[논문]아스팔트 콘크리트 궤도용 사전제작형 슬래브 패널 개발

백인혁; 이성혁; 신응수

doi:10.11112/jksmi.2019.23.3.75

아스팔트 콘크리트 궤도용 사전제작형 슬래브 패널 개발
Development of Prefabricated Slab Panel for Asphalt Concrete Track 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.3, 2019년, pp.75 - 82

백인혁 (충북대학교 대학원 기계공학과) , 이성혁 (한국철도기술연구원) , 신응수 (충북대학교 기계공학부)

초록
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아스팔트 콘크리트(AC) 궤도는 열차 하중에 의한 궤도 하부노반의 발생응력을 최소화하고, 적외선에 민감한 AC의 노출면적을 감소시켜 온도 영향에 따른 AC 도상의 소성변형을 줄일 수 있는 슬래브 패널 개발이 매우 중요하다. 본 연구에서는 형상 설계 및 실내성능시험을 통해 AC 궤도용 슬래브 패널을 개발하였으며, KRL-2012 표준열차하중 모델 및 KR-C코드에 의한 다양한 정적 하중조합에 따른 슬래브 패널에 작용하는 휨 인장응력 및 설계모멘트를 유한요소해석을 통해 구조 안전성을 검토하였다. 또한 AC 궤도용 슬래브 패널의 설계 적합성을 검증하기 위하여, EN 13230-2에 의거 슬래브 패널 주요 위치별로 정적 휨 강도 시험, 동적 휨 강도 시험을 수행하였다. 성능 시험 결과, AC 궤도용 슬래브 패널은 균열 하중 및 균열 확대 여부 등 유럽 표준에서 요구되는 성능 기준을 모두 만족하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Slab panels are very important to develop asphalt concrete (AC) track for minimizing the roadbed stress due to the train load and reducing the plastic deformation of infrared-sensitive AC. In this study, the slab panel for AC track was developed through the shape design and the indoor performance test and its structural integrity has been investigated through the finite element analysis under the flexural tensile stress and the design moment according to various static load combination by KRL-2012 standard train load model and KR-C code. In order to verify the suitability of the slab panel for AC track, static bending strength test and dynamic bending strength test were performed according to EN 13230-2. Results show that the slab panel for AC track satisfies all the performance standards required by European standards such as crack loads and crack extension.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1 Standard live load
그림 Fig. 2 Schematic of loading case
표 Table 1 Design of asphalt concrete prefabricated slab panel
표 Table 2 Loading conditions according to train movement
그림 Fig. 3 Displacement and reaction force of KRL-2012 load model
그림 Fig. 4 Reaction force by loading cases
그림 Fig. 5 Finite element modeling of members
표 Table 3 Material property for parts
그림 Fig. 6 Equivalent depth to Odemark’s theory( Zoltán, et al., 2017)
그림 Fig. 7 Analysis result of longitudinal stress
그림 Fig. 8 Analysis result of lateral stress
표 Table 4 Evaluation of fatigue load and at the condition of live load
그림 Fig. 9 Test arrangements for static load test
그림 Fig. 10 Static test procedure at the rail-seat section for positive design approval test (Modified after EN 13230-2)
$Fig. 11 Representative fracture shape for static tests (Distance between the supports center line is 750 mm)$ 그림 Fig. 11 Representative fracture shape for static tests (Distance between the supports center line is 750 mm)
표 Table 5 Structural requirements of slab panels for ACT
표 Table 6 Impact factor in UIC 713R(UIC, 2014)
표 Table 7 Static test results for longitudinal and lateral specimens section of slab panels
그림 Fig. 12 Dynamic test procedure at the rail-seat section for positive design approval test (Modified after EN 13230-2)
$Fig. 13 Representative fracture shape of dynamic tests (Distance between the supports center line is 750 mm)$ 그림 Fig. 13 Representative fracture shape of dynamic tests (Distance between the supports center line is 750 mm)
표 Table 8 Dynamic test results for longitudinal and lateral specimens of slab panels

AI 본문요약
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문제 정의

또한 AC궤도는 슬래브 패널이 AC 도상에 직결되는 궤도 구조이므로, 충분한 궤도 종․ 횡방향 저항력확보를 통해 궤도틀림에 저항할 수 있는 구조가 바람직하다. 따라서 본 논문에서는 AC궤도의 요구수준에 부합할 수 있도록 시공성과 경제성 및 내구성을 확보할 수 있는 최적화된 슬래브 패널 개발 과정과 성능 시험 표준인 EN 13230-2 (CEN, 2016)에 의거하여 정적 및 동적 휨 강도 시험을 수행한 성능검증 결과를 기술하였다.

가설 설정

곡선구간 원심하중에 의한 증가분은 곡선부에서 횡방향 하중에 의해 발생하는 수직하중과 직선부에서의 축중의 비율로써, 내측레일의 지점에서는 내측레일 감소율이 되며, 외측레일의 지지점에서는 외측하중 증가율로 일반적으로 ±20%로 가정하여 사용한다.

제안 방법

최대 설계응력을 산정하기 위하여Fig. 2에 나타낸 바와 같이 표준 활하중의 위치를 다양하게 변경하여 재하 케이스(LC, Loading Case)을 구성하였으며(Table 2 참조), 수직하중은 레일강성, 축배치, 침목간격, 체결구 동적강성 및 윤중을 고려하여 Fig. 3과 같이 축하중(220kN)2개가 각각 작용 및 중첩되었을 때 레일처짐(Fig. 3(a)) 및 지지점 반력(Fig.
AC궤도용 슬래브 패널의 개발에 있어서 열차하중에 의한 AC 도상의 발생응력을 최소화하고 변형이 작게 발생되도록 저면이 넓은 패널 형식을 적용하였다. 이는 궤도 하부구조(노반 및 노상 등)에 전달되는 하중을 최소화하여 피로수명을 증대시키고 AC도상 두께를 최적화하여 경제성을 확보할 수 있도록 하기 위함이다.
01 mm 단위까지 측정 가능한 휴대용 측미현미경(제조회사 : Peak, 20배율)이 사용되었다. 기준 시험하중(Fr0)은 설계 결과가 반영되어 종방향 107.7 kN, 횡방향 63.1 kN이 적용되었으며, 또한 슬래브 패널에 대한 설계 및 제작의 균일성 확보를 위하여 종방향 및 횡방향 슬래브 패널 각각 3개(No.1~No.3)에 대해 시험을 수행하였다. 롤러 지점을 사용함으로 인해 하중 재하 및 증가에 따른 지점부 응력집중 문제가 발생될 수 있으나 Fig.
동적 휨 강도시험 시 설계 및 제작의 균일성을 확인하기 위하여 슬래브 패널 3개(No.1∼No.3)에 대해 시험을 수행하였다.
따라서 AC 궤도용 슬래브 패널의 설계 요구성능 기준을 검토하기 위하여 KRSA-T-2017–1004 –R0 (KRNA, 2017)에 따라 슬래브 패널을 Fig. 9와 같이 설치한 후 Fig. 10에 정의된 하중 재하 절차에 따라 정적 휨 강도 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 불안전측인 시스템 Ⅰ을 설계응력 산정조건으로 사용하였다. 따라서 슬래브 패널 하면과 AC 도상 사이의 접촉 조건은 상면의 분리조건을 부여하여, 최악 조건인 슬래브 패널과 AC 도상이 분리거동을 할 수 있도록 마찰이 없는 접촉조건을부여하였다.
이는 궤도 하부구조(노반 및 노상 등)에 전달되는 하중을 최소화하여 피로수명을 증대시키고 AC도상 두께를 최적화하여 경제성을 확보할 수 있도록 하기 위함이다. 또한 AC는 일반적으로 자외선(UV)에 민감하기 때문에 슬래브 패널형을 적용함으로써 일반 단침목에 비해 노출면적을 감소 시켜 온도 영향에 따른 AC 도상의 변형을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 이러한 슬래브 패널의 요구조건을 만족시키기 위해서 Table 1과 같은 다양한 형상에 대하여 인터페이스, 시공성, 실내 실험 및 구조해석을 통해 최종 슬래브 패널의 형상을 결정하였다.
본 연구에서는 AC 궤도에 적용할 수 있는 사전제작형 콘크리트 슬래브 패널 형상을 설계하고 유한요소해석을 통해 휨인장응력 및 설계모멘트를 계산하였다. 또한 설계의 적정성을 검증하기 위하여 EN 13230-2(CEN, 2016)에 의거 정적 휨강도 및 동적 휨 강도시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 AC 궤도에 적용할 수 있는 사전제작형 콘크리트 슬래브 패널 형상을 설계하고 유한요소해석을 통해 휨인장응력 및 설계모멘트를 계산하였다. 또한 설계의 적정성을 검증하기 위하여 EN 13230-2(CEN, 2016)에 의거 정적 휨강도 및 동적 휨 강도시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
2층지지 슬래브의 경우 콘크리트 도상층(슬래브 패널)과 AC도상 층이 서로 “결합되지 않는” 시스템 Ⅰ(SystemⅠ)과 “결합된” 시스템 Ⅱ(System Ⅱ)로 구분한다. 본 연구에서는 불안전측인 시스템 Ⅰ을 설계응력 산정조건으로 사용하였다. 따라서 슬래브 패널 하면과 AC 도상 사이의 접촉 조건은 상면의 분리조건을 부여하여, 최악 조건인 슬래브 패널과 AC 도상이 분리거동을 할 수 있도록 마찰이 없는 접촉조건을부여하였다.
열차 하중에 의해 발생하는 인장응력은 주로 체결구 저면하부에서 발생하므로 패널 상면의 중앙부는 패널 단부보다 50mm 작게 설계하여 단면 감소 효과에 따른 경제성을 확보하였다. 또한 철근배근 시 구조적 휨 인장응력이 많이 발생하는 체결구 하부는 휨 강성 및 균열 제어를 위해 좀 더 세밀하게 철근을 배근하여 강성을 확보하였다.
또한 AC는 일반적으로 자외선(UV)에 민감하기 때문에 슬래브 패널형을 적용함으로써 일반 단침목에 비해 노출면적을 감소 시켜 온도 영향에 따른 AC 도상의 변형을 최소화할 수 있도록 설계하였다. 이러한 슬래브 패널의 요구조건을 만족시키기 위해서 Table 1과 같은 다양한 형상에 대하여 인터페이스, 시공성, 실내 실험 및 구조해석을 통해 최종 슬래브 패널의 형상을 결정하였다.
따라서 설계된 AC 궤도용 슬래브 패널 레일 좌면부의 동적 휨 강도를 확인하여야 한다. 이를 위해 정적 휨 강도시험과 동일한 방법으로 슬래브 패널 시험체를 설치한 후 Fig. 12에 정의된 하중 재하 절차를 적용하여 레일 좌면부에 대한 동적 휨 강도 시험을 수행하였다. 균열폭은 단계별 재하된 동적 하중이 제거된 후 측정되었으며, 정적 휨 강도 시험과 마찬가지로 휴대용 측미현미경이 사용되었다.
한편 궤도 상부구조에 해당하는 슬래브 패널을 개발하기 위해 열차 하중에 의한 궤도 하부구조의 발생응력을 최소화하고, 자외선에 민감한 AC도 상의 노출면적을 감소 시켜 온도영향에 따른 소성변형을 줄일 수 있는 슬래브 패널을 개발하였다(KRRI, 2014). 또한 AC궤도는 슬래브 패널이 AC 도상에 직결되는 궤도 구조이므로, 충분한 궤도 종․ 횡방향 저항력확보를 통해 궤도틀림에 저항할 수 있는 구조가 바람직하다.

데이터처리

열차하중에 대한 구조해석을 위해 범용 유한요소해석(FEM) 프로그램인 Abaqus 6.14를 사용하였다. Fig.

이론/모형

AC 궤도용 슬래브 패널에 대한 설계 검증을 위한 기준은EN 13230-2(CEN, 2016)을 적용하였다. 즉, 레일 좌면부의 설계모멘트가 결정되면 Eq.

성능/효과

(2) AC 궤도용 슬래브 패널에 대해 계절별 AC의 탄성계수를 달리 적용하여 정적 유한요소해석결과, 슬래브 패널에 작용하는 휨인장 응력에 대한 피로하중과 허용응력값을 검토한 결과 모두 허용응력 기준을 만족하는 것을 알 수 있다.
(3) AC 궤도용 슬래브 패널에 대한 설계검증을 확인하기 위하여 정적 및 동적 휨강도 시험을 시행한 결과, EN13230-2에서 요구하는 기준 성능을 모두 만족하였다.
각 시편별 최종 파괴모드는 종·횡방향 시험체 6개 모두 휨 파괴로 관찰되었다.
11과 같다. 각 시편별 최종 파괴모드는 종·횡방향 시험체 6개 모두 휨 파괴로 관찰되었다. AC 궤도용 슬래브 패널의 정적 휨 강도 시험 결과에서 알 수 있듯이, Fr_r, Fr_0.
본 연구를 통해 개발된 AC 궤도용 사전제작형 콘크리트 슬래브 패널은 현재 영업선에 실제 부설되어 있으며, 계절별 모니터링 결과, 설계요구성능을 충분히 만족하고 있음을 확인하였다.
05 및 Fr_B는 EN 13230-2(CEN, 2014)의 요구사항을 만족하고 있다. 특히 최대 파괴하중은 요구성능 대비 약 2배의 안전율을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AC 궤도의 장점은 무엇인가?	아스팔트 콘크리트(AC) 궤도는 초기 건설비는 저렴하지만지속적인 유지보수가 필요한 자갈 궤도와 초기 건설비는 비싸지만 유지보수 노력을 줄일 수 있는 콘크리트 궤도의 장점을 살리고 단점을 보완할 수 있는 신개념 궤도시스템이다(KRRI, 2016). 그리고 AC 궤도는 자연재해에 의한 선로 유실및 탈선 사고 등에 의한 궤도 파괴 시 신속한 유지보수가 가능할 뿐만 아니라 시공 및 유지보수 후 단시간 내에 열차 운행이가능하다. 또한 이산화탄소 배출량과 소음 및 진동 저감이 탁월하고 승차감이 우수한 점 등 친환경적인 궤도 구조이기도하다(Esveld, 2001 ; EAPA, 2014 ; Lichtberger, 2005).
	아스팔트 콘크리트(AC) 궤도란 무엇인가?	아스팔트 콘크리트(AC) 궤도는 초기 건설비는 저렴하지만지속적인 유지보수가 필요한 자갈 궤도와 초기 건설비는 비싸지만 유지보수 노력을 줄일 수 있는 콘크리트 궤도의 장점을 살리고 단점을 보완할 수 있는 신개념 궤도시스템이다(KRRI, 2016). 그리고 AC 궤도는 자연재해에 의한 선로 유실및 탈선 사고 등에 의한 궤도 파괴 시 신속한 유지보수가 가능할 뿐만 아니라 시공 및 유지보수 후 단시간 내에 열차 운행이가능하다.
	AC궤도용 슬래브 패널을 넓은 패널 형식으로 적용한 이유는 무엇인가?	AC궤도용 슬래브 패널의 개발에 있어서 열차하중에 의한 AC 도상의 발생응력을 최소화하고 변형이 작게 발생되도록저면이 넓은 패널 형식을 적용하였다. 이는 궤도 하부구조(노반 및 노상 등)에 전달되는 하중을 최소화하여 피로수명을 증대시키고 AC도상 두께를 최적화하여 경제성을 확보할 수 있도록 하기 위함이다. 또한 AC는 일반적으로 자외선(UV)에민감하기 때문에 슬래브 패널형을 적용함으로써 일반 단침목에 비해 노출면적을 감소시켜 온도 영향에 따른 AC 도상의 변형을 최소화할 수 있도록 설계하였다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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