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문제 정의
- 6(b)와 같이 측정을 통해 검증하여 Table 2에 나타내었다. Table 2와 같이 교량 시험체의 변위 5mm는 교량 단부에 약 0.002 rad 만큼의 단부 회전각을 유발시키며, 이는 일본 고속선 철도교량의 단부 회전각 허용기준과 유사한 수준을 모사하고자 하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트궤도가 부설된 교량 단부 궤도의 거동 분석을 위해 궤도구조가 적용된 교량 및 교대 시험체를 제작하여 실내시험을 수행하였다. 교량과 교대 사이의 유간에 변화를 주어 단부의 레일지지점 간격을 시험변수로 설정하였다.
- 이에 본 연구에서는 공용중인 철도교량의 단부 회전의 수준을 국내외 철도교량 설계기준을 상회하는 조건으로 실험을 수행하였다. 또한 궤도-교량 상호 작용력의 수준을 극대화하기 위해 교량 유간(레일지지점 간격) 및 교량 처짐(단부 회전각)과 같은 단부 궤도와 교량상판의 수직방향 변형(vertical tolerance between track and bridge deck)에 직접적으로 큰 영향을 미치는 매개변수를 시험에 적용하여 교량의 단부 회전에 의한 궤도-교량 상호작용력의 발생경향 및 수준을 실험적으로 입증하였다.
제안 방법
- Fig. 2(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.
- 따라서 국내 단부 회전각 허용기준은 실험적으로 철도교량의 단부 회전에 따른 단부 궤도에 발생하는 궤도-교량 상호작용력의 수준을 파악하기에는 다소 작은 수준이므로 본 연구에서는 고려하지 않았다. 교량 시험체의 변위는 최대 25mm까지 5mm 단위로 증가시켜 가며 단계별 정적 변위제어를 실시하였으며, Table 2는 단계별 정적 변위제어에 따른 교량 시험체의 단부 회전각 발생량을 국외 철도교량 단부 회전각 허용 기준과 비교하여 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 콘크리트궤도가 부설된 교량 단부 궤도의 거동 분석을 위해 궤도구조가 적용된 교량 및 교대 시험체를 제작하여 실내시험을 수행하였다. 교량과 교대 사이의 유간에 변화를 주어 단부의 레일지지점 간격을 시험변수로 설정하였다. 또한 핀 지지된 캔틸레버 시험체를 이용하여 교량 중앙부 처짐에 따른 단부회전각을 시험하중으로 적용하고 국내외 설계기준을 초과하는 수준의 단부회전각에서 단부 궤도의 거동을 분석하였다.
- 경부고속철도 2단계 구간 실시설계보고서를 바탕으로 교량 단부 유간을 조사한 결과, TCL span에 따라 670~845mm까지 설계 및 시공에 반영된 것으로 조사되었다[24]. 따라서 교량 및 교대 시험체의 배치는 단부 궤도에 발생하는 상호 작용력을 극대화하기 위하여 교량 단부의 유간을 300, 600, 900mm(교량측 마지막 레일지지점과 교대측 첫 번째 레일지지점의 간격 700, 1,000, 1300mm)로 시험체를 세팅하고 시험케이스를 각각 Case 1~3으로 구분하였다.
- 하지만 본 연구에서 검토하고자 하는 궤도-교량 상호 작용력은 단부 회전에 따른 교량 상판의 수직방향 변형(vertical deformation)이며, 이러한 수직방향 상판변형 수준(vertical tolerance of deck)은 형고에 직접적인 영향을 받지 않는다. 따라서 본 연구에서는 종방향 변형에 따른 효과를 최소화 하고자 교량 시험체의 형고를 작게 하였으며 별도의 지그를 사용하여 레일 및 교량, 교대 시험체의 종방향 변위를 최대한 구속하였다.
- 또한 UIC에서 제시하는 콘크리트궤도가 부설된 철도교량 단부 회전각 기준을 초과하는 수준의 시험하중(0.0056 rad)을 고려하였으며, 마찬가지로 UIC의 자갈궤도 부설교량의 단부 회전각 기준을 최대 시험하중(0.0093 rad)으로 산정하여 시험에 적용하였다[14-18].
- 또한 교량의 단부 회전에 의해 발생하는 단부 궤도의 상호 작용력을 보다 뚜렷하게 파악하기 위해 단부 회전의 수준을 가급적 크게 유도하고자 일본 및 유로코드의 설계기준치를 초과할 수 있는 수준으로 다양한 단부 회전각의 수준을 설정하였다[14-18]. 국내 철도교량 단부 회전각의 기준은 0.
- 이에 본 연구에서는 공용중인 철도교량의 단부 회전의 수준을 국내외 철도교량 설계기준을 상회하는 조건으로 실험을 수행하였다. 또한 궤도-교량 상호 작용력의 수준을 극대화하기 위해 교량 유간(레일지지점 간격) 및 교량 처짐(단부 회전각)과 같은 단부 궤도와 교량상판의 수직방향 변형(vertical tolerance between track and bridge deck)에 직접적으로 큰 영향을 미치는 매개변수를 시험에 적용하여 교량의 단부 회전에 의한 궤도-교량 상호작용력의 발생경향 및 수준을 실험적으로 입증하였다.
- 본 연구의 실내시험에서는 교량의 단부 회전에 따른 교량 상판의 수직방향 변형 특성이 콘크리트궤도가 부설된 교량 단부 궤도의 거동에 미치는 영향에 대한 매개변수 실험을 수행하였다. 또한 단부 궤도의 거동수준을 극대화하기 위해 국내외 철도교 설계기준치 이상의 단부 회전각을 발생시키고자 시험하중(prescribed loading)을 선정하고, 콘크리트궤도가 부설된 교량 및 교대 시험체를 제작하여 철도교량 단부의 형상을 실험적으로 모사하였으며, 이를 통해 교량 단부 회전에 따른 교량 단부 궤도의 상호작용력(레일상향변위, 체결구 및 레일저부응력)을 실험적으로 분석하였다. 시험체의 제원과 단면도는 각각 Table 1 및 Fig.
- 교량과 교대 사이의 유간에 변화를 주어 단부의 레일지지점 간격을 시험변수로 설정하였다. 또한 핀 지지된 캔틸레버 시험체를 이용하여 교량 중앙부 처짐에 따른 단부회전각을 시험하중으로 적용하고 국내외 설계기준을 초과하는 수준의 단부회전각에서 단부 궤도의 거동을 분석하였다.
- 본 시험에 적용된 교량 시험체는 Fig. 3과 같이 교량 지점부의 회전 자유도만을 허용하는 핀 지지(pin support)된 캔틸레버 구조로써 자유단의 처짐에 의해 단부의 회전을 효과적으로 유발시키고 이에 따라 단부 궤도에 상향력 및 압축력을 부가시키는 가력지그로써의 역할을 할 수 있도록 시험체를 설계하였다. 이러한 교량 시험체를 이용하여 교량의 처짐 및 단부 회전에 따른 변형(곡률)을 궤도의 변형(곡률)으로 유도하여 단부 궤도에 궤도-교량 상호 작용력을 부가시키고자 하였다.
- 본 연구의 실내시험에서는 교량의 단부 회전에 따른 교량 상판의 수직방향 변형 특성이 콘크리트궤도가 부설된 교량 단부 궤도의 거동에 미치는 영향에 대한 매개변수 실험을 수행하였다. 또한 단부 궤도의 거동수준을 극대화하기 위해 국내외 철도교 설계기준치 이상의 단부 회전각을 발생시키고자 시험하중(prescribed loading)을 선정하고, 콘크리트궤도가 부설된 교량 및 교대 시험체를 제작하여 철도교량 단부의 형상을 실험적으로 모사하였으며, 이를 통해 교량 단부 회전에 따른 교량 단부 궤도의 상호작용력(레일상향변위, 체결구 및 레일저부응력)을 실험적으로 분석하였다.
- 3은 유간(레일지지점 간격)에 따른 시험체 설치 개요도 및 전경을 나타낸다. 실내시험에서 고려한 단부 유간의 거리는 경부고속철도 2단계 구간(대구-부산간) 교량상 TCL 단부 침목의 이격거리(단부 유간) 조사결과를 바탕으로 산정하였다. 경부고속철도 2단계 구간 실시설계보고서를 바탕으로 교량 단부 유간을 조사한 결과, TCL span에 따라 670~845mm까지 설계 및 시공에 반영된 것으로 조사되었다[24].
- 3과 같이 교량 지점부의 회전 자유도만을 허용하는 핀 지지(pin support)된 캔틸레버 구조로써 자유단의 처짐에 의해 단부의 회전을 효과적으로 유발시키고 이에 따라 단부 궤도에 상향력 및 압축력을 부가시키는 가력지그로써의 역할을 할 수 있도록 시험체를 설계하였다. 이러한 교량 시험체를 이용하여 교량의 처짐 및 단부 회전에 따른 변형(곡률)을 궤도의 변형(곡률)으로 유도하여 단부 궤도에 궤도-교량 상호 작용력을 부가시키고자 하였다.
- 또한 교량의 자유단에 고정된 Actuator에 의해 제어되는 회전각은 충분한 강성의 교량 시험체에 의해 약 3~4m 이상 떨어진 교량 단부 궤도 및 교대부 궤도에 하중의 손실 없이 전달되어야 한다. 이를 위해 보다 정확한 변위제어가 가능하도록 Fig. 4와 같이 교량 시험체와 Actuator가 강체(rigid body) 거동을 할 수 있도록 가력 지점부를 설계하였으며 이로써 Actuator 변위제어를 통한 교량의 단부 회전각 조정을 정교하게 할 수 있었다. 또한 Fig.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 교량 시험체의 형고는 750mm로써 실제 교량의 형고 보다 매우 작다. 철도교량 단부 궤도에 작용하는 궤도-교량 상호작용 중 단부 회전에 의해 발생하는 교량 및 궤도의 종방향 변형(longitudinal deformation)은 교량 상부구조의 형고(bridge depth)에 직접적인 영향을 받으며 형고의 사이즈에 비례하여 증가한다.
데이터처리
- 또한 각각의 매개변수에 대한 측정결과를 바탕으로 레일지지점 간격과 단부 회전각에 따른 단부 궤도-교량 상호작용력(레일의 상향변위, 레일저부응력 및 체결구의 발생응력)의 관계를 분석하기 위한 중회귀 분석(multi-regression analysis)을 수행하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다. 실내 시험 결과를 바탕으로 수행한 중회귀분석 결과, Table 3과 같이 회귀식의 상관계수(R2)가 모두 1에 가깝게 나타나 회귀식의 신뢰성은 양호한 것으로 분석되었으며, 레일 상향 변위 및 레일저부응력과 체결구 응력에 미치는 레일지지점 간격과 단부 회전각의 상관관계를 잘 설명하는 것으로 나타났다.
성능/효과
- 교량 단부 레일의 상향변위는 Fig. 10(a) 및 Table 3과 같이 교량의 단부 회전각과 레일지지점 간격에 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며, 레일지지점 간격이 약 300mm 증가함에 따라 레일의 상향변위는 약 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 또한 레일의 상향변위와 단부 회전각 사이에는 Fig.
- 11은 교량 마지막 레일지지점과 교대측 첫 번째 레일지지점의 간격이 700mm일 경우의 회귀식을 적용하여 실험결과와 비교한 결과를 나타낸다. Fig. 11과 같이 레일지지점 간격을 동일하게 정의한 궤도-교량 상호작용력 회귀식이 신뢰구간 99%범위 내에서 레일의 상향변위, 레일저부응력 및 체결구 응력 측정결과와 매우 잘 일치하였으며, 다소 비선형적인 특성이 나타난 단부 회전각 대비 레일의 상향변위와 체결구의 발생응력 역시 신뢰구간 99% 범위 내에서 단부 회전각에 선형 비례관계인 것으로 분석되었다.
- 레일변위는 교량 시험체의 받침 직상부를 기준으로 교량 측 레일에서는 하향변위가 발생하였으며, 교량 마지막 레일지지점부터 교대 직상부 레일까지 상향변위가 발생하여 전형적인 교량 단부 레일의 변형곡선 특성이 나타났으며, 이러한 레일의 변형특성은 레일과 이를 지지하는 체결구의 발생응력에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 교량 단부 회전각의 증가에 따라 레일의 상향변위 또한 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 단부 회전각 발생 시(0.01 rad) 최대 레일상향변위는 교량측 마지막 레일지지점에서 약 2mm로 나타났다.
- 7과 같이 레일변위는 교량 시험체의 받침 직상부(R3)를 기준으로 교량측 레일(R1, R2)에서는 하향변위가 발생하였으며, 교량 마지막 레일 지지점(R4)부터 교대 직상부 레일(R4~R9)까지 상향변위가 발생하여 전형적인 교량 단부 레일의 변형곡선 특성이 나타났다. 교량 단부 회전각의 증가에 따라 레일의 상향변위 또한 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 단부 회전각 발생 시(25mm, 0.01 rad) 최대 레일상향변위는 R4~R5위치에서 약 2mm로 나타났다.
- 따라서 교량의 단부 회전에 의해 단부 레일 및 레일지지점에는 상향변위가 발생하게 되고 이러한 교량과 레일의 변형특성에 기인하여 Fig. 9와 같이 교대부 체결구에는 초기 응력상태와 반대되는 인장응력이 발생되는 것으로 나타났다.
- 또한 Fig. 3과 같이 Actuator 가력지점부터 교대부 마지막 레일지지점까지 충분한 길이로 구성하여 교량 단부 회전에 따른 레일 변형의 영향범위를 파악할 수 있었으며 경계조건의 효과를 최소화 할 수 있었다.
- 8과 같이 레일저부응력은 예상대로 교량과 교대 사이(S4-S5)에서 최대 압축응력이 발생하였으며, 교대부에서는 인장응력이 발생하였다. 또한 교대부 레일에 발생한 인장응력은 교대부 마지막 레일지지점에서 거의 0으로 수렴하여 레일상향변위 측정결과와 일치하는 경향이 나타났다. 또한 교량측 마지막 레일지지점과 교대부 첫 번째 레일지지점의 거리가 증가함에 따라 레일저부응력은 다소 증가하는 경향을 나타내었으나 그 수준은 뚜렷하지 않았다.
- 8과 같이 레일의 응력은 레일의 곡률과 직접적인 관계가 있으며, 따라서 교량 단부의 레일에 발생한 상향 변형곡률(upward curvature)로 인해 교량과 교대부 사이의 레일 저부에는 압축응력이 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 교량 단부 회전각의 증가에 따라 레일저부응력 역시 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 레일저부응력과 단부 회전각 사이의 선형관계는 보의 휨응력은 곡률과 회전각에 선형적으로 비례하여 증가하는 Euler-Bernoulli beam equation으로 입증이 가능하며, 따라서 본 실험에 적용된 궤도-교량 시험체의 조합(교대 포함)에서 교량 시험체의 단부 회전각은 교량 단부 레일의 발생 곡률에 적절히 반영된 것으로 분석되었다.
- 또한 교대부 레일에 발생한 인장응력은 교대부 마지막 레일지지점에서 거의 0으로 수렴하여 레일상향변위 측정결과와 일치하는 경향이 나타났다. 또한 교량측 마지막 레일지지점과 교대부 첫 번째 레일지지점의 거리가 증가함에 따라 레일저부응력은 다소 증가하는 경향을 나타내었으나 그 수준은 뚜렷하지 않았다. Fig.
- 레일변위는 교량 시험체의 받침 직상부를 기준으로 교량 측 레일에서는 하향변위가 발생하였으며, 교량 마지막 레일지지점부터 교대 직상부 레일까지 상향변위가 발생하여 전형적인 교량 단부 레일의 변형곡선 특성이 나타났으며, 이러한 레일의 변형특성은 레일과 이를 지지하는 체결구의 발생응력에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 교량 단부 회전각의 증가에 따라 레일의 상향변위 또한 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 단부 회전각 발생 시(0.
- 또한 각각의 매개변수에 대한 측정결과를 바탕으로 레일지지점 간격과 단부 회전각에 따른 단부 궤도-교량 상호작용력(레일의 상향변위, 레일저부응력 및 체결구의 발생응력)의 관계를 분석하기 위한 중회귀 분석(multi-regression analysis)을 수행하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다. 실내 시험 결과를 바탕으로 수행한 중회귀분석 결과, Table 3과 같이 회귀식의 상관계수(R2)가 모두 1에 가깝게 나타나 회귀식의 신뢰성은 양호한 것으로 분석되었으며, 레일 상향 변위 및 레일저부응력과 체결구 응력에 미치는 레일지지점 간격과 단부 회전각의 상관관계를 잘 설명하는 것으로 나타났다.
- 실내시험 및 중회귀 분석 결과, 교량의 단부 회전에 따른 교량 상부구조의 변형(곡률)은 레일의 변형을 유발하였으며 교량의 곡률이 궤도에 직접적으로 전달되었음을 실험적으로 입증하였다.
- 연구결과 교량의 단부회전각과 단부 궤도의 레일지지점 간격은 단부 궤도 구성품에 작용하는 상호작용력에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히 교량 단부 회전에 의한 레일의 상향 변형곡률은 레일지지점(체결구)에 직접적인 하중으로 작용하여 정상 체결상태의 응력수준 보다 큰 부가응력을 유발시킴으로써 단부 체결구의 내구성능 및 피로수명 저하에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 또한 교량 단부 회전각의 증가에 따라 레일저부응력 역시 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 레일저부응력과 단부 회전각 사이의 선형관계는 보의 휨응력은 곡률과 회전각에 선형적으로 비례하여 증가하는 Euler-Bernoulli beam equation으로 입증이 가능하며, 따라서 본 실험에 적용된 궤도-교량 시험체의 조합(교대 포함)에서 교량 시험체의 단부 회전각은 교량 단부 레일의 발생 곡률에 적절히 반영된 것으로 분석되었다.
- 체결구 응력 측정결과, Fig. 9와 같이 교량 받침 직상부(C3)의 경우 교량과 체결구의 회전축 일치로 단부 회전에 따른 궤도-교량 상호 작용력이 발생하지 않아 발생응력의 수준이 매우 미소하게 나타났다. Fig.
- 연구결과 교량의 단부회전각과 단부 궤도의 레일지지점 간격은 단부 궤도 구성품에 작용하는 상호작용력에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히 교량 단부 회전에 의한 레일의 상향 변형곡률은 레일지지점(체결구)에 직접적인 하중으로 작용하여 정상 체결상태의 응력수준 보다 큰 부가응력을 유발시킴으로써 단부 체결구의 내구성능 및 피로수명 저하에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 또한 동일한 수준의 교량 단부 회전이 발생하더라도 레일지지점의 간격 확대는 레일의 상향변위와 체결구의 응력 증가에 직접적인 영향을 미치므로 운행선 철도교량 단부 궤도의 레일지지점 간격 확대 방지를 위한 방안이 필요할 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서 이러한 다양한 현장요인들에 의해 공용중인 교량 단부에서 단부 회전의 수준이 설계수준에서 안정적으로 거동을 하더라도 단부 궤도가 받는 궤도-교량의 상호 작용력은 과도한 상태일 수 있으며, 이에 따른 궤도구성품의 파괴가 발생할 수도 있다. 따라서 교량의 상부구조물의 거동뿐만 아니라 궤도의 거동 역시 한계상태 분석기법을 이용하여 극한의 상태에서의 거동수준을 예측하고 평가함으로써 공용 중 발생 가능한 궤도 안전성 저해요인을 사전에 분석하는 연구가 필요하다.
- 특히 교량 단부 회전에 의한 레일의 상향 변형곡률은 레일지지점(체결구)에 직접적인 하중으로 작용하여 정상 체결상태의 응력수준 보다 큰 부가응력을 유발시킴으로써 단부 체결구의 내구성능 및 피로수명 저하에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 또한 동일한 수준의 교량 단부 회전이 발생하더라도 레일지지점의 간격 확대는 레일의 상향변위와 체결구의 응력 증가에 직접적인 영향을 미치므로 운행선 철도교량 단부 궤도의 레일지지점 간격 확대 방지를 위한 방안이 필요할 것으로 판단된다.
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