Behavior Analysis of Fast Hardening Track on the Bridge

원석 최; 희영 이; 일화 이; 승엽 장; 원석 정

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.1.203

Abstract

The existing ballasted track has problems including riding quality degradation due to disorder of track and increasing maintenance cost. To solve the aforementioned problem, Fast Hardening Track (FHT) has been developed for replacing the ballasted track. When applied to the FHT high-speed rail, the slab has a risk of stress that occurs on a concrete slab as the train load increases. Therefore, The analysis of the behavior of rails and slabs are required to apply to a bridge. This study suggests a number of appropriate anchors and anchors installation location, construction length in the FHT.

Keywords: Fast Hardening Track(FHT), Bridge, Longitudinal Interaction Analysis, Additional Rail Stress, Anchor

요지

급속경화궤도는 기존의 자갈도상궤도를 콘크리트궤도로 대체하는 방식으로 유지⋅보수비용을 절감할 수 있는 장점을 갖고 있다. 급속경화궤도를 고속철도에 적용할 경우에는 열차하중의 증가로 인해 콘크리트에 응력이 과도하게 발생할 위험이 있다. 따라서 교량상 급속경화궤도를 적용하기 위해서는 레일과 급속경화궤도 슬래브의 거동에 대한 분석이 필요하다. 본 논문에서는 유한요소해석을 통해 교량상 급속경화궤도의 레일 및 슬래브의 거동을 분석하고, 급속경화궤도 슬래브의 적합한 앵커수, 앵커설치위치, 급속경화궤도의 시공길이를 산정하는 모델을 제시한다.

1. 서론

기존의 자갈도상궤도는 초기 설치 비용이 저렴하지만 궤도의 선형상태를 유지⋅관리하기 위해서 많은 인력과 비용이 소모된다. 또한 자갈도상궤도는 콘크리트궤도에 비해 구조적으로 고속주행에 불리하다. 따라서 기존선의 궤도 생력화를 위한 방안으로 급속경화궤도에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 급속경화궤도는 기존의 자갈도상궤도를 콘크리트궤도로 대체하는 방식으로 유지⋅보수비용을 절감할 수 있는 장점을 갖고 있다. 궤도보강공법의 특수성을 고려할 때 철도운행시간 내에 콘크리트 강도가 확보 되어야 하며, 열차차단시간 내에 공사가 완료되어야 한다. 급속경화궤도는 자갈궤도 구간의 유지보수 요인을 효과적으로 개선하여 승객들의 승차감을 향상시키고, 열차의 주행안전을 확보함과 동시에 유지보수 비용을 효과적으로 절감할 수 있다. 또한 향후 속도 향상에 대비하여 보다 안정적인 궤도구조로 개량할 수 있는 기술을 확보할 수 있다. 고속철도 구간의 많은 부분을 차지하는 교량구간에서의 급속경화궤도를 적용하기 위해서는 레일부가응력과 슬래브의 거동에 대한 분석이 요구된다.

Lee(1998) 등은 경부고속철도 노선상의 실제 교량에 대해 프로그램(CWRAP)을 사용하여 궤도축력에 대한 안전성을 검토하고, 도상저항력과 제동하중의 값을 매개변수로 하여 경향에 대해 분석하였다. 또한, 국외의 기준을 조사하고 그 기준에 대해 해석결과가 만족하는지를 비교 검토하였다. 분석결과, 궤도축력은 도상저항력의 크기에 따라 선형적으로 증가하며, 제동하중의 영향을 크게 받으나 그 크기와는 상관관계가 적은 것으로 나타났다. Lee(2006) 등은 경부고속철도 2단계 구간 선로에 대해 궤도와 교량 간의 상호작용해석과 UIC 774-3R에서 제안하는 상세해석방법을 비교하고 독일의 DS 804를 적용하여 안전성 검토 및 적용가능성을 검토하였다. 검토결과, 온도변화, 시/제동하중, 열차 수직하중에 대하여 동시에 해석하는 완전한 해석방법으로 판단하였다. Choi(2009) 등은 장대레일의 종방향에 대한 상호작용해석을 수행하였고 일반철도 교량의 종방향 상호작용을 고려한 장대레일의 부가축력 및 변위 검토를 위한 설계차트를 개발하였다. Kang(2011) 등은 고속철도 교량의 구조 특성을 고려하여 축력변화에 영향을 미치는 주요 설계변수에 대해서 매개변수해석을 수행하였다. 해석결과, 최대 레일 부가응력을 선형 회귀곡선으로 나타낸 설계도표를 도출하고 레일의 안정성 확보를 위해 요구되는 신축길이의 범위와 하부구조의 최소요구강성의 범위를 도출하였다. Kim(2012)등은 궤도와 교량의 실제 현상을 고려한 상호작용 해석을 위하여 교량 상판의 온도변화에 따른 온도하중, 열차의 시/제동하중, 연직하중 등 하중이력이 고려된 해석 방법을 제시하였다. 하중이력이 고려된 해석방법에 따른 하중과 변위의 차이를 분석한 결과, 하중단계를 2단계로 고려한 해석방법이 3단계로 고려한 해석방법보다 간편하고 정확하며 경제적인 방법으로 나타났다. Lee(2014)는 궤도와 교량에 발생하는 종방향 상호작용을 저감시키기 위한 궤도와 교량 바닥판 사이에 슬라이드 층을 형성하고, 슬래브 궤도가 연속되는 슬라이딩 콘크리트 궤도 시스템을 제안하였다. 또한 온도하중 해석을 진행하여 적용성을 검토하였다. 온도 하중에 대한 상호작용 해석을 수행한 결과, 레일에 발생하는 부가응력을 완전히 제거할 수 있으며, 연장에 대한 제약이 없어지고 특수 장치에 대한 비용 절감을 기대하였다.

현재 교량상 고속선에 시공되는 급속경화궤도에 관한 연구와 시공사례는 전무한 실정이다. 따라서 고속철도 전 구간에 급속경화궤도를 적용하기 위해서는 교량상 급속경화궤도를 해석적으로 분석해야한다. 교량상에 급속경화궤도를 설치하기 위해서는 각 슬래브마다 앵커설치가 필요하다.

본 연구에서는 교량상 급속경화궤도의 거동분석을 위해 Table 1과 같이 앵커수, 앵커 설치위치를 매개변수로 선정하였으며, 급속경화궤도의 특이성을 고려할 때 급속경화궤도의 시공길이도 중요한 요소이므로 매개변수로 선정하였다. Anchor-2C와 Anchor-3C는 슬래브의 중앙부를 기준으로 앵커를 설치하는 방안이며, Anchor-2E와 Anchor-3E는 슬래브의 끝단을 구속하는 방안이다. 이를 바탕으로 교량상 급속경화궤도 상호작용해석을 통하여 급속경화궤도의 레일부가응력과 교량상 급속경화궤도 슬래브의 거동을 분석하였다.

Table 1

Parameters of the Fast Hardening Track

Case	The number of anchors	The installation place of the anchor	Track length(m)
Anchor-1C	1	Center	5
Anchor-2C	2	Center
Anchor-2E	2	End
Anchor-3C	3	Center
Anchor-3E	3	End
Length-1C	1	Center	2.5
Length-2C	1	Center	4

2. 교량상 급속경화궤도 유한요소해석 모델링

교량상 급속경화궤도의 거동을 분석하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS(Version 6.71)를 사용하여 해석을 수행하였다. 레일, PSC 박스거더, 급속경화궤도 슬래브는 보(Beam)요소(B23)를 적용하여 급속경화궤도 모델링을 수행하였다. 레일과 급속경화궤도 슬래브의 연결부인 레일체결장치를 해석모델 상에서 구현하기 위해 스프링(Connect two points)요소를 이용하여 상호 연결하였으며, Fig. 1과 같이 교량상 급속경화궤도 해석모델을 설계하였다. 철도설계편람(KR C-08080) 궤도/교량 종방향 상호작용해석에서는 하중재하 유무에 따른 체결장치의 종방향 강성 규정을 제시하고 있다. Fig. 2는 교량상 콘크리트 슬래브 궤도의 종방향 강성 규정이다(한국철도시설공단, 2014). 따라서, 온도하중을 재하할 때 종방향 스프링 강성은 40kN/궤도 이며, 열차의 시/제동하중과 수직하중을 재하할 때 종방향 스프링 강성은 60kN/궤도 이다. 이를 바탕으로 교량상 급속경화궤도 상호작용해석을 수행하여 급속경화궤도의 레일부가응력과 교량상 급속경화궤도 슬래브의 거동을 분석하였다.

Fig. 1

Fast Hardening Track Finite Element Analysis

Fig. 2

Concrete Track Longitudinal Stiffness on the Bridge (KR C-08080)

교량상 급속경화궤도 해석모델에 제원은 Table 2와 같다. 레일제원은 UIC 60이며, 교량-궤도 상호작용 해석 시 교량상부구조는 경부고속철도 PSC 박스거더를 고려하였다. 이때 교량 상부구조는 열차수직하중, 시/제동하중에 대해 고려할 수 있도록 보(Beam)요소로 이상화하였다.

Table 2

Properties

Case	Length (m)	Equivalent modulus (MPa)	The Cross-section area (mm²)	2nd Moment of inertia
Case	Length (m)	Equivalent modulus (MPa)	The Cross-section area (mm²)	I_xx (mm²)	I_yy (mm²)
Rail	100	210,000	1.533×10⁴	6.07×10⁷
PSC box girder	40	28,571	1.19×10⁸	12.12×10¹³

교량상 급속경화궤도 레일부가응력 해석 시 레일 및 교량구조물에 작용하는 하중은 철도설계편람(KR C-08080)에 제시되어 있는 하중 규정으로 설정하였다. 레일에 부가 응력 해석에는 온도하중, 시/제동하중, 수직하중이 고려되어야 한다. Eqs. (1)은 온도하중, 시/제동하중, 열차 수직하중에 의해 발생하는 레일부가응력 산정식이다.

(1)

ΣR = αR+ βR + γR

여기서, α R: 온도하중에 의한 레일부가응력β R: 시/제동하중에 의한 레일부가응력 γ R: 수직하중에 의한 레일부가응력

교량이 단순지지 경간인 경우, α, β, γ 는 각각 1의 값을 갖는다. 철도설계편람(KR C-14050)에서는 레일부가응력 허용기준을 제시하고 있으며, 콘크리트궤도의 경우 온도하중, 시/제동하중, 열차수직하중 재하 시 레일의 압축응력과 인장응력은 92MPa이하로 산정되어야 한다.

레일부가응력 분석을 위하여 레일의 온도하중은 0°C, 급속경화궤도 슬래브 및 교량에는 25°C 를 재하하였다. 본 연구에서 수행한 교량상 급속경 화궤도 상호작용해석은 40m 단선교량을 기준으로 유한요소해석 모델링을 수행하였다. 40m 단선교량에서 레일에 작용하는 열차하중은 시/제동하중 중 하중값이 큰 시동하중만 적용하였다. 열차의 시동하중은 33kN/m/궤도이며 재하길이는 33m이하로 적용하였다. 본 해석에서 재하한 수직하중은 여객전용선 KRL-2012 하중선도이다(KR C-08080).

3. 교량상 급속경화궤도 해석결과

3.1 레일부가응력 해석결과

Table 3은 교량상 급속경화궤도의 레일부가응력에 대한 해석결과이다. Anchor-1C의 온도하중에 의한 레일부가응력은 52.7MPa이 발생하며, Fig. 3(a)와 같이 교량 고정단부에서 가장 큰 응력이 발생하는 것으로 분석된다. 앵커수를 2개로 증가시킨 Anchor-2C, Anchor-2E에서는 온도하중에 의한 레일부가응력이 각각 48.8MPa, 49.6MPa이 발생한다. 앵커수를 3개로 증가시킨 Anchor-3C, Anchor-3E에서는 온도하중에 의한 레일부가응력이 43.6MPa, 44.0MPa로 산정된다. 급속경화궤도 슬래브와 거더 사이에 앵커수가 증가할수록 레일에 작용하는 온도하중은 감소하는 경향을 보인다. 급속경화궤도 슬래브의 구속량이 증가함에 따라 팽창하려는 급속경화궤도 슬래브의 변형을 억제하여 레일에 적은 응력이 전달되는 것으로 분석된다. 궤도시공길이에 따른 온도하중에 의한 레일부가응력은 Table 3에 제시된 바와 같이 Length-1C일 때 48.8MPa, Length-2C일 때 49.6MPa이 발생된다. 급속경화궤도 시공길이가 감소함에 따라 온도하중에 의한 레일부가응력도 감소한다. 이는 궤도시공길이가 감소함에 따라 교량상에 시공되는 급속경화궤도 슬래브의 수가 증가하고, 이에 따라 전체 앵커수가 증가하여 급속경화궤도 슬래브와 거더 사이의 구속량이 증가한 영향으로 분석된다. 40m 단선 교량인 Anchor-1C는 시/제동하중에 의해 지배되며, 이에 따른 레일부가응력은 19.7MPa이 발생하였다. Fig. 3(b)는 Anchor-1C에서 시/제동하중에 따른 레일부가응력을 도시화 한 것으로 교량 고정단부에서 가장 큰 응력이 발생하는 것으로 분석된다. 앵커수가 2개로 증가한 Anchor-2C, Anchor-2E에서 레일부가응력이 17.7MPa, 18.7MPa이 발생한다. 앵커수가 3개로 증가한 Anchor-3C, Anchor-3E에서 레일부가응력은 16.2MPa, 17.5MPa이 발생한다. 급속경화궤도 슬래브와 거더 사이의 앵커수가 증가할수록 레일에 작용하는 시/제동하중에 의한 레일부가응력은 감소하는 것으로 분석된다. 급속경화궤도 슬래브의 구속량이 증가하면 이동하려는 급속경화궤도 슬래브의 거동이 억제되어 적은 값의 레일부가응력이 발생하는 것으로 분석된다. 시/제동하중에 의한 레일부가응력은 Length-1C일 때 18.4MPa, Length-2C일 때 18.7MPa이 발생하였다. 궤도시공길이가 감소함에 따라 시/제동하중에 의한 레일부가응력도 감소하는 경향을 보였다. 급속경화궤도 슬래브의 길이가 감소함에 따라 교량상 시공되는 슬래브의 수가 증가하고, 이에 따라 전체 앵커수가 증가하여 급속경화궤도 슬래브와 거더 사이의 구속량이 증가한 영향으로 분석된다. Anchor-1C에서 수직하중에 의한 레일부가응력은 3.7MPa 발생하며, Fig. 3(c)와 같이 단부에서 가장 큰 응력이 발생하는 것으로 분석된다. 앵커수가 2개로 증가한 Anchor-2C, Anchor-2E에서 레일부가응력은 각각 3.6MPa이 발생하였다. 앵커수가 3개로 증가한 Anchor-3C, Anchor-3E에서 레일부가응력은 각각 3.7MPa이 발생하였다. 급속경화궤도 슬래브와 거더사이에 앵커수가 증가할수록 레일에 작용하는 수직하중은 거의 일정한 것으로 나타난다. 따라서 앵커수와 앵커위치, 궤도시공길이에 따른 수직하중은 영향이 미비한 것으로 분석된다.

Table 3

Additional Rail Stress Analysis Results

Case	Temperature load				Accel/Break load				Vertical load		Combination load
	+		−		Left start		Right start		C	T	C	T
	C	T	C	T	C	T	C	T	C	T	C	T
Anchor-1C	16.9	52.7	52.7	16.9	18.7	19.7	19.7	17.7	3.7	3.5	76.2	76.0
Anchor-2C	14.8	48.8	48.8	14.8	16.7	17.7	17.7	16.7	3.6	3.3	70.3	70.0
Anchor-2E	15.1	49.6	49.6	15.1	16.7	18.7	18.7	16.7	3.6	3.3	72.0	71.7
Anchor-3C	13.1	43.6	43.6	13.1	15.6	16.2	16.2	15.6	3.7	3.5	63.5	63.3
Anchor-3E	13.2	44.0	44.0	13.2	16.7	17.5	17.5	16.7	3.7	3.5	65.2	65.1
Length-1C	14.8	48.8	48.8	14.8	16.5	18.4	18.4	16.5	3.7	3.5	70.9	70.7
Length-2C	15.7	49.6	49.6	15.7	16.7	18.7	18.7	16.7	3.7	3.5	72.1	71.9

Fig. 3

Additional Rail Stress of Anchor-1C

3.2 슬래브의 인장응력 해석결과

교량상 급속경화궤도의 상호작용해석을 수행하여 슬래브의 인장응력을 검토하였다. 고려된 하중은 온도하중과 KRL-2012 하중 및 시/제동하중이다. Fig. 4는 앵커수, 앵커위치, 궤도시공길이에 따른 콘크리트 슬래브의 최대인장응력 해석결과이다. Anchor-1C에서 발생하는 최대인장응력은 13.24MPa이고, 앵커수가 2개인 Anchor-2C에서는 7.41MPa이며 Anchor-2E에서는 7.94MPa이다. 앵커수가 3개인 Anchor-3C와 Anchor-3E에서 최대인장응력은 5.01 MPa, 5.39MPa이다.

Fig. 4

FHT Slab Ultimate Tensile Stress

구속량이 증가할수록 최대인장응력은 감소하며, 급속경화궤도 슬래브의 시공길이가 감소할수록 최대인장응력은 감소하는 경향을 보인다. 구속위치에 따른 급속경화궤도 슬래브의 최대인장응력은 앵커 위치가 슬래브 끝단(Anchor-2E, Anchor-3E)에 위치하였을 때보다 중앙부에 집중(Anchor-2C, Anch or-3C)되었을 때 적은 인장응력 값이 산정된다. 중앙부에 앵커를 설치하는 방안이 슬래브의 양끝단에 설치하는 방안보다 구조적으로 우수한 것으로 분석된다.

궤도시공길이에 따른 최대인장응력은 Length-1C, Length-2C에서 7.81MPa, 8.11MPa이다. 급속경화궤도 슬래브의 길이가 감소할수록 최대인장응력은 감소한다. 단면이 감소함에 따라 강성이 감소하여 급속경화궤도 슬래브의 최대인장응력에 영향을 준 것으로 분석된다.

4. 결론

본 연구에서는 교량상 급속경화궤도의 상호작용해석을 실시하여 교량상 급속경화궤도 거동을 분석하였다. 교량상 급속경화궤도는 필수요소인 앵커수, 앵커 설치위치를 매개변수로 선정하였으며, 급속경화궤도의 특이성을 고려할 때 급속경화궤도의 시공길이도 중요한 요소이므로 매개변수로 선정하였다.

교량상 급속경화궤도의 상호작용 해석결과, 본 연구에서 고려한 모든 매개변수에 대한 레일부가응력은 92MPa이하로 설계허용응력에 만족한다. 급속경화궤도로 시공된 40m 단선교량은 앵커의 개수가 증가함에 따라 레일부가응력이 감소하는 경향을 보이며, 앵커부의 중앙부를 균일하게 구속하는 방안이 레일부가응력에 더 효과적인 것으로 분석된다. 또한 기존의 교량상 급속경화궤도(Anchor- 1C)와 비교하면 앵커를 교량 중앙에 2∼3개 앵커를 설치하는 방안이 앵커의 증가에 의한 응력분산효과를 발생시켜 구조적으로 급속경화궤도 슬래브의 응력을 감소시키는 것으로 판단된다. 궤도시공길이에 따른 레일부가응력의 분석결과, 궤도시공길이가 감소할수록 레일부가응력도 감소하는 경향을 보였다. 이는 궤도시공길이가 감소할수록 레일부가응력에 더 효과적인 것으로 판단된다.