1. 서 론
1.1 개 요
2. 연구진행
2.1 입체표지판 원리
2.2 연구진행 방안 및 설계
2.3 타입별 입체표지판 설계
2.3.1 입체표지판 높이변화에 대한 설계
2.3.2 입체표지판 시인거리 및 돌출 길이에 대한 설계
2.3.3 입체표지판 측벽부 적용에 대한 설계
2.4 주행 시뮬레이션을 통한 입체표지판 시인성 검증
3. 결 론
1. 서 론
1.1 개 요
최근 국내에서는 대한민국의 새로운 도약을 위한 국토종합계획의 비전인 글로벌 녹색국토를 설정하여 국내 도로교통 분야의 쾌적한 도시환경조성, 녹색교통 통합 네트워크구축을 추진하고 있다.
위와 같은 선진화 도로교통 네트워크 구현을 위해서는 도심지에서 발생되는 많은 문제를 개선하여야 하며, 특히 시간, 경제적으로 가장 시급한 문제 중에 하나인 교통정체에 대한 개선이 시급하다. 국내에서는 서울 및 수도권에서 교통 집중 및 정체로 인하여 2002년에서는 20조원 이상의 경제적 손실을 바탕으로 매년 증가추세에 있으며, 2015년도에서는 33조원에 달하여 2002년도 이후 연평균 약 1조원 규모의 경제적 손실(Fig. 1)이 증가하는 추세이다.
국외 선진국에서는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 도심지 교통혼잡이 빈번하게 발생되는 지역을 중심으로 대심도 지하도로(Fig. 2~7)가 운영되고 있으며, 국가마다 도심지 의 다양한 기능과 목적을 바탕으로 설계되어 운영되고 있다.
최근 국내에서도 국외 사례를 바탕으로 교통혼잡으로 인한 문제가 많은 서울특별시(제물포 지하도로 등) 및 부산광역시(만덕-센텀 지하도로)에서도 Fig. 8과 Fig. 9와 같이 지상녹지화, 교통혼잡비용 최소화, 선진 교통기반구축을 위해 대심도 지하도로 건설 계획 및 추진(KICT, 2015)이 되고 있다.
위와 같이 국내에 도심지 대심도 지하도로 구축계획 및 추진에 따라 국내 환경 및 기술 국산화를 위한 요소기술 개발을 바탕으로 이에 대한 설계지침 개정 목적으로 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술개발’(2014~2019) 정부 R&D가 추진되고 있으며 설계분야, 시공분야, 화재안전분야로 나누어 연구를 수행하고 Fig. 10, 11과 같이 터널 시공방법에 따라 최적단면을 도출하여 이에 대한 핵심요소기술 연구개발을 추진하고 있다.
위의 Fig. 10, 11과 같이 복층터널 표준단면의 경우, 기존 쌍굴터널 대비 경제성을 갖기 위해 상하층 편도기준 터널 형고가 약 3.5 m으로 설계(KICT, 2012)되었다. 복층터널 단면은 기존 터널대비 소단면으로, 운전자가 장시간 터널주행시 낮은 시설한계로 인한 밀폐감 및 중압감이 발생되며 터널길이의 장대화로 운전자의 집중력 감소 등의 문제점이 발생 될 수 있다.
또한 복층터널 상부에 설치될 교통표지판의 경우, 최대 60 cm 이하로 문자크기가 작으며 설치위치도 낮기 때문에 인식을 위한 운전자의 표지정보를 확인하고 행동으로 옮기는 시인거리가 짧아진다. 이러한 수직형 표지판의 문자확대를 할 수 있는 높이의 한계 때문에 도로교통표지 시설 중에 하나인 LCS 표지판을 통하여 LED 발광으로 먼 거리에서도 운전자가 문자를 시인할 수 있도록 설치기준(Ministry of Land Transportation, 2004)이 있으나, 1개소 당 설치비용이 고가이며, 유지관리(교통통제, 수리비 등) 때문에 LED 많은 설치에 따른 경제성이 떨어진다.
따라서 본 연구내용에서는 대심도 지하도로 단면특성으로 인한 기술적, 경제적 문제점들을 해결하기 위해 표지판 문자크기를 시설한계고에 제한을 받지 않는 입체표지판에 대한 적용방안 → 설계 → 시뮬레이션을 통하여, 입체표지판의 적용가능성에 대한 연구를 수행하였다.
2. 연구진행
2.1 입체표지판 원리
복층터널 입체표지판이란 사다리꼴 모양의 교통표지판을 터널 천장부에 수직이 아닌 Fig. 12와 같이 수평으로 설치하여 일정거리에서 운전자가 수직표지판처럼 시인할 수 있는 교통표지판이다.
일반적으로 사람이 사물을 볼 때 시각의 원근효과로 인하여 멀리 있을수록 일정한 비율로 작아지는 형태로 보이는데, 이때 원근에 의해 일정한 비율로 작아지는 비율만큼 물체의 크기를 확대시켜주면 수직으로 보이는 효과가 발생된다. 터널 천장부에 Fig. 13과 같이 설치가 되면, 운전자가 일정거리에서는 Fig. 14와 같이 교통표지판이 수직으로 보이게 되는 원리이다.
이러한 원리를 이용하여 교통표지판으로서의 적용이 된 사례는 없지만 도로노면표지 형태로 적용되고 있다. 국외 일본에서는 Fig. 15와 같이 고속도로 및 진출입 램프에 역주행 방지 시인거리 향상을 위해 입체 도로노면표지가 적용되고 있으며, 최근 국내에서도 이러한 원리를 이용하여 고속도로 노면(Fig. 15) 및 도심지 어린이 보호구역(Fig. 16)에 운전자에게 효율적인 정보 전달이 가능한 입체노면표지 시범설치 및 적용이 이루어지고 있다.
2.2 연구진행 방안 및 설계
복층터널용 입체표지판 구현가능여부에 대해서는 Fig. 17과 같이 연구진행을 설정하였으며, 국내외적으로 적용되고 있는 입체노면표지의 설계방안을 토대로 천장 수평형 입체표지판의 적용방안을 Fig. 18과 같이 복층터널의 소형차 전용도로 통행 차량(승용차기준)의 시인되는 눈높이를 고려하여 적용하였다.
입체표지판 설계를 위해 아래와 같은 기본조건으로 적용하였을 때, 식 (1)과 같은 비례산술을 통하여 입체표지판의 높이를 산정할 수 있으며, 다양한 조건(터널높이, 시인높이 등)에서도 수학적인 계산접근이 가능하다.
- 터널단면: 복층터널 단면기준으로 형성
- 운전자 눈높이: 1.3 m (소형차 전용도로 기준)
- 입체표지판 운전자 시인거리: 20 m
- 터널의 높이: 3.55 m
| $$\begin{array}{l}L=\sqrt{2,250^2+20,000^{2\;}}\\b=\tan^{-1}(\frac{1,200}L),a=\tan^{-1}(\frac{2,250}{20,000})\\\frac{1,200}{Sin(a+b)}=\frac H{Sin(90-b)}\end{array}$$ | (1) |
2.3 타입별 입체표지판 설계
2.3.1 입체표지판 높이변화에 대한 설계
입체표지판 설계를 위해서는 1차적으로 수직표지판 설계제원을 바탕으로 공식에 의해 변환되며, 입체표지판의 문자크기 확대 가능성을 확인하기 위해 높이 변화에 따른 입체표지판 설계를 수행하였다. Case 1에 대해서는 복층터널의 시설한계고에 의한 수직 한계높이(60 cm)를 고려한 입체표지판 설계를 수행하였으며, Case 2에서는 기존 수직표지판 대비 표지판 높이가 약 30% 증가된 수직표지판에 대한 제원을 바탕으로 입체표지판 설계를 하였다.
1) Case 1 입체표지판 설계
Case 1에서 Fig. 19는 입체표지판 설계를 위한 수직표지판 제원이며, Fig. 20은 복층터널에 설치하였을 때의 터널 단면도로 나타낸다. Fig. 21은 Fig. 19의 제원을 바탕으로 입체표지판으로 변환된 설계도이다. Fig. 22는 복층터널 평면에서 보이는 설치 형태이며, Fig. 23은 운전자 시야를 고려한 설치 종단면도이다.
2) Case 2 입체표지판 설계
Case 2에서는 Case 1과 마찬가지로 Fig. 24는 입체표지판 설계를 위한 수직표지판 제원이며, Fig. 25는 복층터널에 설치하였을 때의 터널 단면도로 나타낸다. Fig. 26은 Fig. 24의 제원을 바탕으로 입체표지판으로 변환된 설계도이다. Fig. 27은 복층터널 평면에서 보이는 설치 형태이며, Fig. 28은 운전자 시야를 고려한 설치 종단면도이다.
Case 1과 Case 2의 입체표지판을 설계한 결과 수직표지판 제원을 기준으로 시인효과가 동일한 입체표지판 설계는 가능하며, 교통표지 문자크기를 확대하기 위해서는 입체표지판 높이가 일정비율로 커져야 하는 것을 확인할 수 있었다.
Case 2의 경우, Case 1보다 20 m 거리에서 운전자가 시인되는 문자크기가 약 0.164 m (30%확대)로 문자크기로 확대할 수 있다는 것을 확인하였으며, 입체표지판은 기존의 시설한계고에 제한된 수직형 표지판(60 cm 이내)보다 더 큰 교통표지문자 설계가 가능하다는 것을 확인하였다.
2.3.2 입체표지판 시인거리 및 돌출 길이에 대한 설계
입체표지판은 수직표지판 제원을 통한 입체표지판 설계가 가능하다는 연구를 통하여 입체표 표지판의 다양한 설치 조건 및 정자로 시인되는 거리에 따른 입체표지판의 설계제원이 달라지기 때문에 이러한 다양한 조건을 고려하여 입체표지판 설계를 수행하였다(Case 3, Case 4).
- 조건 1: 운전자가 입체표지문자가 정자로 보이는 시인거리(20 m, 30 m, 40 m) 변화에 따른 입체표지판 설계의 변화
- 조건 2: 입체표지판 하부의 돌출높이 변화에 따른 입체표지판 설계의 변화
위와 같은 조건으로 입체표지판 설계를 위한 수직표지판 제원은 Fig. 29~33과 같으며, Fig. 34는 Case별 설계를 위한 조건들을 보여주었다.
Case 3의 수직표지판의 제원을 바탕으로 입체표지판을 설계한 도면은 Fig. 34, 35와 같이 설계가 가능하며, Fig. 34는 입체표지판 문자가 수직으로 보이는 정자인식 거리를 20 m일 때 표지판 하부의 돌출길이를 0 m, 0.2 m, 0.4 m로 하였을 때의 입체표지판 설치 높이이며, Fig. 35는 입체표지판 문자가 수직으로 보이는 정자인식 거리가 20 m, 30 m, 40 m 일 때 입체표지판 설치 높이를 말한다.
Case 3과 Case 4의 입체표지판에 대한 운전자가 정자로 시인되는 거리별 및 돌출높이 변화에 따른 입체표지판 설계 높이에 대한 결과는 Fig. 36 (Case 3) 및 Fig. 37 (Case 4)로 도출되었다. 이러한 결과를 통하여 입체표지판은 운전자가 정자로 시인되는 거리가 길수록 입체표지판은 더 크게 설계되어야 하며, 입체표지판 하부에 돌출길이가 클수록 입체표지판의 설계높이가 작아짐을 확인 할 수가 있었다.
2.3.3 입체표지판 측벽부 적용에 대한 설계
Case 1~Case 4까지는 입체표지판을 터널 천장부에 적용하였을 때의 설계가능성 및 설계조건에 따른 설계를 수행하였으며, Case 5는 입체표지판 설계가 천장부뿐만 아니라 터널 측벽부에서도 설계가능성을 확인하기 위해 도로교통 안전표지판에 대한 추가적인 입체표지판 설계를 수행하였다.
도로 측면에 설치되는 대비를 위한 비상구 표지는 상황발생시 시인성 향상을 목적으로 내부조명을 통한 자체발광으로 시인성이 좋으나, 유지관리 및 비용이 고가이며 페인팅을 통한 표지방식은 터널 주행방향을 기준으로 페인팅이 되기 때문에 경제성은 우수하나 시인성은 좋지 않다.
이러한 기존 형태의 개선점을 고려하여 터널 측벽부에 입체문자설계를 고려하여 페인팅을 한다면 일정거리에서 수직으로 돌출되어있는 형태로 시인되기 때문에 시인성이 우수하고 경제적인 터널 내 도로교통표지로 활용이 가능하다고 판단하여 입체표지판 설계를 수행하였다.
터널 측벽부 입체표지문자를 설계하기 위해 Fig. 38의 제원을 기준으로 운전자 또는 대피자가 20 m에서 수직으로 시인되는 조건으로 설계한 결과 Fig. 39처럼 설계를 하였으며, Fig. 40, 41처럼 20 m에서 돌출된 수직형태로 시인이 가능하다는 것을 확인하였다.
측벽부에 적용된 입체표지판(Case 5)은 계획된 수직표지판보다는 약 37.5%감소되어 시인되기 때문에 기존의 계획된 도면에 대해 비율을 고려하여 입체표지문자 설계를 하여야 할 것으로 판단한다.
2.4 주행 시뮬레이션을 통한 입체표지판 시인성 검증
Case 1~Case 5를 통하여 입체표지문자에 대한 설계결과를 다양한 조건을 통하여 도출하였으나, 설계자료를 통하여 실제 운전자가 주행하였을 때 시인효과가 어떻게 나타나는 정성적인 평가를 위해 3D 모델링 및 주행동영상을 통하여 시인효과가 어떻게 보여지는지 연구를 수행하였다.
소형차전용도로의 복층터널 설계단면 제원을 바탕으로 운전자 시야높이(1.3 m)를 고려하였으며, 천장부에 설치된 수직표지판(Case 6), 입체표지판(Case 7) 및 측벽부에 설치된 입체표지문자(Case 8)에 대한 설계를 수행하였다. Case 6은 복층터널 시설한계고를 고려한 수직표지판의 시인형태를 주행영상으로 확인하기 위해 Fig. 42의 제원을 토대로 모델링을 수행하였고, Fig. 43과 Fig. 44는 수직표지판 기준으로 Fig. 42보다 약 30% 확대된 크기의 문자를 입체표지판으로 구현시켜 시인하기 위해 Fig. 44와 같이 입체표지판 설계를 수행하였다. Fig. 45와 Fig. 46은 측벽부 입체표지문자가 수직으로 시인되는 가능성을 판단하기 위해 모델링을 수행하였다. 운전자 주행 시뮬레이션 동영상 제작을 통하여 입체표지판이 일정거리에서 수직으로 시인되는 형태를 검토하였으며, 주행시뮬레이션은 3D Max 프로그램을 이용하여 형상 모델링 후 주행동영상을 통하여 연구를 수행하였다.
시뮬레이션 Case 6 (Fig. 47)과 Case 7 (Fig. 48)을 비교 검토한 결과 입체표지판이 기존의 수직표지판보다 더 큰 문자로 시인되는 것을 운전자 기준으로 확인할 수 있었으며, Case 8 (Fig. 49)도 기준거리에서 돌출된 표지판형태로 시인이 되는 것을 확인할 수 있었다.
Case 7 (Fig. 48)에서 입체표지판 특성상 20 m보다 멀리 있을 경우 아랫변이 큰 사다리꼴 모양으로 표지문자가 시인되며, 20 m보다 점점 가까워질수록 윗변이 아랫변보다 큰 사다리꼴 보양으로 시인되는 것을 확인할 수 있었다.
정자로 시인되는 기준거리를 제외한 위치에서는 입체표지판이 수직형태가 아닌 사다리꼴 형태의 문자로 시인되나 기존 표지문자높이보다 크고, 사다리꼴 모양으로도 충분히 운전자가 시인이 가능할 것이라 판단되며, 신뢰성을 확보하기 위해서는 실물제작 및 실제 주행을 바탕으로 한 추가적인 검증이 필요하다.
3. 결 론
복층터널용 입체표지판은 기존의 수직표지판과는 달리 천장부 또는 측벽부에 평행하게 설치되는 교통표지문자이다. 이러한 입체표지문자를 터널용 도로교통표지판 적용에 대해 설계 및 시뮬레이션을 수행한 결과 아래와 같은 결과를 도출하였다.
1.입체표지판은 운전자가 일정한 거리에서 수직교통표지판과 동일하게 수직으로 보이는 시인효과를 설계 및 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
2.기존 터널에 설치되는 수직형 교통표지판의 한계인 시설한계고(60 cm) 이하로 설계제약이 있지만, 입체표지판은 도로 천장부에 수평으로 설치되며, 입체표지판 설계 높이를 크게 설계할수록 크게 보이기 때문에 시설한계고의 영향을 받지 않고 더 큰 문자(60 cm 이상) 제공이 가능하다는 것을 확인하였다.
3.입체표지판의 크기 최소화를 위해 터널의 천장부에 입체표지판의 상하부 높이차를 적용한 결과 정자로 시인되는 거리에 따라 설계높이가 달라지며, 하부 돌출높이가 커질수록 입체문자 설계높이가 작아지는 것을 확인 할 수 있었다.
4.터널 천장부 입체표지판의 수학적 산술방식을 바탕으로 측벽부에 적용하여 입체표지판 설계가 가능하다는 것을 확인하였으며, 기존 수평형 표지판과는 다르게 기존 설계된 크기보다 37.5% 작게 보이는 것을 확인하였다.
5.입체표지판 천장부 및 측면부 설계데이타를 운전자 시야를 기준으로 3D 주행 시뮬레이션을 모델링 한 결과 설계내용과 동일한 시인효과를 확인하였다.
복층터널 입체표지판은 기존 높이제약을 받는 수직표지판보다 많은 장점이 가능한 표지판이지만, 다양한 연구(실내실험 및 Test Bed, 경제성검토 등)를 통한 기술의 발전을 시키고, 제도적인 측면에서의 다양한 연구를 통한 활성화가 필요하다.
