차량 충돌 하중 산정법(EN-1317)

차량방호울타리를 설계하는데 있어 가장 중요한 것은 차량의 충돌하중을 결정하는 것이다. 하지만, 국내 설계자들의 경우 충돌하중을 산정하는데 많은 어려움을 격고 있다. 이러한 이유는 대부분의 연구들이 해외에서 진행되었고 국내에서는 차량 충돌하중을 산정하기 위한 연구들이 미미하기 때문이다. 국내의 연구의 경우 강성 방호울타리에 충돌하는 하중에 대한 연구위주로 되어 있으며 변형을 수반한 연성 차량방호울타리에 대한 연구는 전무한 실정이다.

따라서, 설계자들이 충돌하중을 결정하는데 있어 도움을 주고자 해외 관련 자료들을 정리하였다.

유럽연합의 도로안전시설 관련기준인 EN 1317-1(CEN, 1998)에는 차량방호울타리에 작용하는 충돌하중을 산정하는 방법을 아래와 같이 설명하고 있다.

Average Force from kinematics

이 방법은 차량의 운동에너지러부터 평균충돌하중을 계산하는 것으로 차량방호울타리에 차량이 충돌하는 경우 아래 그림과 같이 방호울타리의 수직방향에 대한 차량 무게중심의 속도는 초기 충돌 조건에 의해 아래 식과 같다.

$V_{n} = V \cdot sin \alpha$

차량 무게중심에서의 방호울타리 수직방향 평균 가속도는 아래식과 같이 나타낼 수 있다.

$\bar{a_{n}} = \frac{V_{n}^{2}}{2 \cdot S_{n}}$

여기서, $\bar{a_{n}}$ : 평균 가속도, $S_{n}$ : 방호울타리의 변형

여기에 뉴턴의 운동법칙을 적용하여 차량의 질량(M 을 곱하면 아래식 같이 평균 충돌하중을 구할 수 있다.

$\bar{F} = M \bar{a_{n}} = \frac{M \cdot V_{n}^{2}}{2 S_{n}}$

Average Force from energy balance

이 방법은 차량의 횡방향 운동에너지와 에너지의 평형을 이용한 방법으로 차량의 횡 방향 운동에너지는 아래식과 같이 구할 수 있다.

$W_{n} = \bar{F} S_{n}$

차량의 운동에너지와 한 일은 같으므로 아래식과 같이 정리할 수 있다.

$\frac{MV_{n}^{2}}{2} = \bar{F} S_{n}$

따라서, 횡방향 평균 충돌 하중은 아래와 같게 된다.

$\bar{F} = \frac{MV_{n}^{2}}{2S_n}$

이처럼 운동에너지와 에너지 평형을 이용한 식은 앞에서의 운동에너지 식과 같게 된다.

또한, EN-1317에서는 Olson Model을 소개하고 있다.