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문제 정의
- 본 논문에서는 아스팔트 콘크리트 궤도에 적용 가능한 침목의 저부 형상을 최적화하고, 침목에 가해지는 외력을 충분히 견딜 수 있는 단면이 적용된 광폭 PSC침목을 설계한 후, 콘크리트 침목에 대한 성능 시험 표준인 EN 13230-2에 따라 정적 휨 강도 시험, 동적 휨 강도 시험 및 피로 시험을 실시하여 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목의 설계가 적합한지 여부를 확인하고자 한다.
가설 설정
- 여기서, 부모멘트 산정을 위한 도상반력 분포는 등분포 형상으로 가정되었으며, c는 레일 좌면부 중심간 거리(m), Pd는 레일 좌면부에 작용되는 동적 하중(kN), L은 침목 저부 길이(m), b는 침목 저부 전체 폭(m), b1은 침목 중앙부 저부 폭(m), b2는 확장부 폭(m), h는 광폭부 길이(m), \(w\)는 저부 변단면 길이(m), γi는 침목 중앙부 길이(m), \(g\)는 아스팔트 도상과 침목 저부간의 접촉 불균일에 따른 휨 모멘트 증분을 고려하기 위한 계수이다.
제안 방법
-
Fig. 14 Fatigue test procedure for wide PSC sleeper(Modified after EN 13230-2)
200만회 반복하중 재하가 완료된 후 반복하중 재하에 따른 균열폭 확대 여부 및 균열 진전 상태를 확인하기 위하여, Fr0= 128.6 kN 하중이 재하된 상태 및 하중 제거 시 균열폭을 확인하였다
. 그리고 반복하중 재하 후 광폭 PSC침목의 휨 강도 변화 여부를 확인하기 위하여 레일 좌면부에 정적 하중을 파괴 시까지 가하였다. - Fig. 3과 같은 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목에 대해, 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 휨 응력 및 휨 모멘트를 산정하였다. 해석 시 적용된 설계하중은 KR C-08020에 정의된 KRL-2012 표준열차하중이다.
- 6 kN이 적용되었으며, 시험 하중은 레일 좌면부 단면이 더 이상 하중을 지지하지 못하는 지점(FrB)까지 재하되었다. 광폭 PSC침목 레일좌면부에 대한 설계 및 제작의 균일성을 확인하기 위하여 침목 6개 (No.1~No.6)에 대해 시험을 수행하였다.
- 시험 하중은 침목 중앙부 단면이 더 이상 하중을 지지하지 못하는지점(FcBn)까지 재하되었다. 광폭 PSC침목 중앙부에 대한 설계 및 제작의 균일성을 확인하기 위하여 침목 3개(No.7~No.9) 에 대해 시험을 수행하였다.
- 6 kN 하중이 재하된 상태 및 하중 제거 시 균열폭을 확인하였다. 그리고 반복하중 재하 후 광폭 PSC침목의 휨 강도 변화 여부를 확인하기 위하여 레일 좌면부에 정적 하중을 파괴 시까지 가하였다.
- 균열폭은 단계별 재하된 동적 하중이 제거된 후 측정되었으며, 정적 휨 강도 시험과 마찬가지로 휴대용 측미현미경이 사용되었다. 동적 휨 강도 시험 시 설계 및 제작의 균일성을 확인하기 위하여 광폭 PSC침목 6개(No.10~No.15)에 대해 시험을 수행하였다.
- 그러나 지속적인 열차 운행에 의해서 균열폭이 확장될 수 있으며, 균열폭 확대에 따른 침목 내구성능이 저하될 수 있다. 따라서 침목에 최초 균열 발생 후 반복하중 재하에 따른 균열폭 확대 및 휨 강도 변화 여부를 확인하기 위하여, Fig. 6(a)와 동일한 방법으로 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목 시험체를 설치한 후 EN 13230-2에 의거 피로 시험을 수행하였다. 반복하중 범위, 하중재하 횟수, 하중 적용 주파수 등 피로 시험절차는 Fig.
- 본 연구에서는 아스팔트 콘크리트 궤도(ACT)에 적용할 수 있는 광폭 PSC침목의 형상을 설계하고 유한요소해석을 통해 휨 인장응력 및 설계모멘트를 계산하였다. 또한 설계 적합성을 검증하기 위하여 EN 13230-2에 의거 정적 휨 강도, 동적 휨강도 및 피로 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 본 연구에서는 아스팔트 콘크리트 궤도(ACT)에 적용할 수 있는 광폭 PSC침목의 형상을 설계하고 유한요소해석을 통해 휨 인장응력 및 설계모멘트를 계산하였다. 또한 설계 적합성을 검증하기 위하여 EN 13230-2에 의거 정적 휨 강도, 동적 휨강도 및 피로 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 레일 좌면부는 열차 하중이 직접 가해지는 단면이므로, 이단면에서 충분한 하중 저항 성능이 확보되어야 한다. 앞서 제시된 설계 결과를 바탕으로 제작된 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목 레일 좌면부의 설계 적합성을 확인하는 것은 필수적이며, 이를 위해 EN 13230-2에 따라 광폭 PSC침목을 Fig. 6(a)와 같이 설치한 후 Fig. 7에 정의된 하중 재하 절차를 적용하여 레일 좌면부에 대한 정적 휨 강도 시험을 수행하였다. 이때 지점 거리는 0.
- 7에 정의된 하중 재하 절차를 적용하여 레일 좌면부에 대한 정적 휨 강도 시험을 수행하였다. 이때 지점 거리는 0.5 m로 설정되었는데, 이는 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목의 레일 좌면부 중심에서 침목 단부까지 거리가 0.446 m이며 이러한 경우 EN 13230-2에 정의된 지점 거리가 0.5 m이므로 이를 레일 좌면부 정적 휨 강도시험에 적용하였다. 최초 균열 발생 하중(Frr)은 레일 좌면부 저면에서 상방향으로 15 mm 떨어진 지점까지 균열이 발생될 때의 하중을 의미한다.
- 레일 좌면부에 열차 하중이 가해질 경우 아스팔트 콘크리트 도상반력에 의해 광폭 PSC침목 중앙부 단면에 부모멘트가 작용될 수 있으므로, 침목 중앙부 단면이 부모멘트에 대한 저항 성능을 보유하는지에 대한 확인이 필요하다. 이를 위해 EN 13230-2에 따라 아스팔트 콘크리트 광폭 PSC침목을 Fig. 6(b)와 같이 설치한 후 Fig. 10에 정의된 하중 재하 절차를 적용하여 정적 휨 강도 시험을 수행하였다. 이때 지점 거리는 레일 좌면부 중심간 거리인 1.
- 따라서 설계된 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목 레일 좌면부의 동적 휨 강도를 확인하여야 한다. 이를 위해 정적 휨 강도 시험과 동일한 방법으로 침목 시험체를 설치한 후 Fig. 11에 정의된 하중 재하 절차를 적용하여 레일 좌면부에 대한 동적 휨 강도 시험을 수행하였다. 이때, 하중 단계별 동하중 재하 횟수는 EN 13230-2에 정의된 5,000회가 적용되었다.
대상 데이터
- 3과 같은 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목에 대해, 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 휨 응력 및 휨 모멘트를 산정하였다. 해석 시 적용된 설계하중은 KR C-08020에 정의된 KRL-2012 표준열차하중이다. 동적증가계수(Dynamic amplitude factor)는 (1+ Yu)이므로 1.
이론/모형
- 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목에 대한 설계 검증을 위해 성능 시험을 수행함에 있어, 먼저 성능 기준을 정립할 필요가 있으며, PSC침목에 대한 성능 기준은 EN 13230-2을 적용하였다. 즉, 레일 좌면부 및 침목 중앙부의 설계모멘트가 결정된다면 식 (5) 및 식(6)을 이용하여 침목 위치별 기준 시험하중을 산정하고 여기에 각 시험 항목별 증가계수를 곱하면 최종적인 성능 기준을 설정할 수 있다.
성능/효과
- 1) 아스팔트 도상에 전달되는 압력 및 침목 저부 치수에 따른 침목 중앙부 부모멘트를 고려할 때, ACT용 광폭 PSC침목 저부의 적정 면적은 1.08 m2 이다. 이때 침목 중앙부 저부 폭은 0.
- 2) ACT용 광폭 PSC침목에 대해 유한요소해석을 수행한 결과, 프리스트레스를 도입한 상태에서 설계하중이 가해질 때 침목 중앙부는 압축응력만 나타났으며 레일 좌면부는 휨 인장응력이 0.587 MPa로 계산되었는데, 이는 프리스트레스가 적용되는 콘크리트의 허용 휨 인장응력보다 매우 낮은 수준이다.
- 3) ACT용 광폭 PSC침목의 설계적합성을 확인하기 위하여 정적 휨 강도 시험, 동적 휨 강도 시험 및 피로 시험을 실시한 결과, 개발 침목은 EN 13230-2에서 요구되는 기준 항목들을 모두 만족하였다. 특히 정적 휨 강도 및 동적 휨 강도 시험 결과, 최초 균열 발생 후 정적 시험에서는 180~300 kN, 동적 시험에서는 100~180 kN 하중이 더 가해져야 균열폭 0.
- 4) 피로 시험 결과, 200만회 반복하중 재하 전 ․ 후에 균열폭 확대는 관찰되지 않았다. 또한 피로 시험 후 정적 파괴시험을 실시한 결과 피로 시험 전 대비 정적 휨 강도의 저하도 발생되지 않았다.
- 5) 형상 설계 시 적용된 UIC 713R의 설계모멘트 식은 자갈궤도에 기반을 두고 있어서 아스팔트 콘크리트 도상의 반력 특성, 각 구성품간 경계 조건 및 하중 분배 양상, 동적 하중의 증가 양상 등을 실제적으로 구현하지 못하고 있다. 따라서 ACT용 침목의 설계 편의성을 위해 아스팔트 콘크리트 도상의 반력 특성 및 반력 형상, yi , yd , yr 등의 계수를 결정하기 위한 추가 연구 수행이 필요하다고 판단된다.
- 01 mm 단위까지 측정 가능한 휴대용 측미현미경(제조회사 : Peak, 20배율)이 사용되었다. 기준 시험하중(Fr0)은 설계 결과가 반영되어 128.6 kN이 적용되었으며, 시험 하중은 레일 좌면부 단면이 더 이상 하중을 지지하지 못하는 지점(FrB)까지 재하되었다. 광폭 PSC침목 레일좌면부에 대한 설계 및 제작의 균일성을 확인하기 위하여 침목 6개 (No.
- 4) 피로 시험 결과, 200만회 반복하중 재하 전 ․ 후에 균열폭 확대는 관찰되지 않았다. 또한 피로 시험 후 정적 파괴시험을 실시한 결과 피로 시험 전 대비 정적 휨 강도의 저하도 발생되지 않았다.
- 5(b)와 같다. 즉, 침목 중앙부는 강연선 적용으로 인해 휨 인장응력이 발생되지 않았으며, 레일 좌면부에 발생된 휨 인장응력 최대값은 0.587 MPa로서 프리스트레스가 적용된 콘크리트의 허용 휨 인장응력(침목의 설계압축강도 : 50 MPa) 4.45 MPa보다 매우 낮은 수준임을 알 수 있다. 상세 해석 시 도출된 설계모멘트는 형상 설계 시 계산된 설계모멘트와 차이를 보인다.
- 8(d)와 같으며, 최종 파괴 유형은 3개 침목 모두 휨파괴였다. 침목 중앙부 정적 휨 강도 시험 결과에서 알 수 있듯이, 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목은 EN 13230-2 의 요구사항을 만족하고 있으며, 시험체별 최초 균열 발생 하중 및 파괴 하중이 매우 유사하여 균일함을 확인할 수 있다.
- 3) ACT용 광폭 PSC침목의 설계적합성을 확인하기 위하여 정적 휨 강도 시험, 동적 휨 강도 시험 및 피로 시험을 실시한 결과, 개발 침목은 EN 13230-2에서 요구되는 기준 항목들을 모두 만족하였다. 특히 정적 휨 강도 및 동적 휨 강도 시험 결과, 최초 균열 발생 후 정적 시험에서는 180~300 kN, 동적 시험에서는 100~180 kN 하중이 더 가해져야 균열폭 0.05 mm를 확인할 수 있었다. 이는 개발 광폭 PSC 침목이잔류 휨 강도의 감소가 작아 균열 지연 능력을 가지고 있다고 판단된다.
- 16과 같다. 피로 시험 결과에서 알 수 있듯이, 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목은 EN 13230-2의 요구사항을 만족하고 있음을 알 수 있다. 특히 200만회 반복하중 재하 후에 균열 폭이 확대되지 않았으며, Table 3의 FrB와 비교했을 때 정적휨 강도의 저하도 발생되지 않았음을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 ACT용 침목의 설계 편의성을 위해 아스팔트 콘크리트 도상의 반력 특성 및 반력 형상, yi , yd , yr 등의 계수를 결정하기 위한 추가 연구 수행이 필요하다고 판단된다.
- 예상하지 못한 수준으로 동적 충격 하중이 침목에 작용하게 되면, 레일 좌면부에 균열이 발생될수 있으며 충격이 반복 재하될 경우 침목 파손으로 이어질 수있다. 따라서 설계된 아스팔트 콘크리트 궤도용 광폭 PSC침목 레일 좌면부의 동적 휨 강도를 확인하여야 한다. 이를 위해 정적 휨 강도 시험과 동일한 방법으로 침목 시험체를 설치한 후 Fig.
- 따라서 아스팔트 콘크리트 도상의 반력 특성 및 형상, γi , γd , γr 등의 계수를 결정하기 위한 연구가 추가로 진행될 필요가 있다
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