)의 시험 결과를 고속카메라를 이용하여 변위를 측정한 결과 일반 PVC 코팅망은 60kJ에서는 관통을 하고 50kJ(1,352mm) 까지 버티는 것을 확인할 수 있었다. 그 후 1,000MPa 고성능 선재망을 시험한 결과 60kJ은 최종 변위 1,485mm로 버티는 것을 확인할 수 있었지만, 70kJ은 관통되는 것을 확인하였다. 마지막으로 2,000MPa 고성능 선재망의 경우 60kJ(1,152mm), 70kJ(1,306mm)를 나타내었고, 80kJ에는 관통되었다(Table 2).
Table 2.
Comparison of rockfall net
5. 결 론
본 연구에서는 개발된 고강도 선재 포획망(1,000MPa, 2,000MPa)의 성능을 알아보기 위해 현장 테스트를 통한 일반 PVC 코팅망과 비교‧분석하였다.
(1) PVC 코팅망에 대한 시험 결과, 40kJ에서는 최종 변위 1,292mm, 50kJ은 1,352mm를 나타내며 낙석 방지에 대한 방호 능력을 보여주었다. 하지만 60kJ에서는 1,400mm 이상의 변위가 발생하지 않고, 관통이 되는 것으로 나타났다.
(2) 고강도 선재 1,000MPa은 60kJ에서는 변위 1,485mm를 나타내며 낙석 방호 능력을 보여줬지만, 70kJ에서는 관통이 되는 것으로 나타났다.
(3) 고강도 선재 2,000MPa은 60kJ에서는 변위 1,152mm를 70kJ에서는 1,306mm, 80kJ에서는 관통이 되는 것으로 나타났다. 같은 시험 조건인 60kJ에서의 변위를 분석한 결과, 일반 PVC 망은 관통이 되었으며, 고강도 선재 1,000MPa의 변위 대비 2,000Mpa의 변위는 약 22.42%가 감소한 것으로 나타났다. 이는 2,000MPa을 사용할 시 방호 성능이 우수하단 것을 나타낼 수 있다.
(4) 이러한 결과를 바탕으로. 개발한 고강도 선재 포획망을 통해 기존 PVC 망의 성능 부족으로 인한 찢어짐과 피해확대를 방지할 수 있으며, 낙석방지망 시스템의 경량화 및 시공성과 경제성을 향상시킬수 있을 것으로 보인다.
