철도교량 단부 궤도의 사용성 향상을 위한 횡단궤도시스템 적용에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Applying a Transition Track System to Improve Track Serviceability in Railway Bridge Deck Ends원문보기
임종일
(Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology)
,
송선옥
(Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology)
,
최정열
(Dept. of Track and Railway Operations, Technische Universitat Berlin (TU-Berlin))
,
박용걸
(Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology)
콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부의 궤도구성품(레일 및 체결구)에는 교량 단부회전에 의해 상향력 및 압축력과 같은 궤도-교량의 상호작용력이 작용하여 손상 및 성능저하가 유발된다. 이러한 교량의 휨거동에 기인한 단부 궤도의 상호작용에 따른 문제를 해결하고자 본 연구에서는 횡단궤도시스템을 개발하고 그 성능을 입증하였다. 횡단궤도시스템의 구조안정성 검토를 위해 3차원 유한요소해석을 통한 시간이력해석을 실시하고 그 결과를 독일의 성능요구조건 및 관련기준과 비교하였다. 또한, 교량-궤도 상호작용 분석을 위한 시험체를 제작하여 실내시험을 수행하고 횡단궤도시스템의 적용 효과를 평가하였다. 연구결과 횡단궤도시스템의 정, 동적 구조안정성 및 횡단궤도 적용 후 교량 단부 궤도의 상호작용력(레일변위, 레일저부응력 및 체결구 응력)이 크게 저감될 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부의 궤도구성품(레일 및 체결구)에는 교량 단부회전에 의해 상향력 및 압축력과 같은 궤도-교량의 상호작용력이 작용하여 손상 및 성능저하가 유발된다. 이러한 교량의 휨거동에 기인한 단부 궤도의 상호작용에 따른 문제를 해결하고자 본 연구에서는 횡단궤도시스템을 개발하고 그 성능을 입증하였다. 횡단궤도시스템의 구조안정성 검토를 위해 3차원 유한요소해석을 통한 시간이력해석을 실시하고 그 결과를 독일의 성능요구조건 및 관련기준과 비교하였다. 또한, 교량-궤도 상호작용 분석을 위한 시험체를 제작하여 실내시험을 수행하고 횡단궤도시스템의 적용 효과를 평가하였다. 연구결과 횡단궤도시스템의 정, 동적 구조안정성 및 횡단궤도 적용 후 교량 단부 궤도의 상호작용력(레일변위, 레일저부응력 및 체결구 응력)이 크게 저감될 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
The components of concrete track (rail and rail fastening system) in railway bridge deck ends are damaged and deteriorated by track-bridge interaction forces such as uplift forces and compression forces owing to their structural flexural characteristics (bridge end rotation). This had led to demand ...
The components of concrete track (rail and rail fastening system) in railway bridge deck ends are damaged and deteriorated by track-bridge interaction forces such as uplift forces and compression forces owing to their structural flexural characteristics (bridge end rotation). This had led to demand for alternatives to improve structural safety and serviceability. In this study, the authors aim to develop a transition track to enhance the long term workability and durability of concrete track components in railway bridge deck ends and thereby improve the performance of concrete track. A time-history analysis and a three-dimensional finite element method analysis were performed to consider the train speed and the effect of multiple train loads and the results were compared with the performance requirements and German standard for transition track. Furthermore, two specimens, a normal concrete track and a transition track, were fabricated to evaluate the effects of application of the developed transition track, and static tests were conducted. From the results, the track-bridge interaction force acting on the track components (rail displacement, rail stress, and clip stress) of the railway bridge deck end were significantly reduced with use of the developed transition track compared with the non-transition track specimen.
The components of concrete track (rail and rail fastening system) in railway bridge deck ends are damaged and deteriorated by track-bridge interaction forces such as uplift forces and compression forces owing to their structural flexural characteristics (bridge end rotation). This had led to demand for alternatives to improve structural safety and serviceability. In this study, the authors aim to develop a transition track to enhance the long term workability and durability of concrete track components in railway bridge deck ends and thereby improve the performance of concrete track. A time-history analysis and a three-dimensional finite element method analysis were performed to consider the train speed and the effect of multiple train loads and the results were compared with the performance requirements and German standard for transition track. Furthermore, two specimens, a normal concrete track and a transition track, were fabricated to evaluate the effects of application of the developed transition track, and static tests were conducted. From the results, the track-bridge interaction force acting on the track components (rail displacement, rail stress, and clip stress) of the railway bridge deck end were significantly reduced with use of the developed transition track compared with the non-transition track specimen.
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문제 정의
9(b)와 같이 측정을 통해 검증하여 Table 5에 나타내었다. Table 5와 같이 교량 시험체의 변위 5mm는 교량 단부에 약 0.002 rad 만큼의 단부회전각을 유발시키며 이는 일본 고속선 철도교량의 단부회전각 허용기준과 유사한 수준을 모사하고자 하였다. 또한 UIC에서 제시하는 콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부회전각 기준을 초과하는 수준의 시험하중(0.
따라서 본 연구에서는 교량 단부 궤도에서 발생하는 궤도교량 상호 작용력을 저감시키고 단부 궤도의 성능을 향상시키기 위한 구조적 대안으로써 횡단궤도시스템을 제안하고 그 성능을 검토하였다[13]. 또한, 궤도-교량 상호작용분석을 위한 시험체를 이용한 실내시험을 수행하여 횡단궤도시스템 적용에 따른 단부 궤도의 교량-궤도 상호작용력 저감효과를 실험적으로 입증하였다.
본 연구에서는 철도교량 단부 궤도의 성능개선을 위한 횡단궤도시스템의 적용을 위해 수치해석을 통한 정, 동적 구조 안정성 검토 및 단부 궤도의 거동분석을 위한 실내시험을 수행하였다. 연구결과 횡단궤도시스템의 적용을 통해 콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부 레일의 변형수준을 완화시킬 수 있었으며 이로 인해 단부 레일 및 레일지지점(체결구)의 직접 작용력(uplift force)을 비롯하여 응력 및 변위 등과 같은 궤도-교량 상호 작용력을 크게 감소시킴으로써 단부 궤도 구성품의 구조적 안전성, 사용성 및 장기내구성 확보가 가능한 것으로 분석되었다.
본 연구의 실내시험에서는 횡단궤도시스템의 적용에 따른 단부 궤도의 상호작용력(레일상향변위, 체결구 및 레일저부응력) 저감효과를 실험적으로 입증하고자 콘크리트궤도가 고려된 교량 및 교대 시험체를 제작하여 교량의 처짐에 따른 단부 회전발생을 모사하였다. 실내시험을 위한 시험체의 제원은 Table 3과 같으며, 시험체의 단면도는 Fig.
제안 방법
교량 단부회전에 기인한 레일의 변형수준을 정량적으로 파악하기 위해 레일변위측정 시 교량 및 교대 시험체의 거동에 변위계(displacement transducer, LVDT)가 간섭 받지 않도록 별도의 프레임(Fig. 9(a) 참조)을 설치하여 횡단궤도시스템 적용 전, 후의 레일변위를 측정하였다. 또한, Fig.
Fig. 6(a)와 같이 시험하중에 의해 교량 시험체의 자체적인 휨변형이 발생되지 않도록 충분한 강성을 갖는 강합성 구조로 교량 시험체를 설계 및 제작하였다. 교대 시험체 역시 레일체결장치를 견고히 고정할 수 있고 자체적인 변형이 발생되지 않도록 Fig.
7은 횡단궤도 적용 전, 후의 시험체 설치 개요도 및 전경을 나타낸다. 교량 및 교대 시험체의 배치는 단부 궤도에 발생하는 상호 작용력을 극대화하고 횡단궤도시스템의 적용효과를 뚜렷하게 파악하기 위하여 교량 단부의 유간을 600mm(교량측 마지막 레일지지점과 교대측 첫 번째 레일지 지점의 간격 1,000mm)로 시험체를 세팅하였으며, 횡단궤도 시험체를 포함한 교량 및 교대 시험체 상의 모든 레일지지점 간격은 600mm로 동일하다. 본 시험에 적용된 교량 시험체는 Fig.
교량 시험체의 변위는 최대 25mm까지 5mm 단위로 증가 시켜 가며 단계별 정적 변위제어를 실시하였으며, Table 5는 단계별 정적 변위제어(prescribed loading, displacement) 에 따른 교량 시험체의 단부회전각 발생량을 국외 철도교량단부회전각 허용 기준과 비교하여 나타낸 것이다.
또한 별도의 지그를 이용하여 교대 및 교량 시험체를 비롯한 레일의 종방향 변위 발생을 최대한 구속함으로써 교량의 수직 처짐에 기인한 궤도(레일 및 레일지지점)의 수직방향 거동을 극대화 하였다. 교량의 단부 회전에 의해 발생하는 단부 궤도의 상호작용력을 보다 뚜렷하게 파악하기 위해 단부회전의 수준을 가급적 크게 유도하고자 일본 및 유로코드의 설계기준치를 초과할 수 있는 수준으로 다양한 단부회전각의 수준을 설정하였다[14-18]. 국내 철도교량 단부회전각의 기준은 0.
002 rad 만큼의 단부회전각을 유발시키며 이는 일본 고속선 철도교량의 단부회전각 허용기준과 유사한 수준을 모사하고자 하였다. 또한 UIC에서 제시하는 콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부회전각 기준을 초과하는 수준의 시험하중(0.0056 rad)을 고려하였으며, 마찬가지로 UIC의 자갈궤도 부설교량의 단부회전각 기준을 최대 시험하중으로 산정하여 시험에 적용 하였다[14-18].
7과 같이 교량지점부의 회전 자유도만을 허용하는 핀 지지(pin support)된 캔틸레버 구조로써 자유단의 처짐에 의해 단부의 회전을 유발시키고 이에 따라 단부 궤도에 상향력 및 압축력을 부가시키는 가력지그로써의 역할을 할 수 있도록 시험체를 설계하였다. 또한 별도의 지그를 이용하여 교대 및 교량 시험체를 비롯한 레일의 종방향 변위 발생을 최대한 구속함으로써 교량의 수직 처짐에 기인한 궤도(레일 및 레일지지점)의 수직방향 거동을 극대화 하였다. 교량의 단부 회전에 의해 발생하는 단부 궤도의 상호작용력을 보다 뚜렷하게 파악하기 위해 단부회전의 수준을 가급적 크게 유도하고자 일본 및 유로코드의 설계기준치를 초과할 수 있는 수준으로 다양한 단부회전각의 수준을 설정하였다[14-18].
따라서 본 연구에서는 교량 단부 궤도에서 발생하는 궤도교량 상호 작용력을 저감시키고 단부 궤도의 성능을 향상시키기 위한 구조적 대안으로써 횡단궤도시스템을 제안하고 그 성능을 검토하였다[13]. 또한, 궤도-교량 상호작용분석을 위한 시험체를 이용한 실내시험을 수행하여 횡단궤도시스템 적용에 따른 단부 궤도의 교량-궤도 상호작용력 저감효과를 실험적으로 입증하였다.
횡단궤도시스템의 구조검토는 범용유한요소해석 프로그램인 MIDAS CIVIL을 이용하였으며, 레일 및 레일체결장치를 비롯한 횡단궤도구조 단면을 3차원 요소를 사용하여 실제 형상을 반영할 수 있도록 모델링 하였다. 레일과 강재 주형은 각각 Frame element와 Shell element를 이용하였고 콘크리트층은 Solid element로, 레일체결장치는 실험에 적용한 Pandrol SFC 체결장치의 정적 수직 스프링계수 48kN/mm를 고려한 Spring element로 모델링하여 레일과 횡단궤도의 콘크리트 상면에 600mm간격으로 절점을 연결하여 열차하중의 전달 구조를 모델링 하였다[13]. 실내시험에 적용된 횡단궤도시스템의 받침은 탄성받침이나 본 구조해석에서는 안전측의 검토를 위해 고정단으로 고려하여 해석을 수행하였다.
교량 및 교대 시험체의 배치는 단부 궤도에 발생하는 상호 작용력을 극대화하고 횡단궤도시스템의 적용효과를 뚜렷하게 파악하기 위하여 교량 단부의 유간을 600mm(교량측 마지막 레일지지점과 교대측 첫 번째 레일지 지점의 간격 1,000mm)로 시험체를 세팅하였으며, 횡단궤도 시험체를 포함한 교량 및 교대 시험체 상의 모든 레일지지점 간격은 600mm로 동일하다. 본 시험에 적용된 교량 시험체는 Fig. 7과 같이 교량지점부의 회전 자유도만을 허용하는 핀 지지(pin support)된 캔틸레버 구조로써 자유단의 처짐에 의해 단부의 회전을 유발시키고 이에 따라 단부 궤도에 상향력 및 압축력을 부가시키는 가력지그로써의 역할을 할 수 있도록 시험체를 설계하였다. 또한 별도의 지그를 이용하여 교대 및 교량 시험체를 비롯한 레일의 종방향 변위 발생을 최대한 구속함으로써 교량의 수직 처짐에 기인한 궤도(레일 및 레일지지점)의 수직방향 거동을 극대화 하였다.
본 연구에서는 국내 철도하중, 주요부재의 재료적 특성 및 레일체결장치 등의 특성을 반영하여 횡단궤도시스템을 개발하였으며, Hannover-Berlin 구간에서 검토된 독일의 연구결과(횡단궤도시스템의 설계기준 및 성능검토결과)를 본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템의 목표 성능기준 값으로 활용 하였다[4,13]. 본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템을 독일의 횡단궤도시스템의 성능수준과 비교, 검토하고자 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)을 수행하였다. 횡단궤도시스템의 구조검토는 범용유한요소해석 프로그램인 MIDAS CIVIL을 이용하였으며, 레일 및 레일체결장치를 비롯한 횡단궤도구조 단면을 3차원 요소를 사용하여 실제 형상을 반영할 수 있도록 모델링 하였다.
본 연구에서는 국내 철도하중, 주요부재의 재료적 특성 및 레일체결장치 등의 특성을 반영하여 횡단궤도시스템을 개발하였으며, Hannover-Berlin 구간에서 검토된 독일의 연구결과(횡단궤도시스템의 설계기준 및 성능검토결과)를 본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템의 목표 성능기준 값으로 활용 하였다[4,13]. 본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템을 독일의 횡단궤도시스템의 성능수준과 비교, 검토하고자 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)을 수행하였다.
레일과 강재 주형은 각각 Frame element와 Shell element를 이용하였고 콘크리트층은 Solid element로, 레일체결장치는 실험에 적용한 Pandrol SFC 체결장치의 정적 수직 스프링계수 48kN/mm를 고려한 Spring element로 모델링하여 레일과 횡단궤도의 콘크리트 상면에 600mm간격으로 절점을 연결하여 열차하중의 전달 구조를 모델링 하였다[13]. 실내시험에 적용된 횡단궤도시스템의 받침은 탄성받침이나 본 구조해석에서는 안전측의 검토를 위해 고정단으로 고려하여 해석을 수행하였다. 적용하중은 KTX 1편성(20량)을 선정하여 시간이력해석(Time history analysis)을 수행하였으며, 수치해석모델의 제원 및 모델링 형상은 각각 Table 1 및 Fig.
실내시험에 적용된 횡단궤도시스템의 받침은 탄성받침이나 본 구조해석에서는 안전측의 검토를 위해 고정단으로 고려하여 해석을 수행하였다. 적용하중은 KTX 1편성(20량)을 선정하여 시간이력해석(Time history analysis)을 수행하였으며, 수치해석모델의 제원 및 모델링 형상은 각각 Table 1 및 Fig. 3과 같다.
2는 독일의 Hannover-Berlin 구간을 연결하는 장대 철도교량구간에 적용된 독일의 대표적인 횡단궤도시스템의 설치 개요도를 나타낸다[4]. 해당구간에 적용된 레일체결장치는 BWG사에서 개발한 특수 방진 레일체결장치(ERL)로써 베이스플레이트 저부에 고무마운트가 배치되고 4개의 스프링 앵커로 고정되며 레일패드의 정적 스프링계수는 20kN/mm(rail pad deflection range : 1.5~4.5mm)로써 교량 단부의 레일지지점을 매우 소프트하게 설계하였다. 또한 해당 체결장치의 형상을 비롯한 상향력 허용기준 및 특성치는 DS804-Appendix29-Table 1에 제시되어 있다[1,2,4].
본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템을 독일의 횡단궤도시스템의 성능수준과 비교, 검토하고자 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)을 수행하였다. 횡단궤도시스템의 구조검토는 범용유한요소해석 프로그램인 MIDAS CIVIL을 이용하였으며, 레일 및 레일체결장치를 비롯한 횡단궤도구조 단면을 3차원 요소를 사용하여 실제 형상을 반영할 수 있도록 모델링 하였다. 레일과 강재 주형은 각각 Frame element와 Shell element를 이용하였고 콘크리트층은 Solid element로, 레일체결장치는 실험에 적용한 Pandrol SFC 체결장치의 정적 수직 스프링계수 48kN/mm를 고려한 Spring element로 모델링하여 레일과 횡단궤도의 콘크리트 상면에 600mm간격으로 절점을 연결하여 열차하중의 전달 구조를 모델링 하였다[13].
성능/효과
속도변화에 따른 동적 변위의 발생 수준은 Fig. 5(a)와 같이 독일의 변위 제한기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 속도변화에 따른 가속도 발생수준 또한 독일의 설계 가속도 기준을 만족하는 것으로 나타났다(Fig. 5(b)).
10(a) 및 Fig. 11(a)와 같이 레일의 응력은 레일의 곡률과 직접적인 관계가 있으며, 따라서 교량 단부의 레일에 발생한 상향변위(upward curvature)로 인해 교량과 교대부 사이의 레일 저부에는 압축응력이 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 교량 단부회전각의 증가에 따라 레일저부응력 역시 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.
반면 횡단궤도 적용 후에는 Fig. 12(b) 와 같이 횡단궤도를 포함한 교량 단부 및 교대부 전구간에서 체결구의 발생 응력 수준이 매우 미소한 것으로 나타났다. 또한 횡단궤도 적용에 따라 단부 체결구는 교량의 처짐(단부회전각) 변화에 영향을 받지 않고 안정적인 거동을 나타내었으며, 횡단궤도 적용 전 보다 체결구 응력이 약 90%이상 크게 감소한 것으로 분석되었다.
또한 Fig. 11(b)와 같이 횡단궤도 적용 후에는 횡단궤도 중앙부(교량과 교대 사이)부터 교량측 첫 번째 레일지지점 사이에서 최대 압축응력이 발생하였으나 그 발생수준은 매우 미소하며, 교량의 처짐(단부회전각) 변화에도 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 횡단궤도시스템의 적용에 따라 단부 레일의 최대 응력이 약 75% 이상 크게 감소되는 것으로 나타나 횡단궤도시스템의 적용에 따른 단부 궤도의 교량-궤도 상호 작용력 저감효과를 실험적으로 입증하였다.
5와 같이 KTX 주행속도대역에서 횡단궤도시스템의 공진은 예상대로 발생하지 않는 것으로 검토되었다. KTX 하중을 적용한 횡단궤도시스템의 시간이력해석 결과, Fig. 5와 같이 열차속도 300km/h까지 횡단궤도시스템의 공진은 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 속도변화에 따른 동적 변위의 발생 수준은 Fig.
12(a)와 같이 교대부 체결구에는 초기 응력상태와 반대 되는 인장응력이 발생되는 것으로 나타났다. 따라서 단부 궤도의 체결구는 일반적인 구간에 설치된 체결구 보다 발생응력의 범위가 증가하게 되어 체결구의 장기내구성 확보에 불리한 것으로 나타났다. 반면 횡단궤도 적용 후에는 Fig.
또한 교량 단부회전각의 증가에 따라 레일저부응력 역시 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에 적용된 궤도-교량 시험체의 조합(교대 포함)에서 교량 시험체의 단부회전각은 교량 단부 레일의 발생 곡률에 적절히 반영된 것으로 분석되었다. 또한 Fig.
10(b)와 같이 횡단궤도 시스템의 첫 번째 레일지지점에서 하향변위가 발생되었으며 횡단궤도를 포함한 교량 및 교대부 전구간에서 레일의 상향 변위 발생 수준은 매우 미소한 것으로 분석되었다. 따라서 횡단궤도시스템의 적용으로 국내외 철도교량 단부회전각 허용기준을 초과하는 과대변형 상태에서도 이러한 교량의 변형특성을 효과적으로 완화시킴으로써 단부 궤도에 발생하는 궤도-교량 상호 작용력을 최대 80% 이상 크게 저감시킬 수 있고 레일의 변형(곡률)을 최소한으로 조정할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
또한 교대부 레일에 발생한 인장응력은 교대부 마지막 레일지지점에서 거의 0으로 수렴하여 레일상향변위 측정결과와 일치하는 경향이 나타났다. Fig.
11(a)와 같이 레일의 응력은 레일의 곡률과 직접적인 관계가 있으며, 따라서 교량 단부의 레일에 발생한 상향변위(upward curvature)로 인해 교량과 교대부 사이의 레일 저부에는 압축응력이 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 교량 단부회전각의 증가에 따라 레일저부응력 역시 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에 적용된 궤도-교량 시험체의 조합(교대 포함)에서 교량 시험체의 단부회전각은 교량 단부 레일의 발생 곡률에 적절히 반영된 것으로 분석되었다.
의사정적 최대 처짐(10km/h)과 각 속도 대역별 동적 최대 처짐을 비교하여 횡단궤도시스템의 해석 충격계수를 Table 2와 같이 산출하였으며, 독일의 설계 및 측정 충격계수의 수준을 만족하는 것으로 나타나 열차속도 증가에 따른 동적 충격의 효과는 크지 않을 것으로 분석되었다. 또한 본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템에 대한 수치해석결과는 Table 2와 같이 독일 횡단궤도시스템의 성능수준을 모두 만족하였으며 국내 철도하중에 대해서 정, 동적 구조안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
12(b) 와 같이 횡단궤도를 포함한 교량 단부 및 교대부 전구간에서 체결구의 발생 응력 수준이 매우 미소한 것으로 나타났다. 또한 횡단궤도 적용에 따라 단부 체결구는 교량의 처짐(단부회전각) 변화에 영향을 받지 않고 안정적인 거동을 나타내었으며, 횡단궤도 적용 전 보다 체결구 응력이 약 90%이상 크게 감소한 것으로 분석되었다.
11(b)와 같이 횡단궤도 적용 후에는 횡단궤도 중앙부(교량과 교대 사이)부터 교량측 첫 번째 레일지지점 사이에서 최대 압축응력이 발생하였으나 그 발생수준은 매우 미소하며, 교량의 처짐(단부회전각) 변화에도 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 횡단궤도시스템의 적용에 따라 단부 레일의 최대 응력이 약 75% 이상 크게 감소되는 것으로 나타나 횡단궤도시스템의 적용에 따른 단부 궤도의 교량-궤도 상호 작용력 저감효과를 실험적으로 입증하였다.
본 실험에서 가장 중요한 조건은 단부 레일 및 레일지지점의 거동에 영향을 미치는 하중인자는 오직 교량의 회전만이 고려되어야 한다는 것이다. 이를 위해 교량 시험체의 길이(가력지점부터 핀 지지받침까지의 거리) 및 자유단의 처짐량(변위제어 수준)을 고려하여 교량 시험체에 발생하게 될 단부회전각의 수준을 사전에 계산하고, Fig.
본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템의 최대 정적변위는 0.38mm로 나타나 독일의 변위 제한기준[2,4]을 만족하는 것으로 나타났다(Table 2 참조). 강합성 구조로 설계된 횡단궤도시스템의 주요 구조부재인 강재 주형과 콘크리트의 정적최대 응력은 Fig.
본 연구의 실내시험에서 도입한 교량 시험체의 단부회전 각은 국내 철도교 설계기준을 약 10배 이상 초과하는 수준임에도 불구하고 횡단궤도시스템의 적용으로 단부 궤도의 사용성을 확보할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 따라서 횡단궤도시스템의 철도교 적용을 통해 향후 국내 철도교량의 설계 시 교량의 구조적인 안전성 및 사용성 측면에서 문제가 없다면 단부 궤도 사용성 측면에서의 설계 제한요소를 구조적으로 해소할 수 있을 것으로 판단되며 보다 유연한 장대 철도교량의 설계가 가능할 것으로 예상된다.
수치해석결과, 횡단궤도시스템의 중량은 Table 2와 같이 레일(UIC60, 2.4m)을 포함하여 74kN으로 나타나 독일에서 제시하고 있는 횡단궤도시스템의 적정 중량범위(70~95kN)를 만족하였다[2,4]. 또한 1차 휨 고유진동수가 약 67.
본 연구에서는 철도교량 단부 궤도의 성능개선을 위한 횡단궤도시스템의 적용을 위해 수치해석을 통한 정, 동적 구조 안정성 검토 및 단부 궤도의 거동분석을 위한 실내시험을 수행하였다. 연구결과 횡단궤도시스템의 적용을 통해 콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부 레일의 변형수준을 완화시킬 수 있었으며 이로 인해 단부 레일 및 레일지지점(체결구)의 직접 작용력(uplift force)을 비롯하여 응력 및 변위 등과 같은 궤도-교량 상호 작용력을 크게 감소시킴으로써 단부 궤도 구성품의 구조적 안전성, 사용성 및 장기내구성 확보가 가능한 것으로 분석되었다.
본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템의 수치해석결과를 독일의 연구결과[5]와 비교하여 Table 2에 나타내었다. 의사정적 최대 처짐(10km/h)과 각 속도 대역별 동적 최대 처짐을 비교하여 횡단궤도시스템의 해석 충격계수를 Table 2와 같이 산출하였으며, 독일의 설계 및 측정 충격계수의 수준을 만족하는 것으로 나타나 열차속도 증가에 따른 동적 충격의 효과는 크지 않을 것으로 분석되었다. 또한 본 연구에서 개발한 횡단궤도시스템에 대한 수치해석결과는 Table 2와 같이 독일 횡단궤도시스템의 성능수준을 모두 만족하였으며 국내 철도하중에 대해서 정, 동적 구조안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
10(a)와 같이 횡단궤도 적용 전 레일변위는 교량 시험체의 받침 직상부(R3)를 기준으로 교량측 레일(R1, R2)에서는 하향변위가 발생되었으며, 교량 마지막 레일 지지점(R4) 부터 교대 직상부 레일(R4~R9)까지는 상향변위가 발생하여 전형적인 교량 단부 레일의 변형곡선 특성이 나타났다. 횡단궤도 적용 전 시험결과는 교량 단부회전각의 증가에 따라 레일의 상향변위 또한 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 단부회전각 발생 시(25mm, 0.01 rad) 최대 레일상향변위는 R4~R5위치에서 약 2mm로 나타났다.
이러한 횡단궤도시스템의 중량과 강성 설계를 통해 횡단궤도구조의 고유 진동수를 상용 열차의 고정축간 거리와 운행 가능한 속도대역에 의해 발생 가능한 모든 가진 주파수의 범위를 벗어나게 함으로써 공진발생을 구조적으로 피할 수 있다[2,4]. 횡단궤도시스템의 고유치 해석결과 Table 2와 같이 67.5Hz로써 검토대상 차량인 KTX의 유효타격거리를 고려한 임계속 도가 약 4,544.77km/h로 산출되어 예상대로 현실적으로 운행가능한 열차속도 대역에서의 구조적인 공진발생은 없을 것으로 분석되었다.
후속연구
본 연구의 실내시험에서 도입한 교량 시험체의 단부회전 각은 국내 철도교 설계기준을 약 10배 이상 초과하는 수준임에도 불구하고 횡단궤도시스템의 적용으로 단부 궤도의 사용성을 확보할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 따라서 횡단궤도시스템의 철도교 적용을 통해 향후 국내 철도교량의 설계 시 교량의 구조적인 안전성 및 사용성 측면에서 문제가 없다면 단부 궤도 사용성 측면에서의 설계 제한요소를 구조적으로 해소할 수 있을 것으로 판단되며 보다 유연한 장대 철도교량의 설계가 가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부의 궤도구성품에 손상 및 성능저하가 유발되는 이유는?
콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부의 궤도구성품(레일 및 체결구)에는 교량 단부회전에 의해 상향력 및 압축력과 같은 궤도-교량의 상호작용력이 작용하여 손상 및 성능저하가 유발된다. 이러한 교량의 휨거동에 기인한 단부 궤도의 상호작용에 따른 문제를 해결하고자 본 연구에서는 횡단궤도시스템을 개발하고 그 성능을 입증하였다.
철도교량 단부 궤도의 상호 작용력에 대한 기존의 국내 연구 결과는 무엇이 있는가?
철도교량 단부 궤도의 상호 작용력에 대한 기존의 국내 연구 결과는 교량 단부에 작용하는 상호작용력에 영향을 미치는 인자로 교량의 기하학적 특성(교량받침~토목신축이음매간 거리, 교량받침~레일 체결장치간 상대위치)과 교량의 최대 처짐량을 비롯하여 레일체결장치의 스프링 강성 등에 대한 매개변수연구가 수행된 바 있다[9-11]. 또한, 교량 단부의 변형이 단부 궤도에 직접적인 영향을 미치어 체결구의 조기 파손을 유발시킬 수 있음을 실험적으로 분석하였으며[12], 이에 대한 대책으로 횡단궤도시스템이라는 개념을 도입하여 개발하고 그 성능을 입증한 바 있다[13].
체결구에 작용하는 상향력의 허용치를 레일체결장치의 초기 체결력(F0, pre-load) 이내로 규정한 이유는 무엇인가?
여기서, 체결구에 작용하는 상향력의 허용치는 식 (1)과 같이 레일체결장치의 초기 체결력(F0, pre-load) 이내로 규정하였다[1,7]. 즉, 상향력의 경우 초기 체결력을 초과하는 하중이 레일지지점에 작용하게 되면 레일 하부의 패드에는 아무런 pre-load가 작용하지 않게 되므로 패드가 자유롭게 움직일 수있는 상태가 되며, 열차진동 등에 의해 레일패드가 밖으로 밀려나 체결장치에 추가적인 손상이 발생할 수 있고 열차주행안정성을 저해하게 된다[1,7]. 또한, 압축력에 대한 허용치는 식 (2)와 같이 탄성패드(레일패드)의 변형한계를 초과 하지 않는 수준으로 규정하고 있다[1,7].
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