1. 서 론
2. 해석 모델 구축 및 신뢰성 검증
2.1 콘크리트 볼라드 유한요소 모델링
2.2 차량 유한요소 모델링
2.3 수치해석 검증(Verification) 기준
2.4 볼라드 충돌 해석 모델의 타당성 검증(Validation)
3. 차량 속도별 성능 데이터베이스 구축
3.1 충돌 시뮬레이션 조건
3.2 충돌 시뮬레이션 결과
3.3 볼라드 성능 평가를 위한 데이터베이스 구축
4. 해석 기반 성능 등급 기준 제안
4.1 국내외 차량 방벽 성능 인증 기준 및 한계점
4.2 수치해석 기반의 새로운 등급 체계 제안
5. 결 론
1. 서 론
최근 원자력 발전소 등 국가 중요 시설에 대한 물리적 방호의 중요성이 크게 대두되고 있다. 특히 2016년 프랑스 니스에서 발생한 차량 테러 등을 계기로 고속 차량을 이용한 물리적 타격 위협이 원자력시설의 설계기준위협(Design Basis Threat)에 정식으로 포함되었다.
이에 따라 물리적 방호에서 핵심적인 역할을 하는 차량 방벽(Anti-ram barrier)의 중요성이 그 어느 때보다 커지고 있다. 차량 방벽은 구동 방식과 형태에 따라 로드블록, 슬라이딩 게이트, 볼라드 등으로 다양하게 분류된다. 특히, 볼라드(Bollard) 형태의 차량 방벽은 공간 효율성이 뛰어나고 평상시 보행자의 통행을 방해하지 않아, 원전 출입구 및 주요 다중이용시설에 가장 대표적이고 광범위하게 설치 가능한 방벽이다.
이처럼 차량 저지용 볼라드의 수요와 중요성이 증가하고 있음에도 불구하고, 현재 국내 원전 및 중요 시설에 설치된 볼라드의 대부분은 별도의 차량 저지 성능 평가 인증을 받지 못한 상태이다. 기존 설치된 볼라드들은 주로 보행자 보호 및 주차 관리 목적으로 설계 및 제작되었기 때문에 고속 또는 고중량 차량을 방어하기 위해 필수적인 에너지 흡수 능력이 현저히 부족하다.
차량 방벽의 성능을 검증하기 위해 현재 미국의 ASTM F2656, 영국의 PAS 68:2013, ISO의 IWA 14-1:2013 등 다양한 국제 인증 기준이 존재한다(ASTM, 2018; International Organization for Standardization, 2013; PAS 68:2013, 2013). 하지만 이들 인증 제도는 모두 실제 차량 충돌 시험 수행 결과에 대해서만 인증서를 발급하고 있다. 이러한 실증 시험 의존적 방식은 성능 검증에 막대한 비용과 시간이 소요되며 다양한 현장 조건을 즉시 반영하기 어렵다는 치명적인 한계점이 있다.
이를 극복하기 위해 최근 볼라드 시스템의 내충격성을 규명하거나 충돌 시험과 비교하여 수치해석의 신뢰성을 검증하는 연구가 활발히 진행되고 있다(Hu and Li, 2016; Hu et al., 2014; Kinney et al., 2014; Zhang et al., 2022). 아울러 선행 연구(Lee et al., 2023)를 통해 원자력시설용 로드블록에 대한 수치해석적 접근의 유효성도 입증된 바 있다.
이에 본 연구에서는 선행 연구들의 방법론을 발전 및 확장하여, 대변형 및 재료의 동적 파괴 거동 모사에 탁월한 비선형 동역학 해석 프로그램인 LS-DYNA를 활용한 객관적인 차량 저지용 볼라드 성능 검증 방법론을 제안한다(LSTC, 2013). 우선 제안하는 수치해석 모델의 신뢰성을 확보하고자 기존의 실증 충돌 시험 결과를 정밀하게 재현하여 해석 모델에 대한 타당성 검증(Validation)을 수행하였다(Hu et al., 2014). 이후 검증된 방법론을 바탕으로 차량의 종류 및 속도별 침투 성능을 정량화된 데이터베이스로 구축하고, 최종적으로 국내 원자력시설의 물리적 방호 체계에 직접 적용 및 활용 가능한 해석 기반 성능 등급 기준을 제시하고자 한다.
2. 해석 모델 구축 및 신뢰성 검증
본 장에서는 차량 강습 저지용 콘크리트 볼라드의 방호 성능을 수치해석적으로 평가하기 위한 유한요소 모델의 구축 과정과 그 결과의 신뢰성을 확보하기 위한 검증 과정을 기술한다.
2.1 콘크리트 볼라드 유한요소 모델링
본 연구에서는 차량 강습 위협에 대한 방어 성능을 객관적으로 평가하기 위해 미 국방부(UFC 4-022-02) 기준을 준용하여 차량 저지용 콘크리트 볼라드 유한요소 모델을 구축하였다(U.S. Department of Defense, 2009). Fig. 1은 본 모델링의 설계 근거가 된 UFC 4-022-02의 상세 규격 도면을 나타낸다. 구축된 콘크리트 볼라드 수치해석 모델은 Fig. 2와 같으며, 강관 내부가 콘크리트로 충진된 모델을 선정하여 정밀하게 모사하였다.
콘크리트 볼라드의 모델링을 위해 외부 강관(Steel pipe)은 6,520개의 Shell 유한 요소를 사용하였으며, 강관 충진(Infilled concrete) 및 기초 콘크리트(Concrete footing)는 각각 10,954개, 14,400개의 Solid 유한요소를 사용하여 모델링하였다(Jeon et al., 2015; Kim and Lee, 2019; Ko et al., 2016; Lee et al., 2022). 각 구성 요소에 대한 구체적인 물성 및 유한요소 정보는 Table 1에 정리된 바와 같다.
Table 1.
Material and element information of concrete-filled bollard
충돌 해석 시 사용된 콘크리트의 인장강도와 탄성계수 등 주요 역학적 특성은 ACI 318 규격에서 제안하는 경험식을 바탕으로 산정하였다(American Concrete Institute, 2025). 또한, 차량 충돌 시 발생하는 콘크리트의 고구속(High Confinement) 상태 및 변형률 속도 (Strain rate) 효과를 수치적으로 정확히 모사하기 위해 소성･손상 기반의 KCCM(Karagozian & Case Concrete Model) 재료 모델을 적용하였다. Table 2는 수치해석에 사용된 KCCM 재료 모델의 주요 물성치 요약 정보를 보여준다.
Table 2.
Summary of material properties for concrete filled (American Concrete Institute, 2025)
2.2 차량 유한요소 모델링
볼라드에 가해지는 충격 하중과 충돌 후 거동을 정밀하게 재현하기 위해 미국 NCAC(National Crash Analysis Center)에서 개발 및 검증된 8톤 Ford F800 SUT(Single Unit Truck) 유한요소 모델을 활용하였다(Miele et al., 2005). 이는 이미 공학적 신뢰성이 입증된 공개 모델을 도입함으로써 복잡한 차량 유한요소 모델을 초기부터 새롭게 구축하고 타당성을 검증하는 데 소요되는 시간적･경제적 비용을 최소화하기 위함이다(Jeong et al., 2024; Lee et al., 2023). Fig. 3은 시뮬레이션에 사용된 기본 차량 모델의 형상을 나타낸다. 해당 모델은 144개의 부품과 약 35,000개의 유한요소로 구성되어 있다.
2.3 수치해석 검증(Verification) 기준
차량 충돌과 같은 고속 비선형 동적 해석의 경우 수치적인 안정성과 에너지 보존 여부를 확인하는 검증(Verification) 과정이 필수적이다. 본 연구에서는 차량 충돌 시뮬레이션 검증 가이드라인인 NCHRP 179 기준을 준용하였다(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2011).
NCHRP 179 가이드라인에서는 해석 과정에서 발생할 수 있는 수치적 오류를 제어하기 위해 전체 에너지 변화량, Hourglass 에너지 비율, 질량 증가율(Mass added) 등 정량적인 지표에 대한 엄격한 기준을 제시하고 있다(Table 3). 본 연구의 모든 해석 케이스에 대해 해당 기준을 만족시켜, 이후 수행될 성능 평가 해석 결과의 수치적 건전성을 확보하고자 하였다.
Table 3.
Verification evaluation criteria list in NCHRP 179 (National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2011)
2.4 볼라드 충돌 해석 모델의 타당성 검증(Validation)
본 연구의 해석 모델 및 수치해석 방법론의 타당성을 검증하기 위해 선행 연구(Hu et al., 2014)의 실물 충돌 시험 및 수치해석 결과와 비교 분석을 수행하였다. 검증 시나리오는 6.8톤급 차량이 약 52km/h의 속도로 콘크리트 볼라드에 충돌하는 조건이다.
실제 시험 환경과의 재현성을 확보하기 위해 기존 NCAC 차량 모델의 불필요한 화물칸을 제거하고 전체 질량과 무게중심을 조정하였다(Fig. 4). 이러한 수정 과정을 통해 충돌 시 차량의 회전 거동 및 충격 에너지 전달 특성을 실제 시험 데이터에 가깝게 모사하였다.
Fig. 5는 선행 연구의 실물 시험 및 해석 결과(a, b)와 본 연구의 시뮬레이션 결과(c, d)를 종합적으로 비교한 것이다. 본 연구의 모델이 실제 충돌 시 발생하는 차량의 찌그러짐과 볼라드의 최종 소성 변형 거동을 매우 유사하게 재현하고 있음을 확인하였다.
Fig. 5.
Comparison of crash test and simulation results: (a) crash test and (b) simulation by Hu et al. (2014); (c) present simulation and (d) bollard displacement.
또한, 동적 정확성을 정량적으로 평가하기 위해 충돌 시간 경과에 따른 차량의 속도 변화 이력을 분석하였다(Fig. 6). 본 연구의 속도 하강 곡선은 실물 충돌 시험 및 선행 연구의 시뮬레이션 결과와 매우 일치하는 경향을 보였다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 수치해석 방법론은 차량 강습 시 발생하는 물리적 현상을 정밀하게 모사할 수 있는 타당성을 확보하였으며, 이를 바탕으로 다양한 충돌 시나리오에 대한 성능 평가가 가능함을 입증하였다.
3. 차량 속도별 성능 데이터베이스 구축
본 장에서는 2장에서 타당성이 검증된 수치해석 방법론을 확장 적용하여 차량의 충돌 속도 변화에 따른 콘크리트 볼라드의 방호 성능을 정량적으로 분석하고, 이를 데이터베이스(DB)화하는 과정을 기술한다.
3.1 충돌 시뮬레이션 조건
성능 데이터베이스(DB) 구축을 위한 수치해석에서는 공학적 표준성과 객관성을 확보하고자 NCAC의 8톤급 Ford F800 SUT 표준 유한요소 모델을 활용하였다(Miele et al., 2005). 2.4절의 검증 단계에서는 실물 시험 조건(6.864ton)을 위해 차량을 일부 수정하였으나, 본 성능 평가 해석에서는 원래의 8톤 표준 모델을 사용하였다.
충돌 속도는 원자력시설에 발생할 수 있는 다양한 수준의 차량 강습 위협을 모사하고자 50km/h에서 100km/h까지 10km/h 단위로 설정하였고, 이를 통해 차량 잔류 속도, 침투 여부, 볼라드의 최대 변형량 등 방호 성능 평가를 위한 정량적 데이터를 도출하였다.
3.2 충돌 시뮬레이션 결과
3.2.1 차량 속도별 잔류 속도 비교
충돌 후 차량 앞바퀴의 속도-시간 이력을 Fig. 7에 나타내었다. 50~80km/h 충돌 시나리오(T50~T80)에서는 차량 속도가 0으로 수렴하며 저지되었다. 반면, 90 및 100km/h(T90, T100) 조건에서는 양(+)의 잔류 속도를 가졌으며, 특히 100km/h에서는 감속 후 속도가 다시 증가하는 경향을 보였다. 이는 Fig. 8에서 보듯 앞바퀴가 0.1초에 일시적으로 정지한 이후에도, 차량 후방 화물칸의 관성력에 의해 전방으로 다시 밀려났기 때문이다. 그 결과 0.2초에는 방벽을 완전히 넘어가는 침투 거동이 발생하였다.
3.2.2 차량 저지 성능 평가
기존의 해외 차량 방벽 성능 평가 방법(ASTM F2656 등)은 주로 실물 충돌 시험에서 차량의 침투 거리를 측정하여 등급을 부여한다(ASTM, 2018). 그러나 이를 수치해석에 그대로 적용할 경우, 차량이 완전히 정지할 때까지 해석을 수행해야 하므로 계산 비용이 크게 증가한다는 단점이 있다(Jeong et al., 2024).
이에 본 연구에서는 원자력시설의 보수적인 방호 기준과 해석 효율성을 고려하여 ‘차량 앞바퀴의 통과 유무 및 잔류 속도’를 주요 저지 성능 평가 기준으로 채택하였다. 치명적인 재해로 직결될 수 있는 원자력시설의 특성상 약간의 침투도 큰 위협이 되므로, 침투 없이 차량을 완벽히 저지한 조건을 최고 등급으로 규정하는 엄격한 기준을 제시하고자 한다.
해당 기준을 바탕으로 Fig. 7의 속도 이력과 Table 4의 충돌 속도별 최종 시뮬레이션 거동을 종합적으로 분석한 결과, 90km/h 및 100km/h 충돌 시나리오에서는 차량의 앞바퀴가 잔류 속도를 가지며 전진하여 방벽이 침투를 허용한 것으로 나타났다.
Table 4.
Crash simulation results of concrete-filled bollard by impact velocity
| Impact velocity | Vehicle deformation configuration | Bollard deformation configuration |
| 50km/h |  |  |
| 60km/h |  |  |
| 70km/h |  |  |
| 80km/h |  |  |
| 90km/h |  |  |
| 100km/h |  |  |
3.2.3 수치적 검증(Verification) 결과
충돌 속도별 해석 결과의 수치적 안정성을 확인하기 위해 NCHRP 179 기준에 따른 검증을 수행하였다. Table 5와 같이, 50km/h부터 100km/h까지의 모든 해석 케이스에서 전체 에너지 변화율이 10% 이내로 유지되었으며, Hourglass 에너지 및 질량 증가율 또한 허용 기준을 만족하였다. 또한 Shooting node나 Negative volume과 같은 요소 붕괴 현상도 발생하지 않아 본 시뮬레이션 결과의 수치적 건전성이 검증되었다.
Table 5.
Verification evaluation results based on NCHRP 179 criteria
3.3 볼라드 성능 평가를 위한 데이터베이스 구축
앞선 시뮬레이션 및 검증 결과를 바탕으로 원자력시설 물리적방벽 성능 검증을 위한 정량적 데이터베이스(DB)를 구축하였다. 이 DB는 차량 제원(중량, 종류) 및 충돌 속도를 입력 변수로 하고, 그에 따른 앞바퀴 침투 여부, 잔류 속도, 볼라드 최대 변형량 등을 출력 변수로 매핑하여 구성되었다. Table 6은 구축된 데이터베이스의 전체적인 구성과 주요 변수별 성능 평가 결과를 요약하여 보여준다. 구축된 DB는 향후 현장 맞춤형 볼라드 설계 및 규제 인허가 심사 시 기준 자료로 활용될 수 있다.
Table 6.
Summary of performance evaluation results for anti-ram bollards
4. 해석 기반 성능 등급 기준 제안
본 장에서는 앞서 검증된 수치해석 방법론과 구축된 성능 데이터베이스를 활용하여, 실제 원자력시설의 물리적 방호 설계 및 규제 심사에 적용 가능한 객관적인 성능 등급 기준을 제안한다.
4.1 국내외 차량 방벽 성능 인증 기준 및 한계점
차량 방벽의 물리적 방호 성능을 평가하는 대표적인 국제 인증 규격으로는 미국의 ASTM F2656이 널리 사용되고 있다(ASTM, 2018). 충돌 차량의 종류와 중량, 충돌 속도에 따라 M30, M40, M50 등의 등급을 부여하며, 방벽 후면을 기준으로 한 차량의 침투 거리에 따라 P1(1m 이하), P2(1.01m~7m), P3(7.01m~30m)로 세부 등급을 규정한다. 이때 단일 유닛 트럭(SUT)과 같은 중형 화물차의 경우 화물칸의 시작점을 차량 기준점으로 삼는다. 그러나 이러한 실물 충돌 시험 기반의 인증 체계는 막대한 비용과 시간이 소요되며 현장의 다양한 설치 환경 변수를 즉시 반영하기 어렵다는 치명적인 단점이 있다.
해외와 달리 국내의 경우는 차량 강습 위협에 대한 대비 체계가 미흡하며, 일부 국가 중요시설을 제외하면 일반 다중이용시설의 차량 공격 대응 체계가 매우 부족한 실정이다. 특히 차량 방벽의 성능 인증을 위한 국내 표준이나 관련 법률이 부재한 상태이다(Jeong et al., 2024; Terrorism Information Integration Center, 2017).
4.2 수치해석 기반의 새로운 등급 체계 제안
기존 실물 시험 인증의 한계를 극복하고자, 본 연구에서는 수치해석 기반의 직관적인 볼라드 성능 등급 기준을 제안한다. 본 기준은 ASTM F2656과 같이 침투 거리로 성능을 평가하는 방식과 달리, 차량의 방벽 설치 기준선 침투 여부를 우선적으로 판단한다. 원자력시설의 물리적 방호 관점에서는 최종 침투 거리뿐 아니라 차량의 침투 여부 자체가 주요 평가 기준이 되기 때문이다.
이에 본 연구에서는 충돌 차량의 타이어 중심축의 방벽 설치 기준선 통과 여부에 따라 앞바퀴 침투 없이 차량을 완벽히 저지한 A등급(완전 방어), 앞바퀴는 통과했으나 뒷바퀴 통과 전 저지된 B등급(부분 방어), 뒷바퀴까지 통과한 C등급(방어 실패)으로 정의하여 방벽의 상대적 저지 성능을 세부화하였다(Table 7). 이때 B등급은 허용 가능한 침투를 의미하는 것이 아니라, 성능 요구조건을 만족하지 못했으나 차량 전체의 통과는 저지한 경우를 나타낸다.
Table 7.
Proposed performance rating criteria for anti-ram bollards
이러한 등급 체계를 앞서 구축한 시뮬레이션 결과에 적용하면, Table 8과 같이 평가 결과를 명확한 성능 등급으로 산정할 수 있다. 8톤 SUT 차량이 80km/h로 충돌하여 완전 방어에 성공한 경우 ‘T/80-A’ 등급, 90km/h로 충돌하여 앞바퀴만 부분 통과한 경우는 ‘T/90-B’ 등급을 부여할 수 있다. 이 방법론은 다양한 설치 조건과 볼라드 규격 변경에 따른 방호 성능의 변화를 즉각적이고 객관적으로 평가할 수 있는 강력한 도구가 된다.
5. 결 론
본 연구에서는 기존의 고비용 실물 충돌 시험을 대체할 수 있는 LS-DYNA 수치해석 기반의 콘크리트 볼라드 성능 검증 방법론을 확립하고 원자력시설 물리적 방벽에 적용 가능한 새로운 해석 기반 성능 등급 기준을 제안하였다.
수치해석 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 기존 문헌의 실물 충돌 시험 결과와 비교하여 차량의 속도 하강 이력 및 볼라드의 파손 거동을 매우 높은 정합성으로 재현해 내어 해석 방법론의 타당성을 입증하였다.
기존 ASTM 규격의 한계를 보완하기 위해 수치해석적 침투 정도(앞바퀴 잔류속도)를 기준으로 한 A, B, C 성능 등급 체계를 제안하였다. 제안된 기준에 따르면 본 연구의 차량 저지용 볼라드는 80km/h 조건까지 완전 방어가 가능함(T/80-A)을 증명하였다.
결론적으로, 본 연구에서 제안된 수치해석 방법론과 등급 기준은 매립 깊이, 지반 조건, 볼라드 규격 등 다양한 변수가 존재하는 원자력시설의 맞춤형 방호 설계에 폭넓게 적용될 수 있다. 향후 본 연구 결과가 원자력시설 방벽 규제 기준 수립 및 인허가 심사를 위한 핵심 기초 자료로 활용되기를 기대한다.
