[논문]궤도-교량 상호작용 저감을 위한 슬라이드 층이 고려된 궤도-교량 구조시스템의 개발 방향

윤경민; 최신형; 송대석; 이경찬; 임남형

doi:10.5762/kais.2015.16.2.1469

궤도-교량 상호작용 저감을 위한 슬라이드 층이 고려된 궤도-교량 구조시스템의 개발 방향
A Guideline for Development of Track-Bridge Structural System with Sliding Layer to Reduce the Track-Bridge Interaction 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.2, 2015년, pp.1469 - 1476

윤경민 (충남대학교 토목공학과) , 최신형 (충남대학교 토목공학과) , 송대석 (한국철도시설공단) , 이경찬 (철도기술연구원) , 임남형 (충남대학교 토목공학과)

초록
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산지가 전국토의 70%를 차지하는 국내 지형의 특성으로 인하여, 철도선로 전체 노선의 상당부분을 교량구간이 차지한다. 이에 따라 교량 설계 시 경제성 증가를 위하여 경간장을 늘리는 것이 유리하지만 궤도-교량 상호작용에 의한 레일의 부가축응력, 변위 등의 문제로 인한 제약이 발생한다. 본 연구에서는 궤도와 교량 상판 사이에 설치되는 슬라이딩 층을 고려한 궤도-교량 상호작용 해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 통해 슬라이딩층 설치 방법에 따른 상호작용 거동을 분석하였으며, 궤도-교량 상호작용이 저감된 새로운 궤도-교량 구조시스템의 개발방향을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The bridges take a significant part of entire route in Korea railway, because 70% of Korean territory is covered with mountains. For this reason, span enlargement of railway bridges is more advantageous to increase economic efficiency on the bridge design. However there are many limitations such as additional axial force of the rail, excessive displacement due to track-bridge interaction. In this study, track-bridge interaction analysis was conducted considering the sliding layer which was installed between the track and girder. From the numerical analysis results, the behavior of track-bridge interaction was investigated according to the installation method of sliding layer. Finally, a guideline for development of track-bridge structure system to reduce the track-bridge interaction was proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 궤도와 교량 상판 사이에 슬라이딩 층이 존재하는 형태의 궤도구조를 적용하기 위한 기초연구로써, 슬라이딩 층을 고려한 궤도-교량 상호작용의 특성을 해석적으로 분석하여 궤도와 교량간의 상호작용효과를 저감시킬 수 있는 궤도-교량 시스템의 개발 방향을 제시하였다.
본 연구에서는 궤도와 교량 상판 사이에 슬라이딩 층이 존재하는 새로운 형식을 적용하여 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 수행하였으며, 분석을 통하여 다음과 같이 궤도-교량 상호작용 저감형 궤도-교량 구조시스템 개발의 방향을 제안하였다.
본 절에서는 궤도-교량 상호작용 저감 효과가 가장 크게 발생한 RCS형식에 열차하중을 재하하여 상호작용효과를 분석하였다.

가설 설정

∙ 슬라이딩 층에 적용할 패드의 소재는 최소의 마찰력을 장기간 유지할 수 있어야 하며 상호작용 거동에 의한 파손에 충분한 저항성을 가져야 한다.
∙ 연속적으로 시공된 콘크리트 슬래브는 온도 변화에 의한 신축거동이 방지될 수 있도록 종방향으로 구속되어야 한다.
슬라이딩 층의 마찰력은 비선형 거동으로 고려하였으며, 마찰계수를 0.3[5]으로 가정하여 산정하였다. 슬라이딩 층의 저항선도는 콘크리트 슬래브와 레일 자중을 고려하여 Fig.

제안 방법

RCS 모델의 상호작용 저감 원인을 분석하기 위하여 체결장치에 발생하는 종방향력 및 레일과 콘크리트 슬래브의 종 방향 상대변위를 분석하였다.(Fig.
13[3]을 이용하였다. 교량 상부구조의 실제 높이에 대한 영향을 고려할 수 있도록 레일과 교량 상부구조의 중립축, 상부구조의 중립축과 교좌장치의 연결은 Fig. 3과 같이 Constraint 방정식과 강체 요소인 Rigid Link(CONN2D2, beam)를 사용하였다. 레일과 교량상판/레일과 콘크리트 슬래브에서 설치되는 체결장치, 그리고 콘크리트 슬래브와 교량상판사이에 위치하는 슬라이딩 층의 거동은 비선형 스프링(SPRING2, nonlinear)을 사용하여 모사하였다.
3과 같이 Constraint 방정식과 강체 요소인 Rigid Link(CONN2D2, beam)를 사용하였다. 레일과 교량상판/레일과 콘크리트 슬래브에서 설치되는 체결장치, 그리고 콘크리트 슬래브와 교량상판사이에 위치하는 슬라이딩 층의 거동은 비선형 스프링(SPRING2, nonlinear)을 사용하여 모사하였다. 레일과 교량 상부구조물은 2Node Beam Element(B31)를 사용하였다.
온도 하중, 열차의 시·제동 하중 및 수직 하중에 대한 상호작용 효과를 조합하여 기존형식과 RCS모델의 부가 축력을 비교하였다.
콘크리트 궤도와 교량상판 사이에 교량 종방향슬라이딩 층이 존재하는 구조를 Fig. 2, (b)∼(e)와 같이 슬라이딩층이 놓이게 되는 콘크리트 슬래브의 연속여부와 구속 정도에 따라 4가지 모델을 적용하였다.

대상 데이터

레일과 교량 상부구조물은 2Node Beam Element(B31)를 사용하였다. 교량구간 양단에 각각 300 m의 토공구간을 가정하여 전체 해석길이를 760 m로 선정하였으며, 교각의 휨과 지반조건의 영향은 고려하지 않았다.
레일과 교량상판/레일과 콘크리트 슬래브에서 설치되는 체결장치, 그리고 콘크리트 슬래브와 교량상판사이에 위치하는 슬라이딩 층의 거동은 비선형 스프링(SPRING2, nonlinear)을 사용하여 모사하였다. 레일과 교량 상부구조물은 2Node Beam Element(B31)를 사용하였다. 교량구간 양단에 각각 300 m의 토공구간을 가정하여 전체 해석길이를 760 m로 선정하였으며, 교각의 휨과 지반조건의 영향은 고려하지 않았다.
해석 대상교량은 Fig. 2와 같이 교량길이는 160 m이며, 2경간 연속 PSC Box 거더교 2개를 구성하였다. 교량받침의 배치는 가동-고정-가동(Move-Fix-Move, MFM) 방식을 적용하였다.

데이터처리

모델에 따른 궤도-교량 종 방향 상호작용 저감 효과의 분석을 위하여 범용해석프로그램 Abaqus 6.13[3]을 이용하였다. 교량 상부구조의 실제 높이에 대한 영향을 고려할 수 있도록 레일과 교량 상부구조의 중립축, 상부구조의 중립축과 교좌장치의 연결은 Fig.

이론/모형

2와 같이 교량길이는 160 m이며, 2경간 연속 PSC Box 거더교 2개를 구성하였다. 교량받침의 배치는 가동-고정-가동(Move-Fix-Move, MFM) 방식을 적용하였다.

성능/효과

(Fig. 10,(a)) RCS형식과 RDS형식의 콘크리트 슬래브의 최대 변위는 각각 0.69 mm, 0.67 mm로 유사하게 나타났다.(Fig.
(Fig. 8,(a)) UCS형식과 UDS형식의 콘크리트 슬래브의 변위비교 시 UCS형식에서 최대 약 66%(UDS; 9.35 mm, UCS; 15.5 mm) 큰값을 나타냈다.(Fig.
(Fig. 8,(b)) 온도변화에 의하여 거더 뿐만 아니라 슬라이딩층이 설치되는 콘크리트 슬래브 또한 신축이 발생하며, 이로 인하여 UDS형식의 경우는 기존 형식과 동일한 거동을 보이나 UCS형식의 경우 경간장이 길어지는 효과로 인하여 오히려 기존형식 대비 불리한 형식으로 판단된다. 그러므로 슬라이딩층이 설치되는 콘크리트 슬래브는 온도에 따른 신축이 발생하지 않도록 교량 종방향으로 구속시켜야 함을 알 수 있다.
레일의 종 방향 변위의 경우 RCS형식은 기존의 모델과 비교 시 최대 약 83 %(Original Model; -3.307 mm, RCS; 0.561 mm) 저감되었으며, RDS형식의 경우 약 86%(Original Model; -3.307 mm, RDS; 0.464 mm) 저감되었다.(Fig.
72 kN)가 감소하는 효과가 나타났다. 변위 또한 최대 변위발생 위치는 기존 형식과 동일하게 나타났으며, 크기는 기존 모델보다 약 73 %(Original Model; 0.489 mm, RCS;0.132 mm) 작게 나타났다.
슬라이딩층이 고려된 RCS모델에 발생되는 레일의 최대 부가축력 비교 시 기존형식보다 약 59.3 %(Original Model; 636 MPa, RCS; 259 MPa)저감된 것임을 알 수 있다.
열차 수직하중을 고려했을 때 RCS모델에 발생하는 최대 부가축응력 발생위치는 기존형식과 동일하게 나타났으며, 약 94 %(Original Model; 143 kN, RCS; 7.72 kN)가 감소하는 효과가 나타났다. 변위 또한 최대 변위발생 위치는 기존 형식과 동일하게 나타났으며, 크기는 기존 모델보다 약 73 %(Original Model; 0.
열차의 시·제동하중 작용에 의해 레일에 발생하는 축력은 슬라이딩 층을 고려한 형식인 RCS모델이 기존형식에 비해 최대 약 47.3 %(Original Model; 65.1 kN, RCS; 95.9 kN)가 증가하였으며, 변위는 최대 약 220%(Original Model; 0.280 mm, RCS; 0.897 mm) 증가하였다.
이상의 해석을 통하여 온도변화에 의한 거동을 살펴본 결과, Fig. 2에서 제시된 5가지 구조형식 중 구속된 콘 크리트 슬래브가 일체형(RCS모델, Fig. 2, (e))으로 설치된 모델이 상호작용 저감에 가장 효과적인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시·제동하중에 의한 축력과 변위를 궤도 구조에서 제어될 수 있도록 설계되어야 하는 이유는?	기존형식에서는 레일상에 작용하는 열차의 시·제동 하중에 의한 응답에 교량구조물의 강성과 기하조건이 영향을 미치게 된다. 그러나 궤도와 교량이 종방향으로 분리된 RCS모델에서는 교량구조물의 기하조건과 강성이 시·제동하중에 의한 궤도의 응답에 영향을 미치지 않게 되어 기존 형식보다 레일의 부가축력과 변위가 크게 발생하게 되는 것이다. 그러므로 RCS모델을 적용한 궤도교량 시스템에서는 시·제동하중에 의한 축력과 변위를 궤도 구조에서 제어 될 수 있도록 하는 대책이 필요하다.
	국내 철도교량은 대부분 어떻게 이루어져 있는가?	국내 철도교량은 비교적 짧은 경간(30∼45 m)의 단순교 또는 2경간 연속교로 이루어진 것이 대부분이다. 국내의 경우, 설계 시 교량과 궤도의 상호작용에 의한 부가응력과 변위가 설계기준치를 초과할 경우에는 교량의 지간장을 줄이거나 활동체결구와 같은 특수체결장치를 사용하거나 또는 레일신축이음매 등을 부설하여 해결하려는 경향이 있다.
	본문에서 언급된 국내 지형의 특성은 무엇인가?	산지가 전국토의 70%를 차지하는 국내 지형의 특성으로 인하여, 철도선로 전체 노선의 상당부분을 교량구간이 차지한다. 이에 따라 교량 설계 시 경제성 증가를 위하여 경간장을 늘리는 것이 유리하지만 궤도-교량 상호작용에 의한 레일의 부가축응력, 변위 등의 문제로 인한 제약이 발생한다.

참고문헌 (5)

N.H. Lim, K.C. Lee and Y.Lee, Reduction technology of track-bridge interaction to enhancing the application of railway bridges with longer continuous span, Ministry of Land, Infrastructure and Transport R&D Report, 2014.
S. Shuli, Z. Wenjian, W. Zhaohu, S. Wei,, "Design of unballasted track bridges on Beijing- Tianjin intercity railway", Engineering Sciences, 9(4),2011
ABAQUS/Standard User's Manual - Version 6.13, Dassault Systemes, 2013
KR(KOREA RAIL NETWORK AUTHORITY), "KRC-08080 : Track-bridge longitudinal interaction analysis", January, 2014
K.C. Lee, "Feasibility Analysis of Sliding Slab Track for Reducing Track-Bridge Interaction", Conference of the Korean society for railway, May, 2014

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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