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문제 정의
- 본 연구에서는 궤도-교량 상호작용 해석방법이 수록된 KR C-08080[3]의 개정에 따라 기존과 상이하게 제시된 차량하중이 교량상 장대레일의 부가축응력에 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
- KR C-08080의 개정 전, 후 설계하중 변화에 따른 레일의 부가축응력 변화를 살펴보기 위하여 Table 1에서 제시된 하중을 고려하여 궤도-교량 상호작용 해석을 수행하였다.
- 개정 전(2012), 후(2014) 레일의 부가축응력을 분석하였다. 시동하중을 재하한 경우(Fig.
- 개정 전(2012)의 설계하중을 이용하여 도출된 부가레일축응력 조합결과와 개정 후(2014)의 설계하중을 이용하여 도출된 부가레일축응력 조합결과를 비교하였다. 최대인장응력은 A1지점 부근에서 발생하였으며(Fig.
- 도상은 탄소성 거동을 하는 비선형조인트요소(Nonlinear Joint Element:Elasto-Plastic Joint)를 사용하였다. 교량상판의 중립축으로부터 교각까지의 거리를 표현하는 강체 보요소(Rigid Beam Element)를 추가하고 구속조건 (Constraint equation)을 적용함으로써, 교량상판에 휨변위가 발생할 경우 교대 또는 교각과 교량상판중심축사이의 종방향 상대변위를 정확하게 나타낼 수 있도록 하였다.(Fig.
- 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 위하여 온도하중은 동절기의 파단, 하절기의 좌굴 검토를 위하여 교량 상부구조물에 ±25℃를 고려하였으며, 시제동하중은 다양한 위치를 고려하여 가장 가혹한 위치에 적용하였다(Fig. 6).
- 수직하중 재하 시 A1지점에서 발생한 레일부가 축응력을 분석하였다. A1에서는 압축응력이 발생하였으며 개정 전에 비해 개정 후 약 0.
- 최대 레일 부가인장응력은 온도하중(-25℃)+열차 시동하중+열차 수직하중을 조합한 결과이며, 최대 레일 부가압축응력은 온도하중(+25℃)+열차 제동하중+열차 수직하중을 조합한 결과이다. 온도하중의 경우 개전 전, 후가 동일한 하중을 제시하고 있어 분석대상에서 제외하였으며, 차량하중 변화에 따른 차이 및 하중 조합 결과를 분석하였다.
- 이와 같이 교량상 장대레일의 설계 시 중요한 요소인 궤도-교량 상호작용과 관련하여 교량상 장대레일의 안전성을 확보하고 궤도의 유지관리를 용이하게 하기 위하여 장대레일 구간에 교량의 설계 시 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 수행한다. 이때 사용자의 이용 편의를 위하여 국내에서는 국제적인 방식에 맞게 물성치, 모델링 방법 그리고 하중 및 하중조합방법 등에 대한 체계를 설계지침[3]으로 제시하고 있다.
대상 데이터
- 대상 교량은 단선, 자갈궤도용으로 설계된 일반선 22개 교량이다. 선정된 교량에 대한 형식의 요약은 Appendix 1의 Table 1에 첨부하였으며, 본문에서는 대표적인 1개의 교량에 대하여 기술하였다.
- 레일 및 교량상판은 3차원 티모센코 보요소(Timoshenko Beam Element)를 사용하여 모델링하였다. 도상은 탄소성 거동을 하는 비선형조인트요소(Nonlinear Joint Element:Elasto-Plastic Joint)를 사용하였다. 교량상판의 중립축으로부터 교각까지의 거리를 표현하는 강체 보요소(Rigid Beam Element)를 추가하고 구속조건 (Constraint equation)을 적용함으로써, 교량상판에 휨변위가 발생할 경우 교대 또는 교각과 교량상판중심축사이의 종방향 상대변위를 정확하게 나타낼 수 있도록 하였다.
- 0) [5]를 사용하였다. 레일 및 교량상판은 3차원 티모센코 보요소(Timoshenko Beam Element)를 사용하여 모델링하였다. 도상은 탄소성 거동을 하는 비선형조인트요소(Nonlinear Joint Element:Elasto-Plastic Joint)를 사용하였다.
- 선정된 교량에 대한 형식의 요약은 Appendix 1의 Table 1에 첨부하였으며, 본문에서는 대표적인 1개의 교량에 대하여 기술하였다. 본 논문에서 기술한 교량은 29.95m의 PSC-E Beam 16경간으로 이루어진 총 연장 479.2m의 교량이며, Fig 1, 2는 각각 교량의 종평면도와 단면형상이다.
이론/모형
- 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 위하여 범용 유한 요소해석 프로그램인 LUSAS(15.0) [5]를 사용하였다. 레일 및 교량상판은 3차원 티모센코 보요소(Timoshenko Beam Element)를 사용하여 모델링하였다.
- 본 연구에서는 국내 철도설계지침 KR C-08080[3, 4]의 개정에 따라 변화된 차량설계하중을 적용하여 22개 교량을 대상으로 궤도-교량 상호작용 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 시동하중을 재하한 경우(Fig. 7, (c)) 최대 인장응력은 A1지점부근에서 발생하였으며, 개정 전에 비해 개정 후 약 7.4MPa(36%)이 증가하였다. 제동하중을 재하한 경우(Fig.
- 7과 같다. 최대 레일 부가인장응력은 온도하중(-25℃)+열차 시동하중+열차 수직하중을 조합한 결과이며, 최대 레일 부가압축응력은 온도하중(+25℃)+열차 제동하중+열차 수직하중을 조합한 결과이다. 온도하중의 경우 개전 전, 후가 동일한 하중을 제시하고 있어 분석대상에서 제외하였으며, 차량하중 변화에 따른 차이 및 하중 조합 결과를 분석하였다.
- Appendix 1의 Table 2는 다양한 구조형식에 대해 동일한 방법으로 해석을 수행 후 도출된 결과이다. 최대인장응력의 경우 개정 전에 비해 개정 후 약 28.4%가 증가하였으며, 최대 압축응력은 약 27.3%증가하였다.
후속연구
- 4%만큼 크게 평가되고 있다. 이러한 결과는 보수적인 설계를 유도하고는 있으나 개정 전에 비해 너무 급격하고 과대한 평가결과를 도출하고 있으므로 하중 변화에 따른 영향을 추가분석하여 설계하중보정에 관한 작업이 필요할 것으로 판단된다.
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