† 교신저자, 한국철도기술연구원, 책임연구원, E-mail : [email protected] * 한국철도기술연구원, 선임연구원
현장 연속화 기법을 통한 철도판형교의 동적성능향상
Dynamic Performance Enhancement of the Railway Plate Girder Bridge
using the In-site Continuous Method
오 지 택† 김 현 민
*
Ji-Taek Oh
Hyun-Min Kim
ABSTRACT
In-site Continuous Method to improve the dynamic performance of railway plater girder bridge was
developed. In this study, the In-site Continuous Method in the existing railway plate girder bridge was
applied. Comparison of the results obtained from the field experiment were presented. The reductions in
vertical acceleration were shown to approximately 24.8%, 45.4% and 27.5% in case of the freight train,
passenger train and express tilting train, respectively. The reductions of lateral acceleration were shown to
approx. 31%, 39% and 15% in the previous case. In the vertical displacement, the reductions were shown to
approx. 20%, 13% and 12.6%, respectively. Through this method, we expect the problem of the restriction in
speed up of train to be solve.
1. 서론
2010년 9월 1일, 전국 주요거점을 일상 통근시간대인 1시간 30분대로 연결하여, 전 국토를 하나의 도시권으로 통합하려는 목표를 추구하는 “KTX 고속철도망 구축전략”이 수립되었다. 이 목표의 실현을 위한 세부내용으로 현재 건설․운영 중인 노선이 최고 230km/h 급의 여객열차를 수용할 수 있도록 개량하 는 것이 포함되어 있다. 이러한 230km/h 급 고속화 대상 노선에서 공용중인 전통적인 무도상 철도 판형 교(Plate Girder Bridges)는 고속주행하는 열차의 주행 안전성(safety), 안정성(stability) 및 승차감 과 같은 사용성(serviceability)을 확보해야 한다. 저질량 고강성의 특성을 갖는 판형교는 구조적으로 가장 이상적이라 할 수 있으나 레일 이음매부, 선받침과 같은 견고하지 않은 교좌장치 그리고 교량 진 출입부에서의 강성천이 구간 등과 같은 충격유발 개소로 인하여 소음과 진동문제가 야기되어 왔다. 1984년 전후동력형 새마을 PMC의 증속시험이후 2004년 KTX개통과 개통초기의 대구~부산간 기존선 직결 운행과 같은 여객열차 속도향상에 따라 경부선 및 호남선과 같은 주요선로에서 판형교는 RC슬래브와 같 은 유도상 콘크리트 교량으로 교체되어 왔다. 그러나 2001년 시점으로 기존선 철도교량 개소의 약 47% 에 달하는 판형교를 전량 교체한다는 것은 예산, 시간 및 운영 측면에서 매우 오랜 기간이 소요된다 할 수 있다. 공용중인 철도 판형교의 손상부위를 조사분석한 기존 연구결과[1]로부터 전체 손상의 약 41%가 하 부구조, 약 35%가 교좌부로서 실제 판형교의 주부재인 거더와 관련된 손상은 약 23% 수준에 불과한 실 정이다. 전체 철도교량 중 판형교가 차지하는 비율과 손상의 유형 등을 고려할 때 기존선 고속화에 대 비한 선로개량의 방안으로서 비용과 시간이 절감될 수 있는 판형교의 동적성능향상 공법개발 및 적용이 매우 효율적인 대안이 될 수 있을 것이다.
22ton 22ton 22ton 22ton 22ton 22ton 1.854m 1.854m 8.789m 1.854m 1.854m 3.706m 그림 2. 해석용 열차하중모델 2. 연속화 공법 2.1 개요 정적 설계 측면에서의 연속보는 단순보에 비하여 주어진 지간과 하중에 대하여 모멘트가 작아지며, 또 강성은 커지고 처짐은 작아져 구조 역학적으로 유리하다. 뿐만 아니라 동적으로는 모드 분산 효과로 인하여 철도교량과 같이 일정 타격에 의해 발생되는 가진 주파에 의해 발생되는 공진에 있어 매우 유리 한 구조로 알려져 있다. 판형교의 경우 타 형식 교량에 비해 고유진동수가 높은 교량으로 공진이 발생 될 가능성이 적지만 부공진 등을 고려할 때 고속화에 대비한 보강 방안 중 연속화는 정적, 동적 측면에 서 모두 유리하다. 그러나 판형교의 개량방안의 한계는 기존 교량을 교체하지 않고 기존 구조물을 최소 비용으로 보완하는 것에 초점을 두고 있기 때문에 새로운 접근 방식이 필요하다. 뿐만아니라 합리적인 연속화를 위해서는 동적안정성 향상뿐만 아니라 경제성, 시공의 용이성이 함께 고려되어야 한다. 2.2 수치해석적 검토 2.2.1 수치해석 모델 단순보 2경간과 연결부 접합에 따른 연속화된 2경간을 그림 1과 같이 Shell과 beam요소로 3D모델 링 하였으며 이에 따른 Time History 해석을 통해 경간중앙에서의 동적응답과 취약개소가 될 수 있는 지점부 접합부에 대한 응답을 수치해석적으로 검토하였다. 대상 차량은 디젤1량 기관차로 선택하였다. 200 500 1200 12 80 1경간 2경간 700 13 00 200 500 1200 12 80 1경간 2경간 700 13 00 그림 1. 연속화 공법에 대한 FEM 모델 및 접합부 제원 2.2.2 해석용 열차하중 해석을 위하여 그림 2와 같은 디젤1량 기관차를 고려하였으며, 해석시 실 주행가 능속도를 고려하여 10~90km/hr 범위에서 10km/hr 등 간격으로 해석을 수행하였다. 2.2.3 수치해석 결과 해석결과 동적처짐은 현행 판형교에 비해 연속화된 판형교가 약 9.1-12.8%감소되며 수직진동가속도는 속도에 따라 36.2-62.9% 감소하는 것으로 그림 3과 같이 분석되었다.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Speed(km/hr) di s( m m ) 단순보(2경간) 연속화(2경간-3지점) vertical acceleration(1/2) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Speed(km/hr) ac c( g) 단순보(2경간) 연속화(2경간-3지점) 그림 3. 해석결과 3. 현장시험 부설 3.1 부설 개요 본 연속화 공법의 개발 및 적용 목적은 열차 운행에 지장없이 비용과 시간을 절감하면서 기존 판형 교의 동적성능을 향상시키는 것으로 이를 실현하기 위해 전반적인 공정을 사전 공장에서 진행되도록 계 획되었다. 수치적으로 검토된 판형교의 연속화 공법에 대한 실험적 검증을 위하여 기존선에 공용중인 판형교를 대상으로 현장에 시험, 부설하였다. 부설 전 후의 동적거동을 비교하기 위하여 현장 부설에 앞 서 공법 적용 전 판형교의 동적거동을 1차 측정하였으며 현장부설 후 2차 측정을 수행하였다. 재하하중 으로는 실 운행되고 있는 디젤견인 무궁화호 열차와 화물열차 그리고 시험운행중인 틸팅열차를 대상으 로 하였다. 현장 선정이후 사전 준비작업을 제외한 현장에서의 공정은 거더의 볼팅, 연결 접합부 체결 및 마무리 도장까지 총 소요일수는 2일이며, 공정 표준화 및 최적화시 더욱 단축될 수 있을 것으로 판 단된다. 3.2 연속화 접합부 상세 현장에 적용하기 위한 접합부 설계에 있어서 판형교 상부 플랜지의 보강연결재의 설치를 위해서는 상부의 목침목을 2개 제거해야 하는 상황과 연결 대상 판형교의 거더 복부판 중심선이 이격되어 있는 상황이 발생하여 복부 연결판에 대한 보강 및 보완조치를 그림 4 및 그림 5와 같이 시행하였다. 그림 4. 복부 연결판의 제원
거더 복부판 중심선 이격 (a) 좌측거더 (b) 우측거더 그림 5. 거더 중심선 불일치 조정용 채움판 제원 3.3 현장부설 주요공정 본 시험부설은 연결판을 현장조건에 따라 사전 제작하여 진행되기 때문에 현장 작업시간은 1-2일 정도 소요되었다. 또한 열차의 차단없이 안전한 대피로를 확보하여 교량 하부 공간에서 작업하였으며 안전한 작업을 위해 열차의 비운행시간에 맞추어 분할 시공하였다. 1. 연결판 인상 2. 연결판 거치대 설치 3. 연결판 거치 4. 부분고정 및 볼팅 5. 조임(고장력볼트) 6. 마무리 도장 그림 6. 현장부설 주요공정 4. 현장실험 4.1 현장실험 계획 본 연구에서 개발된 연속화 공법의 판형교 동적성능향상 효과를 검증하기 위하여 공법 적용 전(1차) 과 공법 적용 후(2차)에 대하여 실 주행열차를 이용하여 동적응답을 측정하였다. 표 1은 현장실험 계획 을 나타낸다.
시험 구분 내용 시험항목 측정대상 차량 공법적용 전 시험 (1차) ․ 공법적용전 동적응답 측정 ․ 열차운전지장없이 교량하부에서 측정 이 진행됨. 선로작업 없음 - 진동가속도 (3CH) ․ 수직/수평,경간중앙 - 변위(6CH) ․ 수직, 경간중앙 (2CH) ․ 수직, 교좌부 (4CH) 기존열차 TTX 공법적용 후 시험 (2차) ․ 공법적용전 동적응답 측정 ․ 열차운전지장없이 교량하부에서 측정 이 진행됨. 선로작업 없음 - 진동가속도 (3CH) ․ 수직/수평,경간중앙 - 변위(6CH) ․ 수직, 경간중앙 (2CH) ․ 수직, 교좌부 (4CH) 기존열차 TTX 표 1. 현장실험 계획 4.2 실험결과 및 분석 1) 기존(화물)열차 화물열차의 경우 연속화 공법을 적용한 결과 동적최대응답의 평균적인 감소율은 수직진동가속도 24.81%, 수평진동가속도 30.96% 및 중앙처짐 19.58%로 산출되었다. -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (sec) V er tic al A cc er at io n( g ) (a) 1차(공법적용 전) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (sec) V er tic al A cc er at io n( g ) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 7. 수직진동가속도(× ) 시간이력 (화물열차) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (sec) La te ra l A cc er at io n( g ) (a) 1차(공법적용 전) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (sec) La te ra l A cc er at io n( g ) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 8. 수평진동가속도(× ) 시간이력 (화물열차)
-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (sec) De fle cti on (m m) (a) 1차(공법적용 전) -10 -8 -6 -4 -2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (sec) De fle cti on (m m) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 9. 중앙처짐(mm) 시간이력 (화물열차) 열차 구분 항목 가속도(g)수직진동 가속도(g)수평진동 중앙처짐(mm) 화물 부설 전 case 1 0.407 0.413 9.54 case 2 0.399 0.305 8.59 case 3 0.411 0.279 8.50 평균 0.406 0.332 8.88 부설 후 case 1 0.318 0.221 7.35 case 2 0.303 0.210 7.15 case 3 0.295 0.257 6.92 평균 0.305 0.229 7.14 평균응답감소율 (%) 24.81 30.96 19.58 표 2. 동적응답의 비교분석 2) 일반여객 열차 여객열차(디젤기관차 1량+무궁화객차)는 수직진동가속도 45.35%, 수평진동가속도 38.58% 및 중앙 처짐 13.19%로 산출되었다. -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) V er tic al A cc er at io n( g ) (a) 1차(공법적용 전) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) Ve rti ca l A cc era tio n( g) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 10. 수직진동가속도(× ) 시간이력 (일반여객차)
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) La ter al Ac ce ra tio n( g) (a) 1차(공법적용 전) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) La ter al Ac ce ra tio n( g) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 11. 수평진동가속도(× ) 시간이력 (일반여객차) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) De fle cti on (m m) (a) 1차(공법적용 전) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) De fle cti on (m m) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 12. 중앙처짐(mm) 시간이력 (일반여객열차) 열차 구분 항목 가속도(g)수직진동 가속도(g)수평진동 중앙처짐(mm) 여객 열차 부설 전 case 1 0.407 0.414 6.51 case 2 0.351 0.246 6.21 case 3 0.411 0.417 6.60 평균 0.390 0.359 6.44 부설 후 case 1 0.205 0.215 5.53 case 2 0.221 0.217 5.56 case 3 0.213 0.229 5.68 평균 0.213 0.221 5.59 평균응답감소율 (%) 45.35 38.58 13.19 표 3. 동적응답의 비교분석(일반여객열차) 3) TTX(틸팅) 열차 시험운행된 틸팅열차의 경우 연속화 공법을 적용애 따른 동적최대응답의 평균적인 감소율은 수직진 동가속도 27.5%, 수평진동가속도 15.00% 및 중앙처짐 12.54%로 산출되었다.
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 5 10 15 20 25 time (sec) V er tic al A cc er at io n( g ) (a) 1차(공법적용 전) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 5 10 15 20 25 time (sec) Ve rti ca l A cc era tio n( g) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 13. 수직진동가속도(× ) 시간이력 (틸팅열차) -3 -2 -1 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 time (sec) La ter al Ac ce ra tio n( g) (a) 1차(공법적용 전) -3 -2 -1 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 time (sec) La ter al Ac ce ra tio n( g) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 14. 수평진동가속도(× ) 시간이력 (틸팅열차) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) De fle cti on (m m) (a) 1차(공법적용 전) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 0 5 10 15 20 25 30 time (sec) De fle cti on (m m) (b) 2차(공법 적용 후) 그림 15. 중앙처짐(mm) 시간이력 (틸팅열차)
열차 구분 항목 가속도(g)수직진동 가속도(g)수평진동 중앙처짐(mm) 틸팅 열차 부설 전 case 10.286 0.243 4.69 case 2 0.272 0.231 4.68 case 3 0.269 0.269 4.75 평균 0.276 0.248 4.71 부설 후 case 10.216 0.233 4.10 case 2 0.195 0.203 4.23 case 3 0.188 0.195 4.02 평균 0.200 0.210 4.12 평균응답감소율 (%) 27.50 15.00 12.54 표 4. 동적응답의 비교분석(틸팅열차) 5. 결론 및 제언 본 연구에서는 기존선 속도향상을 위한 철도인프라 개량의 중요한 요소인 철도판형교의 동적성능향 상을 위하여 개발된 현장 연속화 공법을 실제 공용중인 판형교에 적용하여 효과를 검증하였다. 현장 실 험에는 화물, 무궁화 및 틸팅과 열차와 같은 3가지 유형의 열차를 고려하였으며, 각기 동일 제원(기관 차, 편성당 차량수 등)에 대하여 3회 측정하여 동적응답을 산술평균하였다. 다만, 틸팅을 제외한 2가지 기존열차의 경우는 부분적으로 편차가 있는 속도로 판형교를 통과하였다. 열차의 운전지장을 없이 간단 히 주형을 연속화 시킴으로서 얻어진 동적응답 감소율은 다음과 같다. 1) 최대 수직진동가속도 : 24.81~45.35% 범위에서 감소 2) 최대 수평진동가속도 : 15.00~38.58% 범위에서 감소 3) 최대 동적처짐 : 12.54~19.58% 범위에서 감소 다음과 같은 항목들이 추가로 연속화 설계에 반영된다면 본 연구에서 제시한 현장 연속화 공법에 의 해 개량된 무도상 판형교는 기존선 고속화를 위한 장애요소에서 배제될 수 있을 것이라 판단된다. 1) 50m 장척레일 부설에 따른 경간장 12m 및 18m 판형교에 대한 3경간 및 2경간 연속화 시행 2) 연속 접합부 지점부의 선받침에 대한 고정지점화 3) 피로(충격하중)손상 방지를 위한 레일이음매부의 교량 밖 이설 및 축력 흡수 설계 4) 기존선에 적합한 교량 진출입부 현장 부설 어프로치블럭 설계 5) 250mm 높이의 무도상 판형교용 목침목 대체 궤도시스템의 개발 현재 기존선의 영업최고 운행속도 160km/h로부터 향후 230km/h를 수용하기 위해서는 점진적인 증 속실험과 적합한 개량공법의 신뢰도 검증이 지속적으로 이뤄져야 할 것이다. 이러한 점진적인 개량을 통하여 기존 공용중인 판형교의 잔존수명을 최대한 활용함과 동시에 판형교 이외의 속도제한 요소해결 과 연동한다면 막대한 예산과 노력이 요구되는 기존선 개량사업의 추진 효율성에 기여하리라 판단된다. 또한, 이러한 절차는 160km/h~300km/h 속도대역에 대한 기술적 공백을 확보하는데 필수적이라 할 수 있다. 참고문헌 1. 한국철도기술연구원, 기존선 속도 향상에 대비한 판형교의 동적안전성 향상기술개발, 오지택 외, 2007
