자갈궤도에서 레일과 침목을 연결하는 체결장치의 레일패드 강성이 증가함에 따라 윤중이 증가하고 궤도틀림진전이 증가되어 궤도유지보수비가 증가하게 된다. 반면에 레일패드강성이 감소하면 차량운행에 따른 전력소모비가 증가하게 된다. 따라서 자갈궤도 설계 시에 차량과 궤도 및 운영조건을 고려하여 궤도유지보수비와 전력소모비를 가급적 작게 할 수 있는 적정 레일패드강성을 결정하는 것은 철도 경제성 확보차원에서 중요한 과제라 할 수 있다. 본 연구에서는 $L{\acute{o}}pez$ Pita 등이 제시한 자갈궤도에서의 최적레일패드 강성을 평가하는 프로세서를 기초로 적정 레일패드강성 범위를 구하였다. 연구결과에 중요한 영향을 주는 레일패드강성에 따른 윤중변화를 보다 정확하게 평가하기 위하여 궤도구성품의 거동특성을 보다 상세하게 고려할 수 있는 고도화된 수치해석적 기법을 사용하여 평가하였다. 또한 국내에서의 차량, 궤도 운영조건을 고려함으로써 국내에서 궤도설계에 적용할 수 있는 적정 레일패드강성 범위를 도출하였다.
자갈궤도에서 레일과 침목을 연결하는 체결장치의 레일패드 강성이 증가함에 따라 윤중이 증가하고 궤도틀림진전이 증가되어 궤도유지보수비가 증가하게 된다. 반면에 레일패드강성이 감소하면 차량운행에 따른 전력소모비가 증가하게 된다. 따라서 자갈궤도 설계 시에 차량과 궤도 및 운영조건을 고려하여 궤도유지보수비와 전력소모비를 가급적 작게 할 수 있는 적정 레일패드강성을 결정하는 것은 철도 경제성 확보차원에서 중요한 과제라 할 수 있다. 본 연구에서는 $L{\acute{o}}pez$ Pita 등이 제시한 자갈궤도에서의 최적레일패드 강성을 평가하는 프로세서를 기초로 적정 레일패드강성 범위를 구하였다. 연구결과에 중요한 영향을 주는 레일패드강성에 따른 윤중변화를 보다 정확하게 평가하기 위하여 궤도구성품의 거동특성을 보다 상세하게 고려할 수 있는 고도화된 수치해석적 기법을 사용하여 평가하였다. 또한 국내에서의 차량, 궤도 운영조건을 고려함으로써 국내에서 궤도설계에 적용할 수 있는 적정 레일패드강성 범위를 도출하였다.
To overcome the weaknesses of viaduct bridges and the non-economic efficiency of underground LRT, the study of near-surface railway systems is in progress. To apply a box structure to the low depth transit, a connection joint to precast modules are very important when applying precast modular struct...
To overcome the weaknesses of viaduct bridges and the non-economic efficiency of underground LRT, the study of near-surface railway systems is in progress. To apply a box structure to the low depth transit, a connection joint to precast modules are very important when applying precast modular structures to replace temporary structures. In this study, wall to wall connections were applied in diverse cases such as rebar connections, guiding structures that were used to fit the verticality of precast walls during construction, and non-reinforcement structures used only for waterstop. Experimental performance verification was carried out for the bending, shear and splitting of the wall to wall connection. Precision of construction joints between wall to wall was identified as a factor that influenced the structural performance of the precast wall. A structure that can serve as a guide during the vertical insertion of a wall is confirmed for the most suitable case, but it will be necessary to modify this structure for detailed cases.
To overcome the weaknesses of viaduct bridges and the non-economic efficiency of underground LRT, the study of near-surface railway systems is in progress. To apply a box structure to the low depth transit, a connection joint to precast modules are very important when applying precast modular structures to replace temporary structures. In this study, wall to wall connections were applied in diverse cases such as rebar connections, guiding structures that were used to fit the verticality of precast walls during construction, and non-reinforcement structures used only for waterstop. Experimental performance verification was carried out for the bending, shear and splitting of the wall to wall connection. Precision of construction joints between wall to wall was identified as a factor that influenced the structural performance of the precast wall. A structure that can serve as a guide during the vertical insertion of a wall is confirmed for the most suitable case, but it will be necessary to modify this structure for detailed cases.
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문제 정의
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 시공 중에 가시설 역할을 대체하는 프리캐스트 강성벽체간의 연결을 위하여 다양한 조건에 대한 구조적 안전성 성능 검증 실험을 수행하였다.
제안 방법
구조보강 측면에서 WW1은 벽체 제작시 블록아웃부에 돌출된 최소한의 보강철근을 무수축몰탈로 채워넣는 것이며, WW4는 T형 철근과 나선철근까지 배근한 강결구조 결합이다. WW2와 WW3은 무보강 지하연속벽처럼 연결부에 구조적 보강없이 차수를 위한 고신축지수판을 적용한 차수효과를 고려하되 단면형상을 다르게 적용한 경우로, 지수효과를 검토 하기 위하여 실험 전 유수의 흐름 여부를 확인하였다.
1(b)와 같이 지하구조물 시공시 트렌치 굴착에 의한 가시설 대체 벽체를 시공하는 경우 지하박스 구조물 시공을 위한 내부 토공 굴착 전 벽체 패널 연결부 사이에 방수공 작업이 필요하다. 본 연구에서는 지하연속벽으로 프리캐스트 벽체와 벽체를 연결하기 위하여 Fig. 2와 Fig. 3과 같이 프리캐스트 벽체 패널간 연결부 6가지 조건 및 단면에 대하여 구조보강 또는 신축고무를 적용하여 지수효과 방안을 고려하였고, 그 상세 제원은 Table 1과 같다. 구조보강 측면에서 WW1은 벽체 제작시 블록아웃부에 돌출된 최소한의 보강철근을 무수축몰탈로 채워넣는 것이며, WW4는 T형 철근과 나선철근까지 배근한 강결구조 결합이다.
휨 검토시 50t의 액츄에이터와 전단과 할렬검토시 200t의 액츄에이터를 사용하였고, 균열확인을 위하여 가력 단계를 구분하여 실험을 수행하였다. 시험체 연결부 및 내부 철근 응력변화를 확인하고자 스트레인 게이지를 철근 및 연결부 주요 부재에 설치하였고, 실험체의 변형상태를 측정하기 위하여 균열 계와 변위계를 Fig. 4와 같이 설치하였다. 각 실험별 시험체 세팅 전경은 Fig.
연결부 성능검증 실험을 위해 시험체 가력은 변위제어방식으로 초기에는 0.1mm/sec로 가력을 시작하였고 변형량이 5mm 를 초과한 이후에는 0.2mm/sec로 가력속도를 증가시켰다[5-7]. 휨 검토시 50t의 액츄에이터와 전단과 할렬검토시 200t의 액츄에이터를 사용하였고, 균열확인을 위하여 가력 단계를 구분하여 실험을 수행하였다.
WW5와 WW6은 강재의 연결재 형상을 T형과 L형 형태로 적용한 것으로, 벽체 시공시 트렌치 굴착 후 지하 구조물 상부 토피고로 인한 작업제한성이 있는 경우 벽체의 수직도 관리를 위한 가이드 역할을 병행하는 경우이다. 연결부 성능검증은 휨, 전단, 할렬저항 성능을 확인하고자 각 시험체를 3개씩 제작하여 실험을 수행하였다.
저비용 저심도 시스템은 공용도로를 따르는 선형성과 지하 5~7m에 건설되기 때문에 공사비 절감과 소음/진동이 적고 사용자의 효율적인 접근성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 저심도 지하구조물의 경제성과 시공성 확보를 위하여 가시설을 대체하는 프리캐스트 형식의 모듈식 구조체를 적용하였다[1,2,3]. 모듈식 구조체 연결부는 크게 강성벽체와 강성벽체간의 연결과 벽체와 상/하부 슬래브 간의 연결부로 구성된다[4].
저심도의 지하구조물을 프리캐스트 벽체를 적용하기 위하여 6가지 조건의 벽체간 연결부에 대한 휨, 전단, 할렬저항 실험을 수행하였다.
대상 데이터
2mm/sec로 가력속도를 증가시켰다[5-7]. 휨 검토시 50t의 액츄에이터와 전단과 할렬검토시 200t의 액츄에이터를 사용하였고, 균열확인을 위하여 가력 단계를 구분하여 실험을 수행하였다. 시험체 연결부 및 내부 철근 응력변화를 확인하고자 스트레인 게이지를 철근 및 연결부 주요 부재에 설치하였고, 실험체의 변형상태를 측정하기 위하여 균열 계와 변위계를 Fig.
성능/효과
1. 저심도의 지하구조물을 프리캐스트 벽체로 활용함에 있어 프리캐스트 벽체 가이드 역할 및 수직도 관리 등이 필요하며, 프리캐스트 연결부 시공오차를 최소화하여 연결부에서의 균열발생을 최대한 억제하여야 내구성이 우수할 것으로 판단된다.
2. 앵글형태의 연결구조는 단면내력을 확보하고 있으며, 시공시 가이드 역할을 수행할 수 있어, 본 연구에서 제안한 프리캐스트 벽체를 적용함에 있어 가장 적합한 조건으로 판단된다.
3. 프리캐스트 벽체간 연결부에서 구조보강이 적용되지 않고 고신축 지수재만을 적용한 경우에는 휨, 전단저항 실험이 불가능할 정도로 구조내력이 취약한 것을 확인되어 지하박스 구조물 연결부 적용에는 부적합한 것으로 판단된다. 또한, 유수 투과실험 결과 프리캐스트 벽체와 지수재 사이로 물이 통과하는 것으로 보아 차수가 불완전함을 확인하였다.
4. T형상의 벽체간 연결부에는 콘크리트 단면의 응력집중 요인이 발생하여 취성파괴가 발생하고 휨모멘트에 의한 단면 내력이 부족하므로, T형 연결재 주변에의 콘크리트 구조보강이 필요하다. 강결연결구조는 단면내력이 다른 조건에 비하여 가장 월등함을 확인하였으나, 실제 철근배근 및 나선철근 배근 등 시공성이 매우 복잡하며, 토피가 존재하는 경우 시공성이 불량하다.
균열발생 패턴으로 볼 때 전반적으로 연결부 적용에 따른 콘크리트 단면이 변하는 위치에서의 균열이 우선적으로 발생하고, 연결부에서 프리캐스트와 무수축몰탈사이의 경계에서 균열이 발생함을 확인하였다. WW1과 WW5는 보강이 상대적으로 취약한 콘크리트 단면에서 먼저 균열이 진전되었으며, WW6은 강재 매입 위치를 따라서 균열이 우선적으로 발생함을 확인하였다. 이 실험 결과를 바탕으로, 프리캐스트 구조물간 연결부는 단면보강이 필요한 구조임을 확인하였다.
12에서 보는 바와 같이 할렬실험의 경우 벽체 연결부에서의 변위가 발생하면서 구조물이 파괴되는 반면, 실제 본 구조물에서는 벽체 하부가 지반지지조건이며 벽체 길이가 5m 이상의 박스 종방향으로는 프리캐스트 벽체가 설치되어 있는 조건이므로, 할렬에 의한 파괴는 거의 발생하지 않을 것으로 판단된다. 가력방향으로 변위 발생이 5mm 이내의 조건에서 프리캐스트 벽체간의 이격 변위는 5mm 이내로 아주 미세한 것을 확인하였다.
9에서 보는 바와 같이 전단저항 구조 관점에서 구조보강이 되지 않은 WW2, WW3을 제외하고 모두 소요전단 이상을 확보하고 있는 것을 확인할 수 있다. 강결구조의 WW4와 앵글연결구조의 전단저항성능이 가장 우수하며, 무수축몰탈 보강구조인 WW1, T형 보강구조인 WW5, 앵글형상 보강구조인 WW6은 전단성능은 소요전단성능에 근접한 값을 보이고 있다. 특히, T형 보강의 경우 T형 헤드 단면 형상에서의 취성파괴 현상이 발생하므로 연결부 주변에 대한 콘크리트 단면 응력집중에 대한 대응이 필요한 것을 확인하였다.
고신축 지수재를 적용한 프리캐스트 벽체와 벽체간의 연결부에 대하여 실험 전 유수흐름에 대한 실험 결과, 프리캐스트 벽체와 고신축 지수재 간의 완전밀폐가 되지 않아 벽체와 지수재 사이에 물이 통과하는 것으로 확인되어 본 구조물에서는 부적합한 형식으로 판단하였다.
균열발생 패턴으로 볼 때 전반적으로 연결부 적용에 따른 콘크리트 단면이 변하는 위치에서의 균열이 우선적으로 발생하고, 연결부에서 프리캐스트와 무수축몰탈사이의 경계에서 균열이 발생함을 확인하였다. WW1과 WW5는 보강이 상대적으로 취약한 콘크리트 단면에서 먼저 균열이 진전되었으며, WW6은 강재 매입 위치를 따라서 균열이 우선적으로 발생함을 확인하였다.
균열형상으로 볼 때 WW1~WW3은 연결부에서 균열 및 파괴가 이루어진 경우이며, WW4~ WW6은 연결부 보강부재에 의한 강성이 확보된 경우이지만, 벽체에서의 휨균열 및 휨-전단 균열이 발생할 때 휨모멘트 저항성능이 저하되는 것으로 확인되었다.
프리캐스트 벽체간 연결부에서 구조보강이 적용되지 않고 고신축 지수재만을 적용한 경우에는 휨, 전단저항 실험이 불가능할 정도로 구조내력이 취약한 것을 확인되어 지하박스 구조물 연결부 적용에는 부적합한 것으로 판단된다. 또한, 유수 투과실험 결과 프리캐스트 벽체와 지수재 사이로 물이 통과하는 것으로 보아 차수가 불완전함을 확인하였다.
따라서, WW5는 프리캐스트 벽체의 철근보강이 어려운 구조로 연결부 상세 보강이 필요한 것으로 판단된다. 반면, Fig. 7의 하중-변위 곡선에서 구조적으로 강결에 가까운 WW4가 다른 경우에 비하여 휨모멘트 저항이 가장 큰 것을 확인할 수 있으며, 철근보강 및 앵글보강으로 이루어진 WW1, WW6은 상대적으로 휨모멘트에 대한 저항이 WW4보다는 작은 것으로 확인되었다. 즉, WW1은 벽체의 시공성을 고려한 연결부의 최소 보강의 경우로, 철근보강이 상대적으로 부족하여 휨저항이 저하되었으며, WW6은 Fig.
벽체-벽체 연결부 성능을 확인하고자 Fig. 6과 같이 변위제어를 통한 가력을 수행하였으며, 가력기에 설치된 변위계에서 측정되는 결과로드셀과 변위계를 통해 측정된 변위 및 가력 이력곡선이 일치함을 확인할 수 있다. 지하 연속벽 구조물을 프리캐스트 벽체지지 구조로 시공함에 있어 프리캐스트 벽체간 연결부에 대한 휨모멘트, 전단력, 할렬에 대한 저항실험을 수행한 결과는 다음과 같다.
본 실험에서 검토한 연결부 조건에 대한 경제성 측면에서는 고신축지수고무를 적용한 WW2, WW3이 가장 유리하나, 성능이 부족한 것으로 판단되었다. 강재 매립형태 또는 철근보강의 WW4~WW6은 프리캐스트 벽체에 근입되어야 하는 강재/철근 물량으로 인하여 연결부 개소당 60만원 이상으로 경제성 측면에서는 불리하므로, 저심도 특성상 시공성을 중점적으로 고려한 최적화 과정이 필요할 것으로 판단된다.
WW1과 WW5는 보강이 상대적으로 취약한 콘크리트 단면에서 먼저 균열이 진전되었으며, WW6은 강재 매입 위치를 따라서 균열이 우선적으로 발생함을 확인하였다. 이 실험 결과를 바탕으로, 프리캐스트 구조물간 연결부는 단면보강이 필요한 구조임을 확인하였다.
토압에 의한 휨모멘트는 벽체에서 지지되는 구조이며, 벽체와 벽체 연결부에서의 휨모멘트는 상부 슬래브지지 및 벽체하부 지반지지 조건으로 거의 발생하지 않는 구조이다. 즉, 지하박스구조물의 연결부는 전단 저항을 갖는 구조이어야 하며, 실험결과 전단력은 WW2, WW3을 제외하고 WW1, WW4~WW6이 만족하는 것을 확인할 수 있다. 프리캐스트 벽체 연결부 적용에 있어 시공조건, 단면내력 및 경제성 등을 고려할 때 앵글형태의 WW6 조건이 가장 적합한 것으로 판단되며, 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
강결구조의 WW4와 앵글연결구조의 전단저항성능이 가장 우수하며, 무수축몰탈 보강구조인 WW1, T형 보강구조인 WW5, 앵글형상 보강구조인 WW6은 전단성능은 소요전단성능에 근접한 값을 보이고 있다. 특히, T형 보강의 경우 T형 헤드 단면 형상에서의 취성파괴 현상이 발생하므로 연결부 주변에 대한 콘크리트 단면 응력집중에 대한 대응이 필요한 것을 확인하였다.
후속연구
본 실험에서 검토한 연결부 조건에 대한 경제성 측면에서는 고신축지수고무를 적용한 WW2, WW3이 가장 유리하나, 성능이 부족한 것으로 판단되었다. 강재 매립형태 또는 철근보강의 WW4~WW6은 프리캐스트 벽체에 근입되어야 하는 강재/철근 물량으로 인하여 연결부 개소당 60만원 이상으로 경제성 측면에서는 불리하므로, 저심도 특성상 시공성을 중점적으로 고려한 최적화 과정이 필요할 것으로 판단된다.
특히, WW6의 경우 극한전단저항은 연결부에 매립된 강재에 의하여 저항이 가능하나, 앵글간의 유격에 의하여 균열이 초기에 발생함을 확인할 수 있으며, 프리캐스트 연결부 시공 유격이 지하박스 구조물의 균열 발생 요인이 되므로 프리캐스트 시공 정밀도 향상이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자갈궤도에서 레일패드 강성이 감소하면 어떤 문제가 있는가?
자갈궤도에서 레일과 침목을 연결하는 체결장치의 레일패드 강성이 증가함에 따라 윤중이 증가하고 궤도틀림진전이 증가되어 궤도유지보수비가 증가하게 된다. 반면에 레일패드강성이 감소하면 차량운행에 따른 전력소모비가 증가하게 된다. 따라서 자갈궤도 설계 시에 차량과 궤도 및 운영조건을 고려하여 궤도유지보수비와 전력소모비를 가급적 작게 할 수 있는 적정 레일패드강성을 결정하는 것은 철도 경제성 확보차원에서 중요한 과제라 할 수 있다.
저비용 저심도 시스템의 장점은 무엇인가?
이러한 문제점을 해결하고자 저비용 저심도 도시철도 적용에 대한 연구가 진행되고 있다[1]. 저비용 저심도 시스템은 공용도로를 따르는 선형성과 지하 5~7m에 건설되기 때문에 공사비 절감과 소음/진동이 적고 사용자의 효율적인 접근성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 저심도 지하구조물의 경제성과 시공성 확보를 위하여 가시설을 대체하는 프리캐스트 형식의 모듈식 구조체를 적용하였다[1,2,3].
자갈궤도에서 레일패드 강성이 증가하면 어떤 문제가 있는가?
자갈궤도에서 레일과 침목을 연결하는 체결장치의 레일패드 강성이 증가함에 따라 윤중이 증가하고 궤도틀림진전이 증가되어 궤도유지보수비가 증가하게 된다. 반면에 레일패드강성이 감소하면 차량운행에 따른 전력소모비가 증가하게 된다.
참고문헌 (7)
J.R. Shin, A.H. Lee, C.S. Lim, J.S. Lee, et al. (2014) The concept of open-cut modular construction method for near-surface transit, 2014 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp. 89.
J.K. Lee, J.S. Lee, S.H. Lee, H.S. Kim (2014) Performance test of modular structure joint for near-surface transit, 2014 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp. 146.
H.S. Kim, J.S. Lee, J.K. Lee, J.S. Yi (2014) Structural analysis of precast box connection/joint for near-surface transit, 2014 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp. 153.
S.Y. Lee, J.J. Song, H.Y. Kim, Y.H. Lee, et al. (2012) Study on the shape of a longitudinal joint of the slab-type precast modular bridges, Journal of Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 16(5), pp. 98-111.
K.S. Kyung, H.H. Lee, J.C. Jeon, K.H. Cho (2003) A study on structural behaviour at rigid connection of rahmen-type hybrid bridge, Journal of Korean Society of Civil Engineers, 23(4A), pp. 687-694.
ACI 550.2R-13 (2013) Design guide for connection in precast jointed systems, American Concrete Institute.
P. Negro, G. Toniolo (2012) Design guidelines for connections of precast structures under seismic actions, JRC Scientific and Policy Reports, European Commission.
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