충돌차량 방어기능 우수/충격 완화, 탑승객 보호능력 동시만족


3단 철재빔을 이용한 충격완화형 교량용 방호울타리 제작 및 설치공법이 지난 9월3일 건설교통부로부터 건설교통부 신기술(제294호)로 지정됐다.

포스코와 포항산업과학연구원(RIST)가 공동 개발한 이 신기술은 연결부와 강성에 문제가 있어 추락방지성능에 문제가 있는 것으로 지적돼 온 기존 알루미늄 난간과 비교해 경제성이 탁월할 뿐 아니라, 수입대체 효과가 크다는 의견이다. 또한 콘크리트 난간과 비교해도 탑승자 보호측면에서 절대 우수하고 차량 유도 성능(2차사고 방지)과 조망권 확보, 미관, 제설작업 용이성, 시공성 등이 뛰어난 제품으로 평가되고 있다.

이와 함께 기존제품에 비해 유지관리가 용이하고 환경친화성이 탁월하며 중량이 가벼워
교량의 상부구조의 공사비를 격감시키는 효과도 나타나고 있다.

현재 신공항 고속도로를 비롯해 광안대로 등 국내 대형 교량 프로젝트에 적용돼 그 우수성을 인정받고 있다.

이번 신기술 지정 획득으로 향후 건설시장에서 초기 시장진입 및 수요 확대에 결정적인 기여를 할 것으로 보인다.
특히 도로시설물과 같이 공공부문 발주공사의 경우 파급효과가 매우 크다는 분석이다.
아울러 이 신기술의 개발과정에서 영종대교와 외곽순환도로 등 대형 교량 프로젝트 위주로 한정 적용돼 왔으나, 이번 건설신기술 지정을 통해 그동안 콘크리트 난간이 주류를 이루고 있는
중소교량 및 고속도로 교량에 대한 확대 적용이 기대된다.


신기술 개요

자동차 전용도로에서 교량난간(교량용 차량방호울타리)은 소형차량에 대한 안전성과 대형차량에 대한 강성을 모두 갖춰야 하는 적잖은 어려움에 직면해 있다.
특히 차량의 고속화와 함께 통행량 증가, 차량의 대형화에 따라 기존 콘크리트나 알루미늄형식으로는 탑승자의 안전과 추락방지성능을 기대하기 힘든 실정이다.
따라서 이번에 건설교통부 신기술 제294호로 지정된 ■3단 철재빔을 이용한 충격완화용 방호울타리 제작 및 설치공법■은 콘크리트 난간 방호책과 알루미늄 교량난간에 비해 충돌차량의 방어 기능면에서 우수하고 충돌차량의 충격을 완화, 탑승객을 보호하는 능력을 동시에 만족하도록 개발됐다. 즉 콘크리트 난간의 단점을 보완하고 알루미늄 난간의 장점을 살린 구조라고 할 수 있다.


기존 기술의 문제점

현행 설계지침에서 제시하고 있는 성능평가 기준은 소형차와 대형차로 나눠 평가기준을 정하고 있다. 이 중 소형차의 경우 탑승자 안전기준을 들어 교량용 방호울타리의 충격흡수 능력을 평가하고 대형차의 경우 추락방지 성능을 들어 방호울타리의 강성을 평가하고 있다.
그러나 기존 콘크리트 형식의 경우 자체 강성이 차체보다 훨씬 크므로 차량 충돌시 그에 대한 충격이 차량과 운전자에 직접적으로 전달돼 인명과 재산피해가 크다. 또 알루미늄 형식의 경우 차량 충돌시 재료자체의 연성으로 충격흡수력을 확보한 반면, 강성이 떨어지기 때문에 차량의 차도이탈 및 차량 추락 방지효과가 미흡하다는 단점이 있다.
또한 현재 국내에서 통행중인 대형차량의 대부분이 카고 형식과 덤프형식이라는 점을 감안할 경우 카고 형식보다 적재함의 위치가 상당히 높게 돼있어 충돌 후 이 적재함이 방호울타리에 직접적인 수직하중으로 작용하게 된다.
기존 가로보 형태 방호울타리의 경우 대형차량에 대한 실제 충돌 시험이 전무한데다, 그동안의 사고형태도 대부분 횡방향 강성 부족으로 인해 추락사고로 이어지는 상황이어서 수직하중은 설계시 전혀 반영하지 않고 있는 실정이다.


신기술 내용 및 특징

이 신기술은 적당한 강성과 연성을 지닌 철재를 사용해 가로보를 3단으로 배치, 차량 유도성능과 전복방지 효과가 있다. 또 하단레일에는 충격흡수장치를 설치, 충돌시 충격을 흡수해 탑승자의 안전성을 높였다.
이와 함께 충분한 강성을 지닌 폐단면의 지주를 사용해 추락방지에 효과적으로 설계■제작된다.

■소형차에 대한 시스템의 거동=철재교량난간은 교량의 최외측에 설치돼 있는 방호울타리로 교량을 통행하는 차량의 이탈과 추락을 방지하기 위해 설치하는 도로안전 시설물이다. 하지만 승용차의 경우 철재교량난간에 충돌했을 때 차량의 추락방지뿐 아니라 차량에 탑승한 운전자와 승객의 상해를 줄이는 것이 필요하다.
실제 국내 기준인 ■도로안전시설 설치 및 관리지침-교량용 방호울타리편■과 미국 NCHRP Report 350에 충돌시험조건과 승차원의 안전성능을 평가하기 위한 차량이 받는 가속도 기준이 제시돼 있다.
기준에서는 중량 1톤의 소형차를 100km/h의 속도, 충돌각도 20도의 충돌시 소형차량이 받는 가속도 기준을 20g 미만으로 제시하고 있다.
이에 따라 이번 신기술은 충돌시 차량이 받는 가속도 기준에 만족하도록 승용차량이 충돌하는 하단레일에 충격완화장치를 부착해 레일과 충격완화장치에서 다단계 충격을 흡수, 차량이 받는 가속도가 18g으로 평가되어 20g을 상회하는 콘크리트 난간의 단점인 탑승자의 안전성을 개선했다.

■대형차에 대한 시스템의 거동=국내 설계지침상 지시돼있는 대형차량의 충돌시험조건을 보면 종별로 구분된 설계기준상의 S1, S2, S3급에 공통적으로 차량에 대해 25톤 중량을 적용하게 되어 있으며 충돌각도도 15도로 규정돼 있다.
다만 등급별로 충돌속도에 변화를 주어 충격량에 따라 종별을 구분하게 되는데 S1급의 경우 50km/h, S2급 65km/h, S3급 80km/h로 제시돼 있다.
이런 충돌시험 조건에서는 차량의 종류가 단순히 대형화물차로만 정의돼 있어 무게중심이 상이하게 차이를 보이는 국내 대형화물차량의 대부분인 카고 트럭과 덤프트럭조차 대변할 수 있다고 볼 수 없기 때문에 미국 및 유럽 기준과 같이 트럭의 종류와 적절한 하중, 속도, 각도로 세분화 될 필요가 있다고 판단된다.
대형차에 대한 철재교량용 방호울타리 시스템의 거동을 알아보기 위해 실차충돌시험에 적용된 대형화물차량은 S2급의 경우 일반적으로 가장 많이 사용했다. 또 적차시 차량중량 25톤에 대한 무게중심은 1천49mm이고 특수구간에 설치되는 S3급의 경우 적재함이 높게 위치해 무게중심이 1천245mm로 S2급에 적용된 카고 트럭보다 상당히 높고 앞쪽에 분포되어 있는 덤프트럭을 적용, 보다 극한상황을 연출했다.
카고트럭과 덤프트럭 모두 중간단 가로보에 범퍼가 위치하도록 설계돼 1차 충돌시 중간단 가로보에 의해 충격을 흡수하고 동시에 하단 가로보와 충격완화부재 또한 충격흡수 성능을 발휘하며 가로보와 지주의 합성거동으로 추락을 방지토록 했다.
2차 충돌 이후에는 상단 가로보가 차량의 전복을 방지하며 진행차로로의 유도성능을 발휘토록 했다.

카고트럭으로 실차충돌시험을 한 S2급의 경우 세 개의 가로보가 그 성능을 충분히 발휘하면서 국내 충돌성능 평가 기준인 강도성능, 충돌후 차량 안전성능, 구성부재 비산 억제 성능을 모두 만족했다.
덤프트럭으로 미국 TTI (Texas Transportation Institude)에서 실차충돌시험을 한 S3급의 경우 S2급과 같이 상단, 중간단, 하단 가로보 및 충격완화부재가 그 성능을 충분히 발휘하여 추락방지 및 진행방향으로의 유도성능을 만족했다.
이번 신기술은 미국 TTI측과의 협의를 통해 수직하중에 대한 파괴가능성을 확인했으며, 수직하중에 대한 해결책으로 상단 가로보의 단면과 난간의 전체 높이를 높혀 강성을 확보하고 차량의 관성에 의해 적재함이 얹히는 현상을 방지해 수직하중으로 인한 처짐에 대비한 국내 최초의 방호울타리 공법이다.
또 소형차의 경우 충격흡수성능을 높이기 위해 충돌차량이 처음 접촉하는 하단레일에 충격흡수를 위한 충격완화 부재를 장착해 탑승자의 안전을 고려했다.
레일과의 합성거동으로 추락방지에 충분한 강성을 지닌 폐단면의 지주를 사용한 철재 교량 방호울타리 시스템이다.
이와 함께 이 신기술은 구조물 전체를 용융아연도금으로 처리하면 은색을 띠게 돼 미관이 수려해짐은 물론, 노상에 방치된 상태에서 녹을 방지해 사용수명을 고가의 알루미늄 소재로 채용한 것과 동일하게 연장할 수 있다.


향후 전망

3단 철재빔을 이용한 충격완화용 방호울타리 제작 및 설치공법을 통해 건설교통부 신기술을 지정받은 포스코는 향후 이번 제품의 명칭을 일반인을 대상으로 한 홍보에 용이하도록 철재교량난간이라는 명칭을 계속 사용할 계획이다.
특히 이 제품은 이미 영종대교와 광안대교 등 국내 대형 교량프로젝트에 적용, 그 우수성을 인정받고 있으며 앞으로도 지속적인 수요증가가 예상된다.
한편 포스코는 강성과 충격흡수능력(연성, 인성) 및 경제성이 뛰어난 철강재의 성질을 효과적으로 이용할 수 있는 차량방호 안전시설의 개발에 수요개발 노력을 집중키로 했다. 특히 향후 낙석방지시설과 노측용 방호울타리의 개발에도 착수, 기개발된 교량용 차량방호울타리와 중앙분리대, 방음시설과 함께 철강재로 구성된 도로안전시설의 토탈 솔루션을 제공할 계획이다.