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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 철도교량의 합리적인 설계를 위해 콘크리트궤도 부설 전후에 대한 교량의 정동적거동 변화를 실험적으로 분석하였고, 수치해석을 통해 궤도를 질량으로만 고려하는 경우와 궤도 강성을 고려한 해석을 수행하여 실험값과 비교·분석함으로써 콘크리트궤도 부설 철도교량의 동적거동에 대해 분석하고자 하였다.
- 또한, 일반적인 동적거동해석에서 철도교량의 궤도는 간단하게 질량으로만 고려되어지고 있으나, 실내시험으로부터 콘크리트궤도가 부설된 교량의 경우 1차 휨모드에 대한 고유진동수 값이 실제 설계값보다 상당히 높게 평가되어졌다. 이것은 콘크리트궤도가 철도교량에 정량적인 강성기여효과로 작용하기 때문이며 본 연구를 통해 이를 확인하였다.
제안 방법
- 0m를 사용하고 있다[1]. 그러므로 실제 철도운행에 필요한 교량의 폭은 4.0~9.0m정도이나, 이 경우 제작 및 운반의 어려움과 시험장소의 제약으로 인해 단선궤도를 부설할 수 있도록 철도 침목의 폭(2.5m)이상인 3.0m를 시험체 폭으로 결정하여 설계하였다.
- Fig. 1(c)와 같이 정동적하중에 의한 교량의 처짐 및 진동 가속도를 측정하기 위해 경간중앙지점, 1/4지점, 지점부로부터 800, 1200mm 지점에 변위계를 설치하였으며, 경간중앙 지점에 가속도계를 설치하였다. 또한, 정적하중에 의한 교량의 부담력과 중립축 확인을 위해 경간중앙 상하부 플랜지에 변형률게이지를 설치하였다.
- 1(c)와 같이 정동적하중에 의한 교량의 처짐 및 진동 가속도를 측정하기 위해 경간중앙지점, 1/4지점, 지점부로부터 800, 1200mm 지점에 변위계를 설치하였으며, 경간중앙 지점에 가속도계를 설치하였다. 또한, 정적하중에 의한 교량의 부담력과 중립축 확인을 위해 경간중앙 상하부 플랜지에 변형률게이지를 설치하였다. 본 시험의 측정 주파수(sampling rate)는 500Hz로 하였다.
- 실내시험은 교량 상부에 궤도를 부설하고 재하 프레임을 통해 교량과 일체화 되어 가진되는 형식으로 교량중심에 정적하중 1,000kN인 엑츄에이터(actuator)를 설치하여 정적재하시험과 동적가진시험을 실시하였다. 정적재하시험은 0~200kN까지 50kN단위로 단계별 재하하였으며, 동적가진시험은 최대하중과 하중진폭에 대한 영향을 분석하기 위해 KTX열차의 설계 축중인 170kN의 경우를 최대하중으로 고려하였다.
- 이러한 최대하중은 Table 2와 같이 동적윤중 변동에 따른 최대하중 및 하중진폭의 영향을 고려하기 위해 ±5%, ±15%, ±25% 3가지 경우에 대한 중간하중(median load)을 설정하여 하중진폭에 변화를 주었다. 본 연구에서 적용한 가진하중 파형은 sine파형으로써 최대하중 170kN을 도입할 수 있도록 동적하중 변동을 고려한 초기하중과 증폭하중을 모델링하여 시험에 적용하였다. 또한, 고유진동수 및 감쇠비와 같은 동특성을 산출하기 위해 자유진동신호를 얻을 수 있도록 엑츄에이터의 Quick-Release 기능을 활용하였다.
- 본 연구에서 적용한 가진하중 파형은 sine파형으로써 최대하중 170kN을 도입할 수 있도록 동적하중 변동을 고려한 초기하중과 증폭하중을 모델링하여 시험에 적용하였다. 또한, 고유진동수 및 감쇠비와 같은 동특성을 산출하기 위해 자유진동신호를 얻을 수 있도록 엑츄에이터의 Quick-Release 기능을 활용하였다.
- 동적거동 검토에 있어서 열차 주행 시 발생되는 다양한 가진주파수에 대한 검토는 필수적이다. 본 연구에서는 각 시험체의 동적특성에 따라 공진이 발생되는 가진주파수를 기본으로 하고, 다른 범위의 가진주파수에 대한 영향을 분석하기 위해 시험체 특성에 따라 가진주파수의 범위를 산정하여 시험에 적용하였다. 단, 재하프레임의 고유진동수 대역에 해당되는 2~3Hz는 시험의 안전성 확보를 위해 제외하였다.
- 본 연구에서는 하중조건별 중간하중까지 정적으로 재하 후 가진을 시작하여 엑츄에이터의 Quick-release기능을 활용하여 가진이 멈추면 시험체의 자유진동이 발생하게 되는데 이와 같은 하중조건에서 발생한 응답을 측정하였다. 또한, 시험체의 고유진동수를 분석하기 위해 가진 후 자유진동영역에 대한 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 수행하여 시험체의 고유진동수를 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 하중조건별 중간하중까지 정적으로 재하 후 가진을 시작하여 엑츄에이터의 Quick-release기능을 활용하여 가진이 멈추면 시험체의 자유진동이 발생하게 되는데 이와 같은 하중조건에서 발생한 응답을 측정하였다. 또한, 시험체의 고유진동수를 분석하기 위해 가진 후 자유진동영역에 대한 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 수행하여 시험체의 고유진동수를 분석하고자 하였다. Fig.
- 교량의 중립축(neutral axis) 상승은 교량의 강성 증가를 의미한다. 정적재하시험에 의해 거더 중앙 상하부플랜지에서 발생한 변형률을 측정한 후 응력으로 환산하여 거더의 중립축을 산정하였으며, 수치해석을 통해 센서 설치위치와 동일한 위치에서의 응력을 확인하여 중립축을 비교분석하였다. Fig.
- 본 연구에서는 콘크리트궤도 부설 철도교량의 정동적거동을 분석하기 위해 실내시험과 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 실내시험은 교량 상부에 궤도를 부설하고 재하 프레임을 통해 교량과 일체화 되어 가진되는 형식으로 교량중심에 정적하중 1,000kN인 엑츄에이터(actuator)를 설치하여 정적재하시험과 동적가진시험을 실시하였다. 정적재하시험은 0~200kN까지 50kN단위로 단계별 재하하였으며, 동적가진시험은 최대하중과 하중진폭에 대한 영향을 분석하기 위해 KTX열차의 설계 축중인 170kN의 경우를 최대하중으로 고려하였다. 이러한 최대하중은 Table 2와 같이 동적윤중 변동에 따른 최대하중 및 하중진폭의 영향을 고려하기 위해 ±5%, ±15%, ±25% 3가지 경우에 대한 중간하중(median load)을 설정하여 하중진폭에 변화를 주었다.
성능/효과
- 2(c)와 같은 모멘트-곡률곡선을 도출하였다. 본 시험에서는 거더시험체의 파괴까지의 거동을 보는 것이 아니라 탄성영역에서의 거동을 검토하였기 때문에 모멘트-곡률곡선의 기울기는 선형으로 나타났다.
- 1MPa의 정적응답이 발생하였다. 콘크리트궤도 부설 시험체의 경우 거더만 존재하는 경우에 비해 수직처짐은 약 35.7%감소하였으며, 응력은 38.2%감소하였다. 이러한 결과는 콘크리트궤도 부설로 인해 교량상부구조의 강성이 증가하여 교량중앙부 정적응답이 감소되는 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 거더시험체의 경우 실제 교량의 축소모형인데 반해 콘크리트 궤도 시험체의 경우 실제 단선궤도의 크기가 그대로 적용됨에 따라 상대적으로 큰 강성이 적용되어 높은 강성기여효과를 보이는 것으로 판단된다. 하지만 본 정적거동시험을 통해 질량으로만 고려되던 콘크리트궤도가 교량상에 강성기여를 함으로써 휨강성이 증가한다는 것을 알 수 있다.
- 4는 가속도응답에 대한 자유진동영역을 FFT 분석하여 얻은 시험체의 고유 진동수를 나타낸다. 고유진동수 분석결과, 교량만 존재하는 경우 13.1Hz, 콘크리트궤도가 부설된 교량의 경우 12.2Hz로 콘크리트궤도가 부설됨에 따라 고유진동수는 감소하는 것으로 나타났다.
- 특히,하중의 진폭이 클수록 공진영역에서의 동적응답 증가 추세는 크게 발생하였다. 즉, 철도교량의 고유 진동수와 가진주파수가 일치하게 되면 공진발생으로 인해 동적응답은 크게 증가하게 되며, 궤도틀림, 표면요철, 속도증가 등 다양한 변수들로 인해 하중의 변동폭이 증가하게 되면 공진주파수 대역에서 철도교량의 동적응답은 크게 증가하게 됨을 알 수 있다.
- 4%의 오차를 보이는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 콘크리트궤도가 교량에 질량으로만 작용하는 것이 아니라 강성기여를 함으로써 중립축이 상승한 것으로 분석되었다.
- 또한, 콘크리트궤도가 부설된 경우 중립축 실험값은 궤도를 질량으로만 고려한 Case 2의 경우 약 22%, 궤도를 질량으로 적용하고 레일과 슬래브를 frame과 spring-damper로 모델링한 Case 3의 경우 약 16.5%, 콘크리트 슬래브를 shell 요소와 레일 및 체결장치를 모델링한 Case 4의 경우 약 2.9%의 오차를 보였다. 즉, 콘크리트궤도가 부설된 철도교량의 정적거동에 대한 분석을 위해서는 레일과 슬래브를 frame과 spring-damper로 모델링한 경우와는 상당한 오차가 발생할 수 있으며, 콘크리트 슬래브의 강성을 shell요소로 모델링한 경우 실제 콘크리트궤도 부설 철도교량의 정적응답과 매우 근사한 값을 얻을 수 있는 것으로 분석되었다.
- 9%의 오차를 보였다. 즉, 콘크리트궤도가 부설된 철도교량의 정적거동에 대한 분석을 위해서는 레일과 슬래브를 frame과 spring-damper로 모델링한 경우와는 상당한 오차가 발생할 수 있으며, 콘크리트 슬래브의 강성을 shell요소로 모델링한 경우 실제 콘크리트궤도 부설 철도교량의 정적응답과 매우 근사한 값을 얻을 수 있는 것으로 분석되었다.
- 고유진동수 분석결과, 콘크리트궤도 부설 전 교량만 존재하는 경우에 비해 콘크리트궤도가 부설된 경우, 고유진동수에 대한 실험값은 약 7.4% 낮은 것으로 분석되었으며, 교량만 모델링한 Case 1의 고유진동수에 대한 Case 2의 경우 약 27.6%, Case 3의 경우 약 25.0%, Case 4의 경우 약 10.3% 낮은 것으로 분석되었다. 또한, 콘크리트궤도 부설 전 교량만 존재하는 경우에 대한 실험값과 해석값의 오차는 약 5.
- 3% 낮은 것으로 분석되었다. 또한, 콘크리트궤도 부설 전 교량만 존재하는 경우에 대한 실험값과 해석값의 오차는 약 5.5%였으며, Case 2의 경우 약 21.0%, Case 3의 경우 약 16.8%, Case 5의 경우 약 2.4%로 분석되었다. 즉, 콘크리트궤도를 자중으로만 고려한 Case 2의 경우와 궤도를 frame요소와 spring-damper요소로 모델링한 Case 3의 경우 실제 교량의 고유진동수와 상당한 차이가 있을 수 있기 때문에 콘크리트궤도가 부설된 교량의 고유진동수를 분석하기 위해서는 콘크리트궤도의 강성과 질량이 모델링된 Case 4의 경우가 가장 합리적인 것으로 분석되었다.
- 4%로 분석되었다. 즉, 콘크리트궤도를 자중으로만 고려한 Case 2의 경우와 궤도를 frame요소와 spring-damper요소로 모델링한 Case 3의 경우 실제 교량의 고유진동수와 상당한 차이가 있을 수 있기 때문에 콘크리트궤도가 부설된 교량의 고유진동수를 분석하기 위해서는 콘크리트궤도의 강성과 질량이 모델링된 Case 4의 경우가 가장 합리적인 것으로 분석되었다.
- 이러한 결과는 고유진동수가 철도교량의 공진을 유발하는 임계속도와 직접적으로 연계되어 있고, 고속철도에서는 철도교량의 공진을 피할 수 없기 때문에 승차감 및 주행안전성을 평가하는데 매우 중요하다. 또한, 일반적인 동적거동해석에서 철도교량의 궤도는 간단하게 질량으로만 고려되어지고 있으나, 실내시험으로부터 콘크리트궤도가 부설된 교량의 경우 1차 휨모드에 대한 고유진동수 값이 실제 설계값보다 상당히 높게 평가되어졌다. 이것은 콘크리트궤도가 철도교량에 정량적인 강성기여효과로 작용하기 때문이며 본 연구를 통해 이를 확인하였다.
- (1) 정적재하시험결과, 콘크리트궤도가 부설됨에 따라 처짐과 응력이 약 35% 감소되었으며, 중립축의 위치가 약 16.7% 상승하는 것으로 분석되었다. 또한, 모멘트-곡률곡선의 기울기 분석을 통해 콘크리트궤도 부설에 따라 강성기여 효과가 있음을 확인하였다.
- 7% 상승하는 것으로 분석되었다. 또한, 모멘트-곡률곡선의 기울기 분석을 통해 콘크리트궤도 부설에 따라 강성기여 효과가 있음을 확인하였다.
- (2) 동적가진시험결과, 콘크리트궤도가 부설될 경우 고유 진동수가 약 7.4% 감소하는 것으로 분석되었고, 하중진폭의 크기가 커질수록 공진대역에서의 동적응답이 함께 증가하는 것으로 분석되었다.
- (3) 수치해석을 통한 중립축 변화 및 고유진동수 분석에서는 콘크리트궤도를 질량으로만 고려할 경우와 궤도강성을 spring-damper요소로 모델링한 경우 실제 철도교량의 정·동적거동과는 상당한 차이가 있는 것으로 분석되었다. 따라서 콘크리트궤도 부설 철도교량에 대한 동적해석 시에는 정량적인 산정이 가능한 콘크리트궤도의 강성 및 질량을 함께 고려하여 분석하는 것이 합리적이라 판단된다.
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