1. 서 론

토석류는 토사, 암석, 자갈 등이 물과 혼합되어 높은 비중을 가진 채 계곡을 따라 빠르게 이동하며, 이동 과정에서 계곡 바닥과 사면을 침식시키고 하류부의 주택, 도로, 철도 등 사회기반시설에 심각한 인명 및 재산 피해를 유발한다. 이러한 위험성으로 인해 국내외에서는 토석류 방호시설의 성능 향상과 충격 저감 기술 개발에 대한 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 또한 토석류 충돌은 짧은 시간에 큰 하중이 작용할 수 있어, 방호시설 평가는 최대 하중뿐 아니라 하중-시간 이력에 기반한 작용 시간의 영향과 충격 에너지 같은 지표를 함께 고려할 필요가 있다(Wendeler et al., 2008).

국내에서는 토석류의 동적 특성에 대응하기 위한 방호 네트 개발, 충격력 저감 장치 개발, 조기경보시스템 구축 등 다양한 연구가 수행되어 왔다. 기존의 일반 네트 대신 유연성을 갖는 링네트를 적용하여 충격력을 효과적으로 흡수하고 방호하는 연구가 수행되었으며(Yoo et al., 2006), Choi et al.(2016)은 충격력을 흡수하는 스프링 요소를 네트 구조에 장착하여 급격히 작용하는 토석류 충격력을 감소시키는 방안을 제시하였다. 네트형 사방댐은 구조적으로 유연하여 상류부 설치가 용이하고 토석류의 일부를 통과시키면서 충격을 분산시키는 장점을 가지고 있어 기존 콘크리트 사방댐의 대안으로 주목받고 있다. 네트형 방호시설은 네트 형식뿐 아니라 앵커 및 연결부의 인장 거동이 설계에 직접 연결될 수 있으며, 충격에너지와 앵커 인장력의 관계를 다룬 연구도 제시된 바 있다(Kim and Yoo, 2018). 또한 완충 스프링을 포함한 네트형 방호시스템을 대상으로 수치해석을 수행하여 구조 응답을 비교한 연구도 보고되었다(Lee et al., 2018).

국외의 경우 토석류에 대한 네트형 방호벽의 거동과 충격 저감 효과를 정량적으로 평가하려는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. Li et al.(2020)은 최근 활용이 증가하고 있는 유연한 링네트 방호벽을 대상으로 토석류 충돌 시 방호벽의 동적 거동을 수치적으로 분석하였다. 이 연구에서는 유체 거동은 CFD, 고체 입자는 DEM으로 모델링하여 토석류와 방호벽 간의 상호작용을 종합적으로 고려하였으며, 이를 통해 링네트 방호벽 설계에 활용 가능한 해석 기법을 제시하였다. Xiong et al.(2023)은 네트 방호벽의 성능에 영향을 미치는 주요 인자를 규명하기 위해 수로 경사, 토석류 밀도와 부피, 방호벽 간격을 변수로 실험을 수행하였다. 그 결과, 방호벽 간격이 충격 저감 효과에 가장 큰 영향을 미치는 요소이며, 토석류 밀도 또한 중요한 영향 인자로 작용함을 확인하였다. 또한 형식이 다른 방호구조를 동일한 유동 조건에서 비교하여 설계변수의 영향을 검토한 연구도 제시된 바 있다(Kong et al., 2022).

그러나 링네트 적용 또는 스프링 요소 장착과 같은 개선 방안이 제시되어 왔음에도 동일한 충격 조건에서 일반 네트와 완충형 네트의 비교·분석하고, 그 차이를 와이어로프 단위의 에너지 흡수 특성과 연결하여 최대 인장력·변위·충격 지속시간으로 일관되게 정량화한 연구는 미비하였다. 따라서 네트형 방호시설은 토석류의 큰 충격하중을 효과적으로 감소시켜 방호하여야 하는 특성을 고려할 때 네트를 구성하는 와이어로프의 인장 성능과 충격에너지 흡수 능력에 대한 정량적 분석이 필요하다. 이에 본 연구에서는 일반 와이어로프와 스프링이 결합된 완충형 와이어로프의 물리적 특성을 비교하기 위해 인장실험을 수행하였으며, 수치해석 프로그램 Abaqus를 이용하여 자유낙하 충돌 조건의 해석을 수행하고 일반 네트와 충격 흡수형 네트의 인장력, 변위, 충격 지속시간 등 구조적 거동을 분석하였다. 이를 바탕으로 토석류 충격력에 효과적으로 대응할 수 있는 적정 네트 형식을 도출하였다.

2. 이론적 고찰

2.1 토석류 정의

토석류의 주요 특징은 물·암석·토사 등이 혼합된 흐름이 계곡 지형을 따라 이동하면서 주변의 약한 지반을 침식·파괴하여 점차 규모가 증가한다는 것이다. 이러한 혼합물은 물보다 단위중량이 커 높은 운동에너지를 가지므로 매우 빠르게 이동하며, 결과적으로 하류 지역에 광범위한 퇴적층을 형성하게 된다. Fig. 1은 이러한 토석류의 발생 위치와 관련된 지형적 특성을 개략적으로 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Geographical characteristics of debris flow occurrence (Jang, 2014)

2.2 토석류 방호용 시설

토석류 방호용 시설은 불투과형인 콘크리트 사방댐이 주로 적용되어 왔으나, 구조 규모가 크고 장비 진입이 필요하여 지형 조건에 따른 설치 제약이 크다는 한계가 있다. 이러한 제약을 보완하기 위해 최근에는 경량 자재와 소형 장비를 적용하여 지형 변화에 유연하게 대응할 수 있는 네트형 사방댐 적용에 관한 연구가 증가하고 있다.

Table 1은 토석류 방호에 적용되는 공법들의 특성을 비교하여 나타내었다. 사방댐의 형식은 계곡부의 지형 조건, 토석류량, 배수 구조, 주변 환경 등을 고려하여 다양하게 선정되며, 최근에는 환경 친화적인 구조물이 선호되고 있는 경향이 있다.

Table 1.

Prevention methods for debris flow

Category	Concrete type	Net type	Steel frame type
Material	Concrete	Wire rope, shock absorption device	Steel components, aggregates
Method overview
	·Forms a barrier by constructing a concrete structure across the valley to block debris flow ·Impermeable structure that fundamentally blocks debris flow	·Forms a net by interconnecting wire ropes in a lattice pattern ·Equipped with various shock absorption devices on the ropes to absorb impact forces from debris flow	·Screen installed within the frame and filled with internal materials such as cobbles ·Allows water to pass through while blocking sediment
Advantages	·Applicable to various site conditions ·Flexible design of structural shapes ·Capable of sediment and water retention ·Excellent structural stability	·Installation in terrains and upper valley areas where equipment access is difficult ·Wire ropes pre-manufactured in factories and assembled on site ·Minimizes excavation of riverbeds due to fixation with rock bolts	·Quick construction due to prefabricated components ·Promotes vegetation growth within internal filler for eco-friendliness and aesthetics
Disadvantages	·Requires valleys with stable ground for construction ·Challenging to install on upper valleys due to equip –ment access restrictions for heavy structures	·Difficult to disassemble and reassemble by sections, complicating maintenance ·Challenging to dredge during debris flow deposition	·Difficult to apply on steep slopes ·Complicated construction due to the assembly of multiple components

콘크리트 사방댐은 주로 하류부에 설치되며, 계곡 바닥과 측면을 굴착하여 콘크리트 구조물을 설치하는 불투과형 구조물이다. 반면 투과형인 네트형 사방댐은 경량 구조물로 운반과 설치가 용이하고, 계곡 형상을 따라 유연하게 시공할 수 있으며, 네트를 통해 물은 통과시키고 큰 입자는 차단하여 토석류의 동적 충격력을 효과적으로 방호할 수 있다.

2.3 토석류 방호용 네트

2.3.1 와이어로프(Wire rope)

토석류 방호용 네트는 와이어로프(Fig. 2 참조)를 다양한 격자 형태로 결속하여 제작된 것이며, 토석류가 가하는 충격력에 저항하도록 구성된 와이어로프 망을 의미한다.

Fig. 2.

Schematic drawing of wire rope

토석류 방호용 네트에 사용되는 와이어로프는 일반 강선과 달리, 중심 심선을 기준으로 여러 가닥의 와이어(Wire)를 꼬아 스트랜드(Strand)를 형성한 뒤, 다시 여러가닥의 스트랜드를 심강 중심으로 꼬는 방식으로 제작된다.

이와 같은 구조적 특성으로 인해 와이어로프는 일부 와이어가 손상되더라도 허용 범위 내에서 사용이 가능하며, 여러가닥의 와이어를 비틀어 만들었기 때문에 신축성과 변형능력이 우수하여 단일 강선에 비해 충격 하중에 더 효과적으로 대응할 수 있다.

2.3.2 토석류 방호용 네트 특성 비교

토석류 방호용 네트는 토석류 흐름 중 입자가 비교적 작은 토사는 물과 함께 네트 사이를 통과시키고, 큰 암석류는 네트에 걸려 쌓이게 된다. 이 과정에서 배면에는 토사가 점차적으로 퇴적되어 중력식 사방댐과 유사한 형태의 퇴적구조가 형성된다.

네트는 와이어로프를 일정한 격자 형태로 배열한 후 결합장치를 이용해 연결하여 제작되며, 토석류 하중이 네트에 작용하면 전체 망이 일체화된 구조물처럼 거동하여 토석류에 저항한다. 네트의 규격은 해당 지역에서 발생 가능한 토석류 입경을 고려하여 결정하며, 크기에 따라 종·횡 방향의 와이어로프를 결합해 네트를 구성한다.

토석류 방호용 네트는 크게 일반형과 충격 흡수형으로 구분할 수 있으며, 일반 네트는 Fig. 3(a)와 같이 와이어로프만을 연결하여 제작되는 반면, 충격 흡수형 네트는 Fig. 3(b)에 나타난 것처럼 양단이 고정된 각각의 와이어로프에 완충 스프링을 직렬로 결합하여 제작된다.

Fig. 3.

Structural configuration of conventional and buffer-spring wire nets

완충 스프링이 포함된 와이어로프는 양단이 고정된 상태에서 인장력이 작용하면 스프링의 변형량만큼 와이어로프가 늘어나 충격하중을 감소시킨다. 따라서 충격 흡수형 네트는 토석류가 충돌할 때 스프링 변형과 와이어로프 신축으로 일반 와이어로프 네트에 비해 보다 유연하게 거동하고, 그 결과 토석류에 의해 발생하는 충격력을 감소시킬 수 있다.

3. 충격 흡수형 네트의 구조적 특성

3.1 이론식에 의한 충격력 산정

토석류에 의해 발생하는 충격력은 방호용 시설의 규모와 형식을 결정하는 핵심 요소로 설계 시 매우 중요하게 고려된다. 이론식에 의하면 자유낙하한 공시체가 네트에 충돌될 때 와이어로프에 전달되는 충격력은 식 (1)과 (2)에 나타난 뉴턴의 운동 제2법칙에 따라 충격이 작용하는 시간과 반비례하는 특성을 갖는다. 공시체가 낙하하여 네트에 충돌할 때 발생하는 충격이 와이어로프에 전달되는 시간은 와이어로프의 신율에 의해 결정된다. 그러나 완충 스프링이 부착되어 있는 경우에는 스프링이 인장되는 동안 충격이 가해지는 시간(Δt)이 증가하게 되어 최대 충격력이 감소하게 된다.

여기서, I : 충격량(N·s)

F : 작용력(kN)

Δt : 충격이 가해지는 시간(sec)

스프링 상수에 따른 비교를 통해서도 일반 네트와 충격 흡수형 네트의 충격력 차이를 확인할 수 있다. 충격력은 식 (3)과 (4)에서 보이듯 스프링 상수와 변위의 관계로 표현되며, 이는 식 (5)와 같이 스프링 상수 및 질량, 속도의 관계로 나타낼 수 있다.

여기서, k : 스프링 상수(kN/m)

일반 네트와 충격 흡수형 네트의 충격력을 비교하기 위해 길이 2m의 와이어로프와 스프링 상수 150kN/m의 스프링이 결합된 완충형 와이어로프를 비교 대상으로 설정하였다.

일반 네트에 사용되는 와이어로프의 스프링 상수는 탄성계수(E), 단면적(A), 길이(L)를 적용한 식 (6)에 따라 산정할 수 있다.

일반 네트와 달리 충격 흡수형 네트는 와이어로프에 스프링이 결합된 복합부재의 형태를 갖는다. 이는 와이어로프에 스프링이 장착되었기 때문이며 복합부재의 스프링 상수는 식 (7)에 의해 산정된다.

일반 네트와 충격 흡수형 네트의 충격력을 이론식으로 비교한 결과, 충격력은 스프링 상수의 제곱근에 비례(F∝k)하는 경향을 나타내었다. 이러한 관계에 따라 충격 흡수형 네트는 동일한 규격의 일반 네트보다 약 83% 낮은 충격력이 발생하는 것으로 분석되었다.

3.2 충격 흡수형 네트의 인장실험

토석류가 네트에 충격을 가할 때 일반 네트와 충격 흡수형 네트가 얼마나 에너지를 흡수할 수 있는지 검토하기 위해 인장 실험을 수행하였다.

일반 네트는 와이어로프 단일 부재를 대상으로, 충격 흡수형 네트는 와이어로프에 인장 스프링을 장착한 완충형 부재로 실험을 수행하여 두 부재의 거동을 비교하였다.

인장 실험에 사용된 와이어로프는 직경 16mm, 전체 길이 2.0m의 단일 로프이며, 완충형 부재의 경우 동일한 16mm 직경으로 사용하되 로프 길이는 1.62m, 스프링 길이는 0.38m로 구성하여 총 2.0m가 되도록 제작하였다.

실험은 로프의 한쪽 끝을 고정하고 다른 끝을 20mm/min의 속도로 인장하여 하중–변위 관계를 통해 탄성영역과 파단하중을 산정하는 방식으로 수행되었다. Table 2는 인장실험에 적용된 와이어로프와 스프링의 상세 제원과 규격을 정리한 것이다.

3.2.1 와이어로프 인장실험

인장실험에는 최대 1,500mm까지 측정 가능한 인장변위 시험기를 사용하였으며. 실험체의 한쪽 단부를 고정한 상태에서 반대쪽에 하중을 가하여 그에 따른 변위량을 측정하였다.

Fig. 4는 인장실험에 사용된 와이어로프, 실험 전경, 그리고 와이어로프 파단으로 실험이 종료된 상태를 순서대로 제시한 것이다. Fig. 4(a)의 긴 로프는 일반 와이어로프 인장실험에 사용된 것이며, 짧은 로프는 스프링이 결합된 완충형 와이어로프의 인장실험에 사용되었다.

Fig. 4.

Tensile test for wire rope

Fig. 5는 인장실험을 통해 얻은 하중–변위 곡선을 제시한 것이다. 실험 결과, 와이어로프 제원의 파단하중인 169kN을 초과하여 198.5kN에서 파단이 발생하였다. 충격에너지 흡수량을 산정하기 위해 하중–변위 곡선에서 파단하중의 약 66%에 해당하는 131kN 지점까지 탄성구간으로 설정하였으며, 이 값을 기준으로 와이어로프의 충격에너지 흡수량을 평가하였다.

Fig. 5.

Result of wire rope tensile test

식 (8)과 같이 와이어로프의 충격에너지 흡수량은 1.97kJ로 산정되었고, 실험에 사용된 와이어로프의 길이가 2m임을 고려하여 단위 길이당 충격에너지 흡수량은 약 0.98kJ/m로 도출되었다.

3.2.2 완충형 와이어로프 인장실험

Fig. 6은 인장 스프링이 결합된 완충형 와이어로프 인장실험 진행 모습을 나타낸 것이다. 완충형 와이어로프의 인장실험은 일반 와이어로프 실험과는 달리 스프링에 의한 인장력이 작용하는 동안 변형이 지속적으로 나타났다. 이때 실험에 사용된 로드셀(Load cell)의 최대 인장 변위량은 1,500mm이며, Fig. 6(d)에 나타낸 바와 같이 시험기의 최대 변위량에 근접한 약 1,377mm에 도달하여 장비 한계를 고려하여 실험을 중단하였다.

Fig. 6.

Tensile test for buffer wire rope

실험실 내부 환경은 상온(20~25도 내외), 와이어로프의 끝단은 thimble 방식으로 고정하였으며, 와이어로프를 인장 시험기에 넣은 뒤 시험기 핀으로 와이어로프 고정하였다.

완충형 와이어로프의 인장실험 결과를 바탕으로 충격에너지 흡수량을 산정하기 위해 Fig. 7에 하중–변위 곡선을 제시하였다. 초기 변형 이후 스프링이 인장되면서 선형적인 거동을 보이는 구간은 약 333mm에서 1377mm까지이며, 이 구간에서 인장하중은 13.4kN에서 19.9kN까지 증가하였다.

Fig. 7.

Result of buffer wire rope tensile test

완충형 와이어로프의 충격에너지 흡수량은 3.39kJ로 산정되었으며, 이를 단위 길이로 환산하면 약 1.69kJ/m에 해당한다. 완충형 와이어로프의 에너지 흡수량이 일반 와이어로프에 비해 크게 나타난 이유는 스프링의 변형이 작용하여 상대적으로 작은 하중에서도 길이 증가가 발생했기 때문이다. 이로 인해 일반 와이어로프 대비 약 1.76배 높은 에너지 흡수 성능을 나타내었다.

4. 토석류 방호용 네트의 충격력 작용 시 거동 특성

본 연구에서는 수치해석을 통해 일반 네트와 충격 흡수형 네트가 충격력에 의한 거동 특성을 비교·분석하였다.

4.1 수치해석 개요

수치해석은 낙하 하중, 네트, 스프링 요소를 모사하여 동적 거동을 분석할 수 있는 Abaqus 프로그램을 활용하여 수행하였다(Fig. 8).

Fig. 8.

Schematic diagram of a free-fall test

수치해석에 적용한 공시체의 질량과 낙하 높이는 와이어로프의 파단하중을 기준으로 이를 초과하는 충격력이 네트에 작용하도록 설정하였다. 네트에는 실제 토석류 방호시설에서 사용되는 직경 ∅16mm 와이어로프를 적용하였으며, 격자 구성은 0.5m × 0.2m 형태로 모델링하였다.

낙하 공시체는 Fig. 9와 같이 직경 약 0.8m의 구형에 가까운 26면체 형태로 모사하였고, 6m 높이에서 자유낙하시켜 충분한 충격에너지가 네트에 전달되도록 하였다. 공시체 크기는 낙하시 네트 간격을 고려하여 공시체가 통과하지 않도록 크기를 선정하였다. 또한 일반네트와 충격흡수형네트에 의해 흡수되는 충격력과 변위를 뚜렷하게 상호 비교하기 위한 것으로 일반 네트는 항복하중을 초과하나 충격흡수형 네트의 항복하중 범위 내에서 하중전달이 이루어지도록 하였다.

Fig. 9.

Modeling of free fall of specimen

Table 3과 Table 4는 해석에 사용된 와이어로프와 네트의 규격, 재료 물성치를 나타낸 것이다.

4.1.1 일반 네트

네트 모델링은 Fig. 10과 같이 와이어로프를 X축 0.5m, Y축 0.2m 간격으로 배열하여 구성하였으며, 와이어로프의 양쪽 끝단은 힌지로, 그 외의 절점은 회전 및 이동이 자유로운 조건으로 설정하였다.

Fig. 10.

Modeling of net

Fig. 11(a)는 공시체가 6m 높이에서 자유낙하하는 초기 상태를 나타낸 것으로, 네트에 도달하는 시점의 속도는 11.15m/s로 계산되었다. 낙하체가 네트와 충돌하면서 발생한 최대 인장력은 Fig. 11(b)에서와 같이 352.6kN으로 산정되었다.

Fig. 11.

Numerical analysis sequence of the debris-flow protection net

공시체의 낙하로 인해 네트의 충격력이 와이어로프의 인장력을 발생시키며, 양단이 구속된 조건에서 네트의 인장력은 Fig. 11(b)와 같이 공시체가 직접 충돌하는 종방향 와이어로프에 가장 크게 나타났다. 해당 위치에서 최대 인장력은 352.6kN, 최대 변위는 0.709m가 발생하였으며, 인장력이 극한하중을 초과하여 재료는 파괴상태이나 탄성해석 수행으로 인장재의 파단은 고려되지 않았다(Fig. 11(c)).

네트에 발생한 인장력은 Fig. 12(a)와 같이 공시체가 낙하한 지점 주변의 와이어로프 세개의 줄에 인장력이 집중되어 작용하는 것으로 나타났다.

Fig. 12.

Tensile force distribution and time-history response of the net

시간에 따른 인장력 변화(Fig. 12(b))를 살펴보면, 공시체가 낙하했을 때의 충격력이 네트로 전달되면서 최대 인장력과 최대 변위가 발생하는 시간은 약 0.08초로 매우 짧게 나타났다. 이후 네트의 복원에 따라 충격에너지가 빠르게 감소되어 네트에 작용하는 인장력은 약 35kN 이하 범위에서 비교적 작은 진동 형태로 증감을 반복하였다.

최대 인장력이 네트에 발생한 시간은 약 0.08초로 매우 짧게 나타났다. 이는 와이어로프가 강선보다 유연하고 신축성이 크더라도 변형할 수 있는 범위가 제한적이기 때문에 공시체의 충격력이 순간적으로 집중되어 전달된 결과이다. 이와 같이 단시간에 전달되는 충격하중은 와이어로프에 상당히 큰 인장력을 유발하게 된다.

4.1.2 충격 흡수형 네트

Fig. 13과 같이 충격 흡수형 네트는 일반 네트와 동일한 형상으로 모델링하되, 양단에 스프링 상수 150kN/m의 완충 스프링을 설치하였다. 하중 조건, 낙하 높이, 경계조건은 일반 네트와 동일하게 설정하여 해석하였다.

Fig. 13.

Modeling of the buffer net installed buffer spring

Fig. 14(a)와 같이 공시체가 네트와 접촉한 지점에서 최대 인장력(Tmax=90.41kN)이 발생하였으며, 이는 일반 네트에서 발생한 최대 인장력(Tmax=352.6kN) 대비 74.3% 감소한 값에 해당한다.

Fig. 14.

Tensile force distribution and maximum displacement of the buffer net

또한 공시체 낙하 시 충격 흡수형 네트에서 발생한 최대 변위는 Fig. 14(b)와 같이 1.41m로 나타났으며, 이는 일반 네트의 최대 변위인 0.709m 대비 1.99배 증가된 수치이다. 이러한 변위 증가는 네트 양단에 설치된 스프링이 인장되면서 변형이 발생하였기 때문으로 해석된다.

Fig. 15(a)는 충격 흡수형 네트에서의 인장력 분포를 나타낸다. 일반 네트에서는 인장력 분포가 주로 종방향 와이어로프에 집중되는 경향을 보였으나, 충격 흡수형 네트의 경우 스프링이 늘어나며 발생한 추가 변형으로 인해 응력이 종방향 와이어로프에만 집중되지 않고 횡방향으로 분산되는 양상을 나타낸다.

Fig. 15.

Tensile force distribution and time-history response of the buffer net

Fig. 15(b)는 충격 흡수형 네트에서의 시간에 따른 인장력 변화를 나타낸 것이다. 일반 네트와 비교하면, 충격 흡수형 네트는 최대 인장력에 도달하기까지 약 0.13초가 소요되어 일반 네트 0.08초에 비해 약 60% 정도 긴 반응 시간을 보였다. 또한 충격 이후 반복적으로 발생하는 인장력의 크기도 일반 네트의 인장력 25kN 대비 68% 정도 감소한 8kN 이하 수준에서 유지되는 것으로 확인되었다.

이러한 거동 변화는 충격 흡수형 네트가 일반 네트보다 더 큰 변형을 발생시키며, 그 과정에서 횡방향 로프를 통한 하중 분산이 효과적으로 이루어지기 때문으로 판단된다. 더불어 시간에 따른 인장력 곡선 기울기 또한 완만하게 나타나 충격 흡수시간이 길어진 만큼 와이어로프에 작용하는 급격한 하중이 완화되는 효과를 나타내었다. 수치해석 결과를 종합하면, Table 5에서 확인할 수 있듯이 일반네트는 충격력이 3줄의 와이어로프에 집중되고, 와이어로프의 인장력(352.6kN)이 항복하중(126.7kN)을 초과하여 파단으로 이어져 방호기능을 상실할 수 있다. 반면 충격흡수형네트는 충격력을 전체 와이어로프로 분산시켜 충격에너지를 보다 효과적으로 흡수함으로써 와이어로프의 인장력(90.46kN)이 항복하중 이내로 나타나 동일한 충격 조건에서 더 높은 안전성을 확보하는 것으로 평가되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 토석류 방호시설에 적용되는 일반 네트와 충격 흡수형 네트의 구조적 거동을 평가하기 위하여 와이어로프 인장실험과 수치해석 프로그램을 통해 자유낙하 해석을 수행하고 각 네트의 충격 응답 특성을 정량적으로 비교하였으며, 주요한 결론은 다음과 같다.

1. 와이어로프 인장실험 결과, 직경 16mm, 길이 2.0m의 일반 와이어로프는 제원상 최소 파단하중 169kN을 초과한 198.5kN에서 파단이 발생하였으며, 충격 에너지 흡수량은 1.97kJ(0.98kJ/m)로 나타났다. 반면, 완충 스프링(길이 0.38m, 스프링 상수 150kN/m)이 결합된 와이어로프의 경우 스프링 변형에 의해 더 큰 변위를 보였으며, 충격 에너지 흡수량은 3.39kJ(1.69kJ/m)로 일반 와이어로프 대비 약 1.76배 증가하였다.

2. Abaqus 수치해석 프로그램을 이용한 공시체 자유낙하 해석 결과, 일반 네트에는 공시체 충돌 직후 약 352.6kN의 최대 인장력이 작용하였으며, 작용시간은 약 0.08초로 매우 짧게 나타났다. 최대 변위는 0.709m였으며, 충격 이후에는 약 35kN 수준의 잔류 인장력이 반복되는 것으로 나타났다. 이는 일반 네트가 충격에너지를 충분히 분산시키지 못하고, 충격 하중이 짧은 시간에 집중적으로 전달되는 특성을 갖는다는 점을 확인할 수 있었다.

3. 충격 흡수형 네트의 경우, 양단 스프링의 변형으로 인해 충격이 전달되는 시간이 0.13초로 증가하여 일반 네트 대비 약 60% 길게 유지되었다. 최대 인장력은 90.41kN으로 일반 네트의 약 25% 수준으로 크게 감소하였으며, 최대 변위는 1.41m로 증가하여 충격에너지를 약 1.8배 더 흡수하는 것으로 분석되었다. 또한 충격 이후 반복되는 인장력은 8kN 이하로 일반 네트 대비 약 68% 감소하는 것으로 나타났다.

본 연구를 통해 충격 흡수형 네트는 일반 네트에 비해 충격 전달 시간 증가, 하중 분산 능력 향상, 최대 인장력 감소, 에너지 흡수량 증가 등 구조적 방호 성능이 우수함을 확인하였다. 동일한 충격 조건에서도 더 높은 안전율을 확보하여 토석류 충격력에 보다 효과적으로 대응하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 충격 흡수형 네트가 토석류 방호 시설의 적정 네트 형식으로 도출되었다. 따라서 충격 흡수형 네트는 일반 네트를 대체할 수 있는 효과적인 방호 대안으로 판단된다.

또한 본 연구는 토석류 방호시설 설계 시 일반 네트와 충격 흡수형 네트의 성능 차이를 제시함으로써 향후 설계기준 마련 및 안전율 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.