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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 급속경화궤도용 광폭침목의 보강철근 적용 유무에 따른 침목의 보유 휨 내력 및 균열 저항 성능을 시험적으로 비교․평가하여 보강철근 필요성 여부를 확인하고자 한다.
- 본 논문에서는 급속경화궤도의 주요 구성품 중 하나인 광폭침목에 대해 급속경화기술 적용 전․후 자갈궤도 및 콘크리트 궤도 상태에서 광폭침목의 구조 안전성 및 균열 저항성을 확보 하는데 있어서, 레일 좌면부 보강철근 적용 유무에 따른 침목의 보유 휨 내력 및 균열 저항 성능을 시험적으로 비교․평가하여 보강철근 필요성 여부 및 보강철근 적용의 효율성을 확인하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- (1) 급속경화궤도 레일 좌면부의 구조 안전성 및 균열 저항성 확보를 위해 좌면부 저부 각각에 430 mm 길이의 직경 10 mm인 인장 철근 1개 및 360 mm 길이의 직경 10 mm인 인장 철근 2개를 배근하였고, 인장 철근의 정확한 위치 설정을 위해 폐합 스트럽을 활용하였다. 보강철근 적용으로 인한 침목 제작 시 문제점은 발생되지 않았다.
- 200만회 반복하중 재하가 완료된 후, 반복하중 재하에 따른 균열폭 확대를 확인하기 위하여 최대 피로 하중(= 149.7 kN)이 재하된 상태 및 하중이 완전히 제거된 상태에서 균열폭(ω)을 측정하였다.
- S-N 및 S-RB 침목 각각 3개에 대해서 침목 중앙부 정적 휨 강도 시험을 실시하였다. 시험체는 EN 13230-2에 의거하여 Fig.
- 레일 좌면부에 보강철근을 배치한 침목은 S-RB로 명명하였고, 미배치한 침목은 S-N으로 명명하였다. 공통적으로 S-N 및 S-RB 침목의 양 단부에 스터럽 개념의 보강철근을 2개씩 배근하였고, 침목 중앙부에는 보강철근을 적용하지 않았다. 또한 Fig.
- 급속경화궤도용 광폭침목 설계 및 제작 시 보강철근 적용 유무에 따른 정적 휨 강도와 정하중-균열의 관계를 확인하기 위하여, Fig. 8과 같이 시험체를 설치한 후 레일 좌면부 정적 휨 강도 시험을 실시하였다. 시험은 S-N 및 S-RB 침목 각각 3개에 대해서 수행되었으며, 하중은 Fig.
- 급속경화궤도용 광폭침목 설계 및 제작 시 보강철근 적용 유무에 따른 피로 시험 전․후 균열폭 확대 및 휨 강도 변화 여부를 확인하기 위하여, Fig. 8과 같은 방법으로 S-N 및 S-RB 침목 1개씩을 설치한 후 Fig. 15와 같은 절차에 의거 피로 시험을 수행하였다. 여기서 첫 번째 사이클은 Fig.
- )을 산정하여야 하며, 이를 위해서는 레일 좌면부 및 침목 중앙부에 작용되는 모멘트를 계산하여야 한다. 급속경화궤도용 광폭침목의 레일 좌면부에 작용되는 모멘트는 콘크리트 궤도일 때보다 자갈궤도일 때가 더 크므로 UIC 713R 및 prEN 13230-6에 의거하여 산정하였다[4-5]. 먼저 레일 좌면부 동적 하중(Pd) 산정을 위해 철도 차량의 축중(Q)은 220 kN, 탄성패드에 의한 하중 감쇄 효과를 고려하기 위한 패드 계수(γp)는 0.
- 급속경화궤도용 광폭침목의 보강철근 적용 유무에 따른 동적 휨 강도와 동하중-균열의 관계를 확인하기 위하여, Fig. 8과 같이 시험체를 설치한 후 레일 좌면부 동적 휨 강도 시험을 실시하였으며 하중 재하 절차는 Fig. 12와 같다. 단계별 동하중 재하 횟수는 EN 13230-2에 정의된 5,000회가 적용되었으며, 균열폭은 단계별 동하중 재하가 완료되어 하중이 제거된 후 측정되었다.
- 4에서 레일 좌면부 강봉 그룹의 적절한 구속을 위해 스터럽 2개를 배근하였다. 두 종류 침목의 보강철근 적용 관련 차이점은 Fig. 4와 같이 침목 저면 인장 보강을 위해 S-RB 침목 레일 좌면부에 침목 길이 방향으로 3개의 인장철근(440 mm 1개 및 360 mm 2개)을 배치하는 것이며, 인장 철근 및 강봉과의 결속을 위해서 큰 크기의 스터럽 1개를 추가하였다. 또한 침목 길이 방향 인장철근이 기울어지지 않도록 일자 형상의 철근을 덧붙여 설치하였다.
- 7 kN)이 재하된 상태 및 하중이 완전히 제거된 상태에서 균열폭(ω)을 측정하였다. 또한 균열폭 측정 후 정적 휨 강도 변화 여부를 확인하기 위하여 파괴 시까지 정적 하중을 가하였다.
- 9와 같은 절차로 침목 레일 좌면부에 재하되었다. 레일 좌면부 중심에서 침목 단부까지 거리가 0.645 m이므로 EN 13230-2에 의거 지점 거리를 0.6 m로 설정하였다. 최초 균열 발생 하중(Frr)은 침목 중앙부 휨 강도 시험과 마찬가지로 저면에서 상방향으로 15 mm 떨어진 지점까지 균열이 발생될 때의 하중을 의미한다.
- 보강철근 적용 유무에 따른 침목의 보유 휨 내력 및 균열 저항 성능을 시험적으로 비교․평가하기 위하여 급속경화궤도용 광폭침목을 제작하였다[9]. 침목 제작은 포스트텐션 방식을 채택하였으며, 11 mm 강봉(SBPR 1275/1420) 4개를 배치하였다.
- 단계별 동하중 재하 횟수는 EN 13230-2에 정의된 5,000회가 적용되었으며, 균열폭은 단계별 동하중 재하가 완료되어 하중이 제거된 후 측정되었다. 시험은 S-N 및 S-RB 침목 각각 3개에 대해서 수행되었으며, 지점 거리 및 균열폭 측정은 정적 휨 강도 시험과 동일한 사항이 적용되었다. 레일 좌면부 동적 휨 강도 시험 시 주요 측정값은 Frr, Fr0.
- 8과 같이 시험체를 설치한 후 레일 좌면부 정적 휨 강도 시험을 실시하였다. 시험은 S-N 및 S-RB 침목 각각 3개에 대해서 수행되었으며, 하중은 Fig. 9와 같은 절차로 침목 레일 좌면부에 재하되었다. 레일 좌면부 중심에서 침목 단부까지 거리가 0.
- 정․동적 휨 강도 시험 및 피로 시험을 위하여 S-N 및 S-RB 침목을 각각 10개씩 제작하였으며, 생산 완료된 급속경화궤도용 광폭침목은 Fig. 5와 같다.
- 보강철근 적용 유무에 따른 침목의 보유 휨 내력 및 균열 저항 성능을 시험적으로 비교․평가하기 위하여 급속경화궤도용 광폭침목을 제작하였다[9]. 침목 제작은 포스트텐션 방식을 채택하였으며, 11 mm 강봉(SBPR 1275/1420) 4개를 배치하였다. 레일 좌면부에 보강철근을 배치한 침목은 S-RB로 명명하였고, 미배치한 침목은 S-N으로 명명하였다.
대상 데이터
- 또한 침목 길이 방향 인장철근이 기울어지지 않도록 일자 형상의 철근을 덧붙여 설치하였다. 적용된 보강철근의 직경은 10 mm이다.
- 콘크리트는 프리스트레스 힘에 견딜 수 있도록 고강도 콘크리트를 적용하였다. 증기양생 후 1일차 탈형강도는 공시체 3개 평균값 기준 42.
이론/모형
- 12와 같다. 단계별 동하중 재하 횟수는 EN 13230-2에 정의된 5,000회가 적용되었으며, 균열폭은 단계별 동하중 재하가 완료되어 하중이 제거된 후 측정되었다. 시험은 S-N 및 S-RB 침목 각각 3개에 대해서 수행되었으며, 지점 거리 및 균열폭 측정은 정적 휨 강도 시험과 동일한 사항이 적용되었다.
성능/효과
- (2) 광폭침목 레일 좌면부에 대해 정적 휨 강도 시험을 실시한 결과, 인장부 보강철근을 적용한 침목은 미적용 침목 대비 최초 균열발생 하중은 약 1.5배, 균열폭 0.05 mm일 때 최대 하중은 약 1.7배, 파괴 하중은 약 1.3배 크게 측정되었다.
- (3) 광폭침목 레일 좌면부에 대해 동적 휨 강도 시험을 실시한 결과, 인장부 보강철근을 적용한 침목은 미적용 침목 대비 최초 균열발생 하중은 약 1.4배, 균열폭 0.05 mm일 때 최대 하중은 약 1.5배, 균열폭 0.5 mm일 때 최대 하중은 약 1.4배 크게 측정되었다.
- (4) 광폭침목 레일 좌면부에 대해 피로 시험을 실시한 결과, 인장부 보강철근을 적용한 침목은 미적용 침목 대비 피로 시험 후 균열폭이 작았으며, 피로 하중 제거 전․후로도 균열폭이 0.01 mm 미만으로 균열폭 확대가 거의 관찰되지 않았다. 또한 인 장부 보강철근을 적용한 침목은 200만회 피로 시험 후 실시한 파괴 시험에서 파괴 하중이 정적 휨 강도 시험에서 측정된 평균 파괴 하중 대비 동등 이상으로 측정되었고, 따라서 200만회 피로 시험 후 휨 강도 저하가 발생되지 않았음을 알 수 있다.
- (5) 정․동적 휨 강도 시험 및 피로 시험을 통해서, 레일 좌면부 보강철근 적용은 침목의 초기 균열발생 억제 효과가 있으며, 균열발생 후 균열폭 확대 지연 효과(Fr0.05 - Frr)는 정적 휨 시험 시는 보강철근 미적용 침목 대비 보강철근 적용 침목이 3배, 동적 휨 강도 시험 시는 약 2.2배였다. 따라서 급속경화궤도용 광폭침목 레일 좌면부에 강봉 뿐만 아니라 소수의 보강철근을 적절하게 배치할 경우 균열 발생 억제 및 균열폭 확대 지연, 휨 파괴 지연효과를 기대할 수 있다고 판단된다.
- 10과 같다. S-RB 침목은 S-N 침목보다 초기 균열 하중이 평균값 기준 125.6 kN 컸으며, 초기 균열 발생 후 균열폭이 0.05 mm까지 확대되기 위해 추가로 가해진 하중(Fr0.05 - Frr)은 S-RB 침목의 경우 평균값 기준 120 kN인 반면 S-N 침목의 경우는 40 kN이었다. 그리고 파괴 시 하중도 S-RB 침목의 경우 평균값 기준 749.
- 13과 같다. S-RB 침목은 S-N 침목보다 초기 균열 하중이 평균값 기준 77.2 kN 컸으며, 초기 균열 발생 후 균열폭이 0.05 mm 이상까지 확대되기 위해 추가로 가해진 하중(Fr0.05 - Frr)은 S-RB 침목의 경우 평균값 기준 123.3 kN인 반면 S-N 침목의 경우는 56.6 kN이었다. 그리고 균열폭이 0.
- S-N 및 S-RB 침목의 중앙부는 공통적으로 보강철근이 적용되지 않았으며 동일한 콘크리트 및 강봉이 적용되었으므로, 휨 강도가 동등 또는 유사한 것이 일반적이다. 두 종류의 침목 중앙부 휨 강도의 동등성을 시험적으로 확인해야만, 이후 레일 좌면부 정․동적 휨 강도 시험 및 피로 시험 시 보강철근 유무에 따른 휨 강도 차이를 신뢰할 수 있다.
- 05 mm에 도달하는 하중 재하 단계 수가 시험체별로 각각 3회, 4회, 6회인 반면, S-RB 침목의 경우는 시험체별로 각각 14회, 7회, 16회였다. 따라서 광폭침목의 레일 좌면부 보강철근 적용은 침목의 초기 균열 억제, 초기 균열 발생 이후 균열폭 확대 및 휨 파괴를 상당히 지연시킬 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있다.
- 05 mm에 도달하는 하중 재하 단계 수가 3개 시험체 모두 3회인 반면, S-RB 침목의 경우는 시험체별로 각각 8회, 8회, 5회였다. 따라서 동적 휨 강도 시험에서도 광폭침목 레일 좌면부 보강철근 적용은 침목의 초기 균열 억제, 초기 균열 발생 이후 균열폭 확대 및 휨 파괴를 상당히 지연시킬 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있다.
- 01 mm 미만으로 균열폭 확대가 거의 관찰되지 않았다. 또한 인 장부 보강철근을 적용한 침목은 200만회 피로 시험 후 실시한 파괴 시험에서 파괴 하중이 정적 휨 강도 시험에서 측정된 평균 파괴 하중 대비 동등 이상으로 측정되었고, 따라서 200만회 피로 시험 후 휨 강도 저하가 발생되지 않았음을 알 수 있다.
- 1과 같다. 시험 결과에서 알 수 있듯이, 최초 균열 발생 하중(Fcrn) 평균값은 S-N 및 S-RB 침목 간 차이가 0.7 kN으로 매우 유사하였으며, 더 이상 하중을 지지하지 못하는 지점(FcBn)은 S-N 침목이 S-RB 침목 보다 7.2 kN 컸으나 그 차이는 FcBn 대비 그 비율이 크지 않다고 할 수 있다.
- 콘크리트는 프리스트레스 힘에 견딜 수 있도록 고강도 콘크리트를 적용하였다. 증기양생 후 1일차 탈형강도는 공시체 3개 평균값 기준 42.2 MPa이었으며, 포스트텐션 도입 시 콘크리트 강도(f4day)는 공시체 3개 평균값 기준 53.5 MPa이었다. 또한 콘크리트 28일 압축강도(fck)는 공시체 3개 평균값 기준 73.
- 4와 같다. 피로 시험 결과에서 알 수 있듯이, S-RB 침목이 S-N 침목보다 200만회 피로 시험 후 균열폭이 작았으며, 피로 하중 제거 전․후로도 균열폭 확대 없이 0.01 mm 미만으로 유지되었다. 또한 피로 시험 후 정적 파괴 하중(FrB)도 정적 휨 강도 시험 결과인 Table.
후속연구
- (6) 향후 급속경화궤도용 광폭침목의 설계 최적화(침목 형상, 보강철근의 위치 및 개수 등)를 위한 매개변수 분석 및 실험을 추가로 수행할 예정이다.
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