선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 교량상 급속경화궤도에 대하여 마찰 거동과 궤도 재령에 따른 앵커의 물성치를 고려한 궤도/교량 상호작용해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 다음의 결론을 도출하였다.
- 하지만 궤도와 교량 사이의 마찰 저항이 함께 작용하기 때문에 마찰력을 제외한 하중을 앵커가 부담하게 된다. 이 연구에서는 재령에 따른 앵커의 설계하중(Qd)에 대한 앵커에 재하되는 하중의 비율을 내하력 비로 정의하여 앵커의 건전성의 지표로 제시하였다. 내하력 비가 1을 초과하면 앵커에 재하되는 하중이 설계하중을 초과하여 앵커부에 파손이 발생할 수 있다.
제안 방법
- 교량상 급속경화궤도에서 앵커의 설치 여부 및 앵커가 매립된 급속경화 콘크리트의 재령에 따라 해석 케이스를 구분하였다. Table 3은 레일 종방향 허용응력 초과 여부, 재령일에 따른 적절한 앵커 설치시점 및 적절한 마찰 거동을 분석하기 위하여 선정한 매개변수이다.
- 레일체결장치의 물성치는 철도설계편람 궤도-교량 종방향 상호작용해석(KR C-08080, 2014)에 제시된 수직하중재하 유/무에 따른 체결장치의 종방향 저항력 규정에 따라, 수직하중이 없는 경우 체결장치의 종방향 최대 저항력을 40kN/m/궤도로 고려하고, 수직하중 재하시에는 60kN/m/궤도를 적용하였다. 급속경화궤도와 교량을 연결하는 앵커와 그 경계면의 마찰거동은 스프링 요소(connect two points)를 사용하여 모사하였다.
- Table 1은 해석 모델에 적용한 PSC 박스거더 교량의 단면제원이고, 레일제원은 60E1(UIC60)이다(KS R 9106, 2016). 레일체결장치는 스프링 요소(connect two points)를 이용하여 모사하였다. 레일체결장치의 물성치는 철도설계편람 궤도-교량 종방향 상호작용해석(KR C-08080, 2014)에 제시된 수직하중재하 유/무에 따른 체결장치의 종방향 저항력 규정에 따라, 수직하중이 없는 경우 체결장치의 종방향 최대 저항력을 40kN/m/궤도로 고려하고, 수직하중 재하시에는 60kN/m/궤도를 적용하였다.
- 레일체결장치는 스프링 요소(connect two points)를 이용하여 모사하였다. 레일체결장치의 물성치는 철도설계편람 궤도-교량 종방향 상호작용해석(KR C-08080, 2014)에 제시된 수직하중재하 유/무에 따른 체결장치의 종방향 저항력 규정에 따라, 수직하중이 없는 경우 체결장치의 종방향 최대 저항력을 40kN/m/궤도로 고려하고, 수직하중 재하시에는 60kN/m/궤도를 적용하였다. 급속경화궤도와 교량을 연결하는 앵커와 그 경계면의 마찰거동은 스프링 요소(connect two points)를 사용하여 모사하였다.
- Case D는 급속경화궤도 마찰의 물성치가 Case D-Fric이고, 앵커의 물성치가 동일한 경우이다. 마찰만 존재할 때의 물성치는 F0-0.6-0.5라고 했으며 앵커와 마찰이 존재하는 물성치는 재령일에 따라 AF0-0.6-0.5, AF1-0.6-0.5, AF3-0.6-0.5, AF7-0.6-0.5, AF28-0.6-0.5로 정하였다. 앵커의 강도는 각 매개변수마다 앵커부에 균열이 발생하였을 시(Qd), 앵커 주변 콘크리트 파괴가 발생했을 시, 앵커 파괴가 발생했을 시로 구분하였다.
- Case C는 급속경화궤도 마찰의 물성치가 Case C-Fric이고, 앵커의 물성치가 동일한 경우이다. 마찰만 존재할 때의 물성치는 F0-0.6-5라고 했으며 앵커와 마찰이 함께 존재하는 경우 앵커의 물성치는 재령일에 따라 AF0-0.6-5, AF1-0.6-5, AF3-0.6-5, AF7-0.6-5, AF28-0.6-5로 정하였다.
- 3(a)는 앵커를 설치한 급속경화궤도의 push-out 시험결과(Lee, 2017)를 다중직선으로 단순화한 앵커 물성치이다. 본 연구는 급속경화궤도 종방향 상호작용해석 시 마찰 거동을 Fig. 2를 포함한 총 4가지로 나누어 분석하였다. Fig.
- 콘크리트강도에 따른 앵커의 강도를 AASHTO LRFD에 제시된 식과 Eurocode4에 제시된 식에 따라 각각 평가하여 비례계수를 식(2) 및 (3)과 같이 각각 산정하였다. 본 연구는 급속경화궤도를 안전측으로 해석하기 위하여 강도비가 더 작은 AASHTO LRFD를 적용하였다.
- 5는 급속경화궤도 앵커의 재하 시험 결과와 파괴가 발생하는 세 지점을 표기한 예이다. 본 연구는 선행연구(Topkaya et al., 2004)의 내용을 참고하여 앵커를 설치한 급속경화궤도에 총 세 번의 파괴시점이 있다고 분석하였다. 첫 번째는 재하된 하중이 설계강도(Qd)를 초과한 시점으로 급속경화궤도와 앵커부에 균열이 발생하여 강성 저하가 시작되는 지점이다.
- 세 번째는 앵커부 주변 콘크리트의 파괴로 지지력을 현저히 상실하여 앵커에 인장항복이 발생한 경우이다. 본 연구는 세가지 각각의 파괴 하중을 설계강도(Qd), 콘크리트 파괴 하중, 앵커 파괴 하중으로 구분하였다.
- 본 연구는 시공단계를 고려하여 교량상 급속경화궤도에 앵커를 설치하기 전, 앵커를 설치한 후로 나누어 교량-급속경화궤도-레일의 종방향 상호작용해석을 실시하였다. 이때 교량상에서의 급속경화궤도의 마찰 거동을 다양한 마찰계수에 대하여 검토하여 교량상 급속경화궤도의 거동을 평가하였다.
- 온도하중은 레일부가응력을 분석하기 위해 급속경화궤도 슬래브 및 교량에는 25℃를 재하하였다. 시동하중과 제동하중중에서는 40m 단선교량에 적용하였을 때 하중 효과가 큰 시동하중을 적용하였다. 열차의 시동하중은 재하길이 33m에 33kN/m/궤도의 하중을 재하하였다.
- 본 연구는 시공단계를 고려하여 교량상 급속경화궤도에 앵커를 설치하기 전, 앵커를 설치한 후로 나누어 교량-급속경화궤도-레일의 종방향 상호작용해석을 실시하였다. 이때 교량상에서의 급속경화궤도의 마찰 거동을 다양한 마찰계수에 대하여 검토하여 교량상 급속경화궤도의 거동을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 레일 100m, 교량 40m를 모델링하였고, 급속경화궤도는 길이 5m인 8개의 세그먼트로 나열하여 모델링하였다. Table 1은 해석 모델에 적용한 PSC 박스거더 교량의 단면제원이고, 레일제원은 60E1(UIC60)이다(KS R 9106, 2016). 레일체결장치는 스프링 요소(connect two points)를 이용하여 모사하였다.
- 1은 급속경화궤도 시스템의 레일, 급속경화궤도 슬래브, PSC 박스거더 교량을 보요소(B23)로 각각 이상화한 그림이다. 본 연구는 레일 100m, 교량 40m를 모델링하였고, 급속경화궤도는 길이 5m인 8개의 세그먼트로 나열하여 모델링하였다. Table 1은 해석 모델에 적용한 PSC 박스거더 교량의 단면제원이고, 레일제원은 60E1(UIC60)이다(KS R 9106, 2016).
데이터처리
- 범용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 교량상 급속경화궤도에 대한 상호작용 해석을 수행하였다. Fig.
이론/모형
- 궤도/교량 상호작용 해석을 실시할 때 필요한 앵커부의 물성치는 기본적으로 급속경화궤도 재령 28일의 push-out test를 기반으로 산정하였다. 하지만 급속경화궤도는 궤도의 재령이 28일에 도달하기 전에 앵커가 설치되고 열차 통행이 이루어지기 때문에 조기 재령 콘크리트에 매립된 앵커 거동의 영향을 평가할 필요가 있다.
- 마찰 거동은 급속경화궤도 마찰특성실험(Hong et al., 2015)을 통하여 산정한 마찰계수-변위 결과 그래프를 기반으로 산정하였다. Fig.
성능/효과
- 급속경화궤도를 타설하고 앵커를 설치하기 전 마찰만으로 종방향 변위에 저항할 때에는 제한된 온도 변화에 대하여만 최대 마찰력에 도달하지 않는 것으로 확인되었다. Case A, Case C와 같이 최대 마찰력 도달 변위가 5mm로 큰 경우에는 시동하중이 재하된 경우에는 허용 온도변화량이 각각 17.
- 6(d)는 Case D에서의 내하력 비와 온도하중 관계를 나타는 그래프이다. 급속경화궤도에 마찰만 존재할 때에는 시동 하중이 재하된 경우 온도변화가 1.75℃만 발생하여도 최대마찰력에 도달하고, 시동하중 없이 온도하중만 재하할 때에는 온도변화량이 3.50℃ 이내로 유지되어야 안전한 것으로 분석되었다. 앵커를 설치한 후에는 모든 경우에서 안전한 것으로 분석되었다.
- 따라서 Case D-Fric 마찰 거동을 가진 Case D의 경우에는 급속경화궤도 타설과 동시에 앵커를 설치해야 하며, 앵커 설치 후에는 열차의 정상 운행이 가능한 것으로 확인되었다.
- 마찰 거동을 마찰계수가 1.2이고 최대 마찰력 도달 변위가 5mm로 가정한 Case A에서 마찰만 있는 경우(F0) 시동하중에 따른 하중 효과는 20.98kN이고, 이후 앵커와 마찰을 동시에 고려할 시에는 재령일에 따라 각각 36.41kN, 36.86kN, 37.05kN, 37.31kN, 37.79kN으로 분석되었다. Fig.
- 마찰계수가 0.6이고 최대 마찰력 도달 변위가 0.5mm인 Case D에서 시동하중 효과는 마찰만 존재할 시 49.56kN, 앵커와 마찰 동시에 존재할 시 재령일에 따라 20.86kN, 21.73kN, 22.14kN, 22.76kN, 24.29kN이 발생하였다.Fig.
- 마찰계수가 0.6이고 최대 마찰력 도달 변위가 5mm인 Case C에서 시동하중 효과는 앵커가 설치되지 않아 마찰만 존재할 때 20.98kN이고, 이후 앵커와 마찰을 동시에 고려할시에는 재령일에 따라 각각 39.88kN, 40.14kN, 40.24kN, 40.35kN, 40.47kN으로 분석되었다. Fig.
- 마찰계수가 1.2로 Case A와 동일하고 최대 마찰력 도달변위가 0.5mm인 Case B에서의 시동하중 효과는 마찰만 있는 경우 20.98kN이고, 이후 앵커와 마찰을 동시에 해석할 시에는 재령일에 따라 각각 13.18kN, 13.96kN, 14.3kN, 14.92kN, 16.45kN으로 분석되었다. Fig.
- 6(b)는 Case B에서의 내하력비와 온도 하중과의 관계를 나타낸 것이다. 마찰만 존재할 때에는 온도 변화가 4.50℃ 이내로 발생되어야 안전한 것으로 분석되었고, 온도하중만 재하했을 시에는 온도 변화량에 관계없이 안전한 것으로 분석되었다. 앵커가 설치된 이후는 재령일에 상관없이 모두 안전한 것으로 분석되었다.
- 36MPa이 나타났다. 모든 경우에서 레일부가응력이 허용기준 92MPa을 만족하였다. 모든 경우에서 온도하중에 의한 레일 부가응력은 재령일이 경과할수록 증가하였고, 시동하중에 의한 레일부가응력은 감소하였다.
- 모든 경우에서 레일부가응력이 허용기준 92MPa을 만족하였다. 모든 경우에서 온도하중에 의한 레일 부가응력은 재령일이 경과할수록 증가하였고, 시동하중에 의한 레일부가응력은 감소하였다. 수직하중에 의한 레일부가 응력은 재령에 관계없이 일정한 레일부가응력을 가지는 것으로 분석되었다
- 25℃ 이내로 발생되어야 안전한 것으로 분석되었다. 시동하중과 온도하중을 재하했을 때에는 재령 28일인 경우에만 앵커부에 손상이 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 온도하중만 재하했을 경우에는 앵커가 있는 경우와 없는 경우 모두 안전한 것으로 확인되었다.
- 앵커를 설치한 후 Case A, Case C와 같은 경우에는 재령 28일만 안전하다고 분석되어, 28일 이후 열차의 정상 운행이 가능한 것으로 확인되었다. 열차가 서행운행하여 온도하중만 재하된 경우 Case A는 모든 경우에서 안전하며 Case B는 재령4시간, 재령 1일일 때 허용 온도변화량이 각각 6.
- 00℃ 이내로 유지되어야 안전한 것으로 분석되었다. 앵커를 설치한 후 급속경화궤도 재령 4시간, 1일, 3일, 7일일 때에는 각각 온도변화량이 4.75℃, 5.25℃, 5.75℃, 6.25℃ 이내로 발생되어야 안전한 것으로 분석되었다. 시동하중과 온도하중을 재하했을 때에는 재령 28일인 경우에만 앵커부에 손상이 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
- 00℃ 이내로 유지되면 최대 마찰력에 도달하지 않는 것으로 분석되었다. 앵커와 마찰이 동시에 존재할 때 재령 4시간, 1일, 3일, 7일일 경우에는 온도변화량이 4.50 ℃, 4.75 ℃, 5.00 ℃, 5.50 ℃로 유지되어야 앵커부 파손이 발생하지 않는 것으로 분석되었고 재령 28일은 모든 경우에서 안전한 것으로 분석되었다.
- 시동하중과 온도하중을 재하했을 때에는 재령 28일인 경우에만 앵커부에 손상이 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 온도하중만 재하했을 경우에는 앵커가 있는 경우와 없는 경우 모두 안전한 것으로 확인되었다. 따라서 궤도의 마찰 거동이 마찰계수가 1.
- 온도하중만 재하했을 때에는 마찰만 존재 시 16.25℃, 앵커와 마찰 동시에 존재할 시 재령 4시간 1일은 6.25℃, 7.50℃이내로 온도변화량이 발생되어야 안전하고, 이후에는 모든 재령일에서 안전한 것으로 분석되었다. Case C-Fric 마찰 거동을 가진 Case C의 경우에는 급속경화콘크리트의 재령이 28일 이전인 경우에는 시동하중이 재하되지 않도록 열차를 서행운행하여야 앵커부에 파손이 발생하지 않은 것으로 판단되며, 이때 온도 변화도 16℃ 이내가 되어야 안전하다.
- 이 연구 결과를 바탕으로 급속경화궤도 부설 후 안정적인 거동을 보장하기 위해서는 마찰계수 뿐만 아니라 마찰 강성또한 중요한 인자인 것으로 확인되었다. 향후 실제 궤도에 대한 마찰거동을 바탕으로 교량상 급속경화궤도의 전체 궤도/교량 상호작용 거동을 평가하는 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 해석 대상 교량인 40m 단순교에 있어서 앵커의 설치 유무에 관계없이 레일의 부가 축응력은 모두 허용 한계인 92MPa을 만족하는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 이 연구 결과를 바탕으로 급속경화궤도 부설 후 안정적인 거동을 보장하기 위해서는 마찰계수 뿐만 아니라 마찰 강성또한 중요한 인자인 것으로 확인되었다. 향후 실제 궤도에 대한 마찰거동을 바탕으로 교량상 급속경화궤도의 전체 궤도/교량 상호작용 거동을 평가하는 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.