서 론

국내의 지형적 특성과 기상이변에 의한 집중호우로 낙석에 의한 직간접적 피해는 점차적으로 증가하고 있다(Kim et al., 2015). 낙석은 암반내 불연속면의 이완 또는 차별적 풍화로 돌출된 암편 등이 외적요인에 의해 중력방향으로 낙하하는 현상으로 불특정구간에서 전조현상 없이 빠르게 발생하는 특징을 보인다(MCTG, 2000).

국내에서는 낙석방지울타리와 낙석방지망을 이용하여 낙석피해를 예방하고 있으며 이 중 지주, 와이어로프, 철망으로 구성된 낙석방지울타리는 경제적이며 시공이 간편하여 비탈면에 인접한 도로 70% 이상에 설치되어 있다(Koo et al., 2001; Jin and Hwang, 2022).

낙석방지울타리 흡수 가능에너지는 50.0 kJ 내외로 이는 4.0 kN의 낙석이 12.5 m에서 자유 낙하할 경우 발생하는 에너지를 의미한다. 그러나 MLTM(2008)에 따르면 국도 주변의 낙석발생지점 275개소로부터 관찰된 낙석 평균중량, 비탈면 평균 기울기, 높이 등을 바탕으로 낙석에너지를 추정한 결과 평균 에너지가 90.0 kJ인 점을 고려할 때 도로변에 낙석방지울타리를 설치하더라도 낙석방지울타리의 구조적 결함으로 낙석방지울타리 지주변형, 단부지주 스플라이스 깨짐, 와이어로프 파단 등과 같은 손상은 다수구간에서 관찰할 수 있다(MCTG, 2000; Koo et al., 2001).

2022년 발간된 산림청 보도자료에 따르면 2022년 8월은 기상이변에 의한 집중호우로 여름철 강수량이 최근 10년간 평균 강수량인 598.9 mm를 초과하는 673.0 mm 발생하였으며 이에 따라 낙석을 포함하는 산사태 피해면적이 2021년보다 12.2배 증가한 327.3 ha인 것으로 보고되었다(KFS, 2022).

한반도 전역은 낙석을 포함하는 산사태로 막대한 직간접적 피해가 발생하였다. 본 연구에서는 낙석에 의한 인명 및 재산피해를 최소화하기 위하여 유럽의 낙석방지울타리 성능평가법(Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits, ETAG 027)을 이용하여 100 kJ 이상의 낙석에너지 흡수가 가능한 유연성 낙석방지울타리에 대한 성능검증을 실시하였다(EOTA, 2008).

낙석방지울타리 성능검증 방법

국내외에서는 실험목적에 따라 낙석 또는 콘크리트 공시체를 비탈면에서 직접 낙하시키는 비탈면 낙석실험, 펜듈럼실험, 런칭실험, 수직낙하실험법 등의 방법을 이용하여 낙석방지시설 성능을 검증하고 있다(Jin and Hwang, 2020). 여기서, 수직낙하실험방법은 낙하속도 및 타격위치 조정이 연구자의 목적에 맞게 조정할 수 있는 장점이 있어 ETAG 027에서는 Fig. 1과 같이 낙석방지시설을 총 3경관(표준지주 1경관, 단부지주 2경관)으로 제작한 후 표준지주 중앙에 26각형 모양의 정다면체 콘크리트 공시체를 자유낙하 시켜 낙석방지시설에 운동에너지를 전달하며 낙석방지시설의 성능은 Service Energy Level(SEL), Maximum Energy Level(MEL)로 구분하여 평가하고 있다(EOTA, 2008). SEL법은 방지시설이 흡수할 수 있는 최대에너지의 1/3만큼 수준의 에너지를 가하는 후 방지시설을 보수하지 않고 높이의 1/2 지점에서 2차에너지를 가하는 방식으로 실험이 진행되며 MEL법은 방지시설에 최대 에너지를 가한 후 충돌 후 지주의 높이가 충돌 전 길이의 0.5배 이상일 경우 Category A 등급, 충돌후 지주의 높이가 0.3배 초과, 0.5배 미만인 이상인 경우 Category B, 충돌후 지주의 높이가 충돌 전 지주 높이의 0.3배 미만 또는 방지시설에 주요 파손이 발생한 경우 Category C로 분류하고 있다(EOTA, 2008).

Fig. 1.

Location of impact at MEL and shape of the block for rockfall barrier test in ETAG 027.

도로의 구조 ‧ 시설 기준에 관한 규칙 제 12조(길어깨)에 따르면 국내 고속도로 차도 오른쪽 길어깨 최소폭은 2.0 m 이상을 확보해야한다고 보고하고 있다(MLIT, 2015). 따라서 높이 2.5 m 낙석방지울타리에 ETAG 027에서 제시하는 Category A 기준을 적용하면 Fig. 2a와 같이 충돌 후 지주 수평변위는 길어깨 폭을 초과하는 2.16 m로 제시된 등급을 만족하더라도 낙석방지울타리는 길어깨를 벗어나게 되므로 운전자에게 직간접적 피해를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 고속도로 길어깨 폭을 고려하여 낙석방지울타리가 손상이 발생하더라도 Fig. 2b와 같이 길어깨 폭 2.0 m를 초과하지 않는 범위에서 지주 수평변위가 발생할 경우 목표 낙석에너지를 성공적으로 흡수 가능한 것으로 설정하였다.

Fig. 2.

Performance criteria of rockfall protection fence.

이론적 배경

뉴턴의 운동 제 2법칙

식 (1)은 뉴턴의 운동 제 2법칙으로 물체에 작용하는 힘 (F)은 질량(m), 가속도(a)에 비례한다. 여기서 가속도는 속도의 변화량(∆v)을 시간의 변화량(∆t)으로 나눈 값으로 물리적으로 낙석방지울타리에 작용하는 충격력을 경감시키는 방안은 낙석무게를 줄이는 방법, 낙석속도를 인위적으로 감소시키는 방법 또는 낙석방지울타리에 설치된 와이어로프와 낙석의 접촉시간을 인위적으로 증가시키는 방법이 있다.

본 연구는 낙석방지시설의 일종인 낙석방지울타리에 대한 연구로 와이어로프에 대한 성능개선을 바탕으로 와이어로프와 낙석의 접촉시간을 인위적으로 증가시키는 방법을 채택하였다.

유연성 와이어로프

Table 1, Fig. 3은 한국도로공사에서 고속도로변에 널리 시공하고 있는 50 kJ 낙석에너지 흡수가 가능한 낙석방지울타리 주요 부재 규격 및 상세도면으로 중간지주는 높이 2.5 m의 150 × 75 × 5.0 × 7.0 규격의 H 형강(SS275)을 3.0 m 간격, 단부지주는 높이 2.5 m의 150 × 150 (두께 4.5 mm) 규격의 각형강관(SS275)을 사용하며 와이어로프는 파단하중이 183 kN 이상인 직경 20.0 mm 와이어로프를 끊김 없이 양쪽 단부지주에 연결하도록 제안하고 있다.

Fig. 3.

Standard drawing in Korea highway road.

낙석방지울타리는 Fig. 4와 같이 와이어로프의 재료적 특성인 탄성늘음(elastic elongation)을 이용하여 낙석에너지를 흡수하므로 취성재료인 콘크리트 재료와 비교 시 상대적으로 동하중을 효과적으로 방호한다.

여기서, 재료의 강도 감소 없이 탄성늘음을 인위적으로 향상시킬 수 있다는 의미는 재료와 동하중을 가하는 물체와의 접촉시간을 증가시키는 것을 의미하며 따라서 동일한 동하중이 작용하더라도 물체에 작용하는 충격력은 감소한다.

본 연구에서는 와이어로프의 탄성늘음을 극대화하기 위하여 구간별로 와이어로프 사이에 유연성 와이어로프를 설치하여 낙석 충격력을 감소시키는 방안을 검토하였다. Fig. 5는 유연성 와이어로프 개념도 및 이를 구성하는 주요 부재(스프링, 와이어로프, 와셔, 볼트)를 나타낸 것으로서 유연성 와이어로프는 두 갈래의 끝단이 록(lock) 가공된 와이어로프를 스프링 내부에 교차하여 지나가게 삽입한 후 와셔에 연결하여 와이어로프와 스프링을 일체화한다.

Fig. 4.

Rockfall energy absorption mechanism of rockfall protection fence.

Fig. 5.

Flexible wire rope.

유연성 와이어로프 낙석 충격력 경감 메커니즘

낙석 충격력 경감효과

유연성 와이어로프에 낙석 충격력이 도달하기 전에는 Fig. 6a와 같이 로프의 길이변화는 발생하지 않는다. 그러나 낙석이 로프에 충격력을 전달하면 Fig. 6b와 같이 로프에는 인장력이 작용하지만 스프링을 교차하여 위치하는 록 가공된 와이어로프 구간은 구속력 상실로 스프링을 압축하게 되며 이에 따라 스프링 압축량만큼 와이어로프는 대기중에 노출되며 로프 길이증대 효과가 발생한다. 와이어로프에 낙석 충격력 작용 시 로프의 길이가 탄성늘음량 이외에 스프링이 압축된 양만큼 증가하면 로프와 낙석의 접촉시간 또한 증가하는 효과가 발생하므로 유연성 와이어로프를 적용할 경우 동일 길이의 와이어로프보다 낙석 충격력은 물리적으로 감소한다.

Fig. 6.

Length change of flexible wire rope due to rockfall impact force.

등가 스프링상수 감소

스프링에 연결된 물체를 잡아당길 경우 물체에 가해지는 힘은 식 (2)와 같이 스프링상수(k)와 스프링의 변화된 길이(x)의 곱으로 나타낼 수 있다. 여기서, 물체에 작용한 운동에너지는 Fig. 7과 같이 힘-스프링 변위 그래프 면적을 의미하므로 힘-스프링 변위 그래프 면적은 또한 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다. 식 (3)에 대해서 변위에 대한 항정리를 수행한 후 식 (3)을 식 (2)에 대입하면 물체에 작용하는 동적 충격력은 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 7.

Load-displacement curve.

유연성 와이어로프는 스프링과 와이어로프가 직렬형태로 연결되어 있다. 따라서 유연성 와이어로프 등가스프링상수(keq)는 식 (5)와 같이 와이어로프에 설치되는 스프링수가 많을수록 감소한다. 여기서, kwirerope, kspring는 와이어로프와 스프링의 스프링 상수를 의미한다.

직경 16.0 mm (단면적: 127 mm², 탄성계수: 80.0 GPa), 길이 10.0 m의 와이어로프와 동일한 규격과 직경의 와이어로프 중앙지점에 스프링상수 134 kN/m의 스프링이 연결되어 있을 경우 와이어로프의 스프링상수는 식 (6)과 같이 1,016 kN/m인 반면, 스프링이 설치된 와이어로프(유연성 와이어로프) 등가스프링상수(keq)는 식 (7)과 같이 118.4 kN/m로 와이어로프보다 88.4% 감소하는 것으로 검토되었다.

낙석흡수에너지 향상

식 (8), 식 (9)를 이용하여 직경 16 mm (단면적: 127 mm², 탄성계수: 80.0 GPa), 길이 1.0 m의 와이어로프와 동일 규격의 와이어로프 중앙지점에 스프링(스프링상수 134 kN/m)이 결합된 유연성 와이어로프에 대한 낙석 흡수 가능에너지를 검토한 결과, 와이어로프는 m 당 0.62 kJ인 반면, 유연성 와이어로프는 스프링의 탄성거동이 추가적으로 반영되어 m 당 1.96 kJ의 낙석에너지를 흡수 가능한 것으로 검토되었다. 여기서, 직경 16.0 mm 와이어로프는 파단하중 157 kN의 약 75% 수준에서 항복이 발생하는 것으로 가정하였다(MLTM, 2008).

유연성 낙석방지울타리 성능검증을 위한 자유낙하실험

낙석방지울타리 제작

Fig. 8은 유연성 낙석방지울타리 성능검증을 위하여 제작된 낙석방지울타리로서 ETAG 027 기준을 적용하여 지주를 3경관(중간지주 1경관, 단부지주 2경관, 지주 간격: 3.0 m)으로 제작하였다. 지주 제원은 Fig. 3의 한국도로공사 낙석방지울타리 표준도와 동일하게 중간지주는 150 × 75 × 5 × 7 규격의 H 형강(SS275), 단부지주는 150 × 150 (두께 4.5 mm) 규격의 각형강관(SS275)을 사용하였으며 높이는 2.5 m로 설계하였다. 유연성 와이어로프(스프링상수: 134 kN/m)는 콘크리트 공시체가 낙하할 중간지주 중앙부위에 종방향으로 4개소 설치하였으며 단부지주 끝에는 지주에 작용하는 휨응력을 경감시키기 위하여 추가적으로 스스프링상수 476 kN/m의 스프링을 설치하였다. 낙석방지울타리는 기초가 강결형태로 지반 또는 콘크리트 구근에 고정되므로 실증실험 시 동일한 거동을 모사하기 위하여 지주 아래구간을 400 × 400 × 13 × 21 규격의 H 형강(SS275)에 용접, 볼팅하여 거동을 구속하였다.

Fig. 8.

Flexible wire rope fence for vertical drop test.

콘크리트 공시체 제작

Fig. 9는 ETAG 027에서 제안한 기준을 적용하여 가로 × 세로 × 높이가 각각 0.85 m 규격으로 제작한 26각형 모양의 정다면체 콘크리트 공시체로 무게는 9.8 kN (체적: 0.427 m³ × 단위중량: 23.03 kN/m³)으로 측정되었다.

Fig. 9.

Concrete block for the vertical drop test.

실험준비과정

Fig. 10은 낙석방지울타리 성능검증을 위한 실험준비과정으로 아이볼트를 낙석방지울타리 단부에 설치한 후 지주를 크레인을 이용하여 400 × 400 × 13 × 21 규격의 H 형강으로 구성된 시험틀에 고정한 뒤 유연성 와이어로프를 포함하는 와이어로프를 지주에 연결하고 와이어로프 상단에 철망을 설치하였다. 낙석방지울타리 설치가 완료된 후에는 콘크리트 공시체를 500 kN 규모의 크레인에 연결한 후 낙석방지울타리를 기준으로 10.5 m 지점까지 수직으로 올린 후 자유낙하를 시켰다.

Fig. 10.

Vertical drop test process for rockfall protection fence.

실험결과

Fig. 11, Fig. 12는 유연성 낙석방지울타리에 102.9 kJ (9.8 kN × 10.5 m = 102.9 kN ‧ m = 102.9 kJ)의 운동에너지가 작용한 직후부터 낙석방지울타리 거동이 완전히 종료된 시점(실험 시작 후 5분 뒤)까지 고속카메라에 촬영된 영상을 시간순서대로 나타낸 것으로서 콘크리트 공시체가 유연성 와이어로프에 도달함과 동시에 유연성 와이어로프는 공시체 낙하방향으로 처짐이 발생하였고 이에 따라 유연성 와이어로프에 설치된 스프링은 압축작용이 발생하는 것으로 나타났다. 콘크리트 공시체의 계속적인 자유낙하로 유연성 와이어로프 처짐이 증가하였고 그 결과로 유연성 와이어로프에 연결된 중간지주는 휨응력에 의한 소성 비틀림(plastic torsion)이 발생하기 시작하였으며 유연성 와이어로프와 지주의 강성에 의해 콘크리트 공시체가 유연성 와이어로프에 도달한 직후 약 0.25초 뒤 콘크리트 공시체는 유연성 와이어로프에 포획되었다.

Fig. 11.

Characteristics of flexible wire rope deformation due to 102.9 kJ rockfall energy (side view).

Fig. 12.

Characteristics of flexible wire rope deformation due to 102.9 kJ rockfall energy (front view).

실험종료 후 낙석방지울타리에 대한 육안조사 결과 콘크리트 공시체가 낙하한 지점의 철망에서 일부 찢김이 발생하였으나 낙석 충격력이 직접적으로 작용한 유연성 와이어로프를 포함하는 와이어로프 전 구간에서 어떠한 손상도 확인되지 않았다.

Table 2, Fig. 13은 초고속 카메라, 실측결과를 바탕으로 낙석방지울타리 표준 ‧ 단부지주의 처짐량(수평변형량)을 나타낸 것으로서 처짐은 낙석 충격력이 가장 크게 작용하는 중간지주에서 최대 1.40 m (실험종료 후 지주 처짐량: 1.15 m (0.25 m 탄성회복)) 발생하였으나 제시된 결과는 본 실험에서 제안하는 기준인 2.0 m 이하로 지주 거동이 제한되었다.

Fig. 13.

Deformation and damage condition of flexible wire rope after vertical drop test.

여기서, Fig. 3의 고속도로용 낙석방지울타리와 본 연구에서 사용한 낙석방지울타리 지주는 동일한 규격을 사용하였으나 와이어로프는 고속도로용은 직경이 20.0 mm인 로프(단면적: 197 mm², 파단하중: 183.0 kN)를 사용함에도 불구하고 50.0 kJ 이하의 낙석에너지 흡수가 가능한 반면, 유연성 와이어로프는 직경 16.0 mm (단면적: 127 mm², 파단하중: 157 kN)인 로프를 이용하지만 구조적 성능향상으로 기존 낙석방지울타리 대비 2배 이상의 낙석에너지 흡수(102.9 kJ)가 가능한 것으로 검토되었다. 유연성 와이어로프는 고속도로용 낙석방지울타리에 사용된 와이어로프보다 직경이 작아서 경제적으로도 뛰어나며 낙석 흡수에너지 성능개선이 필요한 낙석방지울타리 기 시공구간에 지주교체 없이 로프 교체만으로 적용이 가능한 장점이 있다.

결 론

낙석방지울타리에 작용하는 낙석 충격력은 낙석중량, 낙석속도와 비례하며 낙석방지울타리에 설치된 와이어로프와 낙석의 접촉시간과는 반비례한다. 따라서 본 연구에서는 와이어로프의 유연성을 향상시킨 유연성 와이어로프를 낙석방지울타리에 적용하여 100 kJ 낙석에너지 작용 시 거동을 분석하여 울타리의 성능을 평가하였다. 한국도로공사에서 제안하는 낙석방지울타리는 50 kJ의 낙석에너지를 흡수하도록 제안되었으나 유연성 낙석방지울타리는 지주 규격이 동일하고 와이어로프는 직경이 16.0 mm로 기존 20.0 mm보다 감소하였으나 유연성이 향상하여 낙석에너지를 효과적으로 흡수함과 동시에 충격력은 경감시켜 중간지주 최종처짐량은 1.15 m로 ETAG 027에서 제시하는 기준인 1.50 m 이하의 결과가 제시되어 성공적으로 102.9 kJ의 낙석에너지를 흡수 가능한 것으로 나타났다.