1. 서 론
2. 차량 방벽
2.1 차량 방벽 성능 평가 인증
2.2 충돌 시뮬레이션 관련 기준 : NCHRP 179
3. 충돌 해석 모델
3.1 차량 모델
3.2 로드블록 모델
4. 충돌 시뮬레이션
4.1 충돌 시뮬레이션 조건
4.2 충돌 시뮬레이션 결과
4.3 충돌 시뮬레이션 검증 결과
4. 결 론
1. 서 론
원자력 발전소는 국가적인 에너지 안보를 위한 중요한 시설물로, 그 중요성은 매우 크기에 테러리스트의 공격 등의 위협으로부터 보호되어야 한다. 최근 차량강습 위협이라는 테러리스트가 차량을 몰고 고속으로 이동하여 보행자나 시설물을 공격하는 형태의 위협이 대두되고 있다. 2016년 프랑스 니스 차량 테러 사건 이후 전 세계에서 차량강습 테러가 일어나고 있으며, 이는 원자력 발전소의 설계기준위협에도 포함되었다. 설계기준위협은 원자력 발전소의 물리적 방호 시스템을 설계하기 위한 위협들의 집합을 뜻한다.
차량강습 위협을 대비하기 위한 물리적 방벽으로는 차량 방벽이 있다. 차량 방벽은 로드블록, 볼라드, 도로차단기, 게이트 등으로 차량의 출입을 차단하거나 제어하는 장치나 구조이다. 차량 방벽의 성능에 관한 인증으로는 미국의 ASTM F2656, 영국의 PAS 68:2013, ISO의 IWA 14-1:2013이 있으며, 이들은 실험을 통해서만 인증서를 발급한다(ASTM, 2018; ISO/IWA 14-1: 2013, 2013; PAS 68:2013, 2013). 국내 기업이 차량 방벽을 개발하더라도 성능을 인증을 받기 위해서는 미국이나 유럽으로 건너가서 실험해야 하기에 막대한 비용이 발생한다. 이에 실험을 대체하고자 차량 충돌 시뮬레이션을 통한 차량 방벽 개발 및 검증이 시도되고 있다(Kinney, 2013; Yoo et al., 2016; Zhang et al., 2022).
LS-DYNA는 LSTC(Livermore Software Technology Corporation)에서 개발한 3차원 비탄성 구조물의 비선형 동적 반응을 해석하는 유한요소 프로그램이다. 차량 충돌 해석 시뮬레이션을 포함한 다양한 충돌 시뮬레이션, 공기중 폭발 및 수중 폭발 시뮬레이션 등 극한 하중에 대한 구조물의 동적 응답을 Explicit 기법을 바탕으로 해석하는데 널리 이용되고 있다(Chung et al., 2016; Kim et al., 2011; Lee et al., 2021b; Shin et al., 2022).
미국 NCAC(National Crash Analysis Center)에서는 충돌 실험과의 비교를 통해 타당성 검사(Validation)를 완료한 다양한 LS-DYNA 기반 차량 모델을 배포하고 있다. 국내에서도 많은 연구자들이 가드레일과 같은 차량 안전시설의 개발과 검증에 NCAC 배포 모델을 활용하고 있다(Kim et al., 2012; No et al., 2022; Shin and Bae, 2016). 미국 국립도로 연구 프로그램 NCHRP (National Cooperative Highway Research Program)에서는 차량 안전시설에 대한 차량 충돌 검증 절차를 발표한 바 있으며(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2011), 국내에서도 NCHRP 179를 준용한 차량 안전시설에 대한 충돌 시뮬레이션의 검증(Verification) 방법이 소개된 바 있다 (Kim et al., 2017; Lee et al., 2022b). 본 연구팀은 차량 강습 위협을 대비하기 위해 다양한 차량과 방벽의 충돌 시뮬레이션 데이터 베이스를 구축하고자 한다. 이를 위해 물리적 방벽의 유한요소(FE) 모델을 구축하였고, 차량과 방벽의 충돌 시뮬레이션을 수행하여, 그 결과를 NCHRP 179의 기준을 준용하여 검증하였다.
2. 차량 방벽
차량강습 위협을 대비하기 위한 수단으로 차량 방벽(Anti- ram barriers)이 있다. 차량 방벽은 차량의 접근을 통제하거나 차단하는 구조적 장애물로써, 대표적으로 볼라드, 로드블록, 게이트 등이 있다. 본 장에서는 차량 방벽 성능 평가 인증 방법과 차량 충돌 시뮬레이션의 검증에 주로 사용되는 검증 기준에 대하여 소개한다.
2.1 차량 방벽 성능 평가 인증
차량 방벽의 성능에 관한 인증으로 미국의 ASTM F2656, 영국의 PAS 68:2013, ISO의 IWA 14-1:2013이 있으며, 이들은 실험을 통해서 인증서를 발급한다. 미국과 영국 및 ISO의 인증에 사용하는 차량의 종류와 중량을 Fig. 1에 나타내었다. 각 인증에서는 실험을 통해 차량 방벽의 침투거리(Penetration distance)를 측정하여 평가한다. 로드블록과 같은 고정형 차량 방벽에 사용되는 주요 인증 조건을 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Conditions commonly used for ASTM F2656, PAS 68:2013 and IWA 14-1:2013 certification
2.2 충돌 시뮬레이션 관련 기준 : NCHRP 179
NCHRP는 미국 국립아카데미와 교통연구위원회(TRB, Transportation Research Board)의 지원을 받는 프로그램으로 1962년에 AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)에 의해 시작되었으며, 다양한 교통과 안전에 관한 주제를 연구하여 발표하고 있다. NCHRP 179는 2008년에 발표된 NCHRP 22-24를 기초로 발표된 보고서로 차량 안전 시설에 대한 시뮬레이션 검증 가이드라인이며, 차량 충돌 시험과 LS-DYNA로 수행된 다양한 차량 충돌 시뮬레이션을 비교 검증한 연구를 토대로 제안되었다(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2011).
차량 및 안전 시설의 수치 모델은 중요도에 따라 단계적으로 개발하며 타당성을 검사하도록 제안하고 있다(Fig. 2). 이때, 계산 결과의 검증 기준은 Table 2과 같이 제안하고 있다.
Table 2
Verification evaluation criteria list in NCHRP 179
3. 충돌 해석 모델
로드블록의 방호 성능을 평가하기 위해 충돌 해석을 수행하였다. 해석프로그램으로는 LS-DYNA를 사용하였으며, 해석 모델은 다음과 같다.
3.1 차량 모델
차량 강습 위협의 위력은 차량이 가진 운동에너지에 비례한다. 차량의 중량이 무거울수록 차량의 속도가 빨라질수록 위협의 위력이 올라간다. 본 연구팀에서는 차량을 중량별로 1톤급 일반 승용차, 2톤급 SUV, 7톤급 트럭, 30톤급 트럭으로 분류하였고, 차량의 입수난이도를 고려하여 2톤급 SUV를 표준 차량으로 선정하여 시뮬레이션에 활용하였다.
미국 NCAC(National Crash Analysis Center)에서 개발한 2002년식 Ford Explorer의 LS-DYNA 모델을 배포하고 있어 본 연구에 활용하였다. NCAC에서는 Fig. 3에 나타낸 것과 같은 LS-DYNA 차량 모델을 개발하였고, 정면 벽, 측면 충돌 실험을 통해 차량의 운동, 가속도계 출력 데이터, 변형 정도를 비교 분석하여 타당성을 확인하였다(KARCO Engineering, 2001; Marzougui et al., 2012). Table 3에 FE 모델과 실험 차량의 주요 제원을 나타냈다.
Table 3
Comparison of vehicle characteristics for FE model and NCAP test vehicles
| Weights | FE Model |
Vehicle (NCAP Test 3730) |
| Vehicle | 2,024.6 kg | 2,040 kg |
| Dummy | 151 kg | 152 kg |
| Cargo | 71 kg | 131 kg |
| Total | 2,246.6 kg | 2,323 kg |
2톤 SUV 차량 모델은 680,288개의 쉘(Shell) 요소와 33,690개의 솔리드(Solid) 요소 및 185개의 빔(Beam) 요소로 구성되어 있으며, 대부분은 고장력강과 일반 강재로 이루어져 있으며, 일반 강재의 물성은 항복응력 300MPa, 탄성계수 210GPa의 재료 물성을 가지고 있으며, 변형률 경화, 변형률 속도 경화를 고려할 수 있게 PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY 카드로 구현되었다.
3.2 로드블록 모델
국내 원자력 발전소에 설치되어 있는 차량 방벽 혹은 차량 방벽으로 역할을 할 수 있는 구조로는 바리케이드, 슬라이딩 게이트, 로드블록, 자바라 게이트 등이 있다. 본 연구팀에서는 실제 납품된 로드블록을 우수조달물품의 규격서(지정번호 : 2017-022)를 기반으로 로드블록을 모델링하였다. 해당 제품은 ASTM F2656-07의 M50-P1 등급을 획득하였다. Fig. 4에 로드블록의 2D 도면을 나타낸다.
Fig. 5와 같이 로드블록은 차량 차단막(Vehicle barrier cover)과 매설케이스(Under ground case)로 구성되어 있다. 차량 차단막은 차량과 충돌하는 파트로 상판(Upper plate), 커버, H빔, H빔을 지지하는 서포터, 커버와 매설 케이스를 연결하는 홀더로 구성되어 있다. 홀더는 매설 케이스의 회전축과 연결되어 있고, 서포터는 유압장치와 연결되어 차량 차단막이 필요에 따라 위 아래로 움직이며 작동하게 되어 있다.
Fig. 6와 같이 로드블록 기능의 핵심이 되는 차량 차단막의 FE 모델을 구축하였다. 로드블록의 재료는 강재 SS275로 구성되어 있으며, 주요 정보를 Table 4에 나타내었다. 차량 차단막과 매설 케이스가 연결되는 홀더의 연결부와 지지대 및 유압실린더의 연결부의 병진 방향을 구속하여(회전 가능) 실제 로드블록과 같은 거동을 나타내도록 하였다. 본 모델은 대부분 Shell 요소로 모델링하였으며, 46,667개의 요소를 사용하였다. 요소의 크기는 20mm로 선정하였다(Choi and Lee, 2023; Jeon et al., 2015; Jung et al., 2022; Ko et al., 2016; 2017; Lee et al., 2014; 2021a; 2022a).
Table 4
Material properties of SS275 in LS-DYNA
| Properties | SS275 |
| Density | 7.89e-9 |
| Young’s modulus | 2.10e5 |
| Poisson’s ratio | 0.3 |
| Yield stress (MPa) | 275 |
| Material constant, C | 40 |
| Material constant, P | 5 |
| Tangent Modulus (MPa) | 410 |
충돌로 인한 비선형 거동을 묘사하기 위해서는 강재의 변형률 경화, 변형률 속도 경화를 고려해야 한다. 따라서, 해석에 사용한 재료 모델은 PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY 카드로 선택하여 변형률 속도를 고려할 수 있게 하였다. 충격 하중에 대한 재료의 변형률 속도 효과는 Cowper-Symonds 모델을 활용하였다. 해당 모델은 정적 항복응력을 이용하여 간편하게 동적 항복응력을 계산할 수 있다. 강재의 재료 상수는 Table 4에 나타냈다. 해당 상수는 일반적인 연강에 사용되는 값으로 선정하였다(Cowper and Symonds, 1957; Jones, 1989)
여기서 는 동적 항복응력, 는 정적 항복응력, 은 변형률 속도, 는 Cowper-Symonds 관계 상수이다.
차량 차단막의 각 구성품들은 용접한 것과 같이 구속하였으며, CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 카드를 활용하여 부딪힘이 구현될 수 있도록 하였다.
4. 충돌 시뮬레이션
4.1 충돌 시뮬레이션 조건
차량 방벽의 성능 인증에 주로 활용되는 속도는 35~50mph 이다. 본 연구에서도 해당 속도를 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌 시뮬레이션의 주요 파라메타와 조건을 Table 5 및 Fig. 7에 나타냈다. SR35는 SUV 차량과 로드블록이 35mph로 충돌한 조건이며, SR35D30은 로드블록이 30도 회전된 상태로 35mph의 SUV 차량과 충돌한 조건이다. SR50은 차량의 속도가 50mph인 조건이다.
Table 5
Vehicle Collision Simulation Condition
| Test | Vehicle | Barrier | Impact velocity | Angle |
| SR35 | SUV | Roadblock |
35mph (56.327km/h) | 0degree |
| SR35D30 | 30degree | |||
| SR50 |
50mph (80.467km/h) | 0degree |
차량과 로드블록의 접촉을 구현하는 카드로는 충돌 시 차제 내부와 충돌 부분에 대한 중첩 효과를 제거하기 위해 CONTACT_ AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 카드를 선정하였다. LS- DYNA가 제공하는 기본 쉘 요소는 Belytschko-Tsay Shell 이다. 해당 요소는 감차 적분(Single reduced integration)하기에 계산이 빠른 장점이 있으나, 모래시계 모드(Hourglass mode)가 발생하는 단점이 있다. 본 연구에서는 차량의 구동축의 모래시계 에너지를 줄이기 위해 쉘 요소 타입을 완전 적분 쉘 요소(Fully integrated shell element)로 변경하였다(Hallquist, 2020).
4.2 충돌 시뮬레이션 결과
Fig. 8, 9, 10에 시간에 따른 차량과 로드블록의 충돌 시뮬레이션 결과를 나타내었다. SR35의 경우 차량이 충돌 이후 완전히 멈추었으며, SR35D30의 경우 차량이 충돌로 진행 방향이 로드 블록과 평행하게 바뀌었다. SR50의 경우 차량이 충돌 이후 오히려 뒤로 밀려나는 것을 확인할 수 있었다. 어떤 경우에도 차량이 로드블록을 넘어서는 것이 불가능했기에 침투 거리는 0m이다.
로드블록의 경우 커버에 SR35, SR35D30, SR50에 대해서 135mm, 105mm, 170mm 가량의 최대 변형이 발생했고, 내부 프레임의 경우 최대 변형이 20mm로 발생했다. Fig. 11에 SR50의 충돌 후 변형을 나타냈다.
4.3 충돌 시뮬레이션 검증 결과
Table 6와 Fig. 9에 에너지 밸런스에 기반한 충돌 시뮬레이션의 검증 결과를 나타냈다. Table 2의 기준들에 대하여 총에너지 변화량은 모두 1.5% 이내로 기준인 10%를 통과했으며, 모래시계 에너지가 초기 총에너지의 5%와 최종 내부 에너지의 10%를 각각 넘지 않는 것을 확인하였다. 또한 added mass가 총질량 대비 10%, 파트 별로 5%를 넘지 않은 것을 확인하였다. Fig. 12의 실선들은 각각 총에너지, 운동에너지, 내부 에너지, 모래시계 에너지를 뜻하며, 파선 들은 검증의 기준이 되는 범위를 나타낸다. SR35, SR35D30, SR50 모두 NCHRP 179의 모든 항목의 기준을 만족시키는 것을 확인하였다.
Table 6
Verification table of SR35, SR35D35, SR50 with NCHRP 179
4. 결 론
본 연구에서는 원자력 발전소에 설치된 로드블록과 차량의 충돌 시뮬레이션을 3차원 비선형 충돌해석 프로그램인 LS- DYNA를 통해 수행하였다.
로드블록의 가장 핵심적인 구조인 차량 차단막의 FE 모델을 구축하여 차량 충돌 시뮬레이션을 수행하였고. NCHRP 179의 기준을 준용하여 시뮬레이션을 검증하였다. 그 결과 모든 충돌 시뮬레이션 조건에서 검증 기준을 만족함을 확인하였다. 보다 현실에 가까운 고 충실도(High fidelity) 차량 충돌 시뮬레이션을 구현하기 위해서는 차량 차단막뿐만 아니라 주변부의 수치 모델 구현이 필요하다.
향후 연구에서는 향상된 수치 모델을 구축하여 충돌 시뮬레이션을 검증한 후 데이터 베이스를 구축할 예정이다. 그뿐만 아니라 다양한 차량 방벽에 대하여 충돌 시뮬레이션 데이터 베이스를 구축하여, 원자력 발전소의 차량 방벽 규제 개발 등에 활용할 예정이다.
