[논문]온도 및 수축에 의한 연속 철근 콘크리트 궤도의 균열 예측

배성근; 차수원

문제 정의

본 기사에서는 CRCT에서 균열을 보다 효율적으로 제어하기 위하여 균열의 원인과 균열 발생에 미치는 주요 영향 인자를 살펴보고자 한다. 이를 위해 CRCT의 구조를 반영한 2차원 비선형 유한요소해석 모델을 구축하고, 이 모델을 이용하여 균열의 영향인자를 분석하였다.
본 기사에서는 연속 철근 콘크리트 궤도(CRCT)에서 균열을 보다 효율적으로 제어하기 위하여 균열 발생에 미치는 주요 영향인자를 분석하였다.

가설 설정

외부의 대기습도를 국내 평균습도인 70%로 고정하여 수분분포 해석을 실시하였다. 또한 프리캐스트 제품인 콘크리트 침목과 기 타설된 HSB는 충분히 건조수축이 이루어진 상태로 생각하고 새로 타설하는 TCL에서만 건조수축이 발생하는 것으로 가정하였다.
HSB는 W/B가 높은 15MPa의 저강도 콘크리트로 TCL보다 상대적으로 작은 자기수축량이며, 침목은 프리캐스트 제품으로 충분히 자기수축이 이루어진 것으로 생각하여 TCL만 자기수축이 발생하는 것으로 가정하였다. CEB-FIP MC 2010에 의한 TCL 콘크리트(30MPa)의 최종 자기수축량은 66με으로 타설 후 약 500일에 최종 자기수축량에 도달한다(그림 11).

제안 방법

경부고속철도는 2004년 서울-동대구를 연결하는 1단계가 부분 개통되었고, 2010년 동대구-부산을 연결하는 2단계의 개통으로 서울-부산을 연결하는 고속철도가 완전 개통되었다. 시속 300km/h의 운행속도를 구현하기 위해서 장대레일, 콘크리트 궤도 등의 최신공법이 적용되었으며, 특히 1단계에서는 5km이상의 터널을 제외하고 일반철도와 같이 선로에 궤도자갈을 채워서 선로구조물을 고정시켜 저항력을 확보하는 방법으로 열차 주행안정성을 확보 하였고, 2단계에서는 전 구간을 연속 철근 콘크리트 궤도(Continuously Reinforced Concrete Track : CRCT)로 부설하였다. 콘크리트 궤도는 독일과 일본을 중심으로 사용되어 왔으며, 자갈도상 궤도에 비해 승차감이 우수하고 선로 수명이 길며 궤도틀림이 거의 발생하지 않아 유지보수 작업과 비용을 대폭 줄일 수 있다.
본 기사에서는 CRCT에서 균열을 보다 효율적으로 제어하기 위하여 균열의 원인과 균열 발생에 미치는 주요 영향 인자를 살펴보고자 한다. 이를 위해 CRCT의 구조를 반영한 2차원 비선형 유한요소해석 모델을 구축하고, 이 모델을 이용하여 균열의 영향인자를 분석하였다. 그리고 계절에 따라 변화하는 외부 온도 및 습도를 고려하여 복합적인 체적변화를 받는 CRCT의 균열패턴 및 균열폭을 예측하고 현장조사 결과와 비교하였다.
이를 위해 CRCT의 구조를 반영한 2차원 비선형 유한요소해석 모델을 구축하고, 이 모델을 이용하여 균열의 영향인자를 분석하였다. 그리고 계절에 따라 변화하는 외부 온도 및 습도를 고려하여 복합적인 체적변화를 받는 CRCT의 균열패턴 및 균열폭을 예측하고 현장조사 결과와 비교하였다.
CRCT의 온도 및 수축 변화에 따른 균열 발생을 예측하기 위해 상용 유한요소 해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 경부고속철도 2단계에 적용된 Rheda-KTXⅡ의 형상과 치수를 참고하여 CRCT의 일부를 2716개의 요소와 7777개의 노드를 사용하여 2차원 모델링하였다(그림 3).
종방향으로 연속되어 있는 CRCT의 특성을 반영하여 TCL과 HSB의 양단은 종방향 고정지지 하였고, 수직방향의 자유도는 허용하였다. 철근은 종방향, 수직방향 고정지점으로 경계조건을 정의하였다.
TCL, HSB, 침목을 모델링하였고 각 부재의 특성에 맞는 재료특성을 입력하였다(표 1). 온도 및 수축 하중에 의한 균열을 예측하기 위해 콘크리트의 인장모델은 선형 인장 연화 모델(linear tension softening model)을 적용하여 비선형 해석을 수행하였다.
비선형 해석기법은 Newton-Raphson 법을 사용하였고, 해석의 반복횟수를 조정하여 수렴되도록 하였다. 각 구조간의 경계면 특성은 인터페이스요소를 사용하여 구현하였다. TCL중심에 배치된 철근을 모델링하고 철근과 콘크리트의 부착특성을 인터페이스요소를 사용하였다.
본 해석에서는 CRCT의 균열을 두 가지 방법으로 평가하였다. 첫 번째 시공이음부인 Sleeper-TCL은 인장응력이 부착강도에 도달하면 취성적으로 균열이 발생하도록 모델링하였고, 이 폭을 Sleeper-TCL 수직경계 표면의 균열폭으로 하였다.
본 해석에서는 CRCT의 균열을 두 가지 방법으로 평가하였다. 첫 번째 시공이음부인 Sleeper-TCL은 인장응력이 부착강도에 도달하면 취성적으로 균열이 발생하도록 모델링하였고, 이 폭을 Sleeper-TCL 수직경계 표면의 균열폭으로 하였다. 두 번째 침목, TCL, HSB는 인장응력이 인장강도에 도달하면 균열이 분산되어 있는 연속체로 가정하는 분산 균열 모델을 적용하였고 균열발생 이후의 인장거동은 선형 인장 연화 모델을 사용하여 균열 변형률에 의한 균열 패턴을 예측하였다(그림 4).
첫 번째 시공이음부인 Sleeper-TCL은 인장응력이 부착강도에 도달하면 취성적으로 균열이 발생하도록 모델링하였고, 이 폭을 Sleeper-TCL 수직경계 표면의 균열폭으로 하였다. 두 번째 침목, TCL, HSB는 인장응력이 인장강도에 도달하면 균열이 분산되어 있는 연속체로 가정하는 분산 균열 모델을 적용하였고 균열발생 이후의 인장거동은 선형 인장 연화 모델을 사용하여 균열 변형률에 의한 균열 패턴을 예측하였다(그림 4).
일변화에 의한 표면과 하부의 온도차, 계절에 따른 온도변화에 의해서 전체적인 온도 변화가 발생할 가능성이 크다. 따라서 온도변화에 의한 균열패턴 예측 해석을 수행하였다.
외부의 대기습도를 국내 평균습도인 70%로 고정하여 수분분포 해석을 실시하였다. 또한 프리캐스트 제품인 콘크리트 침목과 기 타설된 HSB는 충분히 건조수축이 이루어진 상태로 생각하고 새로 타설하는 TCL에서만 건조수축이 발생하는 것으로 가정하였다.
외부환경에 의해 CRCT 내부 온도 및 습도의 변화는 동시에 발생하며 체적변화 또한 두 요인의 복합 영향에 의해 발생한다. CRCT의 시공시점을 여름으로 가정하여 각 월별 평균 온도 및 습도를 적용하고 복합요인에 의한 균열발생을 검토하였다. 수축은 앞서 해석과 같이 TCL에서만 발생하는 것으로 하였다.
여름철에 타설된 CRCT를 대상으로 3년 동안의 온도증감 및 건습반복(그림 13)에 의한 균열발생을 해석하였다. 외부 온도 및 습도는 월평균 값으로 적용되었고 자기수축(그림 11)은 타설시점부터의 영향을 고려하였다.
본 해석은 CRCT의 환경하중에 의해 발생하는 균열 매커니즘을 유한요소해석을 통해 분석하였고 현장 실측 균열 폭과 유사한 결과값을 도출하였다. 따라서 재료특성 등의 해석에 기초가 되는 값들의 정확한 자료가 뒷받침 된다면 더욱 정밀한 해석이 가능하며, CRCT 설계에서 균열의 영향인자에 대한 변수해석을 통해 CRCT의 균열폭을 제어하기 위한 기초자료로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
콘크리트 깊이에 따른 온도경사는 비선형으로 나타나며 실제 HSB층에서 온도경사는 거의 무시할 수 있지만 이를 단순화하여 선형 온도경사를 적용하고, 하부보다 상부의 온도가 낮아 표면에 균열이 발생할 가능성이 있는 여름철 밤의 온도차를 보수적으로 적용하여 상하부 온도차를 0℃부터 -10℃까지 변화시켜 온도분포 해석을 수행하였다.

대상 데이터

콘크리트 궤도는 독일과 일본을 중심으로 사용되어 왔으며, 자갈도상 궤도에 비해 승차감이 우수하고 선로 수명이 길며 궤도틀림이 거의 발생하지 않아 유지보수 작업과 비용을 대폭 줄일 수 있다. 경부고속철도 2단계 구간에 적용한 콘크리트 궤도는 독일의 Rheda공법을 발전적으로 개량한 한국형 콘크리트 궤도(Rheda KCT-Ⅱ)이다.
경부고속철도 2단계 구간은 연속 철근 콘크리트 궤도 Continuously Reinforced Concrete Track : CRCT) 구조인 Rheda 2000을 국내실정에 맞게 개선한 Rheda-KCTⅡ가 적용되었으며 궤도시스템은 기본적으로 격자형철근 침목과 연속타설 콘크리트 도상으로 이루어져 있다. 토공구간 CRCT는 그림 2와 같이 강화노반(또는 동상방지층, Frost Protection Layer : FPL), 수경결합층(Hydraulically Stabilized Basecourse : HSB), 그 위에 연속철근이 배근되는 콘크리트 궤도(Track Concrete Layer : TCL)를 기본으로 구성하며 이 때 공칭두께는 각각 300mm 및 240mm를 적용하였다. 그리고 Bi-Block 침목과 타설 콘크리트가 매립되어 완전 결합한 형태로 침목의 역할은 궤간 유지 및 궤도부설이 용이하게 하는 역할을 한다.
각 구조간의 경계면 특성은 인터페이스요소를 사용하여 구현하였다. TCL중심에 배치된 철근을 모델링하고 철근과 콘크리트의 부착특성을 인터페이스요소를 사용하였다.

이론/모형

TCL, HSB, 침목을 모델링하였고 각 부재의 특성에 맞는 재료특성을 입력하였다(표 1). 온도 및 수축 하중에 의한 균열을 예측하기 위해 콘크리트의 인장모델은 선형 인장 연화 모델(linear tension softening model)을 적용하여 비선형 해석을 수행하였다. 비선형 해석기법은 Newton-Raphson 법을 사용하였고, 해석의 반복횟수를 조정하여 수렴되도록 하였다.
온도 및 수축 하중에 의한 균열을 예측하기 위해 콘크리트의 인장모델은 선형 인장 연화 모델(linear tension softening model)을 적용하여 비선형 해석을 수행하였다. 비선형 해석기법은 Newton-Raphson 법을 사용하였고, 해석의 반복횟수를 조정하여 수렴되도록 하였다. 각 구조간의 경계면 특성은 인터페이스요소를 사용하여 구현하였다.

성능/효과

하지만 콘크리트의 타설 시기를 조정하는 것으로 구조물의 경화시 초기 온도를 낮출 수 있고 계획을 통하여 CRCT의 균열발생을 제어하는 역할을 할 수 있다. 따라서 CRCT중 외부에 노출되어 균열발생에 민감한 TCL의 시공시 콘크리트의 타설을 외기온도가 높은 시기는 자제하며 부득이 하게 시공할 때에는 타설온도 및 양생온도는 되도록 낮추어 주는 것이 균열 방지에 좋을 것이라 판단된다.
그림 13 온도 및 습도 복합요인에 의한 해석조건

해석결과 표면의 균열폭은 현장계측의 값인 0.2~0.3mm와 유사하게 870일의 최대 균열폭이 0.174mm으로 해석되었다(그림 14). 또한 균열폭의 여름과 겨울의 차이는 약 0.
철근을 기준으로 상부는 Sleeper-TCL 수직 경계면에서 균열이 발달하고 하부는 침목사이의 중심에서 균열이 발달한다. 본 해석에서는 30년 월평균온도를 적용하였으며 평균이상의 온도변화가 발생할 경우 각 균열이 철근을 통과하여 상하부로 발달할 가능성이 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 해석에서는 HSB의 수축줄눈의 영향이 반영되어 있지 않기 때문에 실제 CRCT의 HSB에서 발생하는 균열패턴과는 다를 것으로 예상된다.
외부환경에 의해 CRCT 내부의 온도 및 습도 변화가 동시에 발생하며 복합요인에 의한 체적변화 발생시 침목과 TCL 수직 경계면에서 최대 0.174mm의 균열폭이 발생하는 것으로 해석되었으며, 이는 현장계측 값인 0.2~0.3mm와 유사하다. 균열폭은 계절변화에 의한 단면전체의 온도변화, 부등건조수축, 자기수축의 순으로 영향이 크다.

후속연구

본 해석은 CRCT의 환경하중에 의해 발생하는 균열 매커니즘을 유한요소해석을 통해 분석하였고 현장 실측 균열 폭과 유사한 결과값을 도출하였다. 따라서 재료특성 등의 해석에 기초가 되는 값들의 정확한 자료가 뒷받침 된다면 더욱 정밀한 해석이 가능하며, CRCT 설계에서 균열의 영향인자에 대한 변수해석을 통해 CRCT의 균열폭을 제어하기 위한 기초자료로 활용이 가능할 것으로 생각된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 궤도의 장점은?	시속 300km/h의 운행속도를 구현하기 위해서 장대레일, 콘크리트 궤도 등의 최신공법이 적용되었으며, 특히 1단계에서는 5km이상의 터널을 제외하고 일반철도와 같이 선로에 궤도자갈을 채워서 선로구조물을 고정시켜 저항력을 확보하는 방법으로 열차 주행안정성을 확보 하였고, 2단계에서는 전 구간을 연속 철근 콘크리트 궤도(Continuously Reinforced Concrete Track : CRCT)로 부설 하였다. 콘크리트 궤도는 독일과 일본을 중심으로 사용되어 왔으며, 자갈도상 궤도에 비해 승차감이 우수하고 선로 수명이 길며 궤도틀림이 거의 발생하지 않아 유지보수 작업과 비용을 대폭 줄일 수 있다. 경부고속철도 2단계 구간에 적용한 콘크리트 궤도는 독일의 Rheda공법을 발전적으로 개량한 한국형 콘크리트 궤도 (Rheda KCT-Ⅱ)이다.
	콘크리트 구조물에서 균열빈도와 크기의 영향인자는 무엇인가?	일반적으로 콘크리트 구조물의 균열은 외력 및 환경하중에 의한 균열로 나눌수 있으며, 환경하중에 의해 발생하는 균열은 콘크리트 수축이나 온도변화 등에 의해 주로 발생하고, 균열빈도와 크기에 영향을 미치는 주요 인자로는 콘크리트 배합, 부재크기, 철근비, 구속도 등이 있다. 국내외 설계기준에서는 이러한 영향인자를 고려하여 균열간격과 균열폭을 예측하고, 적절한 철근량을 적용하도록 하고 있다.
	경부고속철도의 개통 순서는?	경부고속철도는 2004년 서울-동대구를 연결하는 1단계가 부분 개통되었고, 2010년 동대구-부산을 연결하는 2단계의 개통으로 서울-부산을 연결하는 고속철도가 완전 개통되었다. 시속 300km/h의 운행속도를 구현하기 위해서 장대레일, 콘크리트 궤도 등의 최신공법이 적용되었으며, 특히 1단계에서는 5km이상의 터널을 제외하고 일반철도와 같이 선로에 궤도자갈을 채워서 선로구조물을 고정시켜 저항력을 확보하는 방법으로 열차 주행안정성을 확보 하였고, 2단계에서는 전 구간을 연속 철근 콘크리트 궤도(Continuously Reinforced Concrete Track : CRCT)로 부설 하였다.

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