본 연구에서는 콘크리트 궤도 교량의 사용성 설계를 위한 연구로서 궤도 및 교량 설계변수들이 콘크리트 궤도의 레일지지점에서의 작용력에 미치는 영향을 나타내었다. 궤도 구조에 작용하는 작용력을 구하기 위해서 각 레일 지지점의 간격이 다른 부등간격 이산지지보 모델을 유도하였다. 해석 변수는 교량의 교대 또는 교각 위치 부근의 신축이음부의 레일 지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 교량 거더 단부측의 마지막 레일지 지점까지의 거리, 그리고 추가 배치한 레일지지점의 수이다. 궤도 구조의 변위를 일으키는 요인으로는 축하중, 거더의 단위 수직단차와 단부회전각이다. 해석결과로부터 레일지지점에서의 최대압축력과 최대부상력을 구하였으며 레일지지점의 간격이 작용력에 미치는 영향을 나타내었다.
본 연구에서는 콘크리트 궤도 교량의 사용성 설계를 위한 연구로서 궤도 및 교량 설계변수들이 콘크리트 궤도의 레일지지점에서의 작용력에 미치는 영향을 나타내었다. 궤도 구조에 작용하는 작용력을 구하기 위해서 각 레일 지지점의 간격이 다른 부등간격 이산지지보 모델을 유도하였다. 해석 변수는 교량의 교대 또는 교각 위치 부근의 신축이음부의 레일 지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 교량 거더 단부측의 마지막 레일지 지점까지의 거리, 그리고 추가 배치한 레일지지점의 수이다. 궤도 구조의 변위를 일으키는 요인으로는 축하중, 거더의 단위 수직단차와 단부회전각이다. 해석결과로부터 레일지지점에서의 최대압축력과 최대부상력을 구하였으며 레일지지점의 간격이 작용력에 미치는 영향을 나타내었다.
This paper, as a study for the serviceability design of railway bridges with concrete track, presents the effects of design parameters of tracks and bridges on the forces acting on the rail supports of the track. To calculate the forces acting on the track, an unequal spacing discrete supported mode...
This paper, as a study for the serviceability design of railway bridges with concrete track, presents the effects of design parameters of tracks and bridges on the forces acting on the rail supports of the track. To calculate the forces acting on the track, an unequal spacing discrete supported model with different spacing of rail supports was induced. Design parameters are the rail support spacing of expansion joints above abutments or piers of bridges, the distance from the support of a girder to the last rail support on the end of the girder, and the number of additional rail supports. The causes of the displacement of track are axial force, unit vertical displacement, and unit rotation. From the analysis, the maximum compressive force and the maximum uplifting force acting on the rail supports were determined and the effects of the rail support spacing on the forces acting on the track were presented.
This paper, as a study for the serviceability design of railway bridges with concrete track, presents the effects of design parameters of tracks and bridges on the forces acting on the rail supports of the track. To calculate the forces acting on the track, an unequal spacing discrete supported model with different spacing of rail supports was induced. Design parameters are the rail support spacing of expansion joints above abutments or piers of bridges, the distance from the support of a girder to the last rail support on the end of the girder, and the number of additional rail supports. The causes of the displacement of track are axial force, unit vertical displacement, and unit rotation. From the analysis, the maximum compressive force and the maximum uplifting force acting on the rail supports were determined and the effects of the rail support spacing on the forces acting on the track were presented.
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문제 정의
본 연구는 콘크리트 궤도 교량의 사용성 설계기법을 제시하는 것을 목적으로 궤도 구조의 해석 방법을 검토하고, 궤도 및 교량과 관련된 설계변수들이 궤도 구조의 작용력에 미치는 영향을 분석하여 콘크리트 궤도의 사용성 확보를 위한 설계방법, 구조상세 등을 제시하는데 그 최종 목적이 있다.
2와 같이 레일지지점의 간격의 조정이 필요하다. 본 절에서는 교량 신축이음 구간의 레일지지점의 간격이 일반구 간과 달라지는 경우에 대해 레일지지점에서의 작용력을 분석하였다. 해석은 일반구간의 레일지지점 간격이 a가 650mm 일 때, 교량 신축이음 구간에서의 레일지지점의 간격 a1 이각각 500mm, 550mm, 600mm, 650mm인 경우에 대해 해석 하였으며 단위축하중은 교량 신축이음구간 바로 앞의 체결 장치에 재하하였으며 크기는 100kN이다.
가설 설정
콘크리트 궤도가 부설된 교량의 해석 모델링에 있어 고려되어야 할 구조요소는 교량의 받침, 거더, 상부슬래브, 체결 장치 및 레일 등 여러가지 요소가 있으나 해석의 단순화를 위해서 교량의 거더와 상부슬래브는 하중을 직접 받는 레일에 비하여 상대적으로 강성이 매우 크고 국부적인 변형이나 처짐이 아주 작으므로 궤도구조를 지지하는 지점으로 가정 한다. 교량 지간이 긴 경우 상부구조의 처짐에 의해 궤도에도 변위를 발생시키지만, 사용성 검토 구간이 교량 지점부 부근이므로 상부구조 자체의 변형에 의한 영향은 없는 것으로 가정한다. 체결구는 특정한 하중 이상에서 체결구의 기능을 상실하게 되므로 탄소성 거동을 나타내나 체결구의 사용한계를 압축력에서는 레일패드의 변형, 인장에 대해서는 미리 압축된 하중이 상실되기 전까지로 정의하므로 체결구의 거동은 탄성범위 내에 있는 것으로 가정한다.
부등간격 이산지지보 모델에 대한 해석은 등간격 이산지지 모델의 해석방법[6]과 마찬가지로 각 절점에서의 방정식을 식(6)과 같이 매트릭스 형태로 작성한다. 여기서 경계조 건은 지점의 개수가 충분할 때 하중점으로부터 멀리 떨어진 양 끝단에서의 모멘트를 0으로 가정한다.
교량 지간이 긴 경우 상부구조의 처짐에 의해 궤도에도 변위를 발생시키지만, 사용성 검토 구간이 교량 지점부 부근이므로 상부구조 자체의 변형에 의한 영향은 없는 것으로 가정한다. 체결구는 특정한 하중 이상에서 체결구의 기능을 상실하게 되므로 탄소성 거동을 나타내나 체결구의 사용한계를 압축력에서는 레일패드의 변형, 인장에 대해서는 미리 압축된 하중이 상실되기 전까지로 정의하므로 체결구의 거동은 탄성범위 내에 있는 것으로 가정한다.
콘크리트 궤도가 부설된 교량의 해석 모델링에 있어 고려되어야 할 구조요소는 교량의 받침, 거더, 상부슬래브, 체결 장치 및 레일 등 여러가지 요소가 있으나 해석의 단순화를 위해서 교량의 거더와 상부슬래브는 하중을 직접 받는 레일에 비하여 상대적으로 강성이 매우 크고 국부적인 변형이나 처짐이 아주 작으므로 궤도구조를 지지하는 지점으로 가정 한다. 교량 지간이 긴 경우 상부구조의 처짐에 의해 궤도에도 변위를 발생시키지만, 사용성 검토 구간이 교량 지점부 부근이므로 상부구조 자체의 변형에 의한 영향은 없는 것으로 가정한다.
제안 방법
거더의 마지막 레일지지점은 거더의 회전에 영향을 받으므로 단위 단부회전에 대해 해석하였다. Fig.
이를 위해서, 본 연구에서는 궤도 구조에 작용하는 작용력을 구하기 위해 등간격 이산지지보 모델을 확장하여 각 레일 지지점의 간격이 다른 부등간격 이산지지보 모델(Unequal Space Discrete Supported Beam Model)을 유도하였다. 궤도 구조에서의 작용력은 교량의 교대 또는 교각위치 부근의 신축이음부의 레일 지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 교량 거더 단부측의 마지막 레일 지지점까지의 거리, 교량 전후 구간에 레일 지지점을 추가 배치한 경우에 대해 검토 하였다. 여기서, 궤도 구조의 변형 또는 변위를 일으키는 요인으로는 축하중, 지점 경계면의 연직변위인 수직단차, 거더의 회전변위를 나타내는 단부회전각을 고려하였다.
궤도 구조와 관련된 여러가지 설계조건을 고려하기 위해 각 레일지지점의 간격이 다른 부등간격 이산지지보 모델을 유도하였다. 해석은 교량의 교대 또는 교각위치 부근의 신축이음부의 레일지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 마지막 레일지지점까지의 거리, 교량 신축이음구간 전후에 레일지지점을 추가 배치한 경우에 대해 수행되었다.
최준혁[6]은 궤도 구조의 작용력에 미치는 변수들의 영향을 이론적으로 접근하기 위해서 궤도역학[7]에서 잘 알려진 연속지지보 해석모델과 같은 고전적 해석방법의 적용을 시도하였다. 그 결과로 연속지지보 해석모델과 이산지지보 모델을 적용하여 여러가지 변수들의 영향을 분석하였다.
단위 단부회전(0.001rad)이 발생한 경우 신축이음구간의 레일지지점의 간격의 영향에 대해 단위축하중과 동일한 조건으로 레일지지점에서의 작용력을 구하였다.
단위 수직단차(1mm)가 발생한 경우 신축이음구간의 레일 지지점의 간격의 영향에 대해 단위축하중과 동일한 조건으로 레일지지점에서의 작용력을 구하였다.
3과 4는 a이 650mm인 경우 신축이음 구간의 레일지지점 간격에 대한 체결장치에서의 최대압축력과 최대부상력을 각각 나타낸 것으로, 최대압축력은 단위축하중이 작용하는 위치에 발생하고 최대부상력은 하중점을 기준으로 3번째 또는 4번째 침목에서 발생한다. 또한, 본 절에서는 교량 신축이음구간의 간격이 체결장치에서의 작용력에 미치는 영향을 분석하는 것이므로 최대압축력 및 최대부상력은 발생위치에 관계없이 최대 발생값을 선정하여 분석하였다
레일지지점에 발생하는 압축력 및 부상력의 감소를 위해서, 또는 교량 경간내의 레일지지점 배치 간격 조정을 위해 교량 신축이음부 구간 주변에서 레일지지점을 추가로 설치하는 경우에 대해 레일지지점에서의 작용력 해석을 수행하였다.
궤도 구조에서의 작용력은 교량의 교대 또는 교각위치 부근의 신축이음부의 레일 지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 교량 거더 단부측의 마지막 레일 지지점까지의 거리, 교량 전후 구간에 레일 지지점을 추가 배치한 경우에 대해 검토 하였다. 여기서, 궤도 구조의 변형 또는 변위를 일으키는 요인으로는 축하중, 지점 경계면의 연직변위인 수직단차, 거더의 회전변위를 나타내는 단부회전각을 고려하였다. 이러한 궤도 구조 변수들로부터 레일 지지점에서의 작용력은 최대 압축력(Compressive force)과 최대부상력(Uplifting force)이며, 궤도구조 변수와 레일지지점에서의 작용력과의 관계를 분석하였다.
이러한 가정에 기초하여 해석 모델링은 교량 상부구조는 경계면, 체결장치는 탄성 스프링 요소, 레일은 연속된 보요 소로 하여, 견고한 경계면에 탄성스프링으로 지지된 연속보로 모델링하였으며, 아래 기술된 부등간격 이산지지모델 해석이론에 기초하여 해석 모델을 작성하였다. 해석시 궤도의 단면 특성치는 UIC 60 레일 한 개에 대한 단면적 A=7.
여기서, 궤도 구조의 변형 또는 변위를 일으키는 요인으로는 축하중, 지점 경계면의 연직변위인 수직단차, 거더의 회전변위를 나타내는 단부회전각을 고려하였다. 이러한 궤도 구조 변수들로부터 레일 지지점에서의 작용력은 최대 압축력(Compressive force)과 최대부상력(Uplifting force)이며, 궤도구조 변수와 레일지지점에서의 작용력과의 관계를 분석하였다.
이를 위해서, 본 연구에서는 궤도 구조에 작용하는 작용력을 구하기 위해 등간격 이산지지보 모델을 확장하여 각 레일 지지점의 간격이 다른 부등간격 이산지지보 모델(Unequal Space Discrete Supported Beam Model)을 유도하였다. 궤도 구조에서의 작용력은 교량의 교대 또는 교각위치 부근의 신축이음부의 레일 지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 교량 거더 단부측의 마지막 레일 지지점까지의 거리, 교량 전후 구간에 레일 지지점을 추가 배치한 경우에 대해 검토 하였다.
궤도 구조와 관련된 여러가지 설계조건을 고려하기 위해 각 레일지지점의 간격이 다른 부등간격 이산지지보 모델을 유도하였다. 해석은 교량의 교대 또는 교각위치 부근의 신축이음부의 레일지지점의 간격, 교량 거더의 받침에서부터 마지막 레일지지점까지의 거리, 교량 신축이음구간 전후에 레일지지점을 추가 배치한 경우에 대해 수행되었다. 그 결과 레일지지점에서의 작용력을 각 해석 조건에 대해 다음과 같이 요약된다.
본 절에서는 교량 신축이음 구간의 레일지지점의 간격이 일반구 간과 달라지는 경우에 대해 레일지지점에서의 작용력을 분석하였다. 해석은 일반구간의 레일지지점 간격이 a가 650mm 일 때, 교량 신축이음 구간에서의 레일지지점의 간격 a1 이각각 500mm, 550mm, 600mm, 650mm인 경우에 대해 해석 하였으며 단위축하중은 교량 신축이음구간 바로 앞의 체결 장치에 재하하였으며 크기는 100kN이다. Fig.
(1) 교량 신축이음구간에서 단위 축하중을 받는 경우 레일지지점에서의 최대압축력과 최대부상력의 크기는 레일지 지점의 간격이 커질수록 증가하지만 최대부상력의 변화는 크지 않다.
(2) 거더의 회전에 의해 발생하는 레일지지점에서의 최대 부상력은 마지막 레일지지점의 위치가 멀어질수록 레일지지점에서의 변위도 비례해서 증가하므로 최대부상력은 크게 증가하므로 거더의 받침 외측 돌출길이는 가능한 줄이는 것이 레일지지점 작용력 감소에 유리하다.
(3) 레일지지점의 추가는 단위 축하중에 의한 최대압축력의 감소에 효과적이며 최대부상력의 감소에는 그 영향이 적은 것으로 나타났다.
따라서, 단위 수직 단차에 대해서는 단차 발생 위치 바로 앞에 레일지지점을 추가하는 것이 가장 효과적이며 그 이후 구간에 설치하는 것은 감소 효과가 거의 없다.
이는 레일 지지점의 간격이 클수록 단차가 발생한 지점에서 멀어지기 때문이다. 또한, 체결창치의 강성이 커질수록 최대부상력은 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 수직단차에 의한 레일지지 점에서의 작용력은 최대압축력과 최대부상력은 크기는 같고 부호는 반대로 작용한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 궤도의 장점은 무엇인가?
콘크리트 궤도는 자갈도상 궤도와 비교하여 유지관리 작업이 감소되고 열차운행의 안전성과 고속화 측면에서 유리 하다는 장점들로 인해 최근 건설되는 대부분의 철도노선에서 적용되고 있다. 궤도를 지지하는 노반 중 교량구간의 교각부와 교대부 부근에서는 지지부의 강성의 차이가 크고 열차하중에 의한 의한 교량 및 궤도구조의 변위가 크게 발생 하기 때문에 교량 및 궤도의 사용성은 저하될 수 있으며, 특히, 콘크리트 궤도를 갖는 철도교에서는 매우 중요한 문제로 된다.
콘크리트 궤도가 부설된 교량의 해석 모델링에 있어 고려되어야 할 구조요소로 무엇이 있는가?
콘크리트 궤도가 부설된 교량의 해석 모델링에 있어 고려 되어야 할 구조요소는 교량의 받침, 거더, 상부슬래브, 체결 장치 및 레일 등 여러가지 요소가 있으나 해석의 단순화를 위해서 교량의 거더와 상부슬래브는 하중을 직접 받는 레일에 비하여 상대적으로 강성이 매우 크고 국부적인 변형이나 처짐이 아주 작으므로 궤도구조를 지지하는 지점으로 가정 한다. 교량 지간이 긴 경우 상부구조의 처짐에 의해 궤도에도 변위를 발생시키지만, 사용성 검토 구간이 교량 지점부 부근이므로 상부구조 자체의 변형에 의한 영향은 없는 것으로 가정한다.
교량구간의 레일지지점의 간격의 조정이 필요한 경우는 어떤 때인가?
교량구간의 교대 또는 교각부에는 교량의 신축이음, 교량 거더 또는 슬래브의 단절로 인하여 레일지지점을 일반구간과 동일한 간격으로 배치하기 어려운 경우가 있다. 이 경우 Fig.
참고문헌 (7)
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D.Y. Sung, Y.H. Kim, Y.G. Park, S.I. Kim (2008) The parameter study of serviceability review of end track on railway bridge installed concrete slab track, 2008 Autumn Conference of Korean Society for Railway, Daegu, Korea, pp. 117-124.
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