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문제 정의
- 본 논문에서는 기존에 연구되지 않은 강박스 철도교에 대해 고속 및 일반 열차 주행시에 변위계와 가속도계를 이용한 실측을 통하여 대상 교량의 동적응답(dynamic response)을 분석하고 동적특성(dynamic characteristics)을 평가하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 연구대상 강박스 철도교량의 가장 기본적인 동특성인 고유진동수(natural frequency)를 분석하기 위하여 경간의 1/2 지점의 상선(Acc 1)과 하선(Acc 2)에서 연직방향 가속도 응답을 동시에 계측하였다. 계측된 시간이력 data는 FFT 분석을 위하여 상용프로그램인 OriginPro를 사용하였으며, 이로 부터 실측 고유 진동수를 산출한 후 설계기준치와 비교하여 교량의 동적안정성과 사용성을 검토하였다.
- 교량의 단부 거더 처짐 정도를 파악하여 철도차량 주행시 측정된 데이터를 이용해 각 열차종별 단부꺽임각을 구하였다. 단부꺾임각의 결과를 식(1)의 꺾임각 산정식으로 구해 Table 4 및 Fig.
- 본 교량의 동적거동 특성을 분석하기 위하여 4종류의 열차(KTX, 무궁화, 새마을, 화물)가 운행 될 때 가속도와 속도 응답을 실시간으로 측정하였으며, 열차 통행시 가속도계 2개를 설치하고 변위계는 지간 중앙에 2개, 단부측에 2개를 설치하였다. 실험시 진동 응답은 100Hz의 sampling rate로 측정하였다.
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3.3 실험결과
실험으로부터 총 11대(KTX 4대, 새마을호 1대, 무궁화호 5대, 화물열차 1대)의 열차를 대상으로 주행시 가속도응답과 처짐응답을 실시간으로 계측하였다. 열차종별에 따른 각열차의 최대속도를 스피드건으로 측정한 결과, KTX의 경우 144km/h, 새마을호의 경우 56km/h, 무궁화호의 경우 113km/h, 화물열차의 경우 67km/h로 각각 측정되었다.
- 연구대상 강박스 철도교량의 가장 기본적인 동특성인 고유진동수(natural frequency)를 분석하기 위하여 경간의 1/2 지점의 상선(Acc 1)과 하선(Acc 2)에서 연직방향 가속도 응답을 동시에 계측하였다. 계측된 시간이력 data는 FFT 분석을 위하여 상용프로그램인 OriginPro를 사용하였으며, 이로 부터 실측 고유 진동수를 산출한 후 설계기준치와 비교하여 교량의 동적안정성과 사용성을 검토하였다.
- 충격계수의 산출은 변위계가 설치된 주형 위를 주행하는 상행열차를 대상으로 고려하였다. 열차종별로 지간중앙 지점(DT 1, DT 2)에서 계측된 처짐시 간이력 DT 1과 DT 2에 Low Pass Filter의 범위를 Moving Averaging 필터링하여 구한 정적응답곡선 DT 1을 비교하여 실측 충격계수를 산출하는 방법을 사용하였다. 실험대상 교량의 지간장은 48.
- 열차하중에 따른 강박스 철도교량의 동적응답특성을 평가하기 위하여 대상교량의 동특성 분석을 위한 연직처짐 및 연직가속도, 고유진동수 및 감쇠비, 단부꺽임각, 충격계수를 분석하였다.
- 교량의 충격계수는 교량의 노면조도, 차량의 주행속도, 지간장, 고정하중과 활하중의 비, 구조적 특성 등의 다양한 인자들에 의하여 결정된다. 이러한 동적인 특성을 보여주는 교량의 실제 충격계수를 구하기 위하여 열차 주행 시 계측된 처짐시간이력을 이용하였다. 충격계수의 산출은 변위계가 설치된 주형 위를 주행하는 상행열차를 대상으로 고려하였다.
대상 데이터
- 실험 대상의 강박스 철도교는 복선 철도교량으로 호남선 상에 위치하고 있으며, 교량의 총 연장은 298m로 콘크리트 라멘교(129m)와 강박스교(169m)가 연계된 2가지 형식으로 이루어져 있다. 강박스 철도교량의 총 연장은 169m (52m+ 65m+52m)이며 자갈도상과 콘크리트 침목으로 구성되어 있다.
- 실험시 진동 응답은 100Hz의 sampling rate로 측정하였다. 실험의 대상경간의 선정은 대상 교량의 구조적 특성 및 계측의 편의성, 센서 부착 및 측정장비의 설치, 철도차량의 육안확보 등의 현장여건을 종합적으로 고려하여 강박스형교의 3경간을 선정하였다.
- 이러한 동적인 특성을 보여주는 교량의 실제 충격계수를 구하기 위하여 열차 주행 시 계측된 처짐시간이력을 이용하였다. 충격계수의 산출은 변위계가 설치된 주형 위를 주행하는 상행열차를 대상으로 고려하였다. 열차종별로 지간중앙 지점(DT 1, DT 2)에서 계측된 처짐시 간이력 DT 1과 DT 2에 Low Pass Filter의 범위를 Moving Averaging 필터링하여 구한 정적응답곡선 DT 1을 비교하여 실측 충격계수를 산출하는 방법을 사용하였다.
성능/효과
- 49g를 포함한 총 6회의 값들이 측정되었으며, 이 값들은 열차 진행방향 직하부 Steel Box 하부 flange에 설치한 가속도계에서 얻어졌다. KTX와 새마을호는 1회를 제외한 다른 값들은 모두 제한값에 만족하였으나, 무궁화호는 측정치 10회 중 4회의 측정치가 제한값을 초과하는 것으로 다른 종류의 열차주행시 얻어진 응답에 비해 상대적으로 큰 가속도 값이 측정되었다. 연직처짐은 Table 1에서 제시한 기준과 같이 철도설계기준 L/1600(30.
- 49g로 화물열차를 제외한 3종류(KTX, 새마을, 무궁화)의 열차에서 측정되었다. KTX와 새마을호는 1회를 제외한 다른 값들은 모두 제한값을 만족하였으나, 무궁화호는 측정치 10회 중 4회가 제한값을 초과하였으며, 다른 종류의 열차주행시 얻어진 응답에 비해 상대적으로 큰 가속도 값이 측정되었다. 총 6회의 측정치를 제외하고는 Steel Box Girder 철도교의 경우 다양한 열차주행에 대해 동적 안정성과 사용성을 부분적으로 확보하고 있는 것으로 나타났다.
- 가장 기본적인 동특성인 고유진동수(Natural frequency)를 분석한 결과, 3Hz 내외로 UIC-code 776-1에 명시되어있는 1st mode 고유진동수의 하·상한치 기준 내에서 만족하는 것으로 평가되었으며, 감쇠비는 1.26% ~ 2.84%의 범위로 측정되었다.
- 34Hz로 나타났으며, 이는 UIC-code 776-1에 명시되어있는 1st mode 고유진동수의 하·상한치 기준 내에 만족하는 것으로 나타났다. 감쇠비 분석 결과 열차주행시 감쇠비의 범위는 1.26%~2.84%로 무궁화 (15:45) 열차주행시 2.84%의 최대 감쇠가 일어나는 것으로 나타났다. Table 3에는 열차가 주행하면서 발생된 가속도 응답을 주파수 분석하여 얻은 고유진동수와 감쇠비 결과를 정리하였다.
- 본 연구에서 실험대상교량의 처짐 및 가속도 응답 측정 결과, 최대 연직처짐은 4.86mm로 설계기준 30.1mm를 충분히 만족하고 있으며, 연직처짐에 대한 동적안정성은 확보하고 있는 것으로 나타났다. 가속도 응답의 경우 설계기준 BRDM(Bridge Design Manual), CTRL에서 제시한 유도상 궤도 제한값 0.
- 상용프로그램인 OriginPro를 사용하여 분석한 FFT결과 실험대 상교량의 고유진동수는 2.45Hz~3.34Hz로 나타났으며, 이는 UIC-code 776-1에 명시되어있는 1st mode 고유진동수의 하·상한치 기준 내에 만족하는 것으로 나타났다.
- 78×10-3 rad으로 규정을 충분히 만족하고 있어 충분한 사용성을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 실측 충격계수를 분석한 결과, 최대치는 KTX(15:04) 주행시 i=0.20으로 분석되었다. 이는 국내의 철도설계기준에서 제시하고 있는 설계기준 0.
- 실험 대상교량의 실측 충격계수는 KTX(15:04) 주행시 측정된 0.20이 최대 충격계수로 분석되었다. 충격계수는 국내의 철도설계기준에서 제시하고 있는 설계기준 0.
- 1mm)을 적용하였다. 실험대상교량의 최대 연직처짐은 4.86mm로 설계기준에 충분히 만족하고 있으며, 연직처짐에 대한 동적안정성은 확보하고 있는 것으로 나타났다.
- 실험으로부터 총 11대(KTX 4대, 새마을호 1대, 무궁화호 5대, 화물열차 1대)의 열차를 대상으로 주행시 가속도응답과 처짐응답을 실시간으로 계측하였다. 열차종별에 따른 각열차의 최대속도를 스피드건으로 측정한 결과, KTX의 경우 144km/h, 새마을호의 경우 56km/h, 무궁화호의 경우 113km/h, 화물열차의 경우 67km/h로 각각 측정되었다. 새마 을호의 경우 56km/h로 주행한 이유는 실험교량이 공용역과 근접해 있어 정차를 위해 속도를 감속한 것이 원인이라 판단된다.
- KTX와 새마을호는 1회를 제외한 다른 값들은 모두 제한값을 만족하였으나, 무궁화호는 측정치 10회 중 4회가 제한값을 초과하였으며, 다른 종류의 열차주행시 얻어진 응답에 비해 상대적으로 큰 가속도 값이 측정되었다. 총 6회의 측정치를 제외하고는 Steel Box Girder 철도교의 경우 다양한 열차주행에 대해 동적 안정성과 사용성을 부분적으로 확보하고 있는 것으로 나타났다. 가장 기본적인 동특성인 고유진동수(Natural frequency)를 분석한 결과, 3Hz 내외로 UIC-code 776-1에 명시되어있는 1st mode 고유진동수의 하·상한치 기준 내에서 만족하는 것으로 평가되었으며, 감쇠비는 1.
- 20이 최대 충격계수로 분석되었다. 충격계수는 국내의 철도설계기준에서 제시하고 있는 설계기준 0.29를 충분히 만족하여 동적안정성은 충분히 확보하고 있는 것으로 판단된다.
- 화물을 제외한 3종류의 열차 주행시 설계기준 BRDM 및 CTRL 규정에서 제시한 유도상 궤도의 경우 0.35g를 초과하는 최대치 0.49g를 포함한 총 6회의 값들이 측정되었으며, 이 값들은 열차 진행방향 직하부 Steel Box 하부 flange에 설치한 가속도계에서 얻어졌다. KTX와 새마을호는 1회를 제외한 다른 값들은 모두 제한값에 만족하였으나, 무궁화호는 측정치 10회 중 4회의 측정치가 제한값을 초과하는 것으로 다른 종류의 열차주행시 얻어진 응답에 비해 상대적으로 큰 가속도 값이 측정되었다.
후속연구
- 고유진동수, 연직처짐, 단부꺽임각, 충격계수에서는 다양한 열차주행에 대해 동적 안정성과 사용성을 충분히 확보하고 있는 것으로 평가되었으나, 연직가속도의 경우 진동가속도 응답을 감소시키기 위해 열차량수와 주행속도에 관련된 연구가 더욱 필요할 것으로 판단된다.
- 과거 국내 고속철도의 설계방식은 대부분 정적하중에 동적확대계수(충격계수)를 적용하여 기존 구조물에 대한 강성을 증가시키는 개념으로 설계되었다(3). 그러나 철도교량은 연속적인 열차하중의 특성상 공진발생의 가능성이 있으므로 충격력만이 아닌 진동에 의한 동적안정성에 대한 연구가 필요하다. 국내에서는 일반도로교는 활발한 연구를 해왔으나 철도교에 대한 연구는 매우 부족한 실정으로 2000년 ‘한국건설기술연구원’에서 “고속철도 구조물 안정성 기술 개발”에 대한 연구를 하기 전까지는 거의 전무한 실정이었다.
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