[논문]3경간 연속 Extradosed PSC 철도교의 동적거동에 관한 연구

김성일; 김연태; 길태수

문제 정의

본 연구에서는 일반철도 구간에 건설 예정인 Extradosed PSC 철도교를 대상으로 하여 상용유한요소해석 프로그램인 Midas/Civil을 이용해 주행열차 하중에 대한 이동열차하 중해석을 통하여 동적거동을 분석하고 국내외 시방기준과의 적정성을 검토하여 동적성능을 평가하고자 하는데 있다. 동적성능을 평가하기 위한 기준으로는 거더 중앙부처짐 을 기준으로 한 충격계수, 최대 수직처짐, 상판의 최대 수직 가속도, 단부회전각 등을 고려하였다.

가설 설정

선정차량의 하중을 시간경과에 따라 일정한 속도로 주행하면서 교량 상판의 레일 중심을 따라 작용하는 것으로 하였으며, 하중은 단선 및 복선 재하 하였고, 복선 주행 시 열차가 교량에 동시에 진입하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

상용유한요소프로그램인 Midas/Civil을 이용하여 국내 일반철도 구간에 건설 예정인 Extradosed PSC 철도교를 모델링 하였다. PSCa더와 주탑부는 beam 요소로 모델링 하였으며, cablee cable - tension only 기능을 사용하여 모델링 하였다. 동적해석에 사용한 고유진동수는 100차 진동모드까 지 고려하였다.
본 연구에서는 국내 일반철도 구간에 건설 예정인 1급선 Extradosed PSC 철도교에 대하여 상용유한요소해석 프로 그램인 Midas/Civil을 이용하여 일반철도 구간을 운행 중인 새마을호, 화물열차와 추가적으로 고속열차인 KTX 주행에 대하여 이동집중하중 연행 모델(constant forces)에 의한 시 간이력해석(time history analysis)을 수행하여 국내 기준 및 국외의 관련 규정과의 비교. 검토를 통하여 Extradosed PSC 철도교의 동적거동 특성 및 성능을 검토하였다.
본 연구에서는 일반철도 구간에 건설 예정인 Extradosed PSC 철도교를 대상으로 하여 상용유한요소해석 프로그램인 Midas/Civil을 이용해 주행열차 하중에 대한 이동열차하 중해석을 통하여 동적거동을 분석하고 국내외 시방기준과의 적정성을 검토하여 동적성능을 평가하고자 하는데 있다. 동적성능을 평가하기 위한 기준으로는 거더 중앙부처짐 을 기준으로 한 충격계수, 최대 수직처짐, 상판의 최대 수직 가속도, 단부회전각 등을 고려하였다. 상기항목에 대하여 국내외 관련 규정을 조사한 후 수치해석 결과와 비교한 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 동적 성능검증 기준과 관련된 국내외 규정을 조사하였으며, Extradosed PSC 철도교 동적해석 결과를 국내 기준과 비교하는 것을 원칙으로 하였다[1-3]. 또한 국내 규정에 언급되지 않은 규정은 국외의 규정을 참고치로 제시하고, 이들 규정과 동적해석 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 국내 일반철도 구간에 건설 예정인 1급선 Extradosed PSC 철도교에 대하여 상용유한요소해석 프로 그램인 Midas/Civil을 이용하여 일반철도 구간을 운행 중인 새마을호, 화물열차와 추가적으로 고속열차인 KTX 주행에 대하여 이동집중하중 연행 모델(constant forces)에 의한 시 간이력해석(time history analysis)을 수행하여 국내 기준 및 국외의 관련 규정과의 비교. 검토를 통하여 Extradosed PSC 철도교의 동적거동 특성 및 성능을 검토하였다.
본 연구에서는 동적 성능검증 기준과 관련된 국내외 규정을 조사하였으며, Extradosed PSC 철도교 동적해석 결과를 국내 기준과 비교하는 것을 원칙으로 하였다[1-3]. 또한 국내 규정에 언급되지 않은 규정은 국외의 규정을 참고치로 제시하고, 이들 규정과 동적해석 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 일반철도 구간을 운행 중인 열차 중 새마을호 8량 편성과 화물열차 20량 편성, 경부고속철도를 운행 중인 KTX 20량 편성에 대하여 대상 교량인 Extradosed PSC 철도교에 대한 이동집중하중 연행 모델(constant forces)의 동적 시뮬레이션을 수행하였다.
5 ~5%의 감쇠비를 사용하나, 일본의 경우 이에 대한 다양한 연구를 통하여 5%의 감쇠비는 실제 구조물에 대하여 과다하다는 결론을 도출한 바 있다. 본 연구에서는 최근 PSC교에 대하여 eurocode[2]에서 제안하는 매우 엄격한 감쇠비인 1%의 감쇠비를 적용하여 동적해석을 수행하였으며 도상자갈은 질량효과를 고려하여 교량의 모델링 시 포함시켰다.
상용유한요소프로그램인 Midas/Civil을 이용하여 국내 일반철도 구간에 건설 예정인 Extradosed PSC 철도교를 모델링 하였다. PSCa더와 주탑부는 beam 요소로 모델링 하였으며, cablee cable - tension only 기능을 사용하여 모델링 하였다.
차량의 주행속도는 위험요소에 대한 검토와 향후 대차성 능 개선 등을 고려하여 실제 운행속도보다 높은 속도로 새마을호의 경우 200km/hr까지 10km/hr씩 증속시키며 동적해석을 수행하였고, 화물열차의 경우 150km/hr, KTX의 경우 350km/hr 주행까지 고려하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

(2) 본 연구의 대상 교량은 일반선 구간의 장경간 철도교량으로 해석결과, 상기 동적성능 관련 항목에 대하여 일반철도 차량의 주행 속도에 있어서 충분히 국내외 제한 규정값 이내의 성능을 보여주고 있다.

성능/효과

(1) 각 차종별 임계 속도가 실 주행 속도 내에 존재하지만 공진 소멸현상에 의해 동적처짐의 증가량이 미소하게 나타남을 확인하였다. 공진을 발생시키는 임계속도이나 소멸조건이 발산조건에 비해 우선됨으로서 안정적인 동적응답을 나타낸다는 기존 연구결과에 부합되는 결과를 도출하였으며, 가장 엄격한 처짐 기준이라고 할 수 있는 L/1700과 비교하였을 때 소요의 안전성 및 사용성을 확보하고 있다고 판단된다.
(3) 고속주행(200km/h 이상)에 있어서 충격계수의 값이 크게 증가하는 경향이 있으며, 단부꺾임각이 고속철도 규정을 초과하는 경우가 나타났다. 향후 대차 성능 개선 등으로 인한 기존 열차 속도의 증가 또는 고속철도교량 으로의 적용을 위해서는 현재 단면에 대한 수정이나, 단부 보완 등 동적 성능 향상 방안을 고려한 후 이에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
(1) 각 차종별 임계 속도가 실 주행 속도 내에 존재하지만 공진 소멸현상에 의해 동적처짐의 증가량이 미소하게 나타남을 확인하였다. 공진을 발생시키는 임계속도이나 소멸조건이 발산조건에 비해 우선됨으로서 안정적인 동적응답을 나타낸다는 기존 연구결과에 부합되는 결과를 도출하였으며, 가장 엄격한 처짐 기준이라고 할 수 있는 L/1700과 비교하였을 때 소요의 안전성 및 사용성을 확보하고 있다고 판단된다.
케이블에 대한 충격계수는 각 열차별로 단선주행 시 케이블의 장력비로 나타내었다. 그 결과, 새마을호와 화물열차의 경우 최대값이 각각 0.17, 0.07로 낮게 나타났으나, KTX의 경우 주행속도 200knVhr 이상에서 충격계수가 크게 증가하는 경향이 나타났다.
5g를 규정으로 하고 있다. 본 연구대상 교량에 대한 해석결과 단선주행 시 새마을호의 경우 0.085g (측경간)~0.105g(주경간), 화물열차의 경우 0.152g~0.189g, KTX의 경우 0.094g~0.11g로 해석 케이스 모두에서 성능기준을 만족하는 것으로 나타났다. 복선 주행시 새마을호의 경우 0.
본 연구대상 교량의 경우 가장 엄격한 프랑스와 국내 고속철도 기준인 L/1700을 적용하면 허용 처짐은 Table 4와 같이 주경간이 58.82mm, 측경간이 47.06mm이며 해석결과 단선주행 및 복선 주행 시 모두 상기 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

후속연구

(3) 고속주행(200km/h 이상)에 있어서 충격계수의 값이 크게 증가하는 경향이 있으며, 단부꺾임각이 고속철도 규정을 초과하는 경우가 나타났다. 향후 대차 성능 개선 등으로 인한 기존 열차 속도의 증가 또는 고속철도교량 으로의 적용을 위해서는 현재 단면에 대한 수정이나, 단부 보완 등 동적 성능 향상 방안을 고려한 후 이에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.

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