[논문]고속철도 교량상 장대레일의 하절기 온도응력 계측

곽종원; 최은석; 진원종; 이정우; 김병석; 강재윤

문제 정의

본 연구에서는 경부고속철도 노선상의 교량구간에 대해서 레일온도 및 응력을 현장 계측하고, 계측자료로부터 온도 변화에 대한 레일 응력 거동을 분석하여 주요 위치별 레일 온도-응력 관계식을 도출하였다. 계측 결과, 레일온도와 응력은 선형적 상관 관계를 보였으며, 교량 바닥판 단부 지점 부근에서의 레일 응력이 가장 크게 나타났다.
이에 본 연구에서는 경부고속철도 교량상 장대레일의 하절기 온도 변화에 따른 레일응력을 계측하고, 계측 자료로부터 주요 위치별 레일 온도응력 예측식을 도출하였다.

제안 방법

2에 보인 바와 같이 중앙 지점에서 가동 지 점까지의 40m 구간에 대해서 10m 간격으로 총 20 개소에 레일 변형률 게이지를 설치하였다. 레일의 온도는 5 개소에 설치된 온도 게이지를 통하여 계측하였으며, 대기온도 계측을 위해 1 개의 온도게이지를 계측설비 내에 두었다.
실제 주행환경에서의 교량상 장대레일의 온도응려 특히 하절기 대기온도 증가에 따른 레일 압축응력의 변화를 살펴보기 위하여, 경부고속철도 노선상의 교량구간을 택하여 일정 기간 동안의 레일 온도응력변화를 계측하였다. 계측 대상이 되는 교량 구간은 서울기점 117km 지점에 위치한 연제교 구간으로 하였으며, 이 교량은 2@40m의 PSC 박스거더교로서 경간중앙에 고정지점이 위치하여 이론적으로 중앙의 고정지점을 기준으로 좌우대칭의 온도응력이 발생하게 되므로 Fig.
총 계측기간은 2006년 8월 27일부터 9월 8일 까지이고, 총 13일간 매 1분 간격으로 레일 변형률과 온도 변화량을 수집하였다.

대상 데이터

실제 주행환경에서의 교량상 장대레일의 온도응려 특히 하절기 대기온도 증가에 따른 레일 압축응력의 변화를 살펴보기 위하여, 경부고속철도 노선상의 교량구간을 택하여 일정 기간 동안의 레일 온도응력변화를 계측하였다. 계측 대상이 되는 교량 구간은 서울기점 117km 지점에 위치한 연제교 구간으로 하였으며, 이 교량은 2@40m의 PSC 박스거더교로서 경간중앙에 고정지점이 위치하여 이론적으로 중앙의 고정지점을 기준으로 좌우대칭의 온도응력이 발생하게 되므로 Fig. 2에 보인 바와 같이 중앙 지점에서 가동 지 점까지의 40m 구간에 대해서 10m 간격으로 총 20 개소에 레일 변형률 게이지를 설치하였다. 레일의 온도는 5 개소에 설치된 온도 게이지를 통하여 계측하였으며, 대기온도 계측을 위해 1 개의 온도게이지를 계측설비 내에 두었다.

데이터처리

3N/mm2의 레일응력이 발생하는 것으로 분석되었다. 그러나, 전체 계측기간 중의 모든 계측자료를 이용한 경우에는 측점별 평균 레일응력에 대한 변동폭이 크게 나타남에 따라, 최대 레일응력이 계측된 8월 31 일의 일일 응력 변화 계측자료를 이용하여 회귀분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 일일 응력 분포에 대한 회귀분석 결과에서는 측점별로 레일온도 rc 당 2.
레일온도 변화에 대한 레일응력 변화의 상관관계를 살펴보기 위하여 레일응력 계측자료를 이용하여 회귀분석을 수행하였다. 전체 계측기간에 대한 각 측점별 평균 레일응력 의 분포를 이용하여 상관관계를 분석한 결과, 레일온도 변화와 응력 변화는 선형적 상관관계를 보였으며, 측점 위치에 따라 레일온도 1℃ 당 2.

성능/효과

본 연구에서는 경부고속철도 노선상의 교량구간에 대해서 레일온도 및 응력을 현장 계측하고, 계측자료로부터 온도 변화에 대한 레일 응력 거동을 분석하여 주요 위치별 레일 온도-응력 관계식을 도출하였다. 계측 결과, 레일온도와 응력은 선형적 상관 관계를 보였으며, 교량 바닥판 단부 지점 부근에서의 레일 응력이 가장 크게 나타났다. 이는 교량 바닥판의 온도 신축에 의해 발생하는 부가 레일응력의 영향으로 판단되며, 단부 지점 부근의 레일응력은 다른 위치의 레일응력에 비해 최대 약 20N/mm2 크게 발생할 수 있는 것으로 분석되었다.
5는 계측 기간 중의 기온대비 레일응력 상관 분포를 보인 것으로서, 이로부터 레일 온도 변화는 기온에 의존하지만 기상 조건 등에 따라서 레일온도가 큰 폭으로 분산됨을 알 수 있다. 단, Fig. 6의 일일 레일응력 변화 경로에서 보인 바와 같이, 주간의 레일온도 증가 경로와 야 간의 레일온도 감소 경로가 다른 것으로 나타났고, 동일한 대기온도라 할지라도 주간의 복사열에 의해서 레일온도는 크게 증가하며, 기온과 레일온도의 차이는 최대 약 20℃ 인 것으로 나타났다.
8℃로서 최대 기온을 보였으나, 당일의 대기온도 변화를 살펴보면, 약 14시경에 대기온도가 급감하였는데, 소나기 등의 기상 변화가 있었던 것으로 판단된다. 따라서, 계측기간 중의 최대 레일온도는 8월 31 일에 계 측된 49.4℃이며, 당일의 최대 대기온도는 31.80 였다.
레일 응력 계측 자료를 분석한 결과, 설정온도 25℃를 기준으로 레일온도가 rc 증가함에 따라 약 2.6N/mm22] 압축 응력이 발생하는 것으로 나타났고, 하절기 기상변화에 대한 고속철도 안전관리 대책에서 감속운행 및 운행정지의 기준이 되는 온도인 55℃, 60℃ 및 64℃에 대해서 각각 79.6N/mm2, 92.4N/mm2 및 102.6N/mm2S] 최대 압축응력이 발생하는 것으로 예측되었다.
본 연구에서 제시한 레일 온도-응력 관계식은 약 20~50℃의 레일온도 범위 내에서 계측된 자료로부터 구한 것으로서, 레일 설정온도 25℃를 기준으로 그 이상의 레일온도 증가에 대한 레일응력을 예측하는 경우에는 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있는 것으로 판단된다.
10으로부터 레일 온도가 증가할수록 종방향 위치별 응력 편차가 증가하고, 단부 지 점 위치에서의 레 일응력 이 상대적으로 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 측점 A에서 E 위치로 이동할수록 바닥판의 온도 신축량이 크게 발생하였고, 그에 따른 부가 레일응력이 발생하였기 때문이며, 본 연구에서 도출된 레일 온도-응력 관계식에 바닥판의 온도신축에 의한 응력 변화가 포함되어 있음을 간접적으로 증명한 결과라고 할 수 있다.
9에 나타내었다. 일일 응력 분포에 대한 회귀분석 결과에서는 측점별로 레일온도 rc 당 2.1 ~2.6N/mm2의 레일응력이 발생하는 것으로 나타났으며, 바닥판 단부에서의 레일응력이 가장 큰 것으로 나타났다. 이는 대기온도에 따라 교량 바닥판의 온도 신축에 의해 발생한 부가 레일응력의 영향 때문이며, 교량 바닥판 온도 신축량이 가장 큰 단부 지점부근의 레일응력이 가장 크게 나타난 것이다.
레일온도 변화에 대한 레일응력 변화의 상관관계를 살펴보기 위하여 레일응력 계측자료를 이용하여 회귀분석을 수행하였다. 전체 계측기간에 대한 각 측점별 평균 레일응력 의 분포를 이용하여 상관관계를 분석한 결과, 레일온도 변화와 응력 변화는 선형적 상관관계를 보였으며, 측점 위치에 따라 레일온도 1℃ 당 2.1~2.3N/mm2의 레일응력이 발생하는 것으로 분석되었다. 그러나, 전체 계측기간 중의 모든 계측자료를 이용한 경우에는 측점별 평균 레일응력에 대한 변동폭이 크게 나타남에 따라, 최대 레일응력이 계측된 8월 31 일의 일일 응력 변화 계측자료를 이용하여 회귀분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig.

후속연구

전 절에서 도출된 관계식에는 각 위치에서의 바닥판 온도 신축에 의한 부가응력이 포함된 상태이므로, 이 식을 이용하면 레일-교량 상호작용이 고려된 종방향 레일 온도응력 분포를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. Table 2는 본 연구에서 도출된 레일 온도-응력 관계식을 이용하여 20℃ 이상의 레일온도에 대한 레일응력을 계산한 결과로서, Table 2의 각 측점별 응력을 도표로 나타내면 Fig.

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