Safety Analysis through Small Car Crash Simulation of Bollard with Square Rounding Sidewalk Block Frame

사각 라운딩 보도틀이 시공된 자동차진입 억제용 말뚝의 소형 승용차량 충돌 시뮬레이션을 통한 안전성 분석

Abstract

In this study, a square rounding sidewalk block frame was developed considering the simplicity of construction and the superiority of aesthetics. In addition, it is possible to prevent damage, deformation, and settlement of adjacent sidewalk blocks due to plastic deformation during car impact load of installed bollad. A non-linear structural analysis was performed through finite element analysis to examine the performance of a car crash to which this was applied. Structural safety was confirmed through car crash simulation according to the direction of impact, and it is estimated that the function can be restored by replacing some parts in case of damage due to impact.

1. 서론

인간의 이동수단을 대표하는 자동차는 사용 용도나 목적에 따라 분류되며 공통적으로 국내법상 국토의 계획 및 이용에 관한 법률 기준으로 차선의 개수와 분류에 상관없이 모든 자동차는 도로를 이용할 수 있다. 이러한 도로는 대부분 보도 옆에 위치하고 있으며, 교통 약자의 안전을 위해 국토교통부령 제 120호 제 9조에 따라 교통 약자를 위한 자동차 진입억제용 말뚝(Bollad, 볼라드) 설치에 대한 규정이 명시되어 있다[1]. 그러나 현실은 해당 규정에 의거한 시공이 대부분 이루어지지 않고 있으며, 2021년 서울시 서울정보소통광장에 따르면 볼라드와 관련된 보도의 침하 및 수리, 설치건이 130여 건에 이르고 있다[2]. 이러한 문제는 보행자 안전을 위한 차량 진입 억제용 볼라드와 보도가 파손된 채 방치되어 구조물의 역할을 충분히 하지 못하거나 추가 피해의 원인을 제공하기도 한 다. 한편 최근들어 미관설계와 경관설계가 강조되는 최근의 건설분야의 시대적 흐름에 따라 다양한 단면크기와 형상의 설계가 증가하는 경향이 나타나고 있다. 이로인해 지면에 접촉되는 보도 또는 도로의 마감은 시공의 난이도가 점점 높아지고 있다. 일반적으로 보도상 원통형의 지주를 설치하기 위해서 보도 블럭을 걷어낸 후 다시 보도 블럭을 설치하게 되는데, 이 과정에서 원통형상으로 인한 보도 블럭의 원호형 절단을 통한 현장 마감이 불가피 하다. 그러나 원호형 절단 작업에는 특수한 절단 장비와 숙련된 작업자가 투입되어야만 하기 때문에 자연스럽게 공기와 공사비 증가의 원인이 되고 있 으며, 시공 이후 하단부 마감 처리는 안전관리와 시공완성도에 따른 내구성의 차이 등 표준화되지 않은 이유로 발주처나 시공사 모두에게 분쟁의 원인이 되는 실정이다. 본 연구에서는 상술한 문제점을 해결 가능한 사각 라운딩 보도틀을 개발하여 이를 적용한 볼라드의 소형 승용차 충돌로부터 안전성을 평가하기 위해 소형 승용차충돌 시뮬레이션을 바탕으로 안전성을 평가 하였다.

2. 사각 라운딩 보도틀 개발

사각 라운딩 보도틀은 Fig. 1과 같이 내, 외부에 8개의 프레임 파트와 10개의 스프링으로 각파트끼리 연결되어있다. 보도틀은 좌우로 분리 및 결합이 가능하고, 내부 스프링에 의해 볼라드의 장착이 용이하게 설계가 되었다.

사각 라운딩 보도틀의 기술적 장점은 볼라드, 가 로등, 신호등 등 기존 보도 블록의 원형 마감 시공의 문제점을 해결하는 것이다. Fig. 2와 같이 안전하고 내구성이 향상된 보도틀을 형성하고 마감처리 없이 일체화된 자재와 시공을 통해 시공완성도를 높임으로써 양호한 유지관리와 내구수명을 확보할 수 있다. 또한 사용성 측면에서도 보도블럭의 상면 단차를 제거하여 통행의 불편을 방지할 수 있으며 사고를 방지할 수 있다. 사각 라운딩 보도틀은 볼라드의 충격으로부터 발생된 탄성 변형이 보도틀 내부에 설치된 스프링의 스프링백 효과로 보도틀 외부의 파손, 침하 등의 변형을 억제할 수 있으며, 외부의 극한 외력에 의해 소성변형 발생 시 파손된 보도틀만 교체가 가능하도록 모듈화되어 있어서 보수시간 단축 및 시공 경제성이 매우 뛰어나다.

Fig. 1 Cross-section of square rounding sidewalk block frame X-Y View

Fig. 2 Before(Left) and after(Right) the construction of a square rounding sidewalk block frame

3. 시공 및 개발효과

국내 볼라드 설치기준인 국토교통부령 제 120호 교통약자의 이동편의 증진법 시행규칙에 따르면 보행자의 안전을 고려하여 높이 80 ~ 100 cm로 하고 그 지름은 10 ~ 20 cm로 한다고 명시하고 있다. 국외의 경우, 볼라드는 차량 돌진 테러가 급격히 증가함에 따라 이러한 위험성으로부터 시민을 보호하기 위해 방호목적으로 사용되어 ASTM F2656-7에 따라 차량충돌 이후 정지할 때 필요한 거리를 등급으로 분류가 되며, Table 1과 같이 최소 P1 등급에 맞게 시공하여야 한다[3]. 그러나 국내에서의 시대적 배경 상 테러의 위험성이 크지 않고 오히려 방호목적의 볼라드는 차량과 운전자의 심각한 피해를 미친다고 판단하여 현재까지 경계목적의 볼라드가 사용되어 지고 있다. 그렇다 보니 규정은 있으나 시공 규격이 정해진 부분이 없어 시공사의 임의대로 시공이 이루어지고 그에 따라 불량시공 및 보도의 파손으로 인한 수리가 반복적으로 발생하고 있는 것이 현실이다.

Table 1. Distance conditions after car crash (ASTM F2656-7)

4. 구조해석

볼라드가 적용된 사각 라운딩 보도틀의 구조해석에 기준이 되는 규격이 국내에 존재하지 않아 미국 ASTM F2656-7의 기준에 맞춰 진행되었으며, 구조해석을 진행하기위한 3D 모델은 AutoCAD를 통하여 설계를 진행하였다. 해석의 전처리 작업으로 모델의 유한요소는 Hypermesh를 통하여 진행하였고, 해석프로그램은 범용 유한요소 해석 프로그램은 Abaqus를 통해 수행하였다.

4.1 소재 물성

사각 라운딩 보도틀 프레임에 사용된 소재는 ABS HI100의 합성수지다. 볼라드는 내부가 비어있는 금속 매립 볼라드로 국내 SPS-KIMC-004- 2049를 따라서 SUS304의 금속 소재를 사용하였다[4]. 내부는 콘크리트로 채워져 있으며 설계압축강도 24MPa를 사용하였다. 해석에 사용된 탄성재료 데이터는 Table 2와 같이 적용하였다.

Table 2. Material elasticity data

ABS HI100는 폴리프로필렌에 유리 단섬유 40%가 첨가된 PPGF40 소재이며, 사출가공시 Fountain Flow 및 유리단섬유의 축방향에 따른 강도 변화 달라진다. 본 연구에서는 해당 데이터를 시험기반 수치적 근사값으로 표현하였다. 시험은 ASTM D638 에 따라 Dogbone Test를 진행하였으며, Stress- Strain Curve는 True값으로 계산하여 적용하였다 [5]. 소성 데이터는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3 ABS HI100 plasticity curve

SUS304는 탄소강에 니켈(8~10%)과 크롬(18~20%)을 첨가하여 내식성을 향상시킨 스테인리스강이 다. 재료시험은 KS B 0802에 따라 시험을 진행하였다[6]. 소성 데이터는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4 SUS304 plasticity curve

볼라드가 매립 설치되는 기초부의 콘크리트는 Table 3과 같이 KDS 14 20 40에 따른 국내 기후특성상 최소내구성기준 압축강도 EC2등급에 맞는 24MPa급으로 진행하였다[7]. 콘크리트의 압축, 인장시험은 KS F 2405, KS F 2423에 따라 진행하였으며, 시험 데이터는 Fig. 5와 같다[8][9].

Table 3. Carbonated concrete exposure grade and design compressive strength (KDS 14 20 40)

Fig. 5 Concrete plasticity properties relationship

사각 라운딩 보도틀 내부의 스프링은 국내에서는 JIS B 2704에 따라 진행되며, Fig. 6형상에 따른 식 (1)을 통하여 식 (2)와 같이 압축 스프링의 스프링 강성 계수 k값을 도출하였다[10].

Fig. 6 Compression Spring

\(\delta = \frac { 8 N a D ^ { 3 } P } { G d ^ { 4 } }\)       (1)

\(k = \frac { P } { \delta } = \frac { G d ^ { 4 } } { 8 N a D ^ { 3 } }\)       (2)

식 (2)의 각 항은 Table 4와 같다.

Table 4. Calculation function(JIS B 2704)

4.2 정적 해석

국내에는 볼라드의 평가 기준에 따른 충돌 시험 규격이 존재하지 않아 미국 기준인 ASTM F2656-7에 따라 진행하였다. 테스트 차량은 Fig. 7과 같이 소형승용차 하중 기준인 1.10 Ton에 맞춰 셋업을 하였다.

Fig. 7 Full car model ISO view

사각 라운딩 보도틀은 해석의 정확성과 수렴성을 위해 Fig. 8과 같이 유한요소 품질을 고려하여 모델링을 진행하였다. 유한요소 품질은 연구소 혹은 기업마다 내부 규정이 정해져 있지만 본 연구에서는 Abaqus에서 제공하고 있는 기본적인 품질기준을 따라서 적용하였다.

Fig. 8 Element quality check

구조해석은 Multi-Step으로 진행하였으며, 보도틀 내부에 스프링 장력에 의한 볼라드의 접촉 조건을 고려하기 위한 정적해석을 선행으로 진행하였다. 보도틀의 메커니즘 특성상 내부 스프링 장치를 보도틀 중공축의 축방향에 대한 원통 좌표계 기준 수직방향으로 밀어낸 후 볼라드를 삽입하는 시공이 이루어진다. 볼라드를 삽입하고 스프링장치에 대한 외력을 해제하면 볼라드 접촉면에 스프링 장력에의한 면압이 발생하여 고정하는 역활을 하게 된다. 해석에서는 이러한 시공프로세스를 진행하기에 어려움이 있어 볼라드와 보도틀 내부의 접촉은 초기침투 상태에서 해석을 진행하되 강도가 강한 볼라드에 의해 보도틀이 바깥쪽으로 밀려나면서 면압이 발생되도록 Fig. 9[11]와 같이 억지끼워 맞춤 기법으로 모델의 설계특성에 따른 충돌해석을 진행하기 위한 전처리해석으로 진행하였다.

Fig. 9 Interference fit with contact surfaces (Simuleon FEA Blog April 25, 2022)

고정조건으로는 보도틀 외부의 보도블럭과 맞닿는 면과 Table 5에 따른 볼라드의 기둥 바닥 삽입 조건으로 200mm 깊이에 3축에 대한 고정을 Fig. 10과 같이 하였다.

Table 5. Criteria for bollard dimensions by composited material(SPS-KMIC-008-2049)

Fig. 10 Boundary condition 3 D.O.F FIX X-Z view

사각 라운딩 보도틀 내부 스프링은 Fig. 11과같이 식 (2)의 계산 데이터를 통해 수치적으로 적용하였으며, 내부의 중간 결합체는 Fig. 12와 같이 Coupling RP Point를 통하여 결합체 간 스프링으로 연결하였다.

Fig. 11 Connect two point - springs X-Y view

Fig. 12 Coupling and spring connection conditions

4.3 정적해석 결과

Fig. 13은 억지끼워 맞춤기법을 통한 정적해석결과에 따른 응력과 변위량이다. 사각 라운딩 보도틀 소재의 항복응력에 비해 낮게 나오므로 소재가 파손은 일어나지 않음을 확인할 수 있다.

Fig. 13 Static analysis result

4.4 충돌 해석

사각 라운딩 보도틀의 정적해석 결과의 응력데이터를 동적해석에 잔류응력으로 변환하여 Small Passenger Car에 속도를 적용 후 충돌해석을 진행하였다. 소형 승용차 모델을 볼라드에 Fig. 14와 같이 정면부에 위치하였다. 해석은 Fig. 15와 같이 사각 라운딩 보도틀 형상의 차이에 따른 2개의 타입으로 나뉘어 진행하였다.

Fig. 14 Assembly model

Fig. 15 Analysis model according to two types

동적 해석으로는 Explicit Solver를 사용하였으며, 본 연구에서는 보도틀의 파손 발생 유무와 범위를 파악하기 위함이므로 소형 승용차의 초기 속도 변경에 따른 반복해석은 의미가 없다고 판단하여 Table 5 ASTM F 2656-7의 속도 규격 중 가장 낮은 50km/h를 적용하였다.

Table 5. Impact Condition (ASTM F 2656-7)

잔류응력은 Stress Mapping기법의 Output Database File인 *.odb를 통하여 진행하였다. 해당 방법을 통해 정적해석의 결과로 요소의 번호에 따른 적분점의 응력을 Deformation이 발생한 모델을 Import하여 Fig. 16과 같이 해석이 진행되기 전에 잔류응력을 적용시킬 수 있다.

접촉 조건은 복잡한 소형 승용차 내부와 솔버의 특성에 따라 General Contact을 적용하였다.

Fig. 16 Initial stress

4.5 해석 결과

볼라드와 소형 승용차의 정면 충돌에 따른 거동은 아래와 Fig. 17과 같다. 본연구 결과를 통해 두 가지 타입에 따른 보도틀의 파손 범위를 파악하였다.

Fig. 17 Shape according to frontal collision

4.5.1 A Type

A Type 해석 결과를 통하여 Fig. 18과 같이 등가 응력기준으로 볼라드와 소형 승용차가 최초 충돌 시 보도틀의 37MPa이상 극한응력을 초과하여 파손이 예측되었고, 이후 소성 변형이 진전되면서 등가소성변형률을 통해 보도틀후면의 내부 모듈이 완전 파손이 예측되었다.

Fig. 18 A Type analysis result

4.5.2 B Type

A Type에서 모듈의 위치를 Z축으로 90도 회전시켜 해석을 진행하였다. Fig. 19와 같이 등가응력 기준으로 37MPa이상 응력이 최초 발생하는 부분은 보도틀 외부의 상단 부 이며, 해당 부분은 보도틀 외부 중요 결합부 위치로써 충돌로 인한 파손으로 보도틀 전체의 교체를 진행해야 한다.

Fig. 19 B Type analysis result

5. 결론

본 연구에서는 매립형 볼라드의 시공불량 및 외력에 의한 보도의 파손 및 침하로 인해 보행자의 안전에 문제가 발생하지 않도록 사각 라운딩 보도틀을 개발하였으며, 볼라드의 충돌에 의한 보도틀 파손 유무 확인과 교체여부 필요성을 유한요소해석을 통해 분석하였다. 다만 충돌해석시 반영해야 될 다양한 차량특성은 각 차량모델의 정보를 취급하는데 어려움이 있어서 본 연구에서는 프로그램에 규격화 되어 있는 소형승용차 모델을 사용한 한계점이 있다. 본 연구를 통해 확인한 결과는 다음과 같다.

1) 본 연구를 통하여 ASTM F2625-7 P Standard 규격에 따른 방호용 볼라드의 성능평가를 해석을 통해 검토할 수 있음을 확인하였다.

2) 초기속도 50km/h, 공차중량 1.10 Ton의 Small Passenger Car의 충돌에 의해 보도틀 후면내부와 외부, 스프링이 파손됨을 확인하였고, 전면부는 교체 없이 파손된 후면부 모듈의 교체만으로 수리 시공이 가능함을 확인하였다.

3) 50km/h의 속도에 의해 볼라드는 충돌부에 소성변형이 발생됨에 따라 교체가능성을 확인할 수 있었다.

4) 해석에 사용된 2개의 타입 중 파손된 형태와 위치에 따라 교체가 가능한 A Type이적합 하였다.

5) 시공된 보도틀 주변으로 블럭을 추가 구성한 모델링과 유한요소해석을 통해 충격 및 파손에 의한 주변 보도블럭의 영향성을 확인 가능할 것으로 판단되며, 향후 충돌 차량의 특성에 따른 해석으로 안전성을 평가해야 할 것으로 생각된다.