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[국내논문] 구조물 접속부 형상에 따른 철도 교량-토공 접속부의 동적거동
Dynamic Behavior on Transition Zone of the Railway Bridge-earthwork by Shape of Transition Zone 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.22 no.4, 2021년, pp.5 - 13  

정광수 (Hankwang Engineering & Architecture Co,, Ltd.) ,  안광국 (School of Civil Engineering, Chungbuk National University) ,  강홍식 (Byeokdong Construction Co., Ltd.)

초록
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철도 분야에서 구조물 접속부는 지지강성이 갑작스럽게 변화하는 구간으로 갑작스럽게 지지강성이 변화하면 강성차로 인해 구조물 접속부에는 부등침하가 발생하게 된다. 이러한 부등침하는 열차의 주행안전성과 궤도를 지지하는 노반에 문제를 발생시킨다. 특히 구조물 접속부 중 교량-토공 접속부에서 부등침하에 관하 연구는 대부분 열차하중을 고려하였을 뿐 지진을 고려한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 구조물 접속부의 형상이 지진 시 교량-토공 접속부의 동적거동에 미치는 영향을 확인하기 위해 구조물 접속부의 형상을 결정하는 어프로치블록의 기울기와 토공의 기울기를 변화시켜 수치해석을 수행하였다. 그 결과 교량-토공 접속부에서의 동적 거동은 구조물 접속부의 형상에 영향을 받는 것으로 나타났다.

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The transition is the zone where support stiffness suddenly increases in the railway industry. If the support stiffness increases, differential settlement will occur at the transition due to difference of stiffness, and the differential settlement causes problems for the train running safety and the...

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AI 본문요약
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제안 방법

  • 이에 본 연구에서는 지진 시 구조물 접속부의 형상이 교량-토공 접속부의 동적거동에 미치는 영향을 확인하기 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 2 차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서 구조물 접속 부의 형상은 교량-토공 접속부를 구성하는 어프로치 블록과 자갈의 접속부 경계면 기울기인 어프로치블록의 기울기와 자갈과 토공의 접속부 경계면 기울기인 토공의 기울기를 변화 시켜 구조물 접속부의 형상을 변화시켰으며, 교량-토공접속 부의 동적거동은 교량-토공 접속부의 지표면 가속도, 수평변위 및 수직변위를 확인하여 분석하였다.
  • 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서 구조물 접속 부의 형상은 교량-토공 접속부를 구성하는 어프로치 블록과 자갈의 접속부 경계면 기울기인 어프로치블록의 기울기와 자갈과 토공의 접속부 경계면 기울기인 토공의 기울기를 변화 시켜 구조물 접속부의 형상을 변화시켰으며, 교량-토공접속 부의 동적거동은 교량-토공 접속부의 지표면 가속도, 수평변위 및 수직변위를 확인하여 분석하였다.
  • 모델링 시 해석단면의 요소는 4절점 평면변형률 요소 (CPE4)를 적용하였으며, 교량-토공 접속부를 구성하는 교대와 토공은 지진 시 분리 거동을 위해 개별로 교대와 토공을 모델링한 후 결합하는 방법으로 노드를 공유시키지 않았다. 토공은 분할(partition)방법을 통해 토공을 구성하는 어프로치 슬래브, 강화노반, 어프로치블록, 자갈, 토공, 원지반으로 분할 구분하고 노드를 공유시켜 일체 거동하도록 모델링 하였으며, 교대는 기존 연구문헌(Cho et al.
  • 토공은 분할(partition)방법을 통해 토공을 구성하는 어프로치 슬래브, 강화노반, 어프로치블록, 자갈, 토공, 원지반으로 분할 구분하고 노드를 공유시켜 일체 거동하도록 모델링 하였으며, 교대는 기존 연구문헌(Cho et al., 2012; Park et al., 2011; Lee et al., 2010)과 유사하게 강체로 가정하여 모델링해 수치해석에 적용하였다. 해석단면을 구성하는 재료의 역학적 특성은 국토교통부 철도설계기준 흙구조물(KDS 47 10 25, 2019)의 기준조건을 고려한 기존 연구 문헌(Cho et al.
  • 11g로 Fig. 3의 (b)와 같이 크기를 조정하여 수치해석에 적용하여 시간 이력해석을 수행하였다.
  • 구조물 접속부의 형상이 지진 시 교량-토공 접속부의 동적 거동에 미치는 영향을 확인하기 위한 수치해석에 구조물접속 부의 형상은 Fig. 2와 같이 어프로치블록과 자갈의 접속부 경계면 기울기인 어프로치블록의 기울기(ⓐ)와 자갈과 토공의 접속부 경계면 기울기인 토공의 기울기(ⓑ)를 Table 3과 같이 변화시켜 수치해석에 적용하였다.
  • 수치해석 시 경계조건은 해석단면(Fig. 2)의 양 측면은 지진파에 의한 반사 및 굴절파를 제거하기 위해 무한요소 (Infinite element)를 적용하였으며, 해석단면 하부는 해석단계에 따라 첫 번째 해석단계에서는 수직변위 및 수평 변위가 발생하지 않도록 힌지를 적용하였으며, 두 번째 해석단계에서는 지진파에 의해 수평변위가 허용되도록 수직 변위만 고정한 롤러를 적용하였다. 해석단계는 총 두 단계로 첫 번째 단계는 지반에 설치되는 교대에 의해 지반변형이 발생하지 않도록 초기응력과 교대 하중과의 평형상태를 유도하는 ABAQUS에서 제공하는 Geostatic 해석단계를 적용하여 변형이 발생하지 않게 하였으며, 두 번째 단계는 지진파에 따른 시간이력해석으로 Dynamic 해석단계를 적용해 수치해석을 수행하였다.
  • 2)의 양 측면은 지진파에 의한 반사 및 굴절파를 제거하기 위해 무한요소 (Infinite element)를 적용하였으며, 해석단면 하부는 해석단계에 따라 첫 번째 해석단계에서는 수직변위 및 수평 변위가 발생하지 않도록 힌지를 적용하였으며, 두 번째 해석단계에서는 지진파에 의해 수평변위가 허용되도록 수직 변위만 고정한 롤러를 적용하였다. 해석단계는 총 두 단계로 첫 번째 단계는 지반에 설치되는 교대에 의해 지반변형이 발생하지 않도록 초기응력과 교대 하중과의 평형상태를 유도하는 ABAQUS에서 제공하는 Geostatic 해석단계를 적용하여 변형이 발생하지 않게 하였으며, 두 번째 단계는 지진파에 따른 시간이력해석으로 Dynamic 해석단계를 적용해 수치해석을 수행하였다. 수치해석 시 지반-구조물 상호작용 (Kim, 2002)을 모사하기 위한 교량과 지반의 접속조건은 교량 하부구조 설계기준(KDS 24 14 50, 2016)의 벽면 마찰각 조건을 고려하여 첫 번째 단계에서는 를 적용하였고, 두 번째 단계인 지진 시에는 을 적용하였다.
  • 수치해석 시 지반-구조물 상호작용 (Kim, 2002)을 모사하기 위한 교량과 지반의 접속조건은 교량 하부구조 설계기준(KDS 24 14 50, 2016)의 벽면 마찰각 조건을 고려하여 첫 번째 단계에서는 를 적용하였고, 두 번째 단계인 지진 시에는 을 적용하였다. 구조물 접속부 형상에 따른 지진 시 교량-토공 접속부의 동적 거동은 같이 교량-토공 접속부를 구성하는 어프로치블록, 자갈 및 토공 구간 지표면에서의 최대 가속도, 영구수평변위, 영구 수직 변위 결과를 획득하여 분석하였다.
  • 지진 시 구조물 접속부의 형상이 교량-토공 접속부의 동적 거동에 미치는 영향을 확인하기 위해 구조물 접속 부의 형상을 결정하는 어프로치블록의 기울기 및 토공의 기울기를 변화시켜 수치해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

  • 교량-토공 접속부의 표준단면은 국토교통부 철도공사 토공사(KCS 47 10 25, 2019)에 제시된 Fig. 1과 같은 표준 단면을 해석단면으로 선정하였으며, 표준단면의 크기는 10m 의 교량 높이를 기준으로 Fig. 2와 같이 원지반을 포함하여 높이는 총 17.5m이며, 폭은 교량을 포함하여 총 66.3m로 결정하여 해석단면을 모델링 하였다. 모델링 시 표준 단면의 토공 부분은 국토교통부 철도설계기준 흙구조물(KDS 47 10 25, 2019)을 참고하여 상부토공과 하부토공으로 구분하여 각각 3m, 7m 높이를 적용하였다.
  • 모델링 시 표준 단면의 토공 부분은 국토교통부 철도설계기준 흙구조물(KDS 47 10 25, 2019)을 참고하여 상부토공과 하부토공으로 구분하여 각각 3m, 7m 높이를 적용하였다. 수치해석에 사용된 해석 단면의 재료의 구성은 Fig. 1의 표준단면을 기반으로 Fig. 2와 같이 어프로치슬래브(①), 강화노반(②), 교대(③), 어프로치블록(④), 자갈(⑤), 토공(⑥), 원지반(⑦)으로 구성시켰다.
  • 수치해석에 적용한 지진파는 교량-토공 접속부의 동적 특성에 영향을 미칠 수 있는 다양한 주기 특성을 포함한 기록된 지진파를 적용하였다. 기록 지진파는 국내 지반 특성 (Yoon et al.

이론/모형

  • 3m로 결정하여 해석단면을 모델링 하였다. 모델링 시 표준 단면의 토공 부분은 국토교통부 철도설계기준 흙구조물(KDS 47 10 25, 2019)을 참고하여 상부토공과 하부토공으로 구분하여 각각 3m, 7m 높이를 적용하였다. 수치해석에 사용된 해석 단면의 재료의 구성은 Fig.
  • , 2010)과 유사하게 강체로 가정하여 모델링해 수치해석에 적용하였다. 해석단면을 구성하는 재료의 역학적 특성은 국토교통부 철도설계기준 흙구조물(KDS 47 10 25, 2019)의 기준조건을 고려한 기존 연구 문헌(Cho et al., 2012; Park et al., 2011; Lee et al., 2010; Oh, 2006; Eum et al., 2013; KRRI, 2008)을 기반으로 Table 2와 같이 결정하였으며, Fig. 2와 연계하여 수치해석에 적용하였다 (Jung, 2021).
  • 해석단계는 총 두 단계로 첫 번째 단계는 지반에 설치되는 교대에 의해 지반변형이 발생하지 않도록 초기응력과 교대 하중과의 평형상태를 유도하는 ABAQUS에서 제공하는 Geostatic 해석단계를 적용하여 변형이 발생하지 않게 하였으며, 두 번째 단계는 지진파에 따른 시간이력해석으로 Dynamic 해석단계를 적용해 수치해석을 수행하였다. 수치해석 시 지반-구조물 상호작용 (Kim, 2002)을 모사하기 위한 교량과 지반의 접속조건은 교량 하부구조 설계기준(KDS 24 14 50, 2016)의 벽면 마찰각 조건을 고려하여 첫 번째 단계에서는 를 적용하였고, 두 번째 단계인 지진 시에는 을 적용하였다. 구조물 접속부 형상에 따른 지진 시 교량-토공 접속부의 동적 거동은 같이 교량-토공 접속부를 구성하는 어프로치블록, 자갈 및 토공 구간 지표면에서의 최대 가속도, 영구수평변위, 영구 수직 변위 결과를 획득하여 분석하였다.
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참고문헌 (18)

  1. Cho, I. K., Jung, J. H. and Cho, K. H. (2012), Numerical analysis for optimization method of support stiffness in railway transition zone, Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 12, No. 2, pp. 65-70 (In Korea). 

  2. Eum, K. Y., Kim, Y. H. and Kim, J. W. (2013), Study on dynamic characteristics of structure approaches by train moving loads, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 16, No. 4, pp. 298-304 (In Korea). 

  3. Hwang, S. K., Lee, J. W., Joh, S. H. and Oh S. D. (2002), Performance evaluation of railroad bridge foundation under design earthquake, Korean Society for Railway Conference, the Korean Society for Railway, 2002.5, pp. 165-170 (In Korea). 

  4. Jung, K. S. (2021), Characteristics of dynamic behavior on transition zone of railway abutment, Master's thesis, Chungbuk National University, pp. 1-44 (In Korea). 

  5. KCS. 47. 10. 25. (2019), Korean standard construction code for earthwork of railway, Korea construction standards center, pp. 9-21. 

  6. KDS. 17. 10. 00. (2018), Korean design code for seismic design, Korea construction standards center, pp. 6-8. 

  7. KDS. 24. 14. 50. (2016), Korean design code for substructures of bridges, Korea construction standards center, pp. 14-17. 

  8. KDS. 47. 10. 25. (2019), Korean design code for soil structures of railway, Korea construction standards center, pp. 5-13. 

  9. Kim, D. S. (2002), Sliding conditions at the interface between soil and underground structure, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 6, No. 1. pp. 7-11 (In Korea). 

  10. Korea Railway Research Institute (2008), Study of increasing natural ground stabilization on railway earthwork section, Research Report. 

  11. Lee, K. H. and Shin, M. H. (2003), An evaluation on the seismic stability of a railway bridge pile foundation considering soil-structure interaction, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 6, No. 1, pp. 29-40 (In Korea). 

  12. Lee, I. W. (2006), Design and maintenance of railway earthwork-bridge transition to considering interaction, Ground, Korean Geotechnical Society, Vol. 22, No. 11, pp. 46-55 (In Korea). 

  13. Lee, I. W., Lee, S. J., Lee, H. H. and Kang, T. H. (2010), Evaluation of deformation characteristics for bridge/earthwork transition reinforcement methods considering moving load, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 13, No. 3, pp. 298-303 (in Korea). 

  14. Lee, I. W., Lee, S. J., Lee, H. H. and Lee, K. M. (2015), Analysis of design parameters for earthwork/bridge transition structure for ultra-high speed running, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 18, No. 2, pp. 117-126 (In Korea). 

  15. Lee, W. H. (2017), Dynamic interaction analysis of the bridge transition part, The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Conference, The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 2017.9, pp. 125-129 (In Korea). 

  16. Oh, M. R. (2006), A study on the stability for the railroad bed and the foundation ground(high landfill slope), Master's thesis, Seoul National University of Technology, pp. 2-71 (In Korea). 

  17. Park, H. S., Kim, N. S. and Kang, Y. S. (2011), Transition zone behavioral characteristics with increase the speed of high speed railroad, Korean Society for Railway Conference, the Korean Society for Railway, 2011.10, pp. 1583-1593 (In Korea). 

  18. Yoon, J. K., Kim, D. S. and Bang, E. S. (2006), Development of site classification system and modification of design response spectra considering geotechnical site characteristics in Korea (II) - development of site classification system, Journal of Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 10, No. 2, pp. 51-62 (In Korea). 

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