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과속방지턱 규격에 따른 탑승자 충격도 연구
과속방지턱 규격에 따른 탑승자 충격도 연구 Study On The Impact Of Occupants In Accordance With The Specifications Of The Speed Humps 김길배 (도로교통공단 안전본부장) 정우택 (도로교통공단 본부 교통사고분석처장) 선치성 (도로교통공단 본부 사고조사연구원) Ⅰ. 서론 외국의 스피드 험프(과속방지턱) 규격은 보통 길이 12∼14피드(3.7∼4.3m)이며, 높이는 3∼4인치(7.5∼10cm)인 반면, 국내 규격은 도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙과 도로안전시설설치 및 관리지침에 의거해 길이 3.6m, 높이 10cm로 규정돼 있다. 국내 과속방지턱 설치규격은 영국의 TRRL(Transport and Road Research Laboratory)이 실질적 실험을 통해 정한 기준을 검증과정을 거치지 않고 인용했는데, 이 때문에 도로의 사용현황과 주변지역 조건 등을 고려한 설치규격이 부족하고 자신만의 안전을 위해 임의 설치해 많은 문제가 발생했다. 형상 기준은 1987년 길이 2∼3m, 높이 8∼10cm로 규정했으나 1992년 건설부 훈령 제828호에 의해 길이 3, 7m, 높이 10cm로 개정됐다가 현재 규정에 이르렀다. 이 규격은 차량이 30km/h 또는 그 이하 속도로 주행할 경우 큰 충격 없이 통과할 수 있지만 현재 국내 과속방지턱은 이 규격이 잘 지켜지지 않고 있어 30km/h 이하의 속도로 주행할 경우에도 수직가속도 변화가 커져 현가장치의 한계점을 초과해 차체 밑면이 노면과 충격돼 차체 손상 발생 뿐만 아니라 탑승객에 가해지는 충격량 또한 커지고 있다. 어린이 학원차량의 경우 대부분 소형 승합차이며 미취학 아동이 탑승시 충격력에 의해 의자에서 떨어지거나 차내 구조물에 충격을 받는 등 사고 위험이 높은 편이다. 이에 본 논문은 기준에 맞지 않는 과속방지턱 중 크기 형상 등에 따른 차체에 가해지는 물리적 충격(Vertical Shift)을 측정하기 위해 Vericom4000을 차량에 장착하고 각종 과속방지턱을 통과해 X, Y, Z방향 가속도 변화를 측정하고, 측정값을 시뮬레이션 MADYMO(Mathematical Dynamic Models)에 적용해 각종 형상별 과속방지턱을 통과하는 시뮬레이션으로 탑승객에 작용되는 충격량을 분석했다. 그리고 기준에 맞는 과속방지턱과 탑승객에 작용되는 충격력을 비교해 과속방지턱의 설치규격을 검토하는 것을 목적으로 연구를 수행했다. Ⅱ. 과속방지턱 정의 및 설치기준 1. 과속방지턱 정의 및 기능 과속방지턱은 다른 속도제어 시설과는 달리 차량 진행방향의 직각방향으로 물리적인 수직 단차를 줘 차량의 진행속도에 비례한 직각방향의 물리적 충격으로 운전자의 심리를 억제해 속도저감 효과를 거두기 위한 목적으로 설치하는 도로안전 시설물이다. 과속방지턱은 속도 제어라는 기본기능 이외에도 통과 교통량을 감소시키고 보행자 공간 확보 및 도로 경관을 개선하며 노상주차를 억제하는 등의 부가기능도 지니고 있다. 형상에 따라 원호형 과속방지턱, 사다리꼴 과속방지턱, 가상 과속방지턱 등으로 나눌 수 있으며 넓은 의미로는 범프(bump), 쿠션(cushion), 플래토(plateau)등의 시설도 포함된다. 형상에 따른 분류는 [그림 1]과 같다. 2. 설치기준 일반적으로 원호형 과속방지턱을 사용하고 있는데, 과속방지턱은 일정지역에서의 저속주행을 유도하기 위한 다양한 교통정온화(Traffic Calming) 기법의 한 시설물로 현재 국내에서 할용도가 가장 높다. 이 시설물 설치에서 지켜야 할 기본사항은 다음과 같다. ① 과속방지턱은 집산 및 국지도로 기능을 가진 도로구간에 도로·교통상황과 지역조건 등을 종합 검토해 보행자 통행안전과 생활환경을 보호하기 위해 도로관리청이 필요하다고 판단되는 장소에 한해 최소로 설치한다. ② 과속방지턱 설치간격은 해당구간에서 목표로 하는 일정한 주행속도 이하를 유지할 수 있도록 해당도로의 도로교통 특성을 고려해 정한다. 연속형 과속방지턱 설치가 불가피할 경우 자동차 통행속도를 30km/h로 제한할 때 그 설치간격은 35km/h가 되도록 한다. ③ 원호형 과속방지턱 제원은 설치길이 3.6m, 설치높이 0.1m를 표준으로 한다. 또 운전자가 시설에 대해 충분한 시인성을 가질 수 있도록 과속방지턱 표면에는 반사성 도료를 사용해 흰색과 노란색으로 빗금도색을 한다. ④ 과속방지시설은 도로 노면 포장재료와 동일한 재료로 노면과 일체가 되도록 설치함을 원칙으로 한다. 단, 고무, 플라스틱 등으로 과속방지턱을 제작·설치하는 경우 타이어와의 마찰계수가 도로 노면마찰계수보다 크도록 해 볼트 등으로 노면에 부착시킬 수도 있다. Ⅲ. 과속방지턱 규격에 따른 수직가속도 변화와 충격 측정 1. 수직가속도 측정방법 1) 실험목적 자동차가 과속방지턱을 통과할 때 수직가속도(Z축 방향 감·가속도) 변화를 측정해 MADYMO 시뮬레이션 차량의 현가장치 함수값으로 적용해 과속방지턱 규격별 시뮬레이션에 활용하고자 한다. 2) 실험방법 및 차량 실험차량에 감·가속도 측정장비(Vericom 4000)을 장착한 뒤 실험차량으로 30km/h 속도로 조립식 과속방지턱을 통과할 때 차체진동에 의해 발생된 수직가속도를 측정한다. 또 과속방지턱 통과시 차량은 제동이나 가속없이 30km/h 등속도를 유지토록 했으며 감·가속도 측정기는 후륜부근 실내 차체 바닥에 고정시켜 놓았다. 3) 실험차량 실험차량은 카운티표준형 SPR 25인승 승합차량이며, 현재 유치원 통원차량으로 이용되고 있다. 4) 실험 과속방지턱 규격 과속방지턱은 조립식이며, 3D 스캐너를 이용해 3차원 측정 결과, 폭 3.5m, 길이 1.0m, 높이 6.5cm로 각각 측정됐다. 5) 수직가속도 측정 결과 및 시뮬레이션 차량 현가장치 함수값 산출 차량이 과속방지턱을 통과할 때 Vericom 4000에서 측정된 수직가속도 그래프는 [그림 2]의 붉은 색상이다. MADYMO에서 실험 당시 통과한 과속방지턱과 같은 규격으로 멀티바디를 만들어 실험차량을 통과시키는 시뮬레이션을 시행해 얻은 수직가속도 그래프가 Vericom 4000에서 측정된 그래프와 유사하게 시뮬레이션 되도록 MADYMO 차량의 현가장치 함수를 조정해 표시했다. 시뮬레이션 차량의 현가장치 함수를 실험에서 측정된 값과 일치시키는 작업은 실제 차량에서 수직가속도에 영향을 줄 수 있는 타이어 공기압도 포함된 것으로 본 모델을 사용해 시뮬레이션을 분석하는데 큰 무리가 없다는 가정을 했다. 2. MADYMO를 통한 과속방지턱 규격별 차체 수직가속도 변화 분석 1) 분석대상 과속방지턱 규격 유형에 따른 수직가속도 변화 표준규격과 같거나 유사한 과속방지턱이 2개이며 나머지는 표준규격보다 높이가 대부분 높았고 조립식이 표준규격보다 폭은 좁았으나 높이가 낮았다. 모두 10개 유형의 과속방지턱에 대해 차체(후륜 실내 바닥기준) 수직가속도에 대해 시뮬레이션을 실시했다. MADYMO를 통해 과속방지턱 규격별 차체 수직가속도 변화를 분석한 결과는 [표 1]과 같다. 과속방지턱 규격별 통과 시 차체의 수직가속도는 표준규격대로 설치된 경우에서 -8.86∼26.49m/sec2로 시뮬레이션됐는데, 이보다 높이가 낮은 4번 과속방지턱의 경우 -9.37∼28.15m/sec2로 더 큰 가속도 변화가 있었다. 이는 높이가 낮은 반면 길이가 100cm로 표준규격보다 200cm나 좁은 것이다. 7번 과속방지턱의 경우 높이가 14cm로 표준규격보다 높았으나 수직가속도는 -7.58∼19.07m/sec2로 오히려 낮았는데 이는 높이가 높은 대신 길이가 420cm로 50cm 더 길었다. 이같은 결과는 길이가 짧게 되면 높이가 낮아도 경사도가 커지게 되고 그 끝 모양이 [그림 3] (a)와 같이 턱이 생기는 형태가 많았기 때문이며, 높이가 높더라도 길이가 긴 경우는 경사도가 완만하게 되고 그 끝에서 턱이 만들어지지 않는 형상이었기 때문에 충격력이 작용되는 크기가 달라졌기 때문인 것으로 판단된다. Ⅳ. MADYMO를 통한 탑승객에 적용되는 충격도 분석 실험차량에 탑승해 과속방지턱 통과실험한 결과, 수직가속도 변화가 클수록 인체부위 중 허리에 가장 큰 충격력을 느꼈으며 통증이 유발됐다. 이에 MADYMO 시뮬레이션시 차량에 인체모형인 멀티바디를 탑승시켜 운영했으며, 인체모형 요추부위에 Z축 방향으로 작용되는 충격력(N)을 산출했다. [그림 4], [그림 5]는 표준규격(길이 3.7m, 높이 10cm) 과속방지턱 시뮬레이션 결과 화면이다. 그래프는 탑승자 요추에 수직방향(Z축)으로 가해지는 충격력이 표시된 것이다. 이는 차체에 작용되는 수직가속도 변화 시기와 유사한 패턴을 나타내고 있는 것으로 후륜 부위 탑승객들은 후륜부위가 과속방지턱을 넘어서는 순간과 통과 직후 가장 큰 충격력을 받는 것을 알 수 있다. 각 규격별 과속방지턱에 대한 시뮬레이션 결과, 후륜부위 탑승객의 요추에 작용되는 Z축 방향 충격력은 [표 2]와 같다. 과속방지턱 규격별 차체에 작용되는 수직 가속도와 비례해 탑승객 요추에 가해지는 충격력 또한 커지는 것을 볼 수 있다. 또 표준 과속방지턱에 비해 2배 이상의 충격력이 작용되고 작용시간도 2배 가까이 길어 충격량 또한 높은 것을 볼 수 있다. Ⅴ. 결론 본 연구는 과속방지턱에 대해 실험적 방법과 시뮬레이션을 이용해 설치규격 특성과 탑승객에 미치는 영향을 검토하는 목적으로 수행됐다. 이를 위해 X, Y, Z 3차원 감·가속도 측정장비인 Vericom4000을 이용해 과속방지턱을 통과하는 실험을 실시했고, 여기에서 시뮬레이션에 적용할 차량의 함수를 산출했다. 시뮬레이션을 통해 차체의 수직가속도와 탑승객 요추부에 작용되는 충격력(N)을 산출해 과속방지턱 규격에 따른 변화를 볼 수 있었다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다. 1. 표준규격 과속방지턱(길이 3.7m, 높이 10cm)보다 길이가 길고 높이가 낮은 과속방지턱의 경우 차체의 수직가속도 뿐만 아니라 탑승객 요추에 가해지는 충격력 또한 낮게 나타났다. 2. 표준규격 이외 과속방지턱의 경우 전면과 후면의 경사도(길이가 짧거나, 높이가 높은 경우)가 큰 경우 가속도변화가 크고 탑승객 요추에 가해지는 충격력 또한 비례적으로 높아지는 것으로 나타났다. 특히 최고제한속도가 60km/h인 도로에서도 길이가 100cm, 높이가 15∼16cm가 설치된 지점도 있었는데, 이러한 과속방지턱은 30km/h에서도 표준 과속방지턱에 비해 탑승자 요추에 가해지는 충격량이 2배가 넘을 뿐만 아니라 충격이 진행되는 시간도 길게 작용돼 탑승객이 받는 충격량 또한 높아지므로 60km/h 제한도로에서 이같은 시설물은 속도저감시설로서의 기능 뿐만 아니라 다른 안전사고 위험기능도 함께 가지고 있음을 보여준다. 3. Korea NCAP 기준을 보면 16km/h에서 경추 상단부 전단력이 30N 이하일 경우 우수성능 요건이며, 190N 이상일 경우 하위 성능요건이다. 경추 성단부 인장력은 360N 이하는 우수, 750N 이상일 경우 하위성능으로 보고 있다. 경추부는 무거운 머리를 받치고 있고 앉아있는 자세에서 헤드 레스트에 받쳐지고 있지 않는 반면 요추부는 등받이와 좌석 밑부분에 의해 받쳐지고 있고 주변 근육량도 차이가 있어 단순 수치만으로 비교가 어렵지만, NCAP 기준을 참고하면 표준규격 과속방지턱의 경우 탑승객에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 보여진다. 본 연구에서는 과속방지턱 규격에 따른 차체의 수직가속도와 탑승객에 가해지는 충격력을 산출해 과속방지턱 규격의 엄격한 적용이 필요함을 제시했다. 향후에는 NCAP와 같이 탑승객에 미치는 영향으로 우수성능, 하위성능으로 구분할 수 있는 기준 검토가 필요하며, 일정성능 이하의 규격에 대한 설치 규제에 대한 다각적인 검토가 이루어져야 할 것이다. |
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