1. 서 론
2. 고강도 낙석 방지울타리 구성
2.1 낙석 방지울타리 구성
2.2 수치해석을 위한 낙석방지울타리 부재별 물성치
3. 고강도 낙석 방지울타리 수치해석 조건
3.1 유한요소 모델링
3.2 하중 및 경계조건
4. 고강도 낙석방지울타리 수치해석 결과
4.1 Case 01 구조성능 검토
4.2 Case 02 구조성능 검토
4.3 Case 03 구조성능 검토
4.4 Case 04 구조성능 검토
5. 결 론
1. 서 론
낙석 방지책(시설)은 도로 절개면의 낙석, 토사붕괴 등으로 인한 교통장애, 도로 구조물의 손상, 재산 및 인명상의 손실을 예방하기 위해 설치되는 구조물이다. 낙석 방지책의 기능은 각 사면에 발생하는 낙석을 예방하거나 발생한 낙석의 도로 유입을 막는 것으로 국내에서 활용 중인 낙석 방지울타리의 분류는 아래의 Fig. 1과 같으며, 이 중 보호공법에는 대표적으로 Fig. 2에서 보는 것과 같이 낙석 방지망(Rockfall Protection Net), 낙석 방지책울타리(Rockfall Protection Fence), 낙석 방지옹벽(Barrier) 그리고 피암 터널(Rock shed)이 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2008).
낙석 방지망은 강우나 풍화, 나무뿌리의 작용 등에 의해 불연속면의 이완이 심화되어 낙석 발생 가능성이 있는 지역을 강재망 등으로 덮어 낙석을 예방하는 공법이다, 낙석 방지울타리는 비교적 소규모의 낙석을 방지하는데 효과적인 공법으로 사면과 같은 절개면의 주위에 둘러 설치하며, 낙석 방지울타리의 종류와 설치방법을 결정하여 설계하게 된다. 낙석 방지옹벽은 토사나 암반 붕괴가 예상되는 지역에 낙석이 도로에 떨어지는 것을 막아주는 보호공법으로 주로 도로가 인접한 곳에 설치하며 낙석 방지옹벽 뒷부분에 공간을 두어 떨어지는 낙석이나 토사류가 퇴적될 수 있도록 하는 공법이다. 피암터널은 절개면 인근 도로에 큰 규모의 낙석이 예상되거나 낙석 방지망, 낙석 방지울타리 등의 설치가 불가능한 지역, 조건에 설치하게 된다. 국내 효과적인 낙석 방호를 위해서는 낙석 방지울타리의 에너지 흡수 능력이 약 90~100kJ이 필요하다고 연구되었다(Kim et al., 2005). 유한요소해석을 이용 하여 표준 낙석 방지울타리 형식을 제안한 연구가 있지만, 이 경우는 신규 낙석 방지울타리의 설치에 관한 100kJ급을 나타낸 것이다(Moon et al., 2020). 본 논문에서는 신규 설치가 아닌 기존의 낙석방지책에 고강도망 및 지부 보강부재를 설치하여, 고강도망 및 지주보강 공법을 고려하여 낙석방지책의 구조 성능의 평가를 통해 경제적인 시공방법을 해석적 방법으로 검증하였다.
2. 고강도 낙석 방지울타리 구성
2.1 낙석 방지울타리 구성
Fig. 3과 4에서 보는 것과 같이 H빔 지주 및 케이블 보강 유무에 따른 낙석방지책 도면을 나타내었다. 이것을 기반으로 수치해석을 위한 해석 모델링을 수행하였으며, 이는 Fig. 5와 6과 같다. 수치해석을 위해 사용된 프로그램은 Ansys explicit dynamic을 사용하였다. 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. 해석 모델인 고강도 낙석 방지울타리는 크게 고강도 낙석방지망, 케이블 로프, H빔 및 보강 부재(장치)로 구성되어 있다. 전체 울타리의 크기는 Fig. 5에서 알 수 있듯이 9.0m(W) * 2.9m(H) 이다. 고강도 낙석 방지망의 상세도는 Fig. 7에 나타내었다. 소선 격자의 직경(D) 46.8mm, 소선의 각도(Ø) 85°, 격자 대각선 길이 67.0mm 및 소선의 직경(d0) 3.2mm으로 두 가닥의 소선이 서로 교차하여 낙망을 형성하는 것을 알 수 있다.
2.2 수치해석을 위한 낙석방지울타리 부재별 물성치
Table 1은 고강도 낙석방지울타리 수치해석을 위한 물성치를 나타내었다. 주부재인 낙석망은 고강도 및 일반 강도를 적용하였다. 또한 낙망의 강재 물성치는 비선형 재료 모델을 사용하였으며, 케이블과 샤클은 선형 재료를 적용하였다.
Table 1.
Rockfall prevention fence property
고강도 낙석망의 경우 H빔 지주 보강 및 케이블 보강에 따른 구조성능 평가를 하기 위해 두 가지 H빔 사이즈의 지주 및 케이블 보강에 대한 수치해석을 수행하였다. Fig. 8과 같이 케이블 로프는 샤클 및 클립을 이용하여 연결하게 되며, H빔 지주보강 장치는 볼트를 사용하여 부재를 일체화하였다. 또한 케이블 보강 시 보강 케이블은 타 케이블과 샤클을 사용하여 연결하였다.
고강도 낙석 방지울타리 구조성능 평가를 하기 위해 H빔 지주 보강 및 케이블 보강에 따른 두가지 H빔 사이즈의 지주 및 케이블 보강에 대하여 총 4가지 해석 조건을 제시하였다(Table 2).
3. 고강도 낙석 방지울타리 수치해석 조건
고강도 낙석방지울타리의 구조성능을 평가하기 위해 해석조건을 고려하여 기하 형상 모델링(Fig. 9와 10)을 수행하였으며, 수치해석을 위해 유한요소 모델링(격자형성)을 수행하였다.
3.1 유한요소 모델링
낙석 및 지주 보강 부재는 Solid Element로 격자를 형성하였다. 낙석은 주 부재가 아니므로 해석시간 등을 고려하여 강체(Rigid Body)로 모델링을 실시하였다. 또한, 다른 부재들은 유연체(Flexible Body)로 모델링하였다. 낙망은 1D-Beam element, 와이어 로프는 인장거동만 가능한 Cable element, 각관 및 H빔(지주)는 Shell element를 적용하여 격자를 형성하였다.
3.2 하중 및 경계조건
하중 및 경계조건은 Fig. 11에서 보는 것과 같이 각관 및 H빔은 콘크리트 기초에 근입되어 일체화하였으며, 와이어 로프 양단부도 각관과 연결하여 고정시켰다. 이와 같은 지점 조건은 고정(Fixed)지점으로 적용하여 각관, H빔 및 케이블 양단부에 고려하였다. 고강도 낙석 방지울타리는 낙석 에너지 120kJ에 대하여 낙석 방지울타리 구조성능 평가를 수행하였다. Fig. 11에서 보는 것과 같이 낙석 방지울타리에 적용하는 낙석은 중량 600kg, 속도 20m/s를 적용하였다. 유한요소해석 방법을 통한 비선형 동적 구조해석을 수행하였으며, 본 수치해석은 해석시간, 요소사이즈 등이 시뮬레이션 되는 총 시간에 가장 큰 영향을 미친다. 이로 인하여 해석시간 설정이 매우 중요한 사항이였으며, 구조물에 작용하는 총 에너지가 소산되는 시간과 최대 변위 등을 고려하여 해석시간을 0.08초(sec)로 설정하였다.
4. 고강도 낙석방지울타리 수치해석 결과
4.1 Case 01 구조성능 검토
낙석 충격에너지 120kJ에 대한 낙석 방지울타리의 구조 성능을 검토하였다. 600kg의 낙석이 20.0m/s 속도로 낙석 방지울타리에 작용할 경우 낙석 방지울타리의 구조 거동을 분석(Fig. 12)하여 운동에너지 소산과정(Fig. 13)을 검토하였다. 운동에너지의 소산은 약 0.018s 이후로 에너지가 급격하게 감소하며, 0.056s 이후로는 98%의 에너지가 소산되는 것을 나타내었다. 하지만 최종적으로 전체 에너지는 소산되지 않고 구조체가 파괴되는 것으로 판단되었다. Fig. 12에서 각관의 응력 분포를 확인한 결과 항복 강도 이상의 응력이 발생되는 것으로 확인되었다.
시간에 따른 H빔의 반력을 분석한 결과(Fig. 14), 왼쪽의 경우 최대 약 62kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 52kN의 반력을 나타내었다.
시간에 따른 각관의 반력을 분석한 결과(Fig. 15), 왼쪽의 경우 최대 약 112kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 148kN의 반력을 나타내었다.
4.2 Case 02 구조성능 검토
운동에너지의 소산(Fig. 17)은 약 0.022s 이후로 에너지가 급격하게 감소하며, 0.06s 이후로 낙석이 리바운드 되는 것을 알 수 있었다. 운동방향이 전환되는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 16에서 각관의 응력 분포를 확인한 결과 항복 강도 이상의 응력이 발생되는 것으로 확인되었다.
시간에 따른 H빔의 반력을 분석한 결과(Fig. 18), 왼쪽의 경우 최대 약 332kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 305kN의 반력을 나타내었다.
시간에 따른 각관의 반력을 분석한 결과(Fig. 19), 왼쪽의 경우 최대 약 104kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 98kN의 반력을 나타내었다.
시간에 따른 보강 부재의 반력을 분석한 결과(Fig. 20), 왼쪽의 경우 최대 약 356kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 350kN의 반력을 나타내었다.
4.3 Case 03 구조성능 검토
운동에너지의 소산(Fig. 22)은 약 0.02s 이후로 에너지가 급격하게 감소하며, 0.058s 이후로는 98%의 에너지가 소산되는 것을 나타내었다. 하지만 최종적으로 전체 에너지는 소산되지 않고 구조체가 파괴되는 것으로 판단되었다.
시간에 따른 H빔의 반력을 분석한 결과(Fig. 23), 왼쪽의 경우 최대 약 92kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 92kN의 반력을 나타내었다.
시간에 따른 각관의 반력을 분석한 결과(Fig. 24), 왼쪽의 경우 최대 약 158kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 163kN의 반력을 나타내었다.
4.4 Case 04 구조성능 검토
운동에너지의 소산(Fig. 26)은 약 0.022s 이후로 에너지가 급격하게 감소하며, 0.055s 이후로 낙석이 리바운드 되는 것을 알 수 있었다. 운동방향이 전환되는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 25에서 각관의 응력 분포를 확인한 결과 항복 강도 이상의 응력이 발생되는 것으로 확인되었다.
시간에 따른 H빔의 반력을 분석한 결과(Fig. 27), 왼쪽의 경우 최대 약 289kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 294kN의 반력을 나타내었다.
시간에 따른 각관의 반력을 분석한 결과(Fig. 28), 왼쪽의 경우 최대 약 130kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 108kN의 반력을 나타내었다.
시간에 따른 보강 부재의 반력을 분석한 결과(Fig. 29), 왼쪽의 경우 최대 약 319kN이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 오른쪽의 경우 최대 약 309kN의 반력을 나타내었다.
5. 결 론
본 연구에서는 고강도 낙석방지책(120kJ)의 지주 및 케이블 보강에 따른 구조성능 평가를 해석적인 방법을 통해서 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 수치해석을 통해 낙석 운동 에너지 120kJ에 대한 낙석방지울타리 일반구조, 보강부재를 적용한 보강구조에 대한 성능 비교를 하였다.
(2) 지주 및 케이블 보강에 따라 낙석 운동에너지의 소산 시간이 상이한 것을 확인할 수 있었다. Case 01과 Case 03 과 같이 보강부재가 설치되지 않은 일반 낙석 방지울타리의 경우 H-빔 지주 변형이 증가하여 낙석의 운동에너지를 다 소산시키지 못하고 구조체가 붕괴되는 것을 확인할 수 있었다.
(3) Case 02와 Case 04와 같이 보강부재가 설치되었을 경우 120kJ의 낙석 운동에너지에 대하여 구조 성능이 확보 되는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 하지만, 지주 보강의 경우 보강부재가 적용되는 부분과 적용되지 않는 부분의 시점에서 강성 차이로 인해 비틀림에 취약함을 나타내는 것을 확인할 수 있어 지주 보강재의 사이즈에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
(5) 이러한 수치해석 결과로부터 비 철거식 보강기술을 개발하여 기존 낙석방지울타리의 성능을 120kJ급으로 올릴 수 있을 것이며, 더 나아가 실대형시험 또는 현장시험을 통해 검증이 필요할 것으로 판단 된다.
