현재 유럽의 도로 안전 기준인 EN1317은 SUV와 같은 대형 승용차를 고려하지 않고 있습니다. 그러나 SUV는 유럽 도로에서 점점 더 많이 사용되고 있어 이에 대한 대책이 필요한 상황입니다. 이 연구의 목적은 대형 SUV와의 충돌 시 고장력 3선식 케이블 가드레일 시스템을 최적화하는 것입니다. 충돌 시험 규정이 강화되는 만큼 고장력 케이블 가드레일의 차량 충돌시 메타모델 기반 최적화 방안에 대해 알려드리겠습니다.
고장력 케이블 가드레일 연구 방법
최적화 문제 정의
- 설계 변수: 지주 간격(x1)과 지주 두께(x2)
- 목적 함수: 100m 가드레일의 지주 질량(M)과 작용폭(Wm)
- 제약 조건: 가속도 심각도 지수(ASI) ≤ 0.5
실험 계획 및 민감도 분석
- 완전요인설계(FFD)를 사용하여 25개의 초기 설계점 생성
- 유한요소 시뮬레이션을 통해 각 설계점에서의 시스템 응답 확인
- 설계 변수에 대한 목적 함수와 제약 조건의 민감도 분석 수행
메타모델 생성 및 정확도 평가
- 다항식 회귀(PR-QP)와 방사기저함수(RBF) 기반 메타모델 생성
- 5개의 검증점을 사용하여 메타모델의 정확도 평가
- 최대 절대 상대 오차(MARE), 평균 절대 오차(AAE), 제곱근 평균 제곱 오차(RMSE) 계산
고장력 케이블 가드레일 최적화 결과
케이스 A: 작용폭 유지, 질량 감소
- 3가지 최적 설계안 도출:
- A1: 지주 간격 2.8m, 두께 4.8mm (질량 14.3% 감소)
- A2: 지주 간격 2.8m, 두께 4.9mm
- A3: 지주 간격 2.9m, 두께 5.0mm
- 모든 설계안에서 ASI, THIV, 차량-가드레일 접촉 길이 유지
- 손상된 지주 수 19개에서 13-14개로 감소
케이스 B: 질량 유지, 작용폭 감소
- 최적 설계안 B1: 지주 간격 2.5m, 두께 5.0mm
- 작용폭 4.8% 감소
- ASI와 THIV 약간 증가, 접촉 길이 감소
- 손상된 지주 수 19개에서 14개로 감소
최적화 알고리즘 비교
- NSGA-II가 WSF보다 효과적
- NSGA-II: 전체 파레토 프론트 영역 탐색 가능
- WSF: 케이스 A에서 해 도출 불가, 케이스 B에서 일부 메타모델에서만 해 도출
고장력 케이블 가드레일 실용적 적용 및 의의
제조 및 설치 단계
- 가드레일 질량 감소로 생산 및 운송 비용 절감
- 탄소 발자국 감소에 기여
- 지주 간격 증가로 설치 시간 단축 및 작업자 안전성 향상
유지보수 단계
- 손상된 지주 수 감소로 수리 비용 및 시간 절감
도로 안전 기준 개선 필요성
- EN1317 기준 개정 필요성 제기
- SUV 대상 충돌 시험 도입 제안
SUV 충돌 대응 설계
- 유럽의 도로 안전 기준인 EN1317은 SUV와 같은 대형 승용차를 고려하지 않고 있어 개선이 필요한 상황
- SUV 대상 충돌 시험 도입 제안 및 케이블 가드레일 최적화 연구 진행 중
메타모델 기반 최적화
- 지주 간격, 지주 두께 등 설계 변수를 최적화하여 성능 향상
- 작용폭 유지하면서 질량 14.3% 감소 또는 질량 유지하면서 작용폭 4.8% 감소 등의 효과 확인
제조 및 설치 개선
- 가드레일 질량 감소로 생산 및 운송 비용 절감
- 지주 간격 증가로 설치 시간 단축 및 작업자 안전성 향상
장점
- 충돌 시 에너지 흡수 능력이 우수하여 탑승자 안전성 향상
- 경량화를 통한 설치 및 유지보수 비용 절감
- 설계 최적화를 통한 성능 개선 가능성이 높음
- 시인성이 좋아 야간 주행 안전성 향상
단점
- 초기 설치 비용이 높음
- 케이블 장력 유지를 위한 주기적인 점검 필요
- 충돌 후 복구에 전문 인력과 장비 필요
- 오토바이 운전자에게 위험할 수 있음
고장력 케이블 가드레일은 지속적인 연구개발을 통해 단점을 보완하고 장점을 극대화하는 방향으로 발전하고 있으며, 차량 안전을 위한 중요한 도로 시설물로 자리잡고 있습니다.
결론
이 연구는 메타모델 기반 다목적 최적화 접근법을 사용하여 대형 SUV와의 충돌 시 고장력 케이블 가드레일의 성능을 향상시켰습니다. 최적화 결과, 가드레일의 질량을 최대 14.3% 감소시키거나 작용폭을 4.8% 줄이는 동시에 충돌 후 손상된 지주 수를 크게 줄일 수 있었습니다. 이러한 개선은 가드레일의 제조, 설치, 유지보수 비용을 절감하고 도로 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 이 연구는 현재 유럽의 도로 안전 기준이 현대 차량 구성을 반영하지 못하고 있음을 지적하며, SUV를 고려한 충돌 시험의 도입 필요성을 제시했습니다. 제안된 방법론은 다른 도로 안전 시설물의 최적화에도 적용될 수 있어, 전반적인 도로 안전 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 글에서는 차량충돌 케이블에 대해 알아보았습니다. 충돌 안전 규정이 더 강화된 만큼 충돌안전 케이블의 연구 동향도 더 강화되고 있습니다. 이번글을 통해 알아 보신 정보 외에도 더 많은 자세한 정보는 아래 글을 통해 알아보세요.
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