[논문]H형 침목에 관한 연구

배현웅; 배상원; 김해곤; 이진옥; 임남형

[국내논문] H형 침목에 관한 연구
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배현웅 (충남대학교, 토목공학과) , 배상원 (충남대학교, 토목공학과) , 김해곤 (코레일, 사업개발본부) , 이진옥 (충남대학교, 토목공학과) , 임남형 (충남대학교, 토목공학과)

The lateral stiffness of the track structure is very important mechanical property to prevent the track buckling and progress of misalignment. The increasing methods of the lateral stiffness of the track structure are the following; increases of the lateral ballast resistance, and increases of the lateral stiffness of the track panel. In order to increase the lateral stiffness of the tack panel, some of the sleepers resist together against the lateral movement can be the most economical and mechanical method. In this paper, H-typed sleeper developed to solve this problem is introduced and the mechanical advantages of this sleeper are investigated.

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문제 정의

그러나 도상저항력을 현재보다 증진시키는 것은 현실적으로 어려우므로 궤광의 횡강성 증진을 위해 침목들이 횡방향 활동에 대해 함께 저항하는 것이 가장 경제적이고 구조적인 방법이다. 본 연구에서는 이러한 철도현장의 문제 속에 있는 기존의 침목보다 내구성 및 안정성을 증대 시킬 수 있도록 개발된 H형 침목을 소개하고, 구조적 이점에 대해 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 궤도에서 발생되는 유지보수비, 건설비의 절감 및 궤도의 안정성 확보를 목표로 기존 침목과는 다른 형태의 H형 침목의 적용성 및 효과를 분석하였다.

제안 방법

Full Model에서 일자형 침목과 H형 침목 각각 100m지점의 침목 끝에 궤도 횡방향으로 490kN(50tf)의 집중하중을 재하 하여 횡변위를 비교하였다. 이때 연결부에 작용되는 횡방향 저항력에 대한 정보는 아직까지 알려진 바가 없어 불확실하므로 고려하지 않았다(H-shaped Tie1).
또한 레일의 종방향 변위 효과를 살펴보기 위해, 200m 레일의 시작점은 고정하고 200m지점 단부는 자유단으로 하여 레일에 온도하중을 40℃까지 작용시켰다. 그 결과, 단부에서 일자형 침목의 최대 변위는 57.

이론/모형

해석프로그램은 본 연구진에 의해 개발된 기하 및 재료 비선형성을 고려한 3차원 궤도 해석프로그램 CWRCNU를 사용하였다. PC침목 설계(철도청, 2004)에서는 레일에 작용하는 윤중이 침목에 분산된 하중으로 작용하는 것으로 하여 설계가 이루어지기 때문에, 분산된 하중이 침목에 작용하는 침목모델(Tie Model)을 모사하였고, CWRCNU에서는 레일-체결구-침목-도상으로 구성된 궤도 전체의 모델(Full Model) 구현이 가능하여 하중 분산계수를 사용하지 않고 레일에 직접 윤중을 재하 하는 것으로도 해석을 수행하였다.

성능/효과

구조해석 및 설계기준 검토 결과, 제안한 H형의 단면은 기존의 침목형태를 유지한 채 연결부만 추가하여 적용이 가능하며, H형 침목이 실제 현장에 적용되면 특히 침목의 종·횡방향 저항력이 증가하여 궤도 좌굴에 대한 안전성을 확보할 수 있고, 이로 인해 유지보수율이 감소되는 큰 효과를 기대할 수 있다.
H형 침목 중앙부의 횡방향 저항력을 기존 일자형 침목의 횡방향 도상저항력과 같다고 가정하여 해석해본 결과(H-shaped Tie2), 최대 변위 32.23mm로(약 36% 감소) H형 침목의 횡방향 강성이 일자형 침목에 비해 약 1.55배 큼을 유추할 수 있다(그림 3). 실제 침목 중앙부의 횡방향 저항력에 대한 정보가 규명된다면 그 효과는 더 클 것으로 기대된다.
또한 레일의 종방향 변위 효과를 살펴보기 위해, 200m 레일의 시작점은 고정하고 200m지점 단부는 자유단으로 하여 레일에 온도하중을 40℃까지 작용시켰다. 그 결과, 단부에서 일자형 침목의 최대 변위는 57.57mm, H형 침목의 최대 변위는 31.32mm로, 변위가 약 45% 감소하였다(그림 4). 이는 두개의 일자형 침목 연결에 의해 침목의 종방향 저항력 또한 증진되어 신축이음부 등에서 복진 현상이 저감될 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

55배 큼을 유추할 수 있다(그림 3). 실제 침목 중앙부의 횡방향 저항력에 대한 정보가 규명된다면 그 효과는 더 클 것으로 기대된다.
구조해석 및 설계기준 검토 결과, 제안한 H형의 단면은 기존의 침목형태를 유지한 채 연결부만 추가하여 적용이 가능하며, H형 침목이 실제 현장에 적용되면 특히 침목의 종·횡방향 저항력이 증가하여 궤도 좌굴에 대한 안전성을 확보할 수 있고, 이로 인해 유지보수율이 감소되는 큰 효과를 기대할 수 있다. 차후 이를 입증하기 위한 시험 부설 운행이 필요하다 판단된다.

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