낙석방지울타리의 설계는 지반의 종류 및 사면경사 그리고 상부 및 하부지반조건을 고려하여 실시된다. 도로절개면에 설치되는 낙석방지울타리는 사면으로부터 발생한 낙석을 적절히 지지하여 도로로의 유입을 차단하기 위해 설치한다. 낙석방지울타리의 구조적 규격은 가정된 낙석에너지에 의해 산정되며, 낙석방지울타리의 흡수가능에너지는 구성요소인 철망, 지주 및 와이어로프 각각의 흡수가능에너지 합으로 규정하고 있다. 그러나 현장시험결과 적은 낙석에너지로도 경우에 따라서 낙석방지울타리가 지지하지 못하는 경우도 있었다. 따라서 본 논문에서는 현행 낙석방지울타리에 대한 설계기준의 문제점을 파악하고 이를 보완하기 위한 방법을 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 ETAG 027에서 제시하는 수직낙하실험법을 이용하여 100 kJ 낙석에너지를 포획할 수 있는 유연성 와이어로 낙석방지울타리에 대한 성능검증을 실시하였다. 유연성 와이어로프는 스프링과 와이어로프로 구성된 탄성력 증진 로프로서 와이어로프보다 탄성늘음이 향상되어 낙석과 와이어로프와의 접촉시간을 인위적으로 증가시켜 낙석 충격력 경감효과를 유발하고 낙석에너지 흡수효과 또한 향상시켰다. 9.8 kN의 콘크리트 공시체를 낙석방지울타리 상단 10.5 m 높이에서 자유낙하시켜 102.9 kJ의 낙석에너지를 낙석방지울타리에 가한 후 지주거동을 분석한 결과, 지주는 소성비틀림이 발생하였으며 탄성회복 후 최종변형량은 1.15 m로 ETAG 027에서 제시하는 기준인 2.0 m 이하의 결과가 제시되어 유연성 와이어로프 낙석방지울타리는 102.9 kJ의 낙석에너지를 성공적으로 흡수 가능한 것으로 확인되었다.
낙석방지울타리는 국내에서 가장 보편적으로 사용되는 낙석방지공법의 하나로 일반적으로 H형강, 와이어메쉬 및 와이어로프의 세 부분으로 구성되며 이들에 의해 발휘되는 낙석방지울타리의 총 흡수가능에너지가 낙석에너지보다 커야한다는 것을 기본적인 설계개념으로 한다. 본 연구에서는 기존 낙석방지울타리의 와이어메쉬와 와이어로프 대신, 새로운 재료인 팽창메탈을 사용한 낙석방지울타리의 성능을 평가하고 기존의 낙석방지울타리와 비교하였다. 이를 위하여 팽창메탈 낙석방지울타리와 기존 방식의 낙석방지울타리에 대하여 실내 및 현장시험을 실시하였으며, 그 결과 팽창메탈 낙석방지울타리의 흡수가능에너지는 기존 낙석방지울타리와 비교해 높은 것으로 나타나 팽창메탈은 성능 및 경제적인 면에서 기존 재료에 비해 우수한 재료임을 보였다.
본 연구는 기존의 낙석방지울타리에 적용되는 와이어로프를 경강선으로 대체하고 소재 및 체결부에 대한 실내성능실험과 더불어 현장에서의 수직낙하시험을 통해 전체적인 에너지 흡수능력을 평가하여 새로운 낙석방지울타리를 개발하는데 있다. 12단 경강선 적용 낙석방지울타리의 수직낙하시험 결과, 국내 낙석방지울타리에 기준으로 적용되는 흡수에너지인 50kJ 이상의 에너지를 흡수하는 것으로 나타났다. 또한 경강선 단수가 12단에서 16단으로 증가함에 따라 에너지 흡수능력도 향상되었다. 이러한 새로운 낙석방지울타리를 도로공사 절취사면 현장에 성공적으로 적용하였다. 그 결과, 시공성은 기존에 비해 별차이가 없는 것으로 나타났으나 미관상 전체적으로 심플하고 깨끗한 이미지를 연출할 수 있었다. 경제성 분석결과에 있어서는 전체 건설비용에 있어 기존 대비 약 20% 정도 절감되는 것으로 나타났다.
낙석방지울타리의 지지능력은 철망, 지주, 와이어로프의 성능을 합친 것으로 정의되며, 기존에 시공되고 있는 낙석방지울타리는 도로안전시설 설치 및 관리지침 중 낙석방지시설 편에는 48~61kJ의 에너지를 흡수할 수 있는 지주, 와이어로프, 철망의 규격이 제시되어 있다. 그러나 흡수에너지에 대한 각 요소들의 상관관계가 명확하게 제시되어 있지 않아 불확실하다(Ministry of Land, 2008). 본 논문에서는 수직 낙하시험을 이용하여 낙석방지울타리의 성능평가 시험을 수행하던 중 복잡한 꼬임으로 이루어져 체결 조건 등이 중요한 낙석방지망이 흡수하는 에너지를 확인하기 위해 실물낙석시험을 수행하였다. 시험결과를 이용하여 낙석방지망의 변위량 산정요소인 𝛿의 적절성을 판단하고 국외 성능평가 기준을 이용하여 낙석방지망의 흡수가능에너지를 평가하였다. 변위량 𝛿의 경우 명시되어 있는 1/4보다 1/2로 사용하는 것이 적합하다고 판단되며, 낙석방지망은 30kJ 정도의 에너지를 흡수한다는 결과를 도출하였다.
낙석방지울타리는 도로절개면 상부에서 발생한 낙석의 도로 유입을 차단하기 위하여 설치되는 구조물로 국내 국도 절개면 중 70%이상 시공되어 있다. 이와 같이 도로 절개면의 재해예방을 위하여 범용적으로 사용되는 시설물로서 그 중요성이 매우 강조될 수 있으나 국내의 경우 아직까지 설계 및 시공에 대한 기준이 미흡하고 절개면의 높이, 경사도 등 특성을 고려하지 않은 단일 표준단면도에 의해 설계, 시공되어 이의 효율성에 한계가 있는 것이 사실이다. 따라서, 본 연구에서는 현장실험을 통해 낙석방지울타리의 흡수가능에너지를 파악하였다. 실험을 위하여 높이 20m, 경사 65도의 절개면을 선정하여 4개 규모의 콘크리트 볼(0.7, 1.3, 2.3, 4.3 톤)을 절개면 상부로부터 낙하시켜 낙석방지 울타리의 성능을 평가하였다. 본 논문은 시공완료된 절개면을 대상으로 현장실물실험을 통해 낙석운동에너지, 암반의 반발계수, 낙석방지울타리의 흡수에너지 등을 산정하여 절개면 특성별 낙석방지울타리의 설계에 필요한 기초 자료를 제공하고자 하였다. 현장실험을 통해 획득한 낙석방지울타리의 흡수가능에너지는 약 50kJ로 이는 약 0.4톤의 낙석이 10m의 높이에서 낙하할 때 발생하는 에너지와 동일하다.
Rockfall protection fence is one of the most common rockfall protection measures in Korea. The fences have been constructed in almost every hazardous cutslopes along national highway in Korea. However, the capability and performance of the fence as rockfall protection system are seldom known since no field test which can provide information on the response and the behavior of fence was carried out. This is the first full scaled rockfall test in Korea. The objectives of the test are to provide the information on the behavior and the capability of fence and to propose the design specifications for the fence. In this test, four different systems have been selected and tested. For each test, the rockfall impact energy was analyzed and the response and behavior of the system were investigated.
산지가 많은 우리나라는 도로 및 철도건설을 위해 사면을 형성하는 구간이 많고, 사계절의 뚜렷한 차이로 인해 해빙기에 암블록의 이완현상 발생과 연평균 강우량의 2/3 정도가 여름철에 집중 발생되는 기후특성이 있으며, 최근 기상이변에 따른 집중호우 등으로 낙석 및 산사태와 같은 도로절개면 붕괴사고가 잦은 편이며, 해마다 장마철이 되면 이와 관련된 사고소식을 매스컴을 통해 쉽게 접할 수 있다. 낙석 발생 시 인명과 재산 피해를 최소화하기 위하여 절개지에 대한 보강공법의 개발 및 현장 적용성에 대한 연구 등이 활발히 이루어지고 있지 않는 실정으로 이에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있다. 특히 낙석방지망의 부분적 취약점(일체화가 되지 못함)으로 인해 낙석방지망이 충분한 지지능력을 발휘하지 못하는 문제가 발생됨에 따라 국내에서도 보다 높은 낙석에너지를 지지할 수 있는 낙석방지망에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 낙석방지망의 대체재료로서 팽창메탈의 적용성을 실험적으로 검증하고, 그 특성에 관해 연구해 보고자 하였다. 시험결과 팽창메탈은 우수한 강도와 일체화된 재료특성으로 기존 PVC망에 비해 최대지지하중이 높게 나타났으며, 현장시험의 흡수가능에너지 또한 높게 나타나 낙석방지망의 대체재료로서 활용이 가능한 것으로 판단된다.
낙석이 발생 시 인명과 재산의 피해를 최소화 하기 위해서 절개지에 설치되어있는 기존 낙석방지망의 적절한 성능을 평가할 필요가 있다. 하지만 현재 국내의 경우 낙석방지망에 대한 성능평가의 기준이 전무한 상태이며, 흡수가능한 에너지를 산정하여 이로 인한 낙석방지망의 설계만 존재한다. 따라서 본 연구에서는 낙석방지망의 성능평가를 위하여 실내시험을 실시하였으며, 실내 인발시험에서 사용되는 PVC코팅망에 코팅망을 절단, 절단개수와 표준시험결과와의 하중-변위 특성을 파악하여 낙석방지망의 성능을 알아보았다. 시험 결과, PVC코팅망은 절단면의 개수에 따라서 변위의 증가를 확인할 수 있었는데, 비결속부인 y축의 경우 1개의 절단면에 따라서 변위가 약 3%씩 증가하는 추세를 보이고 있으며, 결속부인 x축의 경우에는 1개의 절단면에 따라서 변위가 약 5%씩 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
낙석은 형상, 체적 및 중량 등 그 규모를 예측하기 어렵고 비탈면의 높이 및 경사 등 기하학적 형상 등에 따라 불규칙적인 거동을 보인다. 본 연구에서는 해안도로를 따라 낙석이 빈번하게 발생하는 울릉도의 비탈면을 대상으로 현장조사를 수행하여 낙석의 유형을 분류하고 규모를 산정하였다. 또한 시뮬레이션 기법을 적용하여 도로에 영향을 미치는 낙석의 거동을 분석하였다. 연구지역에 분포하는 집괴암과 조면암질암은 각각 탈락형과 박리형의 낙석 유형를 보이며, 낙석의 규모는 조면암질암이 집괴암에 비해 상대적으로 2~3배 크게 분포하는 것으로 나타났다. 시뮬레이션을 이용한 낙석의 거동을 분석한 결과, 도로에 작용하는 충격 에너지가 표준 낙석방지울타리의 흡수 가능 운동에너지의 범위를 초과하여 고강도특수망을 적용할 경우 안정성이 확보되는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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