400km/h
급 Test-Bed 교량 구간 단독주 기초 강도검토를 위한 최대
모멘트 계산
Maximum Moment Calculation in Order to Assure a Mast Foundation
Strength in a Test-Bed for the Maximum Speed of 400 km/h
이기원† 권삼영* 조용현** 정흥채* 박영*
Kiwon Lee Sam-Young Kwon Yong Hyeon Cho Heungchai Chung Young Park
ABSTRACT
Increasing tensions of contact wire and messenger wire are essential to construct a test-bed for catenary system in the 400km/h speed on Honam high-speed railway. Because heavy load is applied to a mast due to the increased the tensions of both wires it is required to investigate the strength of the foundation. Therefore, in this study the maximum moment of an electric pole under the worst condition was calculated to investigate the strength of the pole foundation on the bridges. The maximum moment database table used in the construction of Kyungbu high-speed railway was referenced to derive the worst conditions and to review the composition of catenary system in the test-bed section. From the results of this study regarding assumptions and calculation process it will be possible to estimate the optimized strength of the pole foundations on the bridges which will be constructed in the future.
1. 서론 전차선로는 전기차에 전력을 공급해 주는 시스템으로 고속철도의 속도를 결정하는 중요한 핵심 기술 이다. 운영속도가 400 km/h 정도로 증가하게 되면 전차선 진동과 파동전파반사가 격렬히 일어나고 안정 적인 전력 공급이 곤란하며, 장시간 고속으로 운영하게 되면 전차선로 부품 등이 조기에 파손될 것으로 예상되어 고속 철도의 안전 운영에 지장을 초래할 수 있다. 따라서 속도에 적합한 전차선로의 개발은 필수적이다. 현재 개발 중인 최고시속 400km의 차세대 고속열차를 국내에 적용하고 나아가서는 해외 진출을 하기 위하여 최고시속 400km 운행에 적합한 새로운 고속 전차선로 시스템을 개발하고 있다[1]. 또한, 개발된 시스템의 검증을 위하여 호남고속철도에 400km/h급 Test-bed 건설을 추진 중에 있다. 속도 향상을 위하 여 전차선로 측면에서 전차선 및 조가선의 장력을 올리는 것은 필수적이다. 각 선의 장력이 올라가면 단독주(mast)에 작용하는 하중이 커지기 때문에 기초에 대한 강도 검토를 수행하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 호남고속철도 Test-bed 구간에서 전차선/조가선의 장력을 올릴 때, 교량구간에서 전추기초 강 도 검토를 위하여 최악의 조건에서 최대 모멘트를 계산하였다. 최악의 조건을 도출하기 위하여 경부고 속철도에서 사용된 조건별 최대 모멘트 DB 테이블을 참조하였고, Test-bed 구간 내 전차선로 구성 등을 검토하였다. 그리고, 계산 방법은 경부고속철도에서 사용한 최대 모멘트 계산 기법을 적용하였다. † 교신저자, 한국철도기술연구원, 고속철도연구본부 E-mail : [email protected] * 한국철도기술연구원, 고속철도연구본부 ** 한국철도기술연구원, 기술전략실
2. Test-bed 교량 구간 단독주 기초에 작용하는 최대 모멘트 계산
2.1 단독주 선정
모멘트 측면에서 최악의 조건인 전주 조건을 찾기 위하여 경부고속철도 시공에 사용된 곡선반경에 따 른 전주별 최대 모멘트 계산 결과 DB를 분석하여 보면 다음과 같은 조건에서 가장 큰 모멘트가 작용하 는 것을 알 수 있다.
․ 에어죠인트(uninsulated overlap) 혹은 에어섹션(uninsulated overlap) 장력주 ․ 노출개소(exposed site)
․ 선로방향으로 급전선 설치 ․ 외곡선부(mast exterior curve) ․ 곡선반경이 작은 경우
위 조건을 고려하여 설계 중인 호남고속철도구간에서 test-bed가 설치될 구간을 분석한 결과 다음의 개 소에서 최악의 모멘트가 발생할 것으로 판단된다.
․ Zone 1(오송-정읍), R5,000, 노출개소, 에어죠인트 장력주(그림 1 및 2 참조), 선로방향으로 급전선 설치, 외곡선부(mast exterior curve)
그림 1 고려 장주
2.2 풍속, 온도 및 전차선로 조건 전주에 작용하는 최대 모멘트를 계산하기 위하여 사용된 호남고속철도 test-bed 구간의 풍속, 온도 조 건 및 각 선의 장력 등을 정리하면 다음 표와 같다[2]. Ks 일반풍속[m/s] 극한풍속[m/s] Zone 1 (오송-정읍) Zone2 (정읍-광주) Zone 1 (오송-정읍) Zone2 (정읍-광주) 일반개소 1.0 32.0 39.6 42.3 52.4 노출개소 1.3 36.4 45.1 48.1 59.8 표 1 풍속 조건 온도[℃] Zone 1 &2 최저온도 -25 최고온도 60 표준온도 10 표 2 도체에 적용할 온도 조건 케이블 구분 선종 표준장력 @10℃ 직경 [mm] 단중 [daN/m] 비고 전차선 Cu합금 150 3,400 daN 14.50 1.334 자동장력 조가선 Bz(mg) 116 2,300 daN 14 1.05 자동장력 급전선 ACSR 240 900 daN 22.05 1.107 고정장력 보호선 ACSR 93 400 daN 12.50 0.437 고정장력 표 3 사용된 선의 표준 장력 및 직경 경간길이[m] 35 40 45 50 55 60 65 급전선 ACSR 240㎟ 2458 2498 2539 2579 2618 2657 2694 보호선 ACSR 93㎟ 1029 1066 1102 1137 1171 1205 1238 표 4 최저온도(-25℃), 최대풍속 및 착빙 환경에서의 변동 장력(고정장력) [daN] 그리고, 사용 전주 및 각 선 등에 작용하는 적용 풍압은 다음과 같다. - 사용전주 : 310×305 (H형강 단중 130kg/m, 폭 305mm) - 계산에 사용된 하중은 가장 보수적인 최저온도(-25℃)에서 극심풍(통상풍압 × 1.75배)과 빙하중을 고 려하였음 종류 풍압 Drag계수 Cable직경 단위풍압 전차선 109.9 1.200 0.01450 1.91 daN/m 조가선 109.9 1.200 0.01400 1.85 daN/m 급전선 109.9 1.200 0.02205 2.91 daN/m 보호선 109.9 1.200 0.01250 1.65 daN/m 전주(H←) 109.9 1.767 N/A 194.26 daN/m2 표 5 각 전선 및 전주 등에 작용 풍압 2.3 최대 작용 모멘트 계산 최대 작용 모멘트 계산 방법 및 안전율은 경부고속철도에서 사용한 방법[3]을 적용하였고, 지진하중에 대한 모멘트도 고려하였다. 모멘트 계산을 위해 고려한 하중을 정리하면 다음과 같다.
- 사하중(자중에 따른 영향) - 기상조건(착빙 및 바람)에 의해 부과되는 하중 ․ 빙하중 : 전선에 부가되는 착빙하중 : 1daN/m ․ 풍하중 - 온도 변화로 인한 전선 장력 변동의 영향 - 지진[4] ․ 무게중심을 작용점으로 하여 수직방향으로 자중의 +3% 추가 하중 ․ 무게중심을 작용점으로 하여 수평방향으로 자중의 +6% 추가 하중 (1) 수직하중에 의한 모멘트 (가) 자중에 의한 모멘트 ① 전차선 및 조가선 자중 * 경간길이/2 * 전주중심에서 선위치 = (1.334+1.05) * {(50+55)/2} * 4.04 = 506 daN․m 여기서, 전주중심에서 전차선(조가선)간 위치(4.04) = 건식게이지(3.50) + 현재편위(-0.05) + 캔트(0.17)*전차선높이(5.10+0.2)/1.51 ② 가동브래키트 : 가동브래키트 자중 * 전주중심에서 작용점 = 100 * 1.10 = 110 daNm ③ 급전선 및 현수부품 급전선자중 * 경간길이/2 * 전주중심에서 선위치 + 현수부품*작용점 = {1.107 * (50+55)/2} + (80 * 0.699) = 137 daN․m ④ 보호선 : 자중 * 경간길이/2 * 전주중심에서 선위치 = {0.437 * (50+55)/2} * 0 = 0 daN․m ⑤ 장력장치 : 자중 * 전주중심에서 작용점= 1,290daN * 0 = 0 daN․m ⑥ 전주 (310*305) : 자중 * 전주중심에서 작용점 = 1,391daN * 0 = 0 daN․m ⑦ 인류선 : 자중 * 경간길이/2 * 전주중심에서 선위치 = (1.334+1.05) * (50)/2 * 0 = 0 daN․m ⇒ 수직하중 소계 = 3,127 daN ⇒ 모멘트 소계 = 753 daN․m (나) 착빙하중에 의한 모멘트 ① 전차선 및 조가선 : [1 * 2 * {(50+55)/2} * 4.04] + [1 * 2 * (50/2) * 0] = 424 daN․m ② 급전선 : 1 * {(50+55)/2} * 1.40 = 73 daN․m ③ 보호선 : 1 * {(50+55)/2} * 0 = 0 daN․m ⇒ 수직하중 소계 = 260 daN ⇒ 모멘트 소계 = 498 daN․m (다) 지진하중에 의한 모멘트 - 무게중심을 작용점으로 하여 수직방향으로 자중의 +3% 추가 하중 ① 전차선 및 조가선 : (1.334+1.05) * {(50+55)/2} * 0.03 * 4.04 = 15 daN․m ② 가동브래키트 : 100 * 0.03 * 1.10 = 3 daNm ③ 급전선 및 현수부품 : (58* 0.03 * 1.40) + (80* 0.03 * 0.699) = 4 daN․m ④ 보호선 : 23daN * 0.03 * 0 = 0 daN․m ⑤ 장력장치 : 1,290daN * 0.03 * 0 = 0 daN․m ⑥ 전주 (310*305) : 1,391daN * 0.03 * 0 = 0 daN․m ⑦ 인류선 : (1.334+1.05) * (50)/2 * 0.03 * 0 = 0 daN․m ⇒ 수직하중 소계 = 116 daN ⇒ 모멘트 소계 = 23 daN․m
(2) 전선 편위에 의한 선로 횡방향 모멘트 - 전차선 및 조가선 d/a(편위) 계수 = (경간길이)/(2*R) + |현재편위-앞편위|/경간길이 + |현재편위-앞편위|/경간길이 = (50+55)/(2*5,000) + |-0.05-0.15|/50 + |-0.05-(-0.05)|/55 = 0.015 - 급전선 및 보호선 d/a 계수 = (경간길이)/(2*R) = (50+55)/(2*5,000) = 0.011 - 인류선 d/a 계수 = (경간길이)/(2*R) + (전주에서 전선간 횡길이)/(2*R) = 50/(2*5,000) + (3.5+0.35)/(2*5,000) = 0.082 ① 전차선 : (d/a 계수) * 장력 * 전주하단에서부터 높이(5.1+0.2+0.9) = 0.015 * 3,400 * 6.20 = 306 daN․m ② 조가선 : 0.015 * 2,300 * 7.40 = 253 daN․m ③ 급전선 : 0.011 * 2,618 * 10.70 = 294 daN․m ④ 보호선 : 0.011 * 1,171 * 8.60 = 141 daN․m ⑤ 인류 전차선 : .082 * 3,400 * 7.30 = 2,033 daN․m ⑥ 인류 조가선 : 0.082 * 2,300 * 7.80 = 1,469 daN․m ⇒ 수평하중 총계 = 593 daN ⇒ 모멘트 총계 = 4,496 daN․m (3) 선로 횡방향 풍압 및 지진(수평)으로 인한 하중 및 모멘트 (가) 선로 횡방향 풍압에 의한 모멘트 ① 전차선 : (전선 단위풍하중) * 경간길이/2 * 지형계수 * 전주하단에서부터 높이 = [1.913 * (50+55)/2 * 1.3] * 6.20 = 809 daN․m ② 조가선 : [1.847 * (50+55)/2 * 1.3] * 7.40 = 933 daN․m ③ 급전선 : [2.909 * (50+55)/2 * 1.3] * 10.70 = 2,124 daN․m ④ 보호선 : [1.649 * (50+55)/2 * 1.3] * 8.60 = 968 daN․m ⑤ 인류 전차선 : [1.913 * (50)/2 * 1.3] * 7.30 = 454 daN․m ⑥ 인류 조가선 : [1.847 * (50)/2 * 1.3] * 7.80 = 468 daN․m ⑦ 장력장치 : 풍하중 * 지형계수 * 전주하단에서부터 높이 = [32.6 * 1.3] * 7.55 = 320 daN․m ⑧ H형강주 : 풍하중 * 전주폭 * 전주높이 * 전주하단에서부터 높이 = [194.26 * 0.305 * 10.7 * 1.3] * 5.35 = 4,409 daN․m ⑨ 급전선 현수부품 : 풍하중 * 지형계수 * 전주높이 = [31 * 1.3] * 10.70 = 429 daN․m ⇒ 수평하중 소계 = 1,228 daN ⇒ 모멘트 소계 = 10,915 daN․m (나) 지진하중(수평)에 의한 모멘트 - 무게중심을 작용점으로 하여 수평방향으로 자중의 +6% 추가 하중 ① 전차선 : [1.334 * (50+55)/2 * 0.06] * 6.20 = 26 daN․m ② 조가선 : [1.05 * (50+55)/2 * 0.06] * 7.50 = 25 daN․m ③ 가동브래킷 : [100 * 0.06] * 6.85 = 41 daN․m
④ 급전선 및 현수부품 : [(58+80) * 0.06] * 10.70 = 89 daN․m ⑤ 보호선 : [23 * 0.06] * 8.60 = 12 daN․m ⑥ 인류 전차선 : [1.334 * 50/2 * 0.06] * 7.30 = 16 daN․m ⑦ 인류 조가선 : [1.05 * 50/2 * 0.06] * 7.80 = 14 daN․m ⑦ 장력장치/부품 : [2030 * 0.06] * 5.50 = 426 daN․m ⑧ H형강주 : [1,391 * 0.06] * 5.35 = 447 daN․m ⇒ 모멘트 소계 = 1,094 daN․m 모멘트 및 수직하중 계산 결과에 상세설계 및 시공단계에서 발생할 수 있는 설치위치 변경 등 예상하 지 못하는 불확실성에 대한 마진을 15%로 고려하면[5], 교량측에 설치되는 단독 전주기초에 작용하는 최대 모멘트 및 수직하중은 다음과 같다. - 최대 모멘트 합계 = 20,450 daN․m - 최대 수직하중 합계 = 4,010 daN 3. 결론 속도 향상을 위하여 전차선로 측면에서 전차선 및 조가선의 장력을 올리는 것은 필수적이다. 각 선의 장력이 올라가면 단독주(mast)에 작용하는 하중이 커지기 때문에 기초에 대한 강도 검토를 수행하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 호남고속철도 Test-bed 구간에서 전차선/조가선의 장력을 올릴 때, 교량구간 에서 전추기초 강도 검토를 위하여 최악의 조건에서 최대 모멘트를 계산하였다. 경부고속철도에서 사용 한 최대 모멘트 계산 기법을 적용하였고, 계산한 결과는 다음과 같다. - 최대 모멘트 합계 = 20,450 daN․m - 최대 수직하중 합계 = 4,010 daN - 최대 수평하중 합계 = 2,320 daN 본 연구의 결과는 호남고속철도 test-bed 장력상승에 따라 교량구간에서 전주기초 강도 검토를 위한 기 초자료로 활용할 수 있을 것이다. 또한, 본 논문의 가정 및 계산 절차를 활용하면 향후 신설되는 교량의 전주기초 강도를 최적화 예측할 수 있을 것이다. 감사의 글 이 논문은 국토해양부에서 지원한 "400km/h급 고속철도 인프라 시범적용 기술개발" 과제의 일환 으로 수행되었습니다. 참고문헌 1. “증속에 다른 전차선로 시스템 기술개발,” 한국철도기술연구원, 2011. 10 2. “최고속도 350km/h급 전차선로 시스템 기술 개발,” 한국철도시설공단, 2011. 10 3. “고속철도 전차선로 설계 요소기술 분석 및 성능시험기술 연구,” 한국철도건설공단, 1998. 12 4. “철도의 건설기준에 관한 규정,” 국토해양부 고시, 2009. 9
5. “Structure loads and moments issued from catenary - single componets - (K621-2-E1260-CB-00-X-T-036)," KOREA TGV Consortium, 1998. 11
