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문제 정의
- 또한 연속배치된 단순지지보 구조의 종형거더로 인해 궤도의 단부에서는 단부회전에 따른 상향력과 압축력이연속적으로 발생되는 특성이 있으므로 현행 중앙부 처짐(종형&레일)이 과도한 수준인 점을 감안할 때, 단부궤도의 사용성 및 안전성 측면에서 단부 궤도의 거동분석이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 열차주행 시 강직결 궤도구조가 부설된 종형거더 단부에서 발생되는 상호작용력의 수준을 파악하기 위해 레일 및 종형거더의 변위 및 단부 판스프링 체결구의 발생응력을 측정하여 종형거더의 단부 레일 및 체결구의 안전성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 영종대교 강직결 궤도구조의 단부 궤도 거동 분석을 위해 실운행열차 하중을 고려한 현장측정 및 수치해석을 수행하여 단부 궤도의 변형특성 및 체결구 응력을 분석하였으며, 이를 통해 영종대교 강직결궤도 단부의 레일과 종형거더의 안전성을 평가하였다.
제안 방법
- 강직결 궤도 단부 레일 체결구의 안전성 평가를 위해 단부 체결구의 각부에 Strain gage를 설치하여 발생응력을 측정하였으며, 측정파형의 예는 Fig. 12와 같다.
- 따라서 단부 체결구는 일반 구간에 설치된 체결구 보다 발생응력의 범위가 증가하여 체결구의 장기내구성 측면에서 불리할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 공용중인 영종대교 강직결 궤도 단부 체결구의 수직 및 횡방향 응력을 측정하여 발생응력의 수준을 판스프링 강재의 허용응력과 비교하였다.
- 9와 같이 종형거더의 중앙부 및 단부에서 레일과 종형의 수직변위를 측정하였다. 또한 종형거더의 단부 변형에 기인한 단부 레일지지점(체결구)의 부담력을 분석하고자 판스프링 체결구 상면에 수직 및 횡방향으로 1축 Strain gage를 설치하여 체결구 응력을 측정하였다(Fig. 9(c)).
- 또한 현장측정에서 산출된 열차운행 속도를 고려하여 Fig. 7과 같이 각각 70 km/h와 90 km/h의 속도로 주행하는 AREX와 KTX 열차하중(윤중)을 시간이력함수로 모델링하여 일정간격으로 분할한 레일의 요소 위를 지나가는 이동하중을 해석에 적용하였다.
- 본 연구에서는 열차주행 시 영종대교 강직결 궤도단부에서 발생되는 레일-종형 상호작용력을 평가하기위해 Fig. 9와 같이 종형거더의 중앙부 및 단부에서 레일과 종형의 수직변위를 측정하였다. 또한 종형거더의 단부 변형에 기인한 단부 레일지지점(체결구)의 부담력을 분석하고자 판스프링 체결구 상면에 수직 및 횡방향으로 1축 Strain gage를 설치하여 체결구 응력을 측정하였다(Fig.
- 영종대교 강직결 궤도구조의 구조적 형상을 최대한 반영할 수 있도록 Fig. 6과 같이 설계도면을 바탕으로 종형거더와 수직보강재는 3D Shell 요소로 구성하고 레일, 가로보 및 브레이싱은 Beam 요소로, 레일패드는 Spring 요소로 모델링하여 실운행 열차하중 주행시 레일과 종형거더의 발생변위와 응력을 검토하였다.
- 영종대교 강직결궤도의 종형거더 단부의 레일 및 종형의 거동분석을 위해 종형거더 중앙부와 단부측에 레일과 종형의 변위를 측정하였으며, 측정파형의 예(KTX)는 Fig. 10과 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 분석대상 교량은 현수교 0.55 km, 트러스교 2.25 km, 강상형교 1.62 km로 구성된 총 연장 4.42 km의 복합교량으로써, 주항로부에 건설된 현수교는 국내 최초로 도로․철도 병용 3차원 자정식 현수교이다. 또한 영종대교는 국내 최초로 강직결 체결장치를 사용하였으며 강직결 체결장치가 설치된 구간은 Fig.
- 본 연구의 분석대상 궤도구조는 강직결 궤도구조이며 레일을 지지하는 구조체가 플레이트거더 형식의 강재로 된 단순보 구조이다. 단순보 상부플랜지 상면에 강직결 레일체결장치에 의해 고정된 레일은 종형거더(Track girder)의 거동에 직접적인 영향을 받아 종형거더와 레일의 변위 발생수준이 유사하게 나타난다.
데이터처리
- 본 연구에서는 영종대교 강직결궤도의 거동특성 분석을 위해 유한요소해석 프로그램인 LUSAS 15.0을 이용하여 3차원 수치해석을 수행하고 현장측정결과와 비교하였다.
- 영종대교 강직결 궤도에 대한 현장측정 결과의 해석적 검증을 위해 현장조건과 동일한 수치모델을 이용한 수치해석을 수행하고 이를 상호 비교 분석하여 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 레일과 종형거더의 구간별 변위 측정결과, Fig.11(a), (b)와 같이 단부측의 레일 및 종형거더의 변위는 매우 미소한 것으로 나타났으며, AREX와 KTX 열차주행 시 중앙부 처짐의 차이는 뚜렷하나 단부측 레일 및종형거더의 상향 변위 수준은 유사한 것으로 분석되었다. 레일과 종형거더의 처짐 비교 검토결과, Fig.
- 레일과 종형거더의 처짐 비교 검토결과, Fig. 11(c)와 같이 12.5 m의 종형거더 전구간에서 레일과 종형거더의 발생변위 차이가 매우 미소하여 영종대교 강직결궤도구조의 경우 레일과 종형거더가 일체거동을 하는 것으로 분석되었다. 또한 단부에서 레일변위는 KTX의 경우 0.
- 1) 강직결 궤도구조의 단부 궤도 거동 분석결과, 레일과 종형거더의 상대변위 차이가 매우 미소하여 일체거동을 하는 것으로 분석되었다. 또한 강직결 궤도의 종형거더 중앙부 최대 처짐은 일반 강직결 궤도 보다 다소 큰 것으로 분석되었으나 종형거더의 처짐에 기인한 단부 레일 및 종형거더의 상향 변위 발생수준이 미소하므로 단부 궤도의 안전성 및 사용성 측면에서 큰 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 2) 단부 체결구 응력 검토결과, 단부 레일의 상향변위에 기인한 판스프링 체결구의 발생응력은 미소하며 판스프링 강재의 허용기준을 만족하는 것으로 분석되었다. 이는 영종대교 강직결 궤도에 사용된 강직결 체결장치의 경우 체결구 역할을 하는 판스프링과 레일사이에 절연블럭이 설치되어 레일의 상향변위 및 상향력을 일부 완충시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
- 강직결 궤도 단부 레일 및 종형거더의 변형특성 분석결과, Fig. 14와 같이 종형거더 단부에서의 레일 상향변위가 0.3 mm 미만으로 나타나 공용중인 열차하중에 따른 종형거더의 휨곡률(변형수준)이 단부 레일 및종형의 상향변위에 미치는 영향이 미비하여 강직결궤도의 단부 궤도 사용성 및 안전성에는 큰 문제가 없을 것으로 분석되었다.
- 단부 체결구 응력 검토결과, Fig. 13과 같이 수직 응력의 경우 횡방향 응력보다 AREX와 KTX 모두 약 26% 정도 크게 나타났으며, 최대 응력은 판스프링 강재(SUP9)의 허용기준(Table 1 참조)을 만족하는 것으로 검토되어 현행 강직결궤도의 단부 변형수준은 단부 궤도 체결구의 안전성 측면에서 문제가 없는 것으로 분석되었다.
- 단부 체결구 응력 검토결과, 수직방향 응력이 횡방향 응력보다 AREX와 KTX 모두 약 26% 정도 크게 나타나 영종대교 강직결 궤도에 사용되는 판스프링 체결구의 주요 응력 발생위치(Dominant weakness point forstress)는 열차진행방향의 직각방향임을 실험적으로 입증하였다. 따라서 판스프링 체결구의 주행열차하중에 의한 발생응력의 특성은 판스프링의 절곡된 방향(Fig.
- 따라서 열차주행 안전 확보 측면에서 중요한 평가항목인 면틀림 발생수준을 실 운행열차를 고려한 동적해석 결과를 바탕으로 검토한 결과 강직결궤도 종형의 최대처짐 3.82 mm와 종형의 경간 12.5 m를 감안할 때, 허용기준은 약 5 mm(1.2 mm/3 m당)이므로 관련기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 또한 레일과 체결구 사이에 외력에 대한 저항 단면강성을 충분히 확보하고 판스프링의 기하학적 특성에 의해 상향변위를 스프링구조에서 완충시킴으로써 발생응력 측면에서 큰 여유치를 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 일반적인 코일스프링 형식의 체결구(클립)보다 단부 변형에 보다 유연한 거동을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.
- 단부 체결구 응력 검토결과, 수직방향 응력이 횡방향 응력보다 AREX와 KTX 모두 약 26% 정도 크게 나타나 영종대교 강직결 궤도에 사용되는 판스프링 체결구의 주요 응력 발생위치(Dominant weakness point forstress)는 열차진행방향의 직각방향임을 실험적으로 입증하였다. 따라서 판스프링 체결구의 주행열차하중에 의한 발생응력의 특성은 판스프링의 절곡된 방향(Fig.9(c)-①)으로 최대 휨응력이 발생되며 단부 궤도 종형거더와 레일의 상호작용력(상향력)에 저항하는 것으로 분석되었다. 또한 수직방향 응력의 발생수준은 판스프링 강재의 허용기준을 만족하는 것으로 검토되어 단부궤도의 상향변위에 저항하는 현행 강직결 궤도의 단부체결구에는 구조적인 문제가 없을 것으로 분석되었다.
- 8(b)와 같이KTX 차량(V=90 km/h)에 의한 최대응력이 약 70 MPa로 나타나 관련기준(허용응력:140 MPa)을 만족하는 것으로 검토되었다. 따라서 현행 영종대교 강직결 궤도의 처짐 발생수준은 일반적인 궤도보다 다소 크게 검토되었으나 처짐에 따른 휨응력 수준은 구조적 안전성 측면에서 문제가 없는 것으로 분석되었다.
- 1) 강직결 궤도구조의 단부 궤도 거동 분석결과, 레일과 종형거더의 상대변위 차이가 매우 미소하여 일체거동을 하는 것으로 분석되었다. 또한 강직결 궤도의 종형거더 중앙부 최대 처짐은 일반 강직결 궤도 보다 다소 큰 것으로 분석되었으나 종형거더의 처짐에 기인한 단부 레일 및 종형거더의 상향 변위 발생수준이 미소하므로 단부 궤도의 안전성 및 사용성 측면에서 큰 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 또한 레일과 종형거더의 상향변위가 발생되는 위치가 각각 약 12.2 m 및 11.3 m로 검토되어 레일의 휨변형 곡률이 보다 완만한 것으로 분석되었으며 종형거더간 연결위치(13.0 m)에서는 레일과 종형거더의 변위수준이 동일한 것으로 나타나 종형거더 연결부에서의 체결구 부담이 상대적으로 크지 않을 것으로 분석되었다.
- 이는 영종대교 강직결 궤도에 사용된 강직결 체결장치의 경우 체결구 역할을 하는 판스프링과 레일사이에 절연블럭이 설치되어 레일의 상향변위 및 상향력을 일부 완충시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 레일과 체결구 사이에 외력에 대한 저항 단면강성을 충분히 확보하고 판스프링의 기하학적 특성에 의해 상향변위를 스프링구조에서 완충시킴으로써 발생응력 측면에서 큰 여유치를 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 일반적인 코일스프링 형식의 체결구(클립)보다 단부 변형에 보다 유연한 거동을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.
- 9(c)-①)으로 최대 휨응력이 발생되며 단부 궤도 종형거더와 레일의 상호작용력(상향력)에 저항하는 것으로 분석되었다. 또한 수직방향 응력의 발생수준은 판스프링 강재의 허용기준을 만족하는 것으로 검토되어 단부궤도의 상향변위에 저항하는 현행 강직결 궤도의 단부체결구에는 구조적인 문제가 없을 것으로 분석되었다.
- 또한 측정결과와 해석결과 모두 레일과 종형거더의 변위차는 3% 미만으로 매우 유사하여 열차주행 시 종형거더와 레일은 일체거동을 하는 것으로 분석되었다.
- 열차종별 종형거더 단부 레일 및 종형거더의 변위측정결과, Fig. 14와 같이 레일변위는 KTX의 경우 0.25mm, AREX의 경우 0.16 mm로 나타났으며, 종형거더의 변위는 KTX의 경우 0.23 mm, AREX의 경우 0.14 mm로 나타났다.
- 종형거더 중앙부 응력 해석결과, Fig. 8(b)와 같이KTX 차량(V=90 km/h)에 의한 최대응력이 약 70 MPa로 나타나 관련기준(허용응력:140 MPa)을 만족하는 것으로 검토되었다. 따라서 현행 영종대교 강직결 궤도의 처짐 발생수준은 일반적인 궤도보다 다소 크게 검토되었으나 처짐에 따른 휨응력 수준은 구조적 안전성 측면에서 문제가 없는 것으로 분석되었다.
- 종형거더의 중앙부 변위 및 응력 해석결과, 측정치와의 오차범위가 약 3~7% 수준으로 나타나 수치해석결과 및 모델링의 적정성을 입증하였다.
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