단자유도 시스템을 이용한 충돌해석과 베리어 설계 = Vehicle-Barrier Collision Analysis and Design Methodology Using One Degree of Freedom System
저자
발행사항
공주 : 公州大學校 大學院, 2003
학위논문사항
학위논문(석사)-- 공주대학교 대학원: 토목공학과 구조공학 전공 2003. 2
발행연도
2003
작성언어
한국어
주제어
KDC
531.1 판사항(4)
발행국(도시)
충청남도
형태사항
vi, 74p. : 삽도 ; 26cm.
일반주기명
참고문헌 수록
소장기관
베리어의 설계에 있어서, 충돌특성에 영향을 미치는 여러 변수에 대해 많은 시뮬레이션을 수행하여 적정수준의 단면형상을 결정하고 충돌실험을 통해 성능을 평가하여 가드레일의 최종단면을 결정한다. 따라서, 일정한 설계시방에 따라서 탄성 혹은 극한강도 설계에 익숙한 일반 구조기술자들이 사용할 정해진 설계방법이나 시방서가 없고 각종 실험과 해석기술을 동원한 설계후에, 충돌실험을 통한 최종평가가 이루어지기 때문에 설계방법에 관한 Rationale이 극히 부족한 상태이다. 본 연구에서는 이러한 시행착오적인 설계방법 대신 단자유도계 시스템을 이용한 합리적인 설계법을 제시함으로써 충돌실험 횟수를 줄이고 안전시설물로서의 성능기준을 만족시키도록 함과 동시에 시설물의 경제적인 설계가 가능하게 하였다. 연구의 대상은 철재 중앙분리대에 한정하였다. 중앙분리대는 현재 대규모로 설치되고 있는 안전시설물 중에서 대표적인 것인 만큼 충돌에 대한 정확한 거동 분석과 합리적 설계의 파급효과가 다른 시설물에 비하여 크기 때문이다. 본 연구를 통한 결론 및 필요한 추후연구는 다음과 같다.
1. 국내에 많이 시공되고 있는 양면 Thriebeam을 이용한 중앙분리대 (그림 4.2참조, 지주간격 2m)에 정면충돌(90°) 하는 소형차(1.3ton)의 경우를 해석대상으로 BARRIER Ⅶ 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 속도를 바꾸어가며 실시하여 가 충돌속도에 관계없이 일정하다는 사실을 확인하였다. 이를 이용하여 차량-베리어 충돌을 단자유도계로 모델하고 이론해로부터 구한 감속도 및 변위의 스펙트럼값이 시뮬레이션으로부터 구한 값과 일치하고 있음을 확인하였다.
2. System Stiffness()를 변화시키는 Parameter는 빔과 지주의 기계적 특성 및 제단면치수 그리고 지주간격 등이 있으나 본 연구에서는 지주간격만으로 값을 변화시켜 가면서 변화된 값에 대한 최대처짐 및 최대감속도의 값을 충돌속도의 함수로 나타내고 이로부터 처짐과 감속도를 제약조건으로 하는 합리적인 설계가 가능함을 제시하였다.
3. 본 연구에서는 베리어의 System Stiffness()를, 지주간격만을 변수로 하여 변화시켰다. 그러나 System Stiffness()를 변화시키는 Parameter로는 빔과 지주의 기계적 특성 및 제단면치수 그리고 지주간격 등이 관련되어 있으므로 이러한 변수들을 고려한 System Stiffness()에 대한 충돌속도별 베리어의 처짐 및 감속도의 스펙트럼을 완성하면 보다 일반적인 단면 설계가 가능해질 것이다. 또한 System Stiffness()가 충돌속도에 관계없음이 확인되었기 때문에 스펙트럼완성에 정적 비선형 해석 혹은 정적실험이 유효할 것으로 판단된다.
In developing longitudinal barriers, crash test is regarded as the most reliable tool for performance verification. Since the crash test is so costly, proper design using structural analysis, element test in the lab and computer simulations are used in the preliminary design to reduce the number of crash test. If barrier section is chosen randomly in the preliminary design phase, many effort in simulation works will be needed until the section is regarded as a candidate system for crash test. Therefore selecting right section at the first phase is very important and hence developing effective design methodology is an important issue in the barrier systems' design.
This work is to develope a design method using spectrum of deceleration and deflection for varying circular frequency of the barrier system. Method of representing barrier and car crash event by means of single degree of freedom system made of mass and spring has been discussed. For this, many crash test data are needed to see the trend of deceleration. From the deceleration data deformation of the crashing car and barrier can be obtained by integrating the deceleration twice. Unfortunately, crash test data is not available. In the situation, simulation method using BARRIER Ⅶ program has been used. First, median barrier with two sheets of thrie beam and circular post of 2m spacing has been chosen and 1.3ton car was modelled and impacted to the barrier with various impact speeds. Deceleration data from the simulations was analysed and it was shown that deceleration vs. deformation graph could be approximated with a one way linear spring and the stiffness, which is equivalent to the slope of the deceleration vs. deformation graph of the spring, is independent of impact velocity.
With the stiffness and the mass representing the impact vehicle, maximum deceleration and deformation could be obtained analytically for the special structure of specific system stiffness, which is represented here by the space between the posts. With different system structural stiffness i.e. post spacing different spring-mass model was possible without much simulation because it had been known the spring constant is independent of impact speed. Thus, for a structure with specific structural stiffness, maximum deflection and maximum deceleration can be calculated and plotted. Those maximum deceleration vs. and maximum deformation vs. for different impact velocity are two response spectrum which leads to an effective system design at the first design stage. Design method with the said structure is explained.
* A thesis submitted to the committee of Graduate School, KongJu National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering Conferred in February 2003.
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