교량 상 콘크리트궤도 체결장치의 종저항 거동특성에 대한 실험적 연구 Experimental Study of Characteristics of Longitudinal Resistance Behavior of Fasteners in Concrete Track on Bridges원문보기
고속철도 교량 상에 설치되는 장대레일은 궤도와 교량의 상호작용에 의해 레일에 발생하는 축력분포가 토노반상에 비해 매우 복잡하며, 교량에 가해지는 외력의 영향이 추가로 발생되어 장대레일 축력과 함께 추가적인 문제를 야기한다. 이상과 같은 궤도-교량 상호작용에 의해 발생되는 각종 물리적인 현상을 해석하고 제한하기 위해서 국내에서는 교량 상 궤도 설계 시 설계지침(KR C-08080, 궤도-교량 종방향 상호작용 해석)을 운영하고 있다. 국내의 궤도/교량 상호작용 해석 및 설계 기술은 유럽의 UIC 774-3R에서 제시된 해석방법과 기준을 적용하며, 보수적인 해석방법과 결정론적인 단일 물성치를 제시하고 있다. 최근 하중 이력을 고려한 궤도-교량 상호작용 해석기법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 하중이력에 의한 저항물성치 변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 교량 상 콘크리트궤도에 사용되는 레일체결장치를 대상으로 하중이력에 대한 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 현장조건을 모사하여 종방향 하중과 수직하중을 재하하였으며, 실험결과 분석을 통하여 체결장치별 저항물성치(저항력, 탄성한계변위)를 제시하였다. 또한 코드에서 제시하는 물성치와 비교연구를 수행하였다.
고속철도 교량 상에 설치되는 장대레일은 궤도와 교량의 상호작용에 의해 레일에 발생하는 축력분포가 토노반상에 비해 매우 복잡하며, 교량에 가해지는 외력의 영향이 추가로 발생되어 장대레일 축력과 함께 추가적인 문제를 야기한다. 이상과 같은 궤도-교량 상호작용에 의해 발생되는 각종 물리적인 현상을 해석하고 제한하기 위해서 국내에서는 교량 상 궤도 설계 시 설계지침(KR C-08080, 궤도-교량 종방향 상호작용 해석)을 운영하고 있다. 국내의 궤도/교량 상호작용 해석 및 설계 기술은 유럽의 UIC 774-3R에서 제시된 해석방법과 기준을 적용하며, 보수적인 해석방법과 결정론적인 단일 물성치를 제시하고 있다. 최근 하중 이력을 고려한 궤도-교량 상호작용 해석기법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 하중이력에 의한 저항물성치 변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 교량 상 콘크리트궤도에 사용되는 레일체결장치를 대상으로 하중이력에 대한 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 현장조건을 모사하여 종방향 하중과 수직하중을 재하하였으며, 실험결과 분석을 통하여 체결장치별 저항물성치(저항력, 탄성한계변위)를 제시하였다. 또한 코드에서 제시하는 물성치와 비교연구를 수행하였다.
CWR (continuous welded rail) tracks on high-speed railway bridges have much more complicated axial force distributions caused by track-bridge interaction than those behaviors on embankments, and additional problems caused by track-structure interaction with the axial force of the CWR. In order to an...
CWR (continuous welded rail) tracks on high-speed railway bridges have much more complicated axial force distributions caused by track-bridge interaction than those behaviors on embankments, and additional problems caused by track-structure interaction with the axial force of the CWR. In order to analyze and limit other physical phenomena caused by track-bridge interaction, a design guideline (KR C-08080, longitudinal track-bridge interaction analysis) is used when designing CWR track on bridges. Domestic analysis and design methods for track-bridge interaction follow the UIC 774-3R, and they suggest conservative methods and deterministic properties. Recently, many studies analyzing the methods of track-bridge interaction considering the loading history are being carried out; however, there has been insufficient studies of the variation of the resistance properties with a consideration of the actual loading history. In this study, the performances of rail fastening systems used for concrete track on bridges were tested and analyzed while considering the loading history. For this purpose, longitudinal and vertical loading combinations, applied in order to simulate the practical conditions and resistance characteristics (stiffness and elastic limit displacement), are analyzed through the experimental results. Also, a comparison study was conducted with the properties in the KR Code.
CWR (continuous welded rail) tracks on high-speed railway bridges have much more complicated axial force distributions caused by track-bridge interaction than those behaviors on embankments, and additional problems caused by track-structure interaction with the axial force of the CWR. In order to analyze and limit other physical phenomena caused by track-bridge interaction, a design guideline (KR C-08080, longitudinal track-bridge interaction analysis) is used when designing CWR track on bridges. Domestic analysis and design methods for track-bridge interaction follow the UIC 774-3R, and they suggest conservative methods and deterministic properties. Recently, many studies analyzing the methods of track-bridge interaction considering the loading history are being carried out; however, there has been insufficient studies of the variation of the resistance properties with a consideration of the actual loading history. In this study, the performances of rail fastening systems used for concrete track on bridges were tested and analyzed while considering the loading history. For this purpose, longitudinal and vertical loading combinations, applied in order to simulate the practical conditions and resistance characteristics (stiffness and elastic limit displacement), are analyzed through the experimental results. Also, a comparison study was conducted with the properties in the KR Code.
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문제 정의
이를 위하여 실제의 현장조건을 고려하여 수직하중 유무에 따라 다양한 하중조합을 적용한 종저항 실내실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 통하여 교량 상 궤도의 하중이력에 따른 종저항 물성치의 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구는 합리적인 궤도-교량 상호작용 검토를 위한 기초연구로써, 국내의 교량 상 콘크리트 궤도에 사용되고 있는 레일체결장치의 하중이력에 의한 종방향 저항거동 특성을 분석하였다. 이를 위하여 실제의 현장조건을 고려하여 수직하중 유무에 따라 다양한 하중조합을 적용한 종저항 실내실험을 수행하였다.
본 연구에서는 수직 하중 비재하/재하 시 종방향 마찰거동 실험을 수행하였다. 레일체결장치의 종방향 저항력(마찰거동) 실험을 위해 1,000kN(수직방향), 250kN(종방향) 용량의 엑츄에이터를 사용하여 하중을 재하하였다.
본 연구에서는 콘크리트 궤도 체결장치의 종저항 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 하중이력을 모사한 실내실험을 수행하였으며, 실험 결과를 적용하여 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 수행하여 응답 차이를 분석하였다.
제안 방법
Table 3, 4에서 도출된 저항선도를 이용하여 체결장치 타입별 부가축응력을 KR Code에서 제시하는 종방향 저항선도를 적용한 경우와 비교하였다. 온도하중을 재하하는 1차 해석 시 Table 3, 4의 수직하중 비재하 시 물성치(Unloaded)를 적용하였으며, 차량하중을 재하하는 2차 해석 시 차량하중을 재하한 위치와 재하되지 않은 위치는 각각 수직하중 재하 시 물성치(Loaded), 수직하중 비재하 시 물성치(Unloaded)를 적용하였다.
또한 CASE 4에서 수직하중 재하 후 종방향 하중 재하 시 추가적으로 발생하는 저항력(ΔF)은 CASE 1, CASE 2의 최대 저항력 차와 유사하게 나타났다. 따라서 KR C-08080에서의 종방향 저항선도와 비교를 위하여 수직하중 재하 시 종방향 저항 물성치는 CASE 2, 3, 4의 저항력 및 탄성한계변위 각각의 평균값을 사용하였다.
본 연구에서는 수직 하중 비재하/재하 시 종방향 마찰거동 실험을 수행하였다. 레일체결장치의 종방향 저항력(마찰거동) 실험을 위해 1,000kN(수직방향), 250kN(종방향) 용량의 엑츄에이터를 사용하여 하중을 재하하였다. 실험체는 Fig.
실험방법은 종방향으로의 신축거동을 모사하기 위해 레일의 한쪽 단부에 일정한 속도(1mm/min)로 종방향력을 가력하였으며, 수직방향의 하중을 재하하여 수직하중에 의한 영향을 고려하였다. 수직하중은 KR C-08080에서는 제시하고 있는 KRL-2012를 참고하여 60kN을 적용하였다.
Table 3, 4에서 도출된 저항선도를 이용하여 체결장치 타입별 부가축응력을 KR Code에서 제시하는 종방향 저항선도를 적용한 경우와 비교하였다. 온도하중을 재하하는 1차 해석 시 Table 3, 4의 수직하중 비재하 시 물성치(Unloaded)를 적용하였으며, 차량하중을 재하하는 2차 해석 시 차량하중을 재하한 위치와 재하되지 않은 위치는 각각 수직하중 재하 시 물성치(Loaded), 수직하중 비재하 시 물성치(Unloaded)를 적용하였다.
본 연구는 합리적인 궤도-교량 상호작용 검토를 위한 기초연구로써, 국내의 교량 상 콘크리트 궤도에 사용되고 있는 레일체결장치의 하중이력에 의한 종방향 저항거동 특성을 분석하였다. 이를 위하여 실제의 현장조건을 고려하여 수직하중 유무에 따라 다양한 하중조합을 적용한 종저항 실내실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 통하여 교량 상 궤도의 하중이력에 따른 종저항 물성치의 특성을 파악하고자 하였다.
1 종방향 저항 특성 분석”에서 KR C-08080에서 제시된 궤도의 종방향 저항 물성치와 실험결과와 차이가 있음을 확인 하였으며, 이로 인한 영향을 분석하기 위하였다. 정량적인 분석을 위하여 현재 고속선에 부설되어 있는 교량상 콘크리트궤도(복선)를 대상으로 궤도-교량 상호작용 해석을 수행하였다. 대상 교량은 콘크리트궤도(복선)으로 설계된 교량으로 40m의 PSC-box 4경간으로 이루어진 총 연장 160m의 교량이며, Fig.
A-type, B-type 체결장치의 경우, 각각 18조, 16조의 체결장치를 이용하였으며, CASE 1~4에 대하여 실험을 수행하였다. 종방향 하중은 로드 셀(Load cell)을 이용하여 외부 데이터로거(Data logger)를 통해 기록하였으며, 변위는 Fig. 2(b)와 같이 레일두부에 20mm stroke LVDT를 설치하여 동일한 시간의 하중-변위 선도를 도시하였다.
콘크리트궤도의 경우 궤도-교량 종방향 상호작용에 의한 영향 검토 시 변위에 대한 항목은 검토하지 않으므로, 레일에 발생하는 부가축응력을 분석하였다. 해석결과는 Fig.
대상 데이터
A-type, B-type 체결장치의 경우, 각각 18조, 16조의 체결장치를 이용하였으며, CASE 1~4에 대하여 실험을 수행하였다. 종방향 하중은 로드 셀(Load cell)을 이용하여 외부 데이터로거(Data logger)를 통해 기록하였으며, 변위는 Fig.
정량적인 분석을 위하여 현재 고속선에 부설되어 있는 교량상 콘크리트궤도(복선)를 대상으로 궤도-교량 상호작용 해석을 수행하였다. 대상 교량은 콘크리트궤도(복선)으로 설계된 교량으로 40m의 PSC-box 4경간으로 이루어진 총 연장 160m의 교량이며, Fig. 8, Fig. 9, Table 3은 각각 교량의 단면형상, 종평면도 및 물성치이다. 체결장치별 저항물성치 변화에 대한 영향을 보기 위한 해석으로 교각의 영향은 고려하지 않았다.
궤도 구조에서 레일체결장치는 레일을 침목에 결속시키는 장치로, 그 목적과 성능에 따라 다양한 형식과 종류가 존재하며, 다양한 구성품을 가지고 있다. 본 실험대상으로 선정한 레일체결장치의 종류는 Fig. 1과 같이 국내 고속철도 콘크리트 궤도에서 적용되고 있는 2가지 형태의 레일체결장치이다[9].
레일체결장치의 종방향 저항력(마찰거동) 실험을 위해 1,000kN(수직방향), 250kN(종방향) 용량의 엑츄에이터를 사용하여 하중을 재하하였다. 실험체는 Fig. 2와 같이 체결장치 1조와 레일, 침목을 포함하는 레일지지체로 구성된다[9].
데이터처리
본 연구에서는 콘크리트 궤도 체결장치의 종저항 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 하중이력을 모사한 실내실험을 수행하였으며, 실험 결과를 적용하여 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 수행하여 응답 차이를 분석하였다. 연구를 통하여 다음의 결론을 도출하였다.
이론/모형
- CASE 1: 원시데이터(Raw data)로부터 탄성한계점을 찾기 위한 방법으로 KRS TR0014-15R[10]에서 제시하는 방법으로 평가하였다. 이를 통하여 FUn, dUn, k1을 도출하였다.
체결장치별 저항물성치 변화에 대한 영향을 보기 위한 해석으로 교각의 영향은 고려하지 않았다. 궤도-교량 종방향 상호작용 해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 LUSAS(15.2)[11]를 사용하였다. 해석 모델제작은 KR C-08080에서 제시하는 방법을 적용하였으며(Fig.
2)[11]를 사용하였다. 해석 모델제작은 KR C-08080에서 제시하는 방법을 적용하였으며(Fig. 9), 온도하중과 차량하중에 대한 이력을 고려한 완전해석을 수행하였다.[3] 하중은 온도하중과 차량의 제동하중을 고려하였다.
성능/효과
1. 실제 온도하중과 차량하중의 이력조건을 고려한 실험(CASE 3,4)를 통해 도출된 저항력과 탄성한계변위는 수직하중을 재하 후 종방향 하중을 재하한 실험(CASE 2)결과와 유사하게 나타났다. 따라서 수직하중 유무에 의한 저항력 및 탄성한계변위를 도출하기 위한 실험은 실험방법 CASE 1 및 CASE 2로 충분히 가능할 것으로 판단된다.
2. 체결장치 타입별 실내 종저항 실험을 통하여, KR Code에서 제시하는 종방향 저항력에 비해 최대 62%(B-type, 수직하중 비재하 시) 작게 발생하였으며, 탄성한계변위의 경우 420%(A-type, 수직하중 비재하 시) 크게 발생하였다. 따라서 KR Code에서 제시하고 있는 콘크리트궤도의 종방향 저항 물성치와는 차이가 있으며, 적정 물성치에 대한 연구가 필수적이다.
3. 궤도-교량 종방향 상호작용 해석 결과를 통하여 KR Code에서 제시하고 있는 종방향 저항 물성치를 적용한 경우에 비해 A-type, B-type의 체결장치의 종저항 물성치를 적용한 경우에 부가축응력은 각각 69%, 58%로 평가되었다. 이러한 결과를 통하여 기존의 KR Code에서 제시하고 있는 종방향 저항 물성치는 보수적인 설계를 유도하고 있음을 알 수 있다.
A-type과 B-type 체결장치의 강성은 KR Code에서 제시하는 값에 비해 수직하중 비재하 시 약 12%, 14%, 수직하중이 재하시 약 22%, 35% 수준으로 분석되었다.
A-type과 B-type 체결장치의 저항력은 KR Code에서 제시하는 값에 비해 수직하중 비재하 시 각각 약 52%와 38% 수준으로 나타났으며, 수직하중 재하 시에는 각각 약 62%와 105%로 나타났다.
A-type과 B-type 체결장치의 탄성한계변위는 Code에서 제시하는 값에 비해 수직하중 비재하 시 약 420%, 260%로 나타났으며, 수직하중 재하 시 약 260%, 300%로 나타났다.
실제 온도하중과 차량하중의 이력조건을 고려한 실험(CASE 3,4)를 통해 도출된 저항력과 탄성한계변위는 수직하중을 재하 후 종방향 하중을 재하한 실험(CASE 2)결과와 유사하게 나타났다. 따라서 수직하중 유무에 의한 저항력 및 탄성한계변위를 도출하기 위한 실험은 실험방법 CASE 1 및 CASE 2로 충분히 가능할 것으로 판단된다.
또한 CASE 4에서 수직하중 재하 후 종방향 하중 재하 시 추가적으로 발생하는 저항력(ΔF)은 CASE 1, CASE 2의 최대 저항력 차와 유사하게 나타났다.
5MPa(47%)이 감소하였다. 또한 온도하중 재하 후 차량의 제동하중 재하 시 최대부가압축응력은 동일한 위치에서 발생하였으며, 체결장치 타입에 따라 최대 약 20.5MPa(42%)가 감소하였다.
궤도-교량 종방향 상호작용 해석 결과를 통하여 KR Code에서 제시하고 있는 종방향 저항 물성치를 적용한 경우에 비해 A-type, B-type의 체결장치의 종저항 물성치를 적용한 경우에 부가축응력은 각각 69%, 58%로 평가되었다. 이러한 결과를 통하여 기존의 KR Code에서 제시하고 있는 종방향 저항 물성치는 보수적인 설계를 유도하고 있음을 알 수 있다.
체결장치 타입별 실험 결과로부터 CASE 2, 3, 4의 최대 저항력 및 탄성한계변위는 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. 또한 CASE 4에서 수직하중 재하 후 종방향 하중 재하 시 추가적으로 발생하는 저항력(ΔF)은 CASE 1, CASE 2의 최대 저항력 차와 유사하게 나타났다.
후속연구
4. 다양한 종류의 체결장치에 대한 추가 실험을 통하여 궤도-교량 상호작용 시 적용 가능한 궤도의 종저항 물성치를 제안할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 궤도-교량 상호작용 해석 시 실질적인 응답을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 위와 같은 연구는 궤도-교량 상호작용 해석 시 궤도의 비선형성의 영향을 고려하여 단순히 응답특성을 도출하고자 하였으며, 연구결과를 통해 현 설계지침에서 제시하고 있는 물성치 수정에 대한 필요성은 제시하고 있지 않다. 추후 설계지침 개정을 위하여 궤도-교량 종방향 상호작용 해석 시 부설되는 궤도 형식에 따른 물성치를 고려할 수 있는 실험 방안 도출 및 실험에 대한 특성 분석에 대한 연구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
장대레일의 부설을 위해서 필요한 노력은?
철도 선로 시설에서 장대레일(CWR, continuous welded rail)의 부설은 차량의 주행안전성 증대, 소음과 진동의 저감을 포함하여 궤도에 가해지는 충격력을 완화시키는 등 많은 장점이 있다. 하지만 장대레일의 부설을 위해서는 장대레일의 좌굴과 파단을 방지하기 위한 노력이 필요하다. 특히 교량 상에 장대레일이 부설되는 경우에는 일반구간에서 발생하는 축력 외에 교량 거더의 온도변화에 따른 신축과 열차의 시·제동하중, 그리고 수직하중에 따른 단부 회전각 발생의 영향에 의한 부가축력(additional axial stress)이 발생하게 된다.
철도 선로 시설에서 장대레일의 장점은?
철도 선로 시설에서 장대레일(CWR, continuous welded rail)의 부설은 차량의 주행안전성 증대, 소음과 진동의 저감을 포함하여 궤도에 가해지는 충격력을 완화시키는 등 많은 장점이 있다. 하지만 장대레일의 부설을 위해서는 장대레일의 좌굴과 파단을 방지하기 위한 노력이 필요하다.
본 연구에서 레일체결장치의 하중이력에 의한 종방향 저항거동 특성을 분석하기위해 수행한 것은?
본 연구는 합리적인 궤도-교량 상호작용 검토를 위한 기초연구로써, 국내의 교량 상 콘크리트 궤도에 사용되고 있는 레일체결장치의 하중이력에 의한 종방향 저항거동 특성을 분석하였다. 이를 위하여 실제의 현장조건을 고려하여 수직하중 유무에 따라 다양한 하중조합을 적용한 종저항 실내실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 통하여 교량 상 궤도의 하중이력에 따른 종저항 물성치의 특성을 파악하고자 하였다.
참고문헌 (11)
Korea Rail Network Authority (2014) Track-Bridge Longitudinal Interaction Analysis (in Korean), KR C-08080.
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D.N. Kim (2012) Track-Bridge Longitudinal Interaction Considering Loading Sequence (in Korean), Thesis of the Degree of the Mater of Engineering, Korea University.
S.C. Yang, S.Y. Jang (2016) Track-bridge interaction analysis using interface elements adaptive to various loading cases, Journal of Bridge Engineering, ASCE, BE. 1943-5592. 0000916.
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