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아스팔트콘크리트 궤도용 궤도변위 저항 장치 개발
Development of Device to Resist Horizontal Displacement of Asphalt Concrete Track 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.19 no.6 = no.97, 2016년, pp.744 - 754  

이성혁 (High-speed Railroad System Research Center, Korea Railroad Research Institute) ,  윤우용 (Department of Civil Engineering, Kyung Hee University) ,  배영훈 (High-speed Railroad System Research Center, Korea Railroad Research Institute)

초록
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아스팔트콘크리트 궤도아스팔트콘크리트 도상 위에 광폭침목 및 콘크리트 패널이 직결되는 궤도 형식으로서 각종 종 횡방향 외력에 대한 저항력이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 광폭침목형 및 콘크리트 패널형 아스팔트콘크리트 궤도에 대해 종 횡방향 저항력 실험을 수행하고 궤도변위 저항 장치에 요구되는 필요 전단 저항력을 산정하였다. 또한 궤도변위 저항 장치로서 콘크리트 블록형 앵커 및 강관형 앵커를 개발하고 각각의 앵커 실험체에 대한 수평전단 실험을 수행하여 앵커 종류별 전단 저항력을 도출하였다. 그리고 아스팔트콘크리트 궤도에 궤도변위 저항 장치 적용 시, 전단 저항 성능 및 경제성 등을 고려하여 궤도변위 저항 장치 적정 개수 및 배치 설계(안)을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Asphalt concrete track (ACT) is a track system connecting wide sleepers and concrete panels on top of an asphalt concrete layer; such a system requires adequate resistance force against various longitudinal and lateral external loads. In this study, a series of experiments were carried out to assess...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 광폭침목 또는 콘크리트 패널에 레일을 고정하기 위해 적용된 레일체결장치 토크는 250N·m이며, 아스팔트콘크리트 도상의 요철 조정 및 접촉 마찰력을 증가시키기 위하여 광폭침목과 콘크리트 패널 각각의 하면에 토목섬유를 설치하였다.
  • 광폭침목과 콘크리트 패널이 각각 적용된 아스팔트콘크리트 궤도에 대한 종·횡방향 저항력 실험을 수행하였으며 그 결과는 Table 4와 같다.
  • 궤도에 종방향 및 횡방향 하중을 재하하기 위하여 Table 4와 같이 강재 브레이싱을 제작하였으며, 하중 재하 시 좌측 및 우측 레일이 일체거동할 수 있도록 양쪽 레일 복부를 커플러로 연결하였다. 실험은 광폭침목 Type 및 콘크리트 패널 Type 각각에 대해 실시하였고, 하중은 변위제어(1mm/min) 방식으로 재하되었으며, 소성변형이 지속될 때까지 실시되었다.
  • 그리고 종·횡방향 저항력 향상은 궤도 변위 억제를 통해 가능하기 때문에 궤도변위를 제어할 수 있는 2가지 종류의 앵커 시스템을 개발하고, 각각의 앵커 Type에 대해 수평 전단 실험을 수행하였다.
  • 토목섬유가 부착된 광폭침목형 및 콘크리트 패널형 아스팔트콘크리트 궤도에 대해 종·횡방향 저항력 실험을 수행하고, AKFF에 정의된 종·횡방향 저항력 요구 성능을 충족시키기 위하여 궤도변위 제어를 목적으로 2가지 종류의 앵커시스템을 개발하였다. 또한 개발된 앵커 시스템의 전단 저항력을 평가하기 위해 총 15개의 실험체를 제작하여 수평 전단 실험을 수행하여 앵커 종류별 전단 저항력을 도출하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
  • 별도의 변위저항 장치가 적용되지 않은 상태에서 아스팔트콘크리트 궤도 구조의 자중에 대한 종방향 및 횡방향 저항력을 평가하기 위해 Fig. 1[4]과 같은 개념으로 종·횡방향 저항력 실험을 실시하였다.
  • 본 논문에서는 토목섬유가 부착된 광폭침목 및 콘크리트 패널이 각각 적용된 실물 아스팔트콘크리트 궤도에 대한 종·횡방향 저항력 실험을 실시하고, AKFF 요구 성능 대비 종·횡방향 저항력 부족분을 도출하였다.
  • 본 연구에 사용된 토목섬유의 마찰계수를 결정하기 위하여, Fig. 4와 같이 시험편을 제작하여 수직하중을 각각 30kN, 50kN, 70kN을 재하한 상태에서 수평방향 최대 하중을 측정하였다. 토목섬유의 마찰계수는 측정된 최대 수평하중을 (수직하중+콘크리트블록 자중)으로 나눈 값이며 그 결과는 Table 3과 같다.
  • 궤도 변위저항 장치는 아스팔트콘크리트 궤도의 수평방향(종방향 또는 횡방향) 변위를 제어할 목적으로 설치되는 장치이므로 수평방향 전단력에 대한 저항성능이 보장되어야 한다. 본 연구에서는 콘크리트 블록형 앵커(A-Type)와 강관형 앵커(B-Type)에 대한 실험체를 제작하여 수평 전단저항 실험을 수행하였다.
  • 궤도에 종방향 및 횡방향 하중을 재하하기 위하여 Table 4와 같이 강재 브레이싱을 제작하였으며, 하중 재하 시 좌측 및 우측 레일이 일체거동할 수 있도록 양쪽 레일 복부를 커플러로 연결하였다. 실험은 광폭침목 Type 및 콘크리트 패널 Type 각각에 대해 실시하였고, 하중은 변위제어(1mm/min) 방식으로 재하되었으며, 소성변형이 지속될 때까지 실시되었다. 실험은 아스팔트콘크리트 도상 시공 → 광폭침목 궤도 시공 → 종방향 저항력 실험(3회 반복) → 횡방향 저항력 실험(3회 반복) → 광폭침목 궤도 철거 → 콘크리트 패널 궤도 시공 → 종방향 저항력 실험(3회 반복) → 횡방향 저항력 실험(3회 반복) → 콘크리트 패널 궤도 철거 → 아스팔트콘크리트 도상 철거 순으로 진행되었다.
  • 실험은 아스팔트콘크리트 도상 시공 → 광폭침목 궤도 시공 → 종방향 저항력 실험(3회 반복) → 횡방향 저항력 실험(3회 반복) → 광폭침목 궤도 철거 → 콘크리트 패널 궤도 시공 → 종방향 저항력 실험(3회 반복) → 횡방향 저항력 실험(3회 반복) → 콘크리트 패널 궤도 철거 → 아스팔트콘크리트 도상 철거 순으로 진행되었다.
  • 아스팔트콘크리트 궤도의 종·횡방향 저항력을 평가하기 위해서 3,750mm(폭)×5,000mm(길이)×300mm(도상두께)의 아스팔트 콘크리트 도상을 시공하였다.
  • 아스팔트콘크리트 궤도의 종·횡방향 저항력을 평가하기 위해서 3,750mm(폭)×5,000mm(길이)×300mm(도상두께)의 아스팔트 콘크리트 도상을 시공하였다. 아스팔트콘크리트 도상은 100mm 두께로 총 3회에 걸쳐 아스팔트 피니셔를 이용하여 포설하였으며, 평탄성과 다짐도 관리를 위해 머캐덤롤러와 타이어롤러를 이용하여 층별 10회 이상 다짐을 실시하였다. 실험에 적용된 아스팔트콘크리트 혼합물의 경우 굵은 골재의 최대 치수는 13mm이고 골재 입도분포는 Fig.
  • 그리고 종·횡방향 저항력 향상은 궤도 변위 억제를 통해 가능하기 때문에 궤도변위를 제어할 수 있는 2가지 종류의 앵커 시스템을 개발하고, 각각의 앵커 Type에 대해 수평 전단 실험을 수행하였다. 전단 저항 성능, 시공성 및 경제성을 고려하여 광폭침목형 및 콘크리트 패널형 아스팔트콘크 리트 궤도에 대한 앵커 배치 설계 또한 수행하였다.
  • 콘크리트 블록형 앵커 4종-12개 실험체 및 강관형 앵커 3개에 대해 수평 전단 실험을 수행하였으며, 수평하중-변위 곡선 및 실험체의 대표적인 파괴형상은 Fig. 9와 같고, 각 실험체별 전단 실험 결과는 Table 7과 같다.
  • 토목섬유가 부착된 광폭침목형 및 콘크리트 패널형 아스팔트콘크리트 궤도에 대해 종·횡방향 저항력 실험을 수행하고, AKFF에 정의된 종·횡방향 저항력 요구 성능을 충족시키기 위하여 궤도변위 제어를 목적으로 2가지 종류의 앵커시스템을 개발하였다.

대상 데이터

  • 강관형 앵커 실험체는 외경 157mm, 두께 7mm, 깊이 200mm 크기의 아스팔트콘크리트 도상을 천공한 후, 앵커볼트가 설치된 두께 12mm의 강판을 강관(Φ=150mm, h=200mm, t=7mm) 상면에 용접하고 이를 천공된 공간에 삽입한 뒤 천공면과 강관 경계면에 아스팔트콘크리트 접착제(KP-ACA) 주입을 통해 제작되었다.
  • 궤도 구조의 조립실험 항목인 종·횡방향 저항력 실험 시 권장되는 시험체 길이는 최소한 침목 5개 길이 이상이므로[4], 본 실험에서는 광폭침목 Type의 경우 침목 5개(적용 레일 길이, L=3.25m), 콘크리트 패널 Type의 경우 패널 3개(적용 레일 길이, L=3.8m)가 적용된 실물 궤도를 아스팔트콘크리트 도상 위에 설치하였다.
  • 그런 후 앵커볼트 고정 및 하중 전달이 가능하도록 전용 지그류를 설치하고 유압 엑츄에이터에 연결한다. 실험에 사용된 유압 엑츄에이터는 100kN 용량이며, 수평변위는 30mm 용량의 LVDT(Solatron)가 사용되었다. 하중은 변위제어(1mm/min) 방식으로 재하되었으며, 실험은 소성변형이 지속될 때까지 실시되었다.
  • 콘크리트 블록형 앵커 실험체는 직경 100mm 또는 150mm, 깊이 150mm 또는 200mm 크기의 아스팔트콘크리트 도상을 천공한 후, 앵커볼트가 매립된 콘크리트 블록을 삽입하고 천공면과 콘크리트 블록 경계면에 아스팔트콘크리트 접착제 주입을 통해 제작되었다. 강관형 앵커 실험체는 외경 157mm, 두께 7mm, 깊이 200mm 크기의 아스팔트콘크리트 도상을 천공한 후, 앵커볼트가 설치된 두께 12mm의 강판을 강관(Φ=150mm, h=200mm, t=7mm) 상면에 용접하고 이를 천공된 공간에 삽입한 뒤 천공면과 강관 경계면에 아스팔트콘크리트 접착제(KP-ACA) 주입을 통해 제작되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아스팔트콘크리트 궤도의 조건은? 국내에서도 2012년부터 궤도구조 생력화를 위해 준고속선 또는 고속선에 아스팔트콘크리트 궤도를 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 아스팔트콘크리트 궤도는 아스팔트콘크리트 도상 위에 콘크리트 침목 또는 패널을 직접 연결하는 궤도 형식으로 온도 변화에 따른 장대레일 축력, 열차의 시·제동하중, 곡선부 원심하중, 열차의 사행동에 따른 횡하중 등 각종 외력에 대해 저항할수 있어야 한다. 따라서 아스팔트콘크리트 도상 위의 궤도시스템(침목 또는 패널 시스템) 고정을 통한 종·횡방향 하중 저항력 확보 여부는 열차의 주행 안정성뿐만 아니라 시공성, 유지보수성 및 경제성 등에 많은 영향을 미치게 된다[2].
아스팔트콘크리트 궤도가 실제 운행선로에 적용되는 이유는? 아스팔트콘크리트 궤도는 아스팔트 도상의 유지보수 및 침목교체가 용이하고, 시공 및 유지보수 후 짧은 시간 내에 열차 운행이 가능하며 건설비가 일반 콘크리트 궤도에 비해 저렴하여 독일, 오스트리아 등에서 실제 운행선로에 적용되고 있다[1]. 국내에서도 2012년부터 궤도구조 생력화를 위해 준고속선 또는 고속선에 아스팔트콘크리트 궤도를 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
아스팔트콘크리트 궤도 구조 적용 시 궤도변위를 감소 또는 억제할 수 있는 변위저항 장치가 반드시 적용되어야 하는 이유는? 두 가지 궤도 Type별 종·횡방향 저항력 실험 결과와 AKFF의 요구 성능을 비교하면 Table 5와 같으며 모든 실험 결과가 요구 성능을 하회하고 있음을 알 수 있다. 각각의 실험 결과 값 중(요구 성능-최솟값)이 아스팔트콘크리트 궤도 구조의 필요 종방향 또는 횡방향 저항력이라고 할 때, 종방향 저항력은 약 30~32kN 이상, 횡방향 저항력은 약 60~69kN 이상이 필요하다. 따라서 아스팔트콘크리트 궤도 구조 적용 시 궤도변위를 감소 또는 억제할 수 있는 변위저항 장치가 반드시 적용되어야 한다.
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참고문헌 (5)

  1. S.H. Lee, J.W. Lee (2013) Needs and prospects of the asphalt track system, Railway Journal, 16(2), pp. 58-62. 

  2. Korea Railroad Research Institute (2015) Development of asphalt roadbed and track system suited to speed up, Korea Railroad Research Institute. 

  3. DB Systemtechnik (2002) Requirements Catalog for the Construction of the Permanent Way-4th Revised Edition, Deutsche Bahn AG, Frankfurt am Main, Ch.2 pp. 1-2. 

  4. Korea Rail Network Authority (2014) KR Code-14060:Design of track materials, Korea Rail Network Authority. 

  5. Bernhard Lichtberger (2005) Track compendium:Formation, Permanent way, Maintenance, Economics, Eurailpress, Hamburg, pp. 53-59. 

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