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고속철도 WIM 데이터에 대한 통계분석을 통한 철도교량 설계활하중 분석
Analysis of Design Live Load of Railway Bridge Through Statistical Analysis of WIM Data for High-speed Rail 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.28 no.6, 2015년, pp.589 - 597  

박수민 (가천대학교 토목환경공학과) ,  여인호 (한국철도기술연구원 첨단인프라연구팀) ,  백인열 (가천대학교 토목환경공학과)

초록
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이 논문에서는 고속철도교량 설계를 위한 활하중 모델을 통계 및 확률적 방법으로 검토하고, 하중조합의 하중계수가 주는 안전율을 분석하였다. 이 연구는 철도교량 설계기준에 대한 한계상태설계법 개발의 일환이며, 이를 위하여 경부고속철도를 운행하는 열차를 대상으로 약 한달 동안 실측하여 데이터를 수집하고 분석하였다. 이 데이터를 대상으로 교량의 설계수명에 맞도록 4가지 통계 방법들을 적용하여 설계하중을 추정하여 비교 검토하였다. 또한, 철도교량의 설계하중조합이 주는 안전율을 검토하기 위하여 신뢰도지수를 구하고 이를 분석하였다. 실측 데이터로부터 추정한 활하중효과에 대하여, 현행 고속철도 설계활하중인 표준열차하중의 0.75배를 적용한 설계활하중 효과의 크기가 최소 30~22% 더 크게 나왔다. 신뢰도분석을 통하여, 극한한계상태만을 기준으로 본다면, 추가적인 하중계수 감소의 가능성이 있음을 알 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the live load model for the design of high-speed railway bridge is analyzed by statistic and probabilistic methods and the safety level that is given by the load factors of the load combination is analyzed. This study is a part of the development of the limit state design method for t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 논문에서는 고속철도 교량설계를 위한 활하중 모델을 검토하고, 하중조합의 하중계수가 주는 안전율을 분석하였다. 이를 위하여 경부고속철도를 운행하는 열차를 대상으로 약 한 달 동안 실측하여 데이터를 수집하였다.
  • 75배를 곱하도록 되어 있다. 이 연구에서는 경부고속철도를 실제 운행 중인 열차에 대하여 계측한 WIM(weigh in motion) 데이터를 통계 분석하여 이를 검토하도록 한다. 교량의 설계수명에 따르는 활하중을 추정하기 위하여 가용한 여러 통계 방법을 검토하였고, 이 방법들을 실측 데이터를 통하여 비교 검토하였다.
  • 이 연구에서는 철도교량 설계기준에 대한 한계상태설계법 개발을 위하여 실제 운행하는 열차에 대한 계측자료를 활용하여 교량의 설계활하중을 분석하였다. 현재 국내 도로교설계기준(2014)은 이미 한계상태설계법을 적용하고 있으며, 미국의 AASHTO LRFD, 유럽의 Eurocode, 캐나다의 CHBDC 등 국제적인 설계기준에서는 대부분 한계상태설계기준을 적용하고 있다.

가설 설정

  • Method 2에서는 30일 계측데이터를 적용한 하중효과의 분포가 Fig. 8과 같이 정규분포를 따른다고 가정한다. 이로부터 열차 통행 수에 따른 최대 하중효과를 추정하기 위하여, WIM 데이터의 30일간 열차 통행 수가 818대인 경우, 일 평균 통행 수는 28(=818/30)이 되고, 1일, 1년, 5년, 100년의 통행 차량수를 구한다.
  • 고속철도 설계활하중의 크기를 감소시킨다고 가정하고 신뢰도지수를 구하여 보았다. 현행 고속철도 설계기준인 0.
  • 모멘트에 대한 편심계수 λ는 1.16, 변동계수(COV, 표준편차/평균)는 0.10을 적용하고, 전단력의 λ는 1.08, COV는 0.08을 적용하며, 저항강도의 분포는 로그정규분포로 가정한다.
  • 75KRL-2012 설계활하중에 의한 L 값을 식 (10)에 적용하여 계수하중효과 U를 구하면 Table 6과 같다. 연속교로 설계되는 철도교량에 있어서 프리스트레스 효과로 인한 부정정력이 고정하중효과를 상쇄하고 설계에 따라 다양한 값을 갖게 되므로, 이 연구에서 단순화시켜 고정하중 D의 크기는 L과 같도록 가정하였다. 고정하중의 통계 특성은 편심계수 1.
  • 이 방법에서는 계측기간에 측정한 값의 분포인 Fig. 10이 반복되어, 최대 하중효과의 분포가 기준기간이 변하여도 변하지 않고 Fig. 10과 동일하다고 가정한다. 식 (9)에서 95% 값으로 특성값을 정의하고, 식 (6), (7)을 이용하여 이를 만족하는 y값을 구한 후, Table 4에 하중효과별로 나타내었다.
  • 이 방법에서는 일정 기간 동안 계측된 값의 분포가 기간이 증가하여도 변하지 않고 반복된다고 가정한다(Miao and Chan, 2002). 이 연구에서는 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
표준열차 하중은 철도교량 설계에 어떤 영향을 주는가? 철도교량 설계의 주요하중인 활하중을 나타내는 표준열차 하중은 설계의 안전성과 경제성에 매우 큰 영향을 주며 하중 모델을 결정하기 위하여 실측자료를 중심으로 국내외에서 연구가 수행되었다. 국내에서는 최근 철도설계기준의 표준열차 하중을 합리적으로 수립하기 위하여 체계적인 연구가 수행되기 시작하였다.
설계의 안전율을 검토하기 위해 구한 신뢰도지수가 도로교설계기준의 목표신뢰도지수보다 높게 나온 이유는? 7과 비교하면 매우 크다. 큰 값이 나온 원인은 먼저 설계활하중의 편심계수가 1보다 작기 때문인데 이는 위에서 분석한 바와 같이 추정한 열차보다 큰 설계하중을 사용하기 때문이다. 또한, 고정하중계수와 활하중계수가 각각 1.35와 1.85로 도로교의 1.25와 1.80보다 크므로 추가의 안전율을 확보하기 때문이다. 즉, 교량의 파괴에 대한 극한한계상태의 측면에서 보면, 현행 철도교설계는 도로교에 비하여 좀 더 안전율 여유를 확보하고 있다고 할 수 있다.
본 연구에서 철도교량 설계기준에 대한 한계상태설계법 개발하기 위해 무엇을 수행하였는가? 이 논문에서는 고속철도교량 설계를 위한 활하중 모델을 통계 및 확률적 방법으로 검토하고, 하중조합의 하중계수가 주는 안전율을 분석하였다. 이 연구는 철도교량 설계기준에 대한 한계상태설계법 개발의 일환이며, 이를 위하여 경부고속철도를 운행하는 열차를 대상으로 약 한달 동안 실측하여 데이터를 수집하고 분석하였다. 이 데이터를 대상으로 교량의 설계수명에 맞도록 4가지 통계 방법들을 적용하여 설계하중을 추정하여 비교 검토하였다. 또한, 철도교량의 설계하중조합이 주는 안전율을 검토하기 위하여 신뢰도지수를 구하고 이를 분석하였다. 실측 데이터로부터 추정한 활하중효과에 대하여, 현행 고속철도 설계활하중인 표준열차하중의 0.
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참고문헌 (14)

  1. Ang, A.H-S., Tang, W.H, (1975) Probability Concepts in Engineering - Emphasis on Applications to Civil & Environmental Engineering, John Wiley & Sons, pp.300-301. 

  2. Ang, A.H-S., Tang, W.H, (1990) Probability Concepts in Engineering Planning and Design - Volume II-Decision, Risk, and Reliability, pp.194-206. 

  3. ERRI D 192 RP3 (1994) Loading Diagram to be Taken into Consideration for the Calculation of Rail-carrying Structures on Lines used by International Services-on a Probabilistic Basis, European Rail Research Institute. 

  4. Gulvanessian, H., Calgaro, J-A., Holicky, M. (2012) Designers' Guide to Eurocode: Basis of Structural Design, ICE Publishing, pp.43-47. 

  5. Hwang, E.S. (2008) Development of Live Load Model for Reliability-Based Design Code, Korea Bridge Design & Engineering Research Center. 

  6. KRNA (2010) Final Report on Railway Design Load System, Korea Rail Network Authority. 

  7. KRNA (2011, 2013) Design Specification of Railway (Railway Bridge), Korea Rail Network Authority. 

  8. KRRI (2015) Annual Report of Development of Railway Performance and Optimum Construction Cost Technology, Korea Railway Research Institute. 

  9. Kim, S., Kim, H., Lee, M. (2010) A Deterministic Investigation for Establishing Design Load of Railway Bridges, J. Korean Soc. Railw., 13(3), pp.290-297. 

  10. Miao, T.J., Chan, T.H.T. (2002) Bridge Live Load Models from WIM Data, Eng. Struct., 24, pp.1071-1084. 

  11. MLTM (2014) Highway Bridge Design Code (Limit State Design Method), Korea Ministry of Land, Transportation and Maritime Affairs. 

  12. Nowak, A.S. (1999) Calibration of LRFD Bridge Design Code, NCHRP Report 368, Transportation Research Board, Washington DC. 

  13. ORE (1973) Statistical Distribution of Axle Loads and Stresses in Railway Bridges, Office of Research and Experiments of the International Union of Railways, Report D 128 No. 1-10. 

  14. SB-LRA (2007) Guideline for Load and Resistance Assessment of Railway Bridges, Prepared by Sustainable Bridges - A Project within EU FP6, 31-47. 

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