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[아롱테크] 도로에 숨겨진 놀라운 과학의 세계
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승인 2017.10.03  07:32:48
   
 

자동차 마니아라면 누구나 한 번 쯤은 자동차광고나 다큐멘터리 또는 각종 매체를 통해 자동차가 자동차주행시험장의 급격한 경사면을 따라 주행하는 장면을 보신 적이 있을 것입니다. 이러한 경사로에서는 운전자가 스티어링 휠을 특별히 조작하지 않더라도 차가 옆으로 미끄러지지 않고 노면을 따라 주행할 수 있는 주행속도가 정해져 있는 것이 특징입니다.

경기도 화성시에 위치한 교통안전공단 자동차안전연구원의 고속주행로의 경우 가장 바깥 차선의 최대경사각은 42도로 최저 140km에서 최고 252km까지 주행할 수 있습니다. 이처럼 차가 경사로에서 미끄러지지 않고 달릴 수 있는 이유는 노면방향과 평행한 원심력과 자동차의 무게와 중력으로 인해 경사면에서 미끄러지는 양이 서로 상쇄되기 때문입니다.

이와 같은 도로 경사각은 자동차주행시험장이나 자동차경주장과 같은 특수한 목적을 가진 곳에서만 사용된다고 생각하기 쉽지만 우리가 매일 주행하고 있는 일반도로에서도 흔히 찾아볼 수 있습니다. 고속도로는 물론 일반 도로는 직선과 곡선이 연결된 평면도로라고 생각하기 쉽지만 사실은 평면과 경사면이 기하학적으로 연결된 3차원적인 형상을 이루고 있습니다.

자동차가 직선으로 주행하가 곡선(회전구간)으로 접어들거나 곡선부에서 직선부 또는 또 다른 연속된 곡선부로 원활하게 주행하기 위해서는 주행궤적의 변화에 따라 운전자가 쉽게 적응할 수 있도록 경사면이 변하거나 또는 도로가 넓어지거나 좁아지는 등 일종의 완화곡선이 적용되기 때문입니다. 

   
 

이러한 형상을 도로의 선형이라고 하는데 마치 뫼비우스의 띠처럼 도로의 중심선이 입체적으로 그리는 연속된 형상이라할 수 있습니다. 또한 자동차 주행도로는 배수를 원활하도록 함은 물론 자동차가 안전하게 주행할 수 있도록 경사지게 설계되는데 특히 곡선구간에서는 자동차주행시험장과 같이 일정한 높이로 회전구간 바깥쪽 높이를 안쪽보다 높게 설계하고 있습니다.

즉, 자동차가 원심력을 벗어나지 않고 안전하게 곡선을 주행할 수 있도록 하기 위함이지요. 이를 건설 및 토목용어로 편경사 또는 외측경사면(Cant 또는 Super-elevation)이라고 합니다. 

곡선도로는 평상시에는 자동차가 빠르게 도로를 달리므로 경사지게 설계되어 있다는 것을 잘 느끼지는 못하지만 교통정체가 심한 휴가철이나 명절 연휴에 고속도로에서 주정차를 반복하다보면 평소보다 도로가 한쪽으로 많이 기울어져 있음을 알 수 있을 것입니다. 

곡선도로는 도로가 위치하는 지역이나 적설량, 도로의 설계속도, 평면곡선반지름 및 지형상황에 따라 조금씩 다르지만 우리나라의 도로설계기준에 따르면 평균적으로 6~8%의 구배(약 10~14도 정도의 경사)가 적용되고 있습니다(평면도로의 경우 1.5~2.0%가 표준입니다).

그리고 곡선의 길이(평면곡선반지름 또는 회전반지름)는 운전자가 스티어링 휠 조작에 곤란을 느끼지 않고 주행 설계속도로 4초간 주행할 수 있는 길이 이상으로 설계하도록 규정하고 있습니다. 예를 들어 시속 100km/h의 속도로 곡선을 완만하게 주행하기 위해서는 최소한 110m 이상의 회전반지름(110R)이 필요하지요. 

   
 

한편 이러한 설계속도와 평면곡선반지름의 관계는 도로표면의 횡방향 미끄럼 마찰계수나 편경사, 도로폭 등과도 연관이 있습니다. 참고로 국내 도로설계 기준은 고속도로의 경우 100~120km/h의 설계속도를 기준으로 하고 있으며 횡방향 미끄럼 마찰계수는 아스팔트 콘크리트의 경우 0.4~0.8로 규정하고 있습니다. 

그렇다면 국내 도로설계의 기준이 되는 차는 무엇일까요? 도로의 구분에 따른 설계기준 자동차는 승용차가 아니라 고속도로 및 주간선도로의 경우 길이 16.7m 너비 2.5m 높이 4.0m의 세미트레일러를 기준으로 하고 있습니다.

보조간선도로 및 집산도로의 경우에는 세미트레일러 또는 길이 13m, 너비 2.5m, 높이 4m의 대형자동차가 기준이 되고 있습니다. 다만 우회할 수 있는 도로가 있는 경우에는 도로구분에 관계없이 대형자동차나 승용자동차 또는 소형자동차(길이 6.0m, 너비 2.0m, 높이 2.8m)를 설계기준 자동차로 정할 수 있다고 합니다.

이에 따른 승용자동차의 기준은 길이 4.7m, 너비 1.7m, 높이 2.0m, 휠베이스 2.7m로 자동차관리법상 소형승용차 및 소형승합차에 해당되는 크기입니다. [김아롱 기자=아롱테크]


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