본 논문에서는 뒤채움을 선 시공하고, 교대를 후 시공하여 침하와 교대 수평 토압 및 변위를 저감할 수 있는 경제적인 교대 구조인 RAR(Reinforced Abutment for Railroads)을 제시하고 수치해석으로 성능을 확인하였다. 먼저 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 기존교대에서 발생하는 접속부의 침하와 교대 수평변위를 다양한 높이와 원지반 조건에 대하여 해석하였다. 이 후 보다 경제적인 설계를 위하여 교대 단면과 말뚝 기초수를 저감시킨 RAR에 대해 동일한 조건으로 해석을 수행하고 그 결과를 비교, 분석하였다. 분석 결과 RAR에서 발생하는 접속부 침하와 교대 수평변위는 기존교대의 20%와 34% 수준이며, 이는 뒤채움 안정화의 효과에 의한 것으로 나타났다. RAR은 침하와 수평변위 제어 및 토압 재분배 효과를 통하여 교대 저판, 교대벽체, 교대 기초 말뚝 수 저감으로 기존 교대 보다 경제적인 시공이 가능할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 뒤채움을 선 시공하고, 교대를 후 시공하여 침하와 교대 수평 토압 및 변위를 저감할 수 있는 경제적인 교대 구조인 RAR(Reinforced Abutment for Railroads)을 제시하고 수치해석으로 성능을 확인하였다. 먼저 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 기존교대에서 발생하는 접속부의 침하와 교대 수평변위를 다양한 높이와 원지반 조건에 대하여 해석하였다. 이 후 보다 경제적인 설계를 위하여 교대 단면과 말뚝 기초수를 저감시킨 RAR에 대해 동일한 조건으로 해석을 수행하고 그 결과를 비교, 분석하였다. 분석 결과 RAR에서 발생하는 접속부 침하와 교대 수평변위는 기존교대의 20%와 34% 수준이며, 이는 뒤채움 안정화의 효과에 의한 것으로 나타났다. RAR은 침하와 수평변위 제어 및 토압 재분배 효과를 통하여 교대 저판, 교대벽체, 교대 기초 말뚝 수 저감으로 기존 교대 보다 경제적인 시공이 가능할 것으로 예상된다.
This paper introduced the RAR(Reinforced Abutment for Railroads) to reduce settlement of transitional zone and horizontal displacement of abutment by constructing backfill before abutment. We expect that it has more economical and better performance which was validated by numerical analyses. First, ...
This paper introduced the RAR(Reinforced Abutment for Railroads) to reduce settlement of transitional zone and horizontal displacement of abutment by constructing backfill before abutment. We expect that it has more economical and better performance which was validated by numerical analyses. First, transitional zone settlements and horizontal displacements of existing abutment were evaluated for various heights and ground conditions by using finite element analysis program. Then, numerical analyses of it under the same conditions were performed and its results were compared with existing abutment's ones. From the numerical analysis, we found that the responses(settlement and horizontal displacement) of transitional zone of the RAR is about 20% and 34% of one of existing abutment due to the effect of backfill stabilizing. We expected that the RAR having small foundations could be economic way to construct abutment with the control of responses such as, settlement, horizontal displacement, and earth pressure.
This paper introduced the RAR(Reinforced Abutment for Railroads) to reduce settlement of transitional zone and horizontal displacement of abutment by constructing backfill before abutment. We expect that it has more economical and better performance which was validated by numerical analyses. First, transitional zone settlements and horizontal displacements of existing abutment were evaluated for various heights and ground conditions by using finite element analysis program. Then, numerical analyses of it under the same conditions were performed and its results were compared with existing abutment's ones. From the numerical analysis, we found that the responses(settlement and horizontal displacement) of transitional zone of the RAR is about 20% and 34% of one of existing abutment due to the effect of backfill stabilizing. We expected that the RAR having small foundations could be economic way to construct abutment with the control of responses such as, settlement, horizontal displacement, and earth pressure.
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문제 정의
본 연구에서는 수치해석을 통해 기존 교대 및 접속부 구조의 거동을 분석하고, 이에 대한 응답저감 방안으로써 토공 및 접속부를 선 시공하고 교대를 후 시공하므로써 경제적으로 시공이 가능하고 침하 및 수평 토압 및 변위를 저감할 수 있는 교대 구조를 소개하였다.
제안 방법
각 높이에 대해 원지반 변형계수 10, 20, 30, 40MPa을 적용한 총 16케이스에 대하여 수치해석을 수행하였다. 15 Node, Plane stain 요소를 이용하여 뒤채움, 교대, 원지반, 말뚝기초 등을 모델링하였으며 적용된 재료 모델과 물성치는 Table 1과 같다. 원지반에 적용된 변형계수는 도로교표준시방서에서 제안하는 N값에 의한 변형계수 산정식(E=2.
RAR 및 접속부를 Fig. 6과 같이 단순화하여 유한요소 수치해석을 수행하였다. 기존교대와 마찬가지로 15Node, Plain strain 요소를 사용하여 뒤채움, 교대, 원지반, 말뚝기초 등을 모델링하였고 동일한 재료모델과 물성 값을 적용하였다.
교대 높이에 따른 거동 변화를 파악할 수 있도록 역T형 교대를 높이 8, 12, 16, 20m로 설정하였다. 각 높이에 대해 원지반 변형계수 10, 20, 30, 40MPa을 적용한 총 16케이스에 대하여 수치해석을 수행하였다. 15 Node, Plane stain 요소를 이용하여 뒤채움, 교대, 원지반, 말뚝기초 등을 모델링하였으며 적용된 재료 모델과 물성치는 Table 1과 같다.
542kN·m2를 적용하였다. 교대 구체의 경제적인 설계를 위하여 교대 구체는 기존 교대에 비해 두께는 700mm감소, 말뚝수는 60% 감소하여 모델링하였다. 상재하중 조건은 기존교대의 모델과 동일하게 하였다.
6과 같이 단순화하여 유한요소 수치해석을 수행하였다. 기존교대와 마찬가지로 15Node, Plain strain 요소를 사용하여 뒤채움, 교대, 원지반, 말뚝기초 등을 모델링하였고 동일한 재료모델과 물성 값을 적용하였다. 보강재는 지오그리드 모델을 사용하였으며(J=2,000kN/m), 기준틀은 플레이트 모델을 사용하여 EA=1.
본 논문에서는 2차원 유한요소법을 이용하여 기존 교대와 RAR(Reinforced Abutment for Railroads)의 높이를 8∼20m까지 변화시키고, 원지반의 변형계수를 10∼ 40MPa로 변화시킨 수치해석을 수행하였다.
0을 활용하였다. 원지반 변형계수와 교대높이를 달리한 각각의 조건에 대해 교대와 접속부의 거동을 비교, 분석하였다.
15 Node, Plane stain 요소를 이용하여 뒤채움, 교대, 원지반, 말뚝기초 등을 모델링하였으며 적용된 재료 모델과 물성치는 Table 1과 같다. 원지반에 적용된 변형계수는 도로교표준시방서에서 제안하는 N값에 의한 변형계수 산정식(E=2.8N)[4]을 적용하여 N값 4이하의 매우 연약한 지반부터 14이상의 양호한 지반까지 표현할 수 있도록 산정하였다. 수치해석 케이스를 정리하면 Table 2와 같다.
응답저감을 위하여 보강교대(Reinforced Abutment for Railroad, 이하 RAR)를 제안하고 수치해석으로 그 성능을 검토하였다.
지반조건 및 교대 높이에 따른 교대 및 접속부의 거동을 분석하기 위하여 유한요소법을 이용한 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 8.
대상 데이터
2와 같이 교대와 접속부를 단순화하여 모델링하였다. 교대 높이에 따른 거동 변화를 파악할 수 있도록 역T형 교대를 높이 8, 12, 16, 20m로 설정하였다. 각 높이에 대해 원지반 변형계수 10, 20, 30, 40MPa을 적용한 총 16케이스에 대하여 수치해석을 수행하였다.
보강재는 지오그리드 모델을 사용하였으며(J=2,000kN/m), 기준틀은 플레이트 모델을 사용하여 EA=1.46×105kN, EI=1.542kN·m2를 적용하였다.
데이터처리
지반조건 및 교대 높이에 따른 교대 및 접속부의 거동을 분석하기 위하여 유한요소법을 이용한 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 8.0을 활용하였다. 원지반 변형계수와 교대높이를 달리한 각각의 조건에 대해 교대와 접속부의 거동을 비교, 분석하였다.
성능/효과
1) 기존교대의 접속부에서의 침하는 원지반 변형계수가 작을수록, 교대 높이가 높을수록 증가한다. 높이가 8m의 경우 원지반 변형계수 20MPa이상, 12m의 경우 변형계수 30MPa이상이어야 잔류침하 기준을 만족할 가능성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다
2) RAR의 접속부 침하 및 교대 수평변위를 정량적으로 평가하면, 접속부 침하는 기존교대의 20%, 수평변위는 기존교대의 34% 수준으로 나타났다. 이는 기존 교대 구조에서는 접속부 침하의 80%, 교대 수평변위의 74% 가 뒤채움 하중에 의해 발생하나, RAR에서는 뒤채움을 선 시공하여 안정화 시킨 후 교대를 후 시공하므로 뒤채움 하중이 침하 및 수평변위에 대한 기여가 없기 때문이다.
3) 기존 교대와 RAR에서 교대 배면에 작용하는 수평 토압은 사용된 보강재의 인장력에 의하여 크게 변화되었다. 특히 새롭게 제안한 교대의 높이 6m 이상에서는 교대에 작용하는 토압이 더 크게 나타났다.
4) 기존 교대에서는 교대 구체와 말뚝기초에 의해 침하 및 수평변위에 대한 안정성이 증가된다. 신형식 교대 구조로 제안한 RAR에서는 보강재에 의하여 침하와 수평변위 제어 효과가 있음을 확인하였다.
두 교대방식 모두 수평변위는 교대기초 뒤에서 최대 수평변위가 발생하고 교대 앞쪽에서 변위가 작아지는 경향을 보여 교대구체와 말뚝기초에 의해 교대 배면의 수평변위에 저항하는 형태를 보였다. RAR에서는 상부로 갈수록 수평변위가 감소하는 경향이 두드러져 보강재에 의한 수평변위 제어효과가 확인되었다. 보강재에 의한 추가 변위제어 효과로 인해 교대저판 제거, 교대두께 감소, 말뚝본수 감소 등이 적용된 교대 구조의 사용이 가능할 것이다.
궤도하중과 열차하중에 의해서만 교대의 수평변위가 발생하여 기존 교대의 약 34%정도의 수평변위가 발생하는 것으로 나타났다.
7과 같다. 기존교대와 마찬가지로 원지반의 변형계수가 작을수록 침하가 크게 발생하고, 변형계수-침하곡선의 기울기가 급해지는 것을 확인할 수 있다. 노반의 높이에 따라 침하는 선형증가하나 곡선의 기울기가 기존교대보다 완만하므로 RAR은 노반 높이에 따른 침하증가경향이 기존교대보다 적은 것으로 나타났다.
기존교대와 마찬가지로 원지반의 변형계수가 작을수록 침하가 크게 발생하고, 변형계수-침하곡선의 기울기가 급해지는 것을 확인할 수 있다. 노반의 높이에 따라 침하는 선형증가하나 곡선의 기울기가 기존교대보다 완만하므로 RAR은 노반 높이에 따른 침하증가경향이 기존교대보다 적은 것으로 나타났다.
1) 기존교대의 접속부에서의 침하는 원지반 변형계수가 작을수록, 교대 높이가 높을수록 증가한다. 높이가 8m의 경우 원지반 변형계수 20MPa이상, 12m의 경우 변형계수 30MPa이상이어야 잔류침하 기준을 만족할 가능성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다
두 교대방식 모두 수평변위는 교대기초 뒤에서 최대 수평변위가 발생하고 교대 앞쪽에서 변위가 작아지는 경향을 보여 교대구체와 말뚝기초에 의해 교대 배면의 수평변위에 저항하는 형태를 보였다. RAR에서는 상부로 갈수록 수평변위가 감소하는 경향이 두드러져 보강재에 의한 수평변위 제어효과가 확인되었다.
4는 노반의 높이와 원지반의 변형계수에 따른 교대의 수평변위를 보여준다. 모든 높이에서 원지반의 변형계수가 작을수록 변형계수-교대 수평변위 곡선의 기울기가 급해지는 것을 확인할 수 있다. 교대 수평변위 발생은 9∼108mm로, 말뚝의 허용 수평범위 기준 15mm를 적용하는 경우 높이가 8m이고 원지반의 변형계수가 30, 40MPa인 경우를 제외하고는 모두 허용값 이상의 수평 변위를 보였다.
수평변위량은 4∼21mm로 원지반 변형계수 10MPa이고 높이 12, 16, 20m인 케이스를 제외하고 모두 허용수평변위 기준 15mm를 만족하였다.
6m의 높이에서 최대 수평압력이 발생하였다. 수평압력의 최대 값은 기존교대에서는 59.5kPa, RAR에서는 28.8kPa로 기존교대에 비해 52% 저감된 값을 보였다. 특히 교대 하부에서의 압력은 RAR에서 기존교대의 20%의 수준으로 크게 저감되어 나타났다.
4) 기존 교대에서는 교대 구체와 말뚝기초에 의해 침하 및 수평변위에 대한 안정성이 증가된다. 신형식 교대 구조로 제안한 RAR에서는 보강재에 의하여 침하와 수평변위 제어 효과가 있음을 확인하였다. 따라서, 교대구체 두께 감소, 말뚝본수 저감, 교대저판 제거 등이 적용된 경제적인 설계 및 시공이 가능할 것이다.
3은 교대의 높이와 원지반의 변형계수에 따라 교대 접속부의 노반 상단에서 발생하는 침하를 보여준다.원지반의 변형계수가 작을수록 침하가 크게 발생하고, 변형계수-침하곡선의 기울기가 급해지는 것을 확인할 수있다.
후속연구
신형식 교대 구조로 제안한 RAR에서는 보강재에 의하여 침하와 수평변위 제어 효과가 있음을 확인하였다. 따라서, 교대구체 두께 감소, 말뚝본수 저감, 교대저판 제거 등이 적용된 경제적인 설계 및 시공이 가능할 것이다.
RAR에서는 상부로 갈수록 수평변위가 감소하는 경향이 두드러져 보강재에 의한 수평변위 제어효과가 확인되었다. 보강재에 의한 추가 변위제어 효과로 인해 교대저판 제거, 교대두께 감소, 말뚝본수 감소 등이 적용된 교대 구조의 사용이 가능할 것이다.
수평변위량은 4∼21mm로 원지반 변형계수 10MPa이고 높이 12, 16, 20m인 케이스를 제외하고 모두 허용수평변위 기준 15mm를 만족하였다. 원지반이 변형계수 10MPa 이하의 매우 연약한 조건이 아니라면 교대전면에 압성토 등의 추가보강이 불필요하여 경제적이고 부지사용이 효율적인 교대시공이 가능할 것으로 보인다. 원지반이 매우 연약한 조건에서는 추가검토를 통하여 원지반 처리 혹은 추가보강의 여부를 판단해야 한다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교대 배면의 토압은 높이의 증가는 어떤 영향을 주는가?
교대 구조물의 주요 기능은 교량 상판을 지지하는 것으로 교량하중, 교통하중 외에도 배면의 토압을 저항해야 하는 구조물이다. 교대 배면의 토압은 높이의 증가와 함께 높이의 제곱에 비례해서 증가하여 활동력과 전도 모멘트가 증가하고, 교대에 작용하는 부재력 또한 증가 한다. 교대 구체가 충분한 저항성능을 확보하기 위해서는 교대구체는 비대해지고, 큰 저판이 필요하며, 말뚝기 초의 사용량이 증가하므로 건설에 큰 비용이 소요된다.
교대 구조물의 주요 기능은?
교대 구조물의 주요 기능은 교량 상판을 지지하는 것으로 교량하중, 교통하중 외에도 배면의 토압을 저항해야 하는 구조물이다. 교대 배면의 토압은 높이의 증가와 함께 높이의 제곱에 비례해서 증가하여 활동력과 전도 모멘트가 증가하고, 교대에 작용하는 부재력 또한 증가 한다.
과다 침하에 의한 안전성 및 사용성 저하의 문제점을 해결하기 위해 어떤 방안들이 연구되었는가?
또한 철도교량의 교대-토공 접속구간에서는 지지강성의 차이에 의해 큰 열차동하중의 변화가 발생하므로 과다 침하에 의한 안전성 및 사용성 저하에 대한 우려가 있다[Fig 1]. 이에 대한 보완방안으로 어프로치 블록이나 어프로치 슬래브 등이 설계에 반영되고 있고, 김자연등(2013)[3]이 토목섬유 튜브를 이용한 교대 접속부의 토압저감 기법에 대해 연구한 바 있으나 교대 접속부 침하 및 저감 방안에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정 이다.
참고문헌 (7)
W. P. Hong, O. H. Kwon, J. K. Han, S. H. Cho, "A Study on Lateral Movement of Bridge Abutment on Soft Ground", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.10, NO,4, pp.53-65, 1994.
W. P. Hong, K. W. Lee, S. D. Cho, J. H. Lee, "Evaluation on lateral movement of piled bridgeabutment on soft ground under lateral flow", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.27, NO.5C, pp.305-312, 2007.
J. Y. Kim, Y. H. Park, K. H. Cho, "Earth pressure reduction method in Railway bridge abutment using Geosynthetics Tube", Autumn Conference & Annual Meeting of the Korean Society for Railway(2013.11), pp.952-959, 2013.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport(in Korea), "Standard Specification of Highway bridge", 2013
Korea Railway Network Authority, "Railway design standard for roadbed", 2011.
D. S. Kim, "Stability Evaluation of Reinforced Subgrade with Short Geogrid for Railroad During Construction" Journal of the Korean Geosynthetics Society, Vol.13, NO.4, pp.11-20, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.12814/jkgss.2014.13.2.011
D. S. Kim, S. Y. Park, K. H. Kim, "Effects of Vertical Spacing and Length of Reinforcement on the Behaviors of Reinforced Subgrade with Rigid Wall", Journal of the Korean Geosynthetics Society, Vol.11, NO.4, pp.27-35, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.12814/jkgss.2012.11.4.027
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