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문제 정의
- 과도한 가속도의 원인으로는 동절기 도상의 빙결, 교량의 국부진동, 침목과 교량 사이의 충격, 차륜의 편마모 등이며 이러한 과도한 가속도가 발생할 경우 도상 결속력 약화에 의한 궤도의 틀림과 자갈의 비산이 발생하게 되며 본 과업에서는 대상 교량 상판의 수직가속도에 대한 실제 현장 계측을 통해 기준 이상의 가속도로 인한 2차 손상 발생 가능여부를 판단하고자 하였다.
- 금번 경부고속선 교량에 대한 재하시험에서는 이러한 일반적인 재하시험 목적 외에 열차 운행 시 발생할 수 있는 한계조건에 대한 검증을 실시할 목적으로 다양한 항목에 대한 계측을 실시하고 분석을 수행하였다. 본 사례에서는 특히, 동적재하시험 및 상시 운행 중인 열차에 대한 상시계측 결과에 대해 분석하고자 한다.
제안 방법
- 경부고속선 교량 정밀안전진단 시 재하시험을 통해서 기존에 교량에서 실시해온 정⋅동적 재하시험과 더불어 열차 운행 시 발생할 수 있는 한계조건(종방향 변위, 비틀림 각 변화 등)에 대한 계측을 실시하였으며 설계에서 제시된 이론값과 실제 교량 거동상태를 비교⋅분석하였다.
- 계측센서의 부착위치는 PSC BOX GIRDER 교량의 1경간 단순구간, 2경간 연속구간, 3경간 연속구간과 RC-Rahmen 교량의 최대 응답발생 위치를 고려하여 결정하였으며 상세부위는 다음 그림과 같다.(변형률게이지-(ST⧳), 변위게이지-(DTÏ), 가속도계(@))
- 교량의 노면상태, 열차의 주행속도, 지간장, 고정하중과 활하중의 비, 구조적 특성 등의 다양한 인자들에 의하여 정적하중보다 교량에 더 큰 영향을 줄 수 있는 활하중에 의한 충격영향 정도를 파악하기 위해 동적주행시험시 측정된 변위를 이용하여 충격계수를 구한다. 동적주행 시험의 각 속도별 동적 응답 곡선을 Low Pass Filtering에 의해서 필터링한 최대정적응답[Dsta(max)] 곡선을 기준으로 하여 계측 최대동적응답치[Ddyn(max)]와 비교하여 실측충격계수를 산정한다.
- 일반적으로 재하시험은 대상구조물의 활하중에 대한 실제적인 구조물 거동을 파악, 응답특성을 규명하여 구조해석상 이론적인 응답과 비교함으로서 구조물의 안전도 및 내하력을 평가하기 위한 자료를 획득할 목적으로 실시한다. 금번 경부고속선 교량에 대한 재하시험에서는 이러한 일반적인 재하시험 목적 외에 열차 운행 시 발생할 수 있는 한계조건에 대한 검증을 실시할 목적으로 다양한 항목에 대한 계측을 실시하고 분석을 수행하였다. 본 사례에서는 특히, 동적재하시험 및 상시 운행 중인 열차에 대한 상시계측 결과에 대해 분석하고자 한다.
- 교량의 노면상태, 열차의 주행속도, 지간장, 고정하중과 활하중의 비, 구조적 특성 등의 다양한 인자들에 의하여 정적하중보다 교량에 더 큰 영향을 줄 수 있는 활하중에 의한 충격영향 정도를 파악하기 위해 동적주행시험시 측정된 변위를 이용하여 충격계수를 구한다. 동적주행 시험의 각 속도별 동적 응답 곡선을 Low Pass Filtering에 의해서 필터링한 최대정적응답[Dsta(max)] 곡선을 기준으로 하여 계측 최대동적응답치[Ddyn(max)]와 비교하여 실측충격계수를 산정한다.
- 동적주행시험을 통하여 획득된 교량의 속도별 데이터 중 정모멘트 구간에 설치된 변위계의 데이터를 Band Pass Filtering하여 1차 고유주기 파형을 추출하였으며 그 이력곡선을 이용하여 감쇠비 변화를 분석하였다.
- 종방향 변위 제한에 대한 금회 재하시험은 상판 단부, 수평력 전달장치에서 측정하였다.
이론/모형
- 교량의 실측 고유진동수는 시험열차가 교량을 통과한 후 여진구간에서 발생되는 교량의 처짐 또는 가속도변환기에 의해 측정된 가속도신호에 대한 FFT(Fast Fourier Trans-form)분석방법을 실시하여 구할 수 있다.
성능/효과
- PSC BOX Girder 교량 상판 단부 회전각에 대한 분석결과, 1경간 단순구간(변위계 설치위치: 교대)은 -145.40∼212.38μrad(제한조건 : 973.7μrad), 2경간 연속구간(변위계 설치위치: 교각)은 –134.54∼255.94μrad(제한조건 : 1947.4μrad), 3경간 연속구간(변위계 설치위치: 교각)은 –21.28∼66.17μrad(제한조건 : 1403.5μ rad)로 모두 제한조건 이하로 측정되어 설계조건을 만족하고 있는 것으로 확인되었다.
- 각 교량에서 실측된 가속도의 FFT분석을 통해 산정한 실측고유진동수는 PSC BOX Girder 교의 경우 4.102∼4.883Hz, Rahmen교의 경우 19.238∼19.824Hz로 나타났으며, 이는 구조해석에 의한 PSC BOX Girder교 및 Rahmen교의 이론 고유진동수인 2.353∼2.979Hz 및 17.100Hz 대비 133∼171%(PSC BOX Girder), 113∼116%(Rahmen)로 모든 개소에서 실측 고유진동수가 이론 고유진동수 이상인 것으로 분석되었다.
- 각 구조 형식별로 고유진동수를 비교해보면, PSC POX Girder구간중 경간장이 40m인 1경간 단순구간과 2경간 연속구간은 유사한 크기의 고유진동수를 가지며, 금강2교 3경간 연속구간 (45m+70m+45m)은 경간장이 40m인 구간보다 작은 것으로 나타났다. 그 반면 경간장이 10m로 짧은 Rahmen구간은 고유진동수의 값이 매우 큰 것으로 분석되었다.
- 65%로 분석되었다. 경간장이 같은 1경간 단순구간과 2경간 연속구간은 감쇠비가 비슷한 경향을 보였고 금강2교의 3경간 연속구간은 다른 구간과 달리 경간장이 길어 감쇠비가 낮게 측정되어 전반적으로 경간장이 긴 연속교량에서는 감쇠비가 낮은 것으로 분석되었다.
- 계측된 값을 거더의 형식별로 분석한 결과, 1경간 단순구간(평균: 153.33/-72.25)의 회전각과 2경간 연속구간(평균: 154.72/-65.19)의 회전각이 거의 일치하는 것으로 보아 경간장이 같은 경우 회전각은 비슷한 경향을 보이는 것으로 분석되었고 3경간 연속구간(평균: 66.1/-20.4)은 1경간 단순구간 및 2경간 연속구간 보다 약 2.5배 이상 작게 측정되어 지간장이 길고 연속화된 경우 교량의 단부회전각은 작은 것으로 분석되었다.
- 교량 구조형식별로 산정된 감쇠비를 고찰하면, PSC BOX Girder 교량의 경우 1경간 단순구간은 2.02∼2.13%, 2경간 연속구간은 2.02∼2.34%, 3경간 연속구간은 0.91∼1.14%로 산정되었으며, Rahmen구간은 2.65%로 분석되었다.
- 따라서 열차가 곡선구간을 통과하며 횡진동 등이 발생되고 이에 따라 교량구조물에 진동이 전달되는 경우 실측충격계수가 크게 발생될 수 있을 것으로 추정된다. 둘째, 고속철도 설계기준에 제시된 실측충격계수 산정식은 교량의 경간장이 길어지거나 연속화되어 있는 경우 이론충격계수를 매우 작은 값으로 산정하도록 되어 있다. 다음 Table 8에 고속철도설계기준 및 철도설계기준에 제시된 이론충격계수 산정식의 지간장에 따른 변화를 나타내었다.
- 또한, 대체적으로 상시열차에 의한 수직가속도가 시험열차에 의한 수직가속도 보다 높게 측정되어 열차 속도 증가에 따라 교량 상판의 수직가속도가 증가하는 경향이 있는 것으로 분석되었다.
- 상시열차 통과 시의 변위 그래프로부터 열차의 통과속도를 추정한 결과, 문곡교를 전후로 하여 열차가 감속되는 시점에 따라 문곡교 통과 시점에서의 실제 열차속도가 221∼296km/hr로 매우 다양하게 변화되는 것으로 측정되었으며, 그 통과속도에 따라 교량의 거동이 다르게 나타나고 있는 것으로 분석되었다.
- 이러한 유효타격간격을 가정할 때 열차의 주행속도별 발생 가능한 가진진동수를 계산하고 이를 고유진동수와 비교한 결과는 다음 Table 9와 같다. 속도별 가진진동수와 고유진동수를 비교한 결과, 문곡교 1경간 단순구간 및 2경간 연속구간의 고유진동수는 4.492Hz로 열차의 주행속도가 302.5km/hr에서 가진진동수와 고유진동수가 거의 일치하여 최대 공진이 발생될 것으로 판단되며 금회 계측결과 실제로 고유진동수와 가진동수가 비슷한 280km/hr 이상 운행시 공진에 의한 변위의 증폭현상이 발생된 것으로 나타났다.
- 시목교의 열차운행에 따른 비틀림 각에 대한 변화를 분석한 결과, 측정된 비틀림 각변화가 제한조건인 0.4mm/m 이하로 측정되어 설계조건을 만족하고 있는 것으로 확인되었다.
- 시험열차 및 상시열차에 대한 거더 상⋅하연 및 수평력 분산장치의 종방향 변위를 분석한 결과, 거더 상연에서는 0.096∼0.329mm, 거더 하연에서는 0.144∼0.793mm, 수평력 분산장치 위치에서는 0.152∼0.316mm로 허용범위 10mm 이하로 측정되어 설계조건을 만족하고 있는 것으로 확인되었다.
- 열차가 280km/hr 이상으로 고속주행 시 공진에 의한 처짐의 증폭에 따라 단부회전각 및 종방향 변위도 증가하였으며, 상판의 수직가속도도 속도 증가에 따라 크게 증가하였다. 다음 Table 10에는 공진현상이 발생되기 전후인 열차속도 265km/hr인 경우와 291km/hr인 경우의 계측 값이 제시되어 있다.
- 이를 고찰하면 PSC BOX Girder의 경우 상판수직가속도의 대소는 1경간 단순구간 > 2경간 연속구간 > 3경간 연속구간의 경향을 가지는 것으로 나타났으며 문곡교 하행선에서 계측된 280km/hr 이상의 고속주행시 수직가속도는 최대 0.255g로서 동일 경간 270km/hr 이하에서 측정된 수직가속도에 비해 1.6∼1.7배 높은 것으로 분석되었고 Rahmen구간은 최대 0.140g의 값을 나타내었다.
- 각 교량의 구조형식별로 측정된 실측충격계수와 이론충격계수를 비교하여 도시하면 다음과 같다. 이를 고찰하면 PSC Box Girder교 중 문곡교, 시목교 및 중척1교에서는 실측충격계수가 이론충격계수보다 작게 측정되었으나 중척2교 및 금강2교에서는 실측충격계수가 이론충격계수보다 크게 측정되었다. Rahmen교인 시목1교의 경우 이론충격계수 산정시 Table 8에 제시된 Lc값이 작아 실제충격계수 대비 높은 이론충격 계수가 산정되었다.
- 다음 Table 10에는 공진현상이 발생되기 전후인 열차속도 265km/hr인 경우와 291km/hr인 경우의 계측 값이 제시되어 있다. 이를 고찰하면 공진효과로 인해 열차 통과 후 처짐이 1.4배 증가, 상판 수직가속도 2.5배 증가, 단부회전각 1.4배/2.7배(최대/최소) 증가, 종방향 변위 1.7배/2.0배(하연/상연) 증가한 것으로 나타났다. 그러나, 외관 상태에 대한 점검 결과 처짐으로 인한 구조적인 손상이 발생되지 않았고 상판 수직가속도, 단부 회전각, 종방향 변위 모두 설계조건을 만족하고 있어 열차 운행 시 금회 계측된 고속주행시 공진현상으로 인한 속도 제한 등의 조치는 필요하지 않을 것으로 판단된다.
- 중척1교에서 실시된 시동/제동에 의한 종방향 변위 분석 결과, 지점부 상⋅하연 변위 및 수평력 분산장치 좌⋅우측 변위값(시동:0.019mm, 제동:0.09mm)은 모두 비슷한 측정값이 분석되었고 시동시 보다 제동시 3.5∼4.7배 변위가 더 크게 발생되었고 모두 제한 조건인 5mm 이하 (급시동/급제동을 동시에 실시하여 계측하지 않음)로 측정되어 설계조건을 만족하고 있는 것으로 확인되었다.
- 그 반면 경간장이 10m로 짧은 Rahmen구간은 고유진동수의 값이 매우 큰 것으로 분석되었다. 즉, 경간장이 길수록 고유진동수의 값은 작아지고, 경간장이 짧을수록 고유진동수는 커지는 것으로 확인되었다.
- 이를 고찰하면 열차의 속도가 증가함에 따라 객차 통과시에 발생되는 변위의 변화량(최대치-최소 치)이 증가하는 경향이 있으며, 열차의 속도가 282km/hr 및 291km/hr인 경우 후속 객차가 진입함에 따라 변위의 증폭현상이 발생되고 있다. 즉, 열차의 속도가 280km/hr 이상인 경우 일종의 공진현상이 발생되는 것으로 확인되었다.
- 첫째, 3경간 연속교인 금강2교의 경우에는 곡선반경이 R=7,000m인 곡선구간에 위치하며, 중척2교의 경우에는 직선구간이기는 하나 금강2교측의 곡선구간에서 제일 가까운 지점에 위치하고 있다. 따라서 열차가 곡선구간을 통과하며 횡진동 등이 발생되고 이에 따라 교량구조물에 진동이 전달되는 경우 실측충격계수가 크게 발생될 수 있을 것으로 추정된다.
- 140g의 값을 나타내었다. 측정된 상판 수직가 속도가 모두 제한조건인 0.35g 이하로 측정되어 설계조건을 만족하고 있는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 0배(하연/상연) 증가한 것으로 나타났다. 그러나, 외관 상태에 대한 점검 결과 처짐으로 인한 구조적인 손상이 발생되지 않았고 상판 수직가속도, 단부 회전각, 종방향 변위 모두 설계조건을 만족하고 있어 열차 운행 시 금회 계측된 고속주행시 공진현상으로 인한 속도 제한 등의 조치는 필요하지 않을 것으로 판단된다.
- 경부고속선 교량 정밀안전진단 시 재하시험을 통해서 기존에 교량에서 실시해온 정⋅동적 재하시험과 더불어 열차 운행 시 발생할 수 있는 한계조건(종방향 변위, 비틀림 각 변화 등)에 대한 계측을 실시하였으며 설계에서 제시된 이론값과 실제 교량 거동상태를 비교⋅분석하였다. 이 결과는 향후 고속선 교량 설계 및 유지 관리시 교량의 거동을 이해하는 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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