아스팔트 노반상 자갈궤도(이하, AC자갈궤도)는 아스팔트 콘크리트 노반(이하, AC노반)에 의한 열차하중의 분산으로 노반 두께 감소 효과, 빗물의 침투방지 효과로 인한 노반부의 강도저하와 연약화 방지 효과, 노반 분니 방지 및 동상방지에 의한 유지보수비 절감 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 장점들에 의해 AC자갈궤도는 유럽 및 일본 등에서 널리 사용되고 있으며 국내에서도 도입을 위한 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS을 이용하여 현재 철도설계기준에 제시되어 있는 고속철도용 자갈궤도의 성능에 부합하는 AC자갈궤도 단면을 선정하고 선정된 2개의 단면을 대상으로 실물 대형 정 동적 열차하중 재하 시험을 수행하였다. 실대형 실험 결과, AC자갈궤도가 강화노반 상면에 작용하는 토압이 상대적으로 작게 측정되었으며 탄성 및 소성변위도 상대적으로 유사 또는 작은 것을 알 수 있었다. 따라서 AC자갈궤도가 자갈궤도에 비해 열차하중 분산효과에 의한 강화노반 두께 감소효과가 있고 소성변위도 작으므로 궤도의 장기 유지관리 측면에서도 유리한 궤도구조임을 확인하였다.
아스팔트 노반상 자갈궤도(이하, AC자갈궤도)는 아스팔트 콘크리트 노반(이하, AC노반)에 의한 열차하중의 분산으로 노반 두께 감소 효과, 빗물의 침투방지 효과로 인한 노반부의 강도저하와 연약화 방지 효과, 노반 분니 방지 및 동상방지에 의한 유지보수비 절감 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 장점들에 의해 AC자갈궤도는 유럽 및 일본 등에서 널리 사용되고 있으며 국내에서도 도입을 위한 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS을 이용하여 현재 철도설계기준에 제시되어 있는 고속철도용 자갈궤도의 성능에 부합하는 AC자갈궤도 단면을 선정하고 선정된 2개의 단면을 대상으로 실물 대형 정 동적 열차하중 재하 시험을 수행하였다. 실대형 실험 결과, AC자갈궤도가 강화노반 상면에 작용하는 토압이 상대적으로 작게 측정되었으며 탄성 및 소성변위도 상대적으로 유사 또는 작은 것을 알 수 있었다. 따라서 AC자갈궤도가 자갈궤도에 비해 열차하중 분산효과에 의한 강화노반 두께 감소효과가 있고 소성변위도 작으므로 궤도의 장기 유지관리 측면에서도 유리한 궤도구조임을 확인하였다.
Ballasted track on an asphalt roadbed can be beneficial for its various effects such as (i) decreasing of roadbed thickness by dispersing train load; (ii) prevention of both strength reduction and weakening in roadbed system by preventing rainwater penetration; and (iii) reducing maintenance cost by...
Ballasted track on an asphalt roadbed can be beneficial for its various effects such as (i) decreasing of roadbed thickness by dispersing train load; (ii) prevention of both strength reduction and weakening in roadbed system by preventing rainwater penetration; and (iii) reducing maintenance cost by preventing roadbed mud-pumping and frostbite. With these beneficial effects, ballasted track on asphalt roadbed has been widely used in Europe and Japan, and relevant research for applying such ballasted track on asphalt roadbed systems in Korea is ongoing. In this study, full-scale static and dynamic train load tests were performed to compare the performance of ballasted track on asphalt roadbed and ballasted track. The optimum thickness levels of asphalt and reinforced roadbeds, corresponding to the design criteria for reinforced roadbed of high-speed railway, was estimated using the FEM program ABAQUS. Test results show that the earth pressure on reinforced roadbed of ballasted track on the asphalt roadbed was relatively low compared with that of simple ballasted track. The elastic and plastic displacements of simple ballasted track on the asphalt roadbed were also lower than those of ballasted track. These test results may indicate that the use of ballasted track on asphalt roadbed is an advantageous system in view of long-term maintenance.
Ballasted track on an asphalt roadbed can be beneficial for its various effects such as (i) decreasing of roadbed thickness by dispersing train load; (ii) prevention of both strength reduction and weakening in roadbed system by preventing rainwater penetration; and (iii) reducing maintenance cost by preventing roadbed mud-pumping and frostbite. With these beneficial effects, ballasted track on asphalt roadbed has been widely used in Europe and Japan, and relevant research for applying such ballasted track on asphalt roadbed systems in Korea is ongoing. In this study, full-scale static and dynamic train load tests were performed to compare the performance of ballasted track on asphalt roadbed and ballasted track. The optimum thickness levels of asphalt and reinforced roadbeds, corresponding to the design criteria for reinforced roadbed of high-speed railway, was estimated using the FEM program ABAQUS. Test results show that the earth pressure on reinforced roadbed of ballasted track on the asphalt roadbed was relatively low compared with that of simple ballasted track. The elastic and plastic displacements of simple ballasted track on the asphalt roadbed were also lower than those of ballasted track. These test results may indicate that the use of ballasted track on asphalt roadbed is an advantageous system in view of long-term maintenance.
본 논문에서는 AC자갈궤도의 국내 철도로의 도입을 검토하기 위해 먼저 ABAQUS 프로그램을 이용하여 철도설계기준[7]에 제시된 강화노반 두께를 가진 자갈궤도와 유사한 성능을 나타내는 AC자갈궤도의 단면을 도출하고, 도출된 단면을 대상으로 실대형 실험을 수행하였다. 실대형 실험은 정·동적 열차하중 재하 시의 노반에 작용하는 토압과 탄·소성 침하를 계측, 분석하였다.
제안 방법
자갈궤도와 AC자갈궤도의 성능평가를 위해 현재 고속철도 설계 기준에 의거한 강화노반 두께를 가진 자갈궤도와 유사한 성능을 나타내는 AC자갈궤도의 단면을 도출하고, 도출된 단면을 대상으로 실대형 실험을 수행하였다. 실험결과를 분석하여 AC자갈궤도 단면(안)을 제시하고 현 궤도 성능평가 기준에 대한 만족여부를 고찰하였으며 이에 대한 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
따라서 본 논문에서는 수치 해석 결과에 의해 열차하중 재하 시의 실대형 실험을 위한 실험단면으로 강화노반 두께가 400mm인 자갈궤도와 AC노반 두께 50mm, 강화노반 두께 250mm의 AC자갈궤도를 선정하였다.
이론/모형
5%이다. 다짐시험은 상부 노반은 KS F 2312의 D방법으로, 강화노반은 E방법에 의하였다. 실험노반은 들밀도 시험 및 반복 평판 재하시험을 통해 다짐도를 관리하면서 조성하였다.
성능/효과
1. ABAQUS를 이용한 수치해석을 통해 궤도의 탄성변위와 노반의 수직응력을 비교한 결과, 현재 설계기준으로 제정되어 있는 고속철도의 강화노반 두께 400mm인 자갈궤도와 유사한 정동적 거동특성을 보이는 AC자갈궤도의 단면은 AC노반 두께 50mm, 강화노반 두께 250mm인 경우인 것으로 나타났다.
2. 강화노반 두께 400mm인 자갈궤도와 AC노반 두께 50mm, 강화노반 두께 250mm로 이루어진 AC자갈궤도에 대한 정적 열차하중 재하 시험을 수행한 결과, 정적 열차하중 180kN재하 시의 침하량은 자갈궤도 0.64mm, AC자갈궤도 0.66mm였으며, 정적 열차하중 제하 시 잔류 변위량은 자갈궤도 0.43mm, AC자갈궤도 0.22mm로서 유사한 실험값을 나타내었으나 AC자갈궤도가 자갈궤도에 비해 보다 탄성적인 거동을 나타내었다. 또한 2개의 실험단면에 대한 강화노반 상면에서 측정된 토압은 83.
3. 동적 열차하중 재하 실험결과, 동적 열차 하중 300만회 재하 시 강화노반의 누적 침하량은 자갈궤도와 AC자갈궤도에서 각각 1.56mm, 0.99mm이며, 탄성변위는 각각 0.4mm정도의 값을 나타내었다. 2개의 실험단면 모두 한국과 일본의 철도 설계기준에서 정하고 있는 허용 침하량과 탄성 변위 기준을 만족하고 있다.
4. 또한 동적 열차하중 재하 시의 강화노반의 상면에서 측정된 토압은 자갈궤도와 유도상AC궤도에서 각각 50~88kPa, 32~59kPa로서 AC자갈궤도가 자갈궤도에 비해 작으며 토압의 깊이별 분포에서 마찬가지의 결과를 나타내었다. 이는 AC노반을 설치함으로써 강화노반 하부에서 열차 하중이 분산되고 있는 것으로 판단되며, 2개의 실험단면 모두 한국철도시설공단의 철도설계지침 및 편람에 제시된 노반 허용압력을 만족하고 있는 것으로 나타났다.
5. 5본의 침목으로 이루어진 궤광에 하중을 재하 하는 시험과 단침목에 하중을 재하 하는 시험을 통하여 노반에 작용하는 토압을 비교분석 함으로써 뜬 침목의 영향이 있음을 확인하였다. 따라서 궤광을 이용한 실대형 실험 등 자갈궤도의 동적 거동 분석 시 정확한 데이터 확보를 위해서는 뜬 침목의 영향을 고려할 필요가 있음을 알 수 있다.
6. 자갈궤도와 AC자갈궤도의 2단면에 대한 정동적 열차하중 재하 실험 결과, AC자갈궤도가 자갈궤도에 비해 동등 또는 동등 이상의 성능을 가지고 있는 것으로 나타났으므로 현재 철도설계기준에 제시되어 있는 강화노반 두께를 약10cm정도 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 AC자갈궤도에 대한 경제성 분석, 설계 수명 산정, 실현장 부설시험을 통해 철도로의 도입을 위한 지속적인 연구를 추진할 계획이다.
후속연구
자갈궤도와 AC자갈궤도의 2단면에 대한 정동적 열차하중 재하 실험 결과, AC자갈궤도가 자갈궤도에 비해 동등 또는 동등 이상의 성능을 가지고 있는 것으로 나타났으므로 현재 철도설계기준에 제시되어 있는 강화노반 두께를 약10cm정도 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 AC자갈궤도에 대한 경제성 분석, 설계 수명 산정, 실현장 부설시험을 통해 철도로의 도입을 위한 지속적인 연구를 추진할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한국철도의 대부분을 차지하고 있는 궤도는?
특히 한국철도의 대부분을 차지하고 있는 자갈궤도는 건설비가 저렴하고 비교적 간단히 유지관리를 할 수 있는 구조이기 때문에 철도의 탄생과 함께하여 온 궤도구조이지만 열차 주행에 의한 도상 자갈의 유동 및 궤도 파괴, 자갈의 오염 또는 분니에 의한 투수성 감소 등 자갈 도상의 변형 등에 따른 지속적인 유지보수를 수반하는 단점을 가진 궤도구조이기도하다. 그러므로 이러한 단점을 해결하고자 유럽과 미국, 일본 등에서는 오래 전부터 강화노반과 자갈도상 사이에 AC노반을 부설하는 AC자갈궤도를 채용하여 왔다[3].
자갈궤도의 장단점은?
특히 한국철도의 대부분을 차지하고 있는 자갈궤도는 건설비가 저렴하고 비교적 간단히 유지관리를 할 수 있는 구조이기 때문에 철도의 탄생과 함께하여 온 궤도구조이지만 열차 주행에 의한 도상 자갈의 유동 및 궤도 파괴, 자갈의 오염 또는 분니에 의한 투수성 감소 등 자갈 도상의 변형 등에 따른 지속적인 유지보수를 수반하는 단점을 가진 궤도구조이기도하다. 그러므로 이러한 단점을 해결하고자 유럽과 미국, 일본 등에서는 오래 전부터 강화노반과 자갈도상 사이에 AC노반을 부설하는 AC자갈궤도를 채용하여 왔다[3].
AC자갈궤도는 기존 자갈괴도의 어떤 단점을 해결하고자 등장한 것인가?
특히 한국철도의 대부분을 차지하고 있는 자갈궤도는 건설비가 저렴하고 비교적 간단히 유지관리를 할 수 있는 구조이기 때문에 철도의 탄생과 함께하여 온 궤도구조이지만 열차 주행에 의한 도상 자갈의 유동 및 궤도 파괴, 자갈의 오염 또는 분니에 의한 투수성 감소 등 자갈 도상의 변형 등에 따른 지속적인 유지보수를 수반하는 단점을 가진 궤도구조이기도하다. 그러므로 이러한 단점을 해결하고자 유럽과 미국, 일본 등에서는 오래 전부터 강화노반과 자갈도상 사이에 AC노반을 부설하는 AC자갈궤도를 채용하여 왔다[3].
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