무도상 교량 미끄럼 허용 궤광 시스템의 횡방향 보강판 현장 실험
Lateral Reinforcing Plate Field Test of a Sliding Track Panel System for a Ballastless Track Bridge
Article information
Abstract
미끄럼 허용 궤광(Sliding Track Panel) 시스템은 트러스 교량과 같이 경간장이 긴 무도상 교량의 장대레일화 기법으로서 궤도-교량 상호작용으로 인해 레일에 발생하는 부가응력을 감소시키는데 목적이 있다. 그러나 STP 시스템은 기존 무도상 교량에 설치되어 있는 침목고정장치를 제거하여 종방향 저항력을 소거하는 시스템으로 수직방향과 횡방향에 대한 좌굴안정성이 결여되어 있다. 이를 보완하기 위해 횡방향 저항력을 증대 시킬 수 있는 횡방향 보강판을 설치하는 방안을 고안하였다. 본 논문에서는 횡방향 보강판에 대한 횡방향 저항력 증대 효과를 알아보기 위해 현장실험을 수행하여 궤광의 횡방향 저항성능을 도출하였다.
Trans Abstract
The Sliding Track Panel (STP) System is a method for installing Continuous Welded Rail (CWR) in a long-span ballastless track bridge, such as a truss bridge. The STP system aims to reduce additional stress generated on the rail due to track-bridge interactions. However, as the STP system eliminates longitudinal resistance by eliminating the sleeper fastener device installed on the existing ballastless track bridge, there is no buckling stability in the vertical and lateral directions. Therefore, a plan was devised to install a lateral reinforcement plate to increase the lateral resistance. This paper investigated the effect of increasing the lateral resistance of the reinforcing plate through a field test to determine the lateral resistance performance of the track panel.
1. 서 론
기존 무도상 교량은 정척레일을 이음매판으로 연결하여 소음과 진동 등의 문제로 고속화가 어려운 실정이다. 이를 해결하기 위해 레일 장대화가 필수적이다. 그러나 트러스 교량과 같은 장대교량은 레일 장대화시 궤도-교량 상호작용으로 인해 레일 부가응력을 초과하기 때문에 레일 장대화가 어려운 실정이다.
무도상 교량의 레일장대화에 대한 선행 연구 결과에 따르면 경간길이 188.4 m의 3경간 연속 트러스교에서 궤도-교량 상호작용으로 인해 발생하는 레일 부가응력은 KR C-08080 (2017)에서 제시하고 있는 허용 부가응력 72 MPa의 약 두배인 145 MPa이 발생하는 것을 알 수 있다(Park et al., 2018).
기존 무도상 교량의 레일장대화 방안으로는 활동 레일체결장치를 사용하는 방법, 레일 신축이음장치를 사용하는 방법, 지점 배치방식을 변경하는 방법등이 있다(Hwang et al., 2017). 또한 상부구조를 연속화하고 교각의 교량받침을 수평반력이 발생하지 않는 미끄럼받침으로 교체하여 변위를 제어하는 방안도 연구된바 있다(Chae et al., 2019).
그러나 기존의 무도상교량 장대화 방안들은 경간이 짧은 판형교에 한정된 방안으로 트러스교량과 같이 경간이 긴 무도상교량에는 적용이 어려운점이 있다.
이러한 한계를 극복하기 위한 방안으로 미끄럼 허용 궤광(Sliding Track Panel) 시스템을 제안한 바 있다. STP 시스템은 기존 무도상 교량에 설치되어 있는 침목고정장치를 제거하여 궤도와 교량을 분리함으로써 종방향 저항력을 소거하는 시스템이다.
종방향 저항력의 제거는 궤도-교량 상호작용으로 인해 발생하는 레일 부가응력 중 온도하중에 의한 영향을 감소시키는 효과가 있다. 궤도-교량 상호작용에서 온도하중의 영향은 차량하중에 비해 비중이 매우 크며 트러스 교량과 같이 경간이 긴 교량에서는 온도하중의 영향이 약 80%로 지배적이다(Park et al., 2018).
그러나 STP 시스템은 분리구간이 길어짐에 따라 좌굴길이가 길어져 좌굴 안전성에 문제가 발생할 수 있다. 이러한 STP 시스템의 횡방향 저항력의 부재를 해결하기 위해 횡방향 보강판을 설치하는 방안을 고안하였으며, 횡방향 보강판으로 좌굴안정성을 증대하는 효과를 수치해석을 통해 연구된바 있다(Park and Lim, 2021; Fig. 1).
Installation of Reinforcing Plate
횡방향 보강판은 설치와 유지보수가 쉬우며 교량 상에서 작업 시 작업자의 안전을 위한 보행판으로 활용 가능한 장점이 있다.
본 논문에서는 횡방향 보강판에 대한 횡방향 저항력 증대 효과를 알아보기 위해 Test bed를 구축하여 궤광의 횡방향 저항성능을 도출하였다.
2. 현장 실험
횡방향 보강판의 성능을 검증하기 위하여 현장에서 미끄럼을 허용하는 침목형 궤광을 구현하여 실험을 진행하였다.
2.1 Test bed 구축
Test bed는 다양한 제한조건으로 인해 무도상 교량 상에 구축하지 않고 토공부에 STP 시스템을 구현하였다. Test bed의 위치 선정은 장대레일이 부설되어 있으며, 실험 지점에서 양쪽으로 100 m 이상 자갈궤도 구간이 확보되어 부동구간을 모사할 수 있는 구간을 선정하였다(Lim, 2001).
선정된 실험 지점에 Test bed를 구축하기 위해 30 m 구간에 60 cm의 침목간격으로 기존 PC침목을 목침목으로 교체 시공하였으며 레일은 기존 50 N 레일을 사용하였다.
또한 침목고정장치 없이 종방향 및 횡방향 저항력을 제거하는 Sliding Track Panel 시스템을 구현하기 위하여 중앙의 10 m 구간은 자갈을 제거하여 자유 거동할 수 있게 시공하였다(Fig. 2).
Test Bed Construction
횡방향 저항력 증대를 위한 보강판은 SS275 강종을 사용하였으며 폭 100 mm, 두께 4 mm와 6 mm로 제작하였으며, 설치는 궤광 중앙으로부터 1 m의 부분에 나사 스파이크(KRS 9103, 2012)를 활용하여 설치하였다(Figs. 3, 4).
Reinforcing Plate
Specifications of Reinforcing Plate
하중재하를 위한 유압실린더와 로드셀의 설치를 위하여 반력벽을 시공하였으며, Fig. 5와 같이 기존 벽체를 활용하여 평탄성 및 강도를 확보하였다.
Reaction Wall
2.2 실험 세팅 및 측정기기
Test bed 현장실험을 위한 계측 기기의 설치 위치 선정과 세팅은 Fig. 6과 같다.
Test Setting
STP 시스템의 강성 산출을 위해 궤도 중앙을 기준으로 7개 포인트에 변위계를 설치하였으며, 중앙의 하중 재하 위치에 유압실린더와 로드셀을 설치하였다. 해당 실험에 사용한 측정기기는 Fig. 7과 같다.
Measuring Devices
2.3 실험 방법
STP 시스템이 적용된 궤광의 횡방향 강성 도출 실험은 European Rail Research Institute의 보고서(ERRI, 1997)를 참고하였으며, 각 실험별로 사전실험 1회를 포함해 총 4회를 수행하였다. 하중 재하는 0.05 kN/s의 속도로 궤도 중앙 침목을 자동 유압실린더를 사용하여 재하하였으며, 각 실험 종료 후 궤광의 변위 회복을 위한 충분한 시간이 지난 후 다음 실험을 진행하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 현장 실험 결과 분석
STP 시스템 횡방향 보강을 위한 보강판 현장 실험 결과, 변위 하중 선도는 Figs. 8~10과 같다.
Test Result (No Reinforcement)
Test Result (6 mm Reinforcement)
Test Result (4 mm Reinforcement)
실험 결과, 초기 하중재하 시 궤광의 유격 및 기타 영향으로 인해 비선형성의 변수가 발생하였으며, 이를 포함한 강성 산정 시 많은 오차가 있을 것으로 판단된다. 그리하여 비선형성이 강한 초기 4 mm까지의 불안정한 초기 데이터를 제거한 후 강성을 산정하여 각 실험간 결과를 비교 분석을 수행하였다(Table 1).
Property of Reinforcing Plate
분석 결과 횡방향 강성이 순수한 궤광 대비 4 mm 보강판 설치 시 약 1.5배, 6 mm 설치 시 약 1.7배 증가함을 알 수 있다.
3.2 실험결과의 타당성
현장실험 데이터의 타당성을 확인하기 위해 현장 조건과 같은 유한요소 해석모델을 작성해 해석결과와 비교 분석을 수행하였다.
유한요소 해석모델은 총연장 260 m 궤도의 저항력을 제거한 STP 구간 9.6 m로 구성하였으며, 보강판을 30 m에 걸쳐 궤도 중앙으로부터 1 m에 위치하도록 침목과 고정하였다(Fig. 11).
F.E Model (Longitudinal Section)
궤도 구성요소의 물성치는 Han et al. (2006)의 논문과 한국철도표준규격(KRS TR 0007-15R, 2006)을 참고하여 적용하였다(Table 2).
Material Property of Rail and Sleeper
하중은 현장실험과 같은 하중을 중앙 침목에 집중하중으로 재하하여 해석을 진행하였으며(Fig. 12), 하중과 변위간의 강성을 도출하여 Table 3에 도시하였다. 유한요소 해석 프로그램은 Abaqus ver.2018 (ABAQUS, 2013)을 사용하였다.
Bending Analysis Result of Field (t = 4 mm)
Comparison of Test Result and F.E. Analysis
현장실험과 유한요소 해석의 비교 분석 결과, 최대 오차 5%로 매우 유사한 결과를 도출하였으며 이는 미끄럼을 허용하는 침목형 궤광의 현장 실험결과 및 분석이 타당함을 보여준다.
4. 결 론
본 논문에서는 무도상 장대교량에서 미끄럼 허용 궤광 시스템(STP) 적용 시 발생하는 횡방향 저항력 감소 문제를 해결하기 위한 보강판을 현장에 설치하여 그 성능을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
횡방향 저항력 증대를 위한 보강판의 현장 실험을 CASE별 각 3회 수행한 결과, 순수한 궤광 대비 4 mm 보강판 설치 시 횡강성이 약 1.5배, 6 mm 설치 시 약 1.7배 증가함을 알 수 있다. 또한 각 실험간 데이터 확인 결과, 매우 유사한 것으로 나타나 재현성도 확보가 되었음을 알 수 있다. 그리고 동일한 조건에서의 유한요소 해석 결과, 최대오차 5%로 현장실험결과와 분석이 타당함을 보여준다.
이를 통해 횡방향 보강판의 설치가 횡방향 저항력 증대에 매우 효과적임을 알 수 있다.
감사의 글
본 연구는 충남대학교 학술연구비 지원으로 수행되었습니다.