국내 철도노반설계기준에는 강화노반 두께를 일반철도와 고속철도로 이원화하여 규정하고 있으며 강화노반의 입도기준도 이원화되어 있다. 이로 인해 향후 기존선 속도향상 또는 유도상 궤도를 무도상 궤도로 변경 시 강화노반 두께증가 및 재료변경으로 인한 비용증가가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 실대형 실험을 통하여 노반상태 변경 없이 기존 일반철도인 유도상 궤도를 무도상 궤도로 변경하고 동일선로에서의 열차속도 향상 가능성을 검토하였다. 일반철도 설계기준에서 제시하고 있는 강화노반 두께를 20cm로 하고 강화노반 재료를 입도조정부순골재(M-40)를 사용한 선로 노반의 동적 특성을 분석하고 철도설계기준에서 제시하는 노반침하를 비교한 결과, 기존 일반철도 자갈궤도의 강화노반 두께 및 재료 변경 없이 무도상 궤도화가 가능하며 열차속도 400km/h까지 주행이 가능한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실내실험만의 결과이므로 추후 수치해석과 현장 실측치와의 비교 검토가 필요하다.
국내 철도노반설계기준에는 강화노반 두께를 일반철도와 고속철도로 이원화하여 규정하고 있으며 강화노반의 입도기준도 이원화되어 있다. 이로 인해 향후 기존선 속도향상 또는 유도상 궤도를 무도상 궤도로 변경 시 강화노반 두께증가 및 재료변경으로 인한 비용증가가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 실대형 실험을 통하여 노반상태 변경 없이 기존 일반철도인 유도상 궤도를 무도상 궤도로 변경하고 동일선로에서의 열차속도 향상 가능성을 검토하였다. 일반철도 설계기준에서 제시하고 있는 강화노반 두께를 20cm로 하고 강화노반 재료를 입도조정부순골재(M-40)를 사용한 선로 노반의 동적 특성을 분석하고 철도설계기준에서 제시하는 노반침하를 비교한 결과, 기존 일반철도 자갈궤도의 강화노반 두께 및 재료 변경 없이 무도상 궤도화가 가능하며 열차속도 400km/h까지 주행이 가능한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실내실험만의 결과이므로 추후 수치해석과 현장 실측치와의 비교 검토가 필요하다.
Based on Korean railway design standards, the thicknesses of the reinforced roadbeds of conventional and high speed railways are different, and so too, for the size distribution of the ballast particles. Accordingly, considerable cost would be required to increase operating speeds of conventional li...
Based on Korean railway design standards, the thicknesses of the reinforced roadbeds of conventional and high speed railways are different, and so too, for the size distribution of the ballast particles. Accordingly, considerable cost would be required to increase operating speeds of conventional lines, in particular related to changing from a ballasted track system to a ballastless one. In this study, applicability of a roadbed which supports conventional ballasted track, for use as a ballastless track for a high speed rail line was examined. A reinforced roadbed for a conventional railway is 20cm thick, and the type of material used for a conventional reinforced roadbed is M-40 (crushed gravel for road embankments). A dynamics test was conducted to evaluate the occurrence of the permanent settlement of the track substructure. These results suggest that, without changes to the track substructure, an operational speed of 400km/h is feasible with a ballastless track. This result; however, is from laboratory experiments. Further studies, such as numerical analyses or field validation, are required.
Based on Korean railway design standards, the thicknesses of the reinforced roadbeds of conventional and high speed railways are different, and so too, for the size distribution of the ballast particles. Accordingly, considerable cost would be required to increase operating speeds of conventional lines, in particular related to changing from a ballasted track system to a ballastless one. In this study, applicability of a roadbed which supports conventional ballasted track, for use as a ballastless track for a high speed rail line was examined. A reinforced roadbed for a conventional railway is 20cm thick, and the type of material used for a conventional reinforced roadbed is M-40 (crushed gravel for road embankments). A dynamics test was conducted to evaluate the occurrence of the permanent settlement of the track substructure. These results suggest that, without changes to the track substructure, an operational speed of 400km/h is feasible with a ballastless track. This result; however, is from laboratory experiments. Further studies, such as numerical analyses or field validation, are required.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 일반철도와 고속철도에서 동일한 강화노반 재료의 적용과 강화노반 두께 절감의 일환으로 일반 철도에 적용되는 강화노반 재료와 두께로 조성된 노반 상의 무도상 궤도를 대상으로 속도향상 시 상부노반 및 궤도의 누적침하와 탄성변위를 측정하고 상부노반 내의 응력분포특성을 파악함으로써 철도설계기준(노반편)[6]에서 제시하고 있는 노반 침하기준과 비교하여 무도상 궤도의 적용성 및 안정성을 평가하였다.
제안 방법
일반철도 강화노반 상의 무도상 궤도의 적용성과 동일 노반조건에서 열차속도 증가 가능성을 확인하기 위하여 실대형 실험을 수행하였다. 본 실험장비는 실제 현장의 철도노반 상황을 그대로 재현할 수 있어 실내 소형시험에서 발생 하는 Scale effect 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다.
레일에 작용하는 하중은 열차속도에 의해 발생하는 충격 하중을 적용한다. 충격하중은 활하중에 충격계수(i)를 곱하여 구하는데, 정확한 충격계수는 정적하중과 동적하중을 현장에서 계측하여 구하여야 하나 각 선로별 편차가 크므로 기존의 제안식을 사용하였다. 본 논문에서는 일본에서 적용하고 있는 식(1)을 이용하여 충격계수를 산정하였으며 최대값은 1.
재하횟수는 각 속도대역별로 경부 고속철도 2단계구간의 년간 통과톤수 14MGT에 해당하는 100만회를 적용하였다. 본 논문에서는 하중제어방식으로 실험을 수행하였으며 장비 특성상 재하하중과 재하주파수의 관계 등에 의해 재하시 하중을 0으로 제어하는 것이 불가하여 모든 실험케이스에서 Fig.
재하횟수는 각 속도대역별로 경부 고속철도 2단계구간의 년간 통과톤수 14MGT에 해당하는 100만회를 적용하였다. 본 논문에서는 하중제어방식으로 실험을 수행하였으며 장비 특성상 재하하중과 재하주파수의 관계 등에 의해 재하시 하중을 0으로 제어하는 것이 불가하여 모든 실험케이스에서 Fig. 5와 같이 최대하중과 최소하중의 차가 100kN이 되는 정현파 하중을 재하하였다.
다짐시험결과 다짐롤러를 이용하여 무진동 2회, 진동 7회로 다짐을 한 경우, 고속철도 콘크리트 슬래브 궤도의 기준치인 K30 ≥110MN/m3, Ev2 ≥80MN/m3, Ev2/Ev1 <2.2, 다짐도≥95%를 모두 만족하였다 재하순서는 200km/h에 해당하는 윤중 136kN을 4Hz로 100만회 재하 후 속도향상에 대한 영향을 파악하기 위하여 300km/h, 400km/ h에 해당하는 윤중 153kN을 각각 6Hz, 8Hz로 100만회씩 재하 하였다.
6과 같다. 계측항목은 토압, 지중 침하 및 궤도변위이며, 토압계와 지중침하계는 강화노반 상면으로부터 0, 0.5, 1.5, 2.5m에 설치하였고, 궤도변위계는 레일, TCL층, HSB층에 설치하였으며, 사용된 계측기의 사양은 Table 4와 같다.
토조 내에 부설한 하부노반과 상부노반의 다짐도를 철도 설계기준에서 제시하는 값에 만족시키기 위하여 시험 전 다짐시험을 수행하였다. 다짐시험결과 다짐롤러를 이용하여 무진동 2회, 진동 7회로 다짐을 한 경우, 고속철도 콘크리트 슬래브 궤도의 기준치인 K30 ≥110MN/m3, Ev2 ≥80MN/m3, Ev2/Ev1 <2.
일반철도 상부노반 강성조건에서의 무도상궤도의 적용성과 동일 노반조건에서 속도향상 가능성을 검토하기 위한 실대형 실험을 실시하였다. 일반철도와 고속철도의 속도기준이 되는 200km/h에 해당하는 열차하중을 초기 하중으로 100만회 재하하였으며 열차속도 향상을 고려하여 동일 실험체에 300km/h, 400km/h에 해당하는 열차하중을 각 100만회씩 재하하여 궤도의 변위와 노반의 침하 및 토압특성을 분석하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
일반철도 상부노반 강성조건에서의 무도상궤도의 적용성과 동일 노반조건에서 속도향상 가능성을 검토하기 위한 실대형 실험을 실시하였다. 일반철도와 고속철도의 속도기준이 되는 200km/h에 해당하는 열차하중을 초기 하중으로 100만회 재하하였으며 열차속도 향상을 고려하여 동일 실험체에 300km/h, 400km/h에 해당하는 열차하중을 각 100만회씩 재하하여 궤도의 변위와 노반의 침하 및 토압특성을 분석하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
하중재하 장치의 사양은 최대 동적 하중이 250kN이며, 가진 진동수는 100Hz, 동적 변위는 ±125mm이다. 토조는 폭(W) 4.5m, 깊이(D) 4m, 길이(L) 20m의 크기로 Fig. 2에 나타내었다.
실대형 실험에 조성한 콘크리트 궤도는 경부선 2단계에 적용된 레다-2000을 사용하였으며 Fig. 3에서 보는 바와 같이 도상 콘크리트(TCL : Track Concrete Layer)와 노반 강화 콘크리트(HSB : Hydraulically Stabilized Base)로 구성되었다. 콘크리트 침목은 Bi-Block형 콘크리트 침목을 사용하였으며 침목간 중심간격은 65cm이다.
3에서 보는 바와 같이 도상 콘크리트(TCL : Track Concrete Layer)와 노반 강화 콘크리트(HSB : Hydraulically Stabilized Base)로 구성되었다. 콘크리트 침목은 Bi-Block형 콘크리트 침목을 사용하였으며 침목간 중심간격은 65cm이다.
도상 콘크리트의 압축강도(fck)는 30MPa이고 폭은 3.2m, 두께 24cm이며, 철근의 보강비율은 도상 콘크리트 횡단면의 0.8~0.9%로 하였다. 노반 강화 콘크리트는 강화노반상에 콘크리트 층의 두께 30cm, 폭 3.
9%로 하였다. 노반 강화 콘크리트는 강화노반상에 콘크리트 층의 두께 30cm, 폭 3.8m로 시공하였고 압축강도 (fck)는 12MPa이다. 콘크리트 궤도에 사용한 침목의 28일 압축강도는 50MPa이다.
실대형 실험에 적용한 열차는 KTX 열차로서 대차축간거리는 동력차의 경우인 14m를 적용하여 주파수를 산정하였고, 재하하중은 KTX의 윤중 85kN에 속도에 따라 충격계수 1.6과 1.8을 각각 곱하여 136kN과 153kN을 적용하였다. Table 3은 속도대역별 주파수, 재하하중, 재하시간을 나타낸 것이다.
실대형 실험의 단면을 조성하기 위하여 사용된 강화노반은 일반철도의 강화노반재료인 입도조정부순돌(M-40)을 사용하여 두께 20cm로 조성하였고 상부노반은 철도설계기준(노반편)에 제시되어 있는 기준을 만족시키는 재료를 사용 하였다. Table 1은 철도설계기준(노반편)에서 제시하고 있는 일반철도 강화노반인 M-40재료의 입도분포 기준과 실대형 실험에서 사용한 강화노반의 입도분포를 나타내었다.
성능/효과
200km/h 속도로 1년간 주행한 결과 강화노반면에서의 누적침하량은 0.79mm 발생하였으며 300km/h와 400km/h로 1년간 주행한 결과 강화노반면의 누적침하량은 각각 0.24mm 와 0.05mm씩 증가하였다.
각 속도대역별로 총 300만회 재하 시의 강화노반면의 누적침하량은 콘크리트 궤도에서의 열차하중에 의한 흙쌓기 허용 잔류침하량 기준 5mm를 만족하고 있음을 알 수 있다. 철도설계기준(노반편)[6]에 의하면 콘크리트 궤도에서의 흙쌓기 허용 잔류침하량 기준은 30mm 이하이며, 이는 원지반 침하량과 성토체 침하량 및 궤도구조에 의한 침하량 25mm와 열차하중에 의한 침하량 5mm를 포함한 값이다.
8mm 정도 발생한 것으로 보고되어 있으나[8] 본 논문에서는 무 도상궤도가 증가된 열차속도로 인해 큰 열차하중이 작용하는데도 불구하고 탄성변위량이 유도상궤도의 약 20~30% 정도밖에 발생하지 않는 것은 TCL층과 HSB층에서의 열차하중 분산에 의한 것으로 보인다. 또한 탄성변위량은 열차속도의 영향을 많이 받지 않을 뿐만 아니라 열차운행 횟수의 영향도 거의 받지 않는 것으로 파악되었다. 탄성변위량은 국내에서는 기준으로 제시되어 있지 않으나 일본의 철도구조물등설계표준·동해설[4]에서 제시하고 있는 노반의 탄성변위량 기준인 2.
(1) 철도설계기준(2011)에서 제시하고 있는 일반철도의 유도상 궤도 강화노반 두께기준 20cm를 무도상 궤도에 적용한 경우, 열차속도 200km/h에서의 누적침하량이 0.79mm가 발생 하였으며 동일 노반조건에서 열차속도가 300km/h일 때 1.03mm, 400km/h일 때 1.08mm로 총 300만회 재하 후에도 누적침하량은 철도설계기준의 흙쌓기 허용잔류침하량 5mm를 만족한다.
(2) 각 속도대역별 노반 표면의 탄성변위량은 일본의 노반 표면 탄성변위량 기준 2.5mm를 만족하였다. 탄성변위량에 대한 국내기준은 없지만 일본의 경우 노반, 노상으로 이루어진 2층계 탄성체 지반 표면에 있어 처짐량의 제한치를 제시하고 있다.
(3) 본 논문에서의 강화노반층은 KS규정상의 M-40(입도 조정부순돌)의 단일 구조로 구성하였으며 노반의 누적침하량 분석 결과 고속철도에 적용이 가능한 것으로 판단된다.
후속연구
상기와 같이 무도상 궤도에서 열차하중에 따른 흙쌓기 허용잔류침하량과 강화노반 처짐량을 고려하면 강화노반 두께 20cm의 유도상 궤도로 구성된 일반철도구간은 강화노반 두께와 강화노반 재료의 변경 없이 무도상궤도로 구조 변경이 가능할 뿐만 아니라 열차속도를 400km/h까지 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다. 하지만 실제 철도설계기준에서는 강화노반층을 보조도상층과 입도조정층으로 구성하고 있으며, 환경조건과 노반의 다짐관리 등에 따라 노반거동에 차이가 있으므로 향후 삼축압축시험, 투수시험 등을 통하여 두 재료간의 공학적 특성에 대한 분석이 필요하며, 수치해석과 현장 실측치와의 비교를 통하여 적용여부를 판단할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실대형 실험장비의 장점은?
일반철도 강화노반 상의 무도상 궤도의 적용성과 동일 노반조건에서 열차속도 증가 가능성을 확인하기 위하여 실대형 실험을 수행하였다. 본 실험장비는 실제 현장의 철도노반 상황을 그대로 재현할 수 있어 실내 소형시험에서 발생 하는 Scale effect 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. Fig.
국내 철도노반설계기준은 어떻게 이원화 되었는가?
국내 철도노반설계기준에는 강화노반 두께를 일반철도와 고속철도로 이원화하여 규정하고 있으며 강화노반의 입도기준도 이원화되어 있다. 이로 인해 향후 기존선 속도향상 또는 유도상 궤도를 무도상 궤도로 변경 시 강화노반 두께증가 및 재료변경으로 인한 비용증가가 요구된다.
유도상 궤도의 전망은?
일반적으로 유도상 궤도는 정기적인 유지보수를 필요로 하는 궤도로서 저출산, 고령화 사회와 3D작업 기피현상 등으로 인해 유지보수가 더욱 곤란해질 전망이다. 이에 주행 안정성 확보와 유지보수비 절감을 위해 무도상 궤도의 활발한 채택이 예상된다.
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