† 교신저자, 서울메트로, 철도토목처 E-mail : [email protected] * 서울메트로, 철도토목처 ** 베를린공과대학교, 철도·궤도공학과 *** 한국철도기술연구원, 신교통인프라연구실 **** 서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도건설공학과
급곡선 탄성레일체결장치의 거동특성에 미치는 매개변수 연구
The Parametric Study on the Performance Characteristics of
Elastic Rail Fastening System on the Sharp Curved Track
백찬호† 주봉규* 최정열** 최일윤*** 박용걸****
Chan-Ho Baik Bong-Gyu Joo Jung-Youl Choi Il-Yoon Choi Yong-Gul Park
ABSTRACT
In this study, the deformations and stresses occurred in the elastic rail fastening system were evaluated according to applied extreme track forces based on various field conditions, track curvature and poor properties. The purpose of this study is to establish a method for efficient management and suggest guide line for track construction in order to secure the performance quality of the elastic rail fastening system on the sharp curved track.. Therefore, initial construction qualities of rail and concrete bed, initial clamping force and applied extreme track forces were used into experiment as several parameters. Using these test results, the performance characteristics of the elastic rail fastening system were also evaluated. As a result, it suggested the method to secure long-term durability of fastening system and comparing sharp curved track to results on field test.
keywords: : elastic fastening system, initial construction quality, initial clamping force, long-term durability
1. 서 론 국내․외 콘크리트궤도에 널리 사용되고 있는 클램프(clamp) 형식의 탄성레일체결장치는 과거 레일과 침목을 단순히 결속하는 클립(clip)형태에서 벗어나 열차하중 및 선형조건 등에 의해 레일과 체결구 사이에서 발생할 수 있는 틸팅 및 인장, 압축력 등에 체결구 스스로 저항할 수 있는 내력 보강형 클램프를 사용함에 따라 클립형태의 체결구 보다 피로진폭이 우수하고 변형한계가 큰 장점을 가지고 있다. 이에 국외 철도선진국에서는 오래전부터 다양한 연구개발을 거쳐 우수한 품질의 탄성레일체결 장치가 사용되고 있으며, 최근 국내에서도 고속철도 일부구간과 도시철도 등에 적용되어 사용하고 있다. 그러나 실제 현장에서는 운영기관별로 다양한 열차운행조건 및 운행빈도를 비롯하여 궤도상태 및 선형조건과 현장 궤도부설조건 등 탄성레일체결장치의 거동에 영향을 미치는 다양한 변수가 존재하여 체결장치 제조사에서 제시하는 탄성레일체결장치의 장, 단기 내구성능 확보하기에 다소 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 현장 및 궤도선형조건에 기인한 과대 작용하중의 수준을 검토하고 이러한 하중 상태에서의 탄성레일체결장치의 텐션클램프에 발생하는 변형 및 응력상태를 실험적으로 분석하여 효율적인 탄성레일체결장치 관리방안을 수립하고 탄성레일체결장치의 시공품질확보를 위한 시공방안을 제시하는 데 본 연구의 목적이 있다. 이에 본 연구에서는 탄성레일체결장치의 성능에 미치는 매개변수로서 레일 및 콘크리트도상의 초기 시공품질, 초기 체결력 및 극대 하중의 영향을 설정하고 이러한 매개변수를 고려할 수 있는 실내
시험을 실시하여 탄성레일체결장치의 거동특성을 분석하였다. 또한 실제 텐션클램프 절손 사례가 많이 발생하고 있는 서울메트로 급곡선 구간에서 수행한 현장측정결과와의 비교·분석을 통해 탄성레일체결 장치의 장기 내구성능 확보를 위한 방안을 제시하였다. 2. 급곡선 탄성레일체결장치의 개요 2.1 급곡선 궤도구조 본 연구의 대상 레일체결장치인 급곡선 탄성레일체결장치는 급곡선 궤도구조(PTT궤도)에 적용된 탄성레일체결장치로서, 급곡선 궤도구조의 현장전경 및 표준단면도는 Fig. 1과 같다. 현장전경(R =140) 급곡선 궤도구조 표준단면도 Fig. 1 급곡선 궤도구조의 현장전경 및 단면도 도심구간 내 대형 건물과 문화재, 지상도로 등의 영향으로 부득이하게 계획되어 시공된 서울메트로의 R=200 이하의 구간에는 상당량의 슬랙(Slack) 설치가 필요하고, 급곡선으로 인한 극대하중의 영향을 고려하여 궤도품질수준과 열차 주행안정성을 확보 할 수 있도록 특수 설계된 급곡선 궤도구조의 주요 특징은 Table. 1과 같다. Table. 1 급곡선 궤도구조의 주요 특징 주요 특징 급곡선 궤도구조용 PTT침목 체결장치 급곡선 탄성레일체결장치(SM-F) 게이지간격재 텐션클램프(SKL12) PUR 방진패드(12mm) 체결구 SKL12 텐션클램프 궤간조정범위 게이지 간격재로 조절(최대 19mm) 방진패드 PUR(폴리우레탄) 12mm 사용구간 R200 미만 구간 2.2 텐션클램프(SKL12) 체결구는 방진패드와 함께 레일체결장치의 성능결정에 중요한 요소로서, 특히 탄성레일체결장치에서의 체결구(텐션클램프)는 레일의 위치고정과 유지, 체결력 유지를 통한 궤도 안전성 확보, 열차하중의 분산과 충격완화, 레일틸팅(tilting) 및 부가작용력에 대한 탄성적 거동과 피로진폭 확보 등의 기능을 가지고 있다. 급곡선 탄성레일체결장치에 적용된 체결구(SKL12)의 주요특징 및 제원은 Table. 2와 같다.
Table. 2 텐션클램프(SKL12)의 주요특징 및 제원 텐션클램프(SKL12) 체결구 피로한계 2.5mm 이상 적정 체결토크 180~200Nm Middle Band Spring Arm 체결스프링 처짐량 약 13mm 틸팅방지 요소 Middle Band 체결력 2 × 10kN(1개) 높이조정 20mm Middle Band와 레일저부의 적정 이격거리 1~3mm 체결스프링 소성변형 Middle Band의 2차강성으로 과부하를 방지 3. 이론적 배경 3.1 체결스프링의 개요[1] 체결스프링이란 탄성을 가진 레일패드와 함께 탄성레일체결장치 구조에서 2중 탄성을 구현하기 위한 중요부품의 하나이며, 레일패드를 항상 압축상태로 유지하고, 체결력에 따라 레일과 체결스프링 사이에 생기는 마찰력으로 레일의 복진을 방지하는 기능을 하고 있으며, 체결스프링의 종류로는 크게 판스프링 (Plate spring)과 코일스프링(Coil spring)으로 나눌 수 있다.
본 연구에서는 초기체결 시와 윤중 작용 시에는 스프링정수가 작고, 변칙경사(tilting, irregularity inclination) 발생시나, 들림(uplift) 등 상향작용에 스프링정수가 큰 이른바 2단 선형의 스프링정수를 가진 코일스프링형 체결스프링을 대상체결구로 하였으며, 체결스프링(텐션클램프 SKL 12,14,15)의 하중-변위 곡선은 Fig. 2와 같다. S p r i n g d e f l e c t i o n ( m m ) T o e l o a d F ( k N ) T o e l o a d F ( k N ) S p r i n g d e f l e c t i o n ( m m ) T o e l o a d F ( k N ) S p r i n g d e f l e c t i o n ( m m )
(a)Tension clamp SKL12 (b)Tension clamp SKL14 (c)Tension clamp SKL15 Fig. 2 체결스프링의 하중-변위 곡선 3.2 체결스프링의 발생응력 및 내구한도[1] 양면진폭 /등가양진 응력( M pa ) 중심응력(Mpa) 제1 파괴한도 : 내구한도 제2 파괴한도 : 10^4회의 시간한도 제1 피로한도 : 탄성한도 제2 피로한도 : 항복한도 1 2 3 4 1 2 3 4 Fig. 3 스프링강의 내구한도선도 열차하중 중에서 윤중이 지배적인 경우에 2중 탄성 레일체결장치의 체결스프링 응력은 완화되는 방향에 있지만, 횡압을 받는 구조의 체결스프링에서는 횡압에 의해 체결스프링 각부의 응력이 변화한다. 또한 횡압 에 의하여 레일이 변칙경사하면 체결스프링의 레일과 의 접촉점이 상하로 위치변화되며 그 변위량에 따라 스프링의 체결력에 변동이 생기고 스프링 각부의 응력이 변동한다. 이들 응력 변동의 합계와 초기 체결에 의해 생긴 응력의 중심응력과 응력진폭을 구하여 이것이 항상 스프링강 피로한도의 일정한 기준을 만족 하여야 하며 그 기준은 Fig. 3과 같다. 여기서 Fig. 3은 스프링강(SPS) 휨 인장의 약 10%가 파괴하는 시간한도나 내구한도에 의거한 그래프이며 숏피닝 (shot peening)의 실시를 전제로 하고 있다. 또한 체결스프링에 발생하는 응력은 초기 체결 시의 응력과
응 력변화 시각 응력진폭 응력진폭 중심응력 체결시 응력 Fig. 4 스프링강의 내구한도선도 열차주행 시 발생하는 응력의 합으로 나타낼 수 있다. 체결 시 응력을 증가시키는 방향과 감소시키는 방향이 있으며, 일반적으로 윤하중의 작용은 감소방향이고, 횡압의 작용은 변칙경사를 포함하여 양방향 응력증가 특성이 있다. Fig. 4와 같이 변동하는 응력의 중심을 응력 중심으로 하고, 진폭 의 절반을 응력진폭으로 하여 체결스프링의 발생응력 수 준과 내구한도를 검토할 수 있다. 3.3 체결 스프링(텐션클램프)의 절손 Mechanism 실제 현장에서 발생하는 텐션클램프의 절손 Mechanism을 분석하면 텐션클램프의 절손에 직접적인 영향을 미치는 요인으로 Fig. 5와 같이 시공초기에 발생할 수 있는 초기 시공품질 불량, 초기 체결력 및 공용중인 선형특성에 기인하여 발생하는 극대하중의 영향 등으로 구분할 수 있다. 4. 매개변수 시험 4.1 시험개요 본 연구는 급곡선 탄성레일체결장치의 구성품 중 텐션클램프(체결스프링)의 거동특성을 분석하는 데 목적이 있으며 현재 국내외 적으로 텐션클램프의 거동특성에 미치는 영향에 대한 매개변수 연구가 많이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 텐션클램프의 거동특성에 영향을 미치는 매개변수를 초기 체결력 (체결토크), 초기 시공품질 및 극대 횡압으로 설정하여 정적재하시험을 수행하였다. 매개변수 시험에 사용한 시험체는 Fig. 6(a)와 같이 현장측정구간과 동일한 급곡선 궤도구조에 사용되는 PTT침목에 탄성 레일체결장치를 체결하여 침목 3정을 625mm 간격으로 설치하여 실험을 수행하였다. 시험 시 하중재하는 정격하중 100kN의 UTM을 이용하여 횡방향력을 최대 80kN까지 정적으로 재하 하였다.
시험에 고려된 횡압의 수준은 현장측정을 통해 획득한 동적횡압의 약 40% 이상 할증된 하중크기로써 보다 안전측의 검토가 가능할 것으로 사료되며 극대 횡압의 수준을 모사 하고자 하였다. 초기 체결력의 변화에 따른 텐션클램프 Spring arm 절곡부의 응력을 검토
하고자 Fig. 6(b)와 같이 토크렌치를 이용하여 (a) 시험체 설치전경Fig. 6 매개변수 시험체 설치 전경(b) 체결토크 도입전경 체결토크를 100Nm, 150Nm, 200Nm, 250Nm로 각각 변화시켜가며 텐션클램프의 응력을 측정하고 체결력 도입단계별 텐션클램프 Spring arm 절곡부의 응력변화수준을 검토하였다. 또한 초기 시공품질 에 관한 매개변수의 조정은 레일의 변형(부상)이나 구배변환점, 도상콘크리트와 침목시공 오차 등과 같이 레일과 레일지지점 침목상면사이의 공간이 발생하여 텐션클램프의 체결상태가 정상적이지 못한 상황을 실험적으로 모사하고자 레일저부 레일패드 사이에 1mm 철판을 1~5mm까지 삽입하여 텐션 클램프의 초기 체결력의 변화를 유도하였다. 극대횡압의 영향은 침목간 중앙의 레일두부와 레일지지점 (텐션클램프 체결위치)의 레일두부에 횡방향력을 최대 80kN까지 단계별로 재하하여 텐션클램프 Spring arm 절곡부의 응력변화수준을 검토하였다. 매개변수 시험에서의 측정항목은 텐션클램프 Spring arm 절곡부 스트레인, 레일지지점 수직변위, 침목간 중앙부 레일수직변위로 설정하였으며 센서 설치전경은 Fig. 7과 같다.
(a) 텐션클램프 spring arm
절곡부 스트레인게이지 (b) 레일지지점 수직변위계 (c) 레일수직 및 횡변위계 Fig. 7 매개변수 시험 센서설치 전경 4.2 시험결과 및 분석 4.2.1 초기 체결력 변화에 따른 텐션클램프 응력검토결과 초기 체결력의 변화에 따른 텐션클램프 Spring arm 절곡부의 응력을 검토하고자 토크렌치를 이용하여 체결토크를 100Nm, 150Nm, 200Nm, 250Nm로 각각 변화시켜가며 텐션클램프 Spring arm 절곡부의 응력변화수준을 측정한 결과는 Fig. 8과 같다. Fig. 8과 같이 초기 체결력은 텐션클램프 Spring arm의 절곡부에 도입되는 초기 압축응력에 직접적인 영향을 미치며, 초기 체결력 (체결토크)의 감소는 텐션클램프에 도입되는 초기 압축응력의 감소로 나타났다. 정상적인 텐션클램프의 초기 체결력은 200Nm 이며 이때 도입되는 압축응력의 수준은 약 220MPa수준이며 초기 100Nm 150Nm 200Nm 250Nm -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 Clamping force(Nm) St res s (M P a ) Fig. 8 초기 체결력에 따른 텐션클램프 초기 도입응력 체결력의 수준이 50% 수준으로 감소되었을 경우 도입 압축응력은 약 60% 감소되는 것으로 나타나 초기 체결력은 텐션클램프 내부의 압축응력과 선형적인 관계가 있는 것으로 분석되었다.
4.2.2 극대횡압에 따른 텐션클램프 응력검토결과 급곡선 궤도에 발생하는 극대횡압의 영향에 따른 텐션클램프 응력 수준을 파악하고자 정격하중 100kN의 UTM을 이용하여 레일 지지점(텐션클램프 체결위치)의 레일두부에 횡방향력을 최대 80kN까지 단계별로 재하하여 텐션클램프 Spring arm 절곡부의 응력변화수준을 검토한 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 초기 체결력을 100~250Nm까지 변화시켜가며 정적 횡방향력을 레일지지점 레일 두부 측면에 재하하였다. 현장측정결과 대상선로에서 측정된 동적 횡압의 수준은 약 45kN으로 나타났다. 본 절에서 실시한 매개변수 시험에서는 현장에서 발생하는 동적 횡압의 약 2배 이상의 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Lateral Force(kN) St ress(MP a) 100Nm 150Nm 200Nm 250Nm Fig. 9 초기 체결력에 따른 횡압작용시 텐션클램프 응력변화 극대 횡압을 정적 최대시험하중으로 산정하여 단계별 하중재하에 따른 텐션클램프 응력변화를 측정 하였다. 초기 체결력의 수준에 따른 횡압작용 시 텐션클램프의 응력변화수준을 검토한 결과, 초기 체결력 도입당시 텐션클램프 내부에 발생된 압축응력이 횡방향력 작용에 따라 인장응력으로 변환되었으며 초기 체결력의 크기에 반비례하여 초기 체결력의 감소는 극대횡압작용에 따른 레일의 경사에 저항하는 텐션 클램프 Spring arm 절곡부의 응력증가로 나타났다. 횡압의 수준이 약 30kN 이하의 경우에는 초기 체결력의 영향이 다소 적으나 30kN 이상부터 100Nm로 체결한 경우의 텐션클램프 응력증가가 급격히 증가하는 경향으로 나타났다. 또한 과 체결상태를 모사한 초기 체결력 250Nm의 경우에는 정상 체결한 경우와 거의 비슷하거나 다소 높은 발생 인장응력을 나타내어 정상 체결력 이상의 초기 체결력은 극대 횡압작용 시 오히려 텐션클램프의 응력증가를 초래할 수 있을 것으로 분석되었다. 따라서 텐션클램프의 초기 체결력은 클램프 내부의 압축응력을 도입함으로써 외력작용에 따른 텐션클램프의 발생응력 저감을 위한 보강력으로 작용하는 것을 실험적으로 입증하였다. 4.2.3 초기 시공품질에 따른 텐션클램프 초기 도입응력검토 초기 시공품질에 관한 매개변수의 조정은 레일저부 레일 패드 사이에 1mm 철판을 1~5mm까지 삽입하여 텐션 클램프의 초기 체결력의 변화를 유도하였으며 그 결과 Fig. 10과 같이 텐션클램프에 도입되는 초기 압축응력의 감소가 나타 났다. 초기 체결력의 크기가 클수록 시공품질의 영향을 크게 받는 것으로 나타났으며 3mm 이상의 시공품질저하는 급격한 텐션클램프의 도입 압축응력의 저감을 발생시키는 것으로 나타났다. 정상적인 체결상태인 초기 체결력 200Nm, 0mm 의 경우 대비 5mm의 시공품질 저하발생시 내부의 도입 압축 100Nm 150Nm 200Nm 250Nm -300 -270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 Clamping force(Nm) S tr e ss(MPa) 0mm 1mm 2mm 3mm 4mm 5mm Fig. 10 초기 시공품질에 따른 텐션클램프 초기 도입응력변화 응력의 수준은 약 40% 이하로 감소되는 것으로 나타나 이러한 초기 시공품질의 저하는 텐션클램프의 외력에 대한 저항성능에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 5. 현장측정 5.1 현장측정 개요 현재 1일 약 46만명을 수송하고 있는 서울메트로 1호선 선로 중 최대 급곡선 구간인 R140 구간을 측정대상으로 선정하였으며, 대상구간의 경우 빈번하게 텐션클램프의 절손이 발생되는 구간이다. 현장측정 을 통해 열차주행 시 대상궤도의 동적응답과 텐션클램프의 응력을 측정하여 급곡선 궤도의 거동특성 및 텐션클램프 응력수준 검토 등 손상원인을 파악하고 매개변수 시험결과와의 비교를 통해 탄성레일체결장치 (텐션클램프)의 장기 내구성능 확보방안을 도출하고자 하였다. 측정대상구간의 전경 및 제원, 센서설치 위치도는 Table. 3과 같다.
Table. 3 측정구간 제원 측정구간 전경 측정구간 제원 센서설치 개요도 구 간 시청~종각 곡선반경 R =140 평균운행속도 35km/h 1일 열차횟수 308회 1일 통과톤수 약 15만 톤 1일 이용승객 46만명 또한, 초기 체결력의 영향을 고려하기 위하여 7.5m에 해당하는 구간의 텐션클램프 체결력(체결토크)을 100Nm와 200Nm(정상 초기 체결토크)로 조정·변경하여 측정을 실시함으로서 실 열차주행 시 초기 체결력이 텐션클램프의 발생응력에 미치는 영향을 분석하였다. 5.2 급곡선 궤도의 동적응답 및 텐션클램프의 응력 측정 5.2.1 동적 윤중 및 변위 측정[3][4][5][6] 대상 구간에서 실 운행열차 통과 시 궤도에 작용하는 동적 윤중의 특성을 파악하고자 침목간 레일 중앙부 레일복부에 2축 스트레인게이지를 설치하여 윤중측정을 수행하였으며 측정신호를 MGC-Plus (Data Acquisition System)에 저장한 후, 오리진TM 프로그램을 이용하여 분석하였다. 동적 윤중의 측정은 주행열차 인접차륜의 동적하중효과에 상호간섭 없이 안정적으로 측정하기 위해 Wheatstone Bridge를 구성하는 회로도를 이용하여 Fig. 11(a)과 같이 침목간 중심에서 각각 100mm 떨어진 위치 에 레일복부의 중립축에 45° 각도를 가지고 8방향으로 결선된 윤중게이지를 부착하여 측정하였다[4]. 윤중 게이지는 내·외측 레일(2개소)에 스트레인게이지를 부착하여 측정하였다. 현장계측 시 주행 열차 하중에 의해 발생한 윤중을 왜곡하거나 데이터의 손실이 발생되지 않도록 1kHz 이상의 충분한 수집율 (Sampling Rate)을 설정하였다. 레일에 부착한 스트레인게이지를 통하여 직접 측정한 값은 변형률 데이터로써 레일의 전단변형과 비례하여 발생한다. 전단변형은 역시 윤중과 비례하여 발생하므로 데이터 수집장비를 통하여 얻은 변형률을 실제 작용하는 윤중의 절대량으로 환산하기 위하여 윤중 검정 (Calibration)을 수행하고 이때 얻어진 정적 윤중 데이터를 이용하여 선형회귀분석(Linear Regression) 을 통해 환산 윤중을 도출함으로써 동적 윤중값(kN)을 구하였다[6]. 또한 열차주행 시 발생하는 레일 및 침목의 동적 수직, 횡변위를 측정함으로써 측정구간을 통과하는 열차에 따른 동적 하중의 영향과 과도한 횡압에 의한 레일의 수직 및 횡방향 변형이 텐션클램프의 발생응력에 미치는 영향을 평가하였다. 변위계 설치를 위한 지그는 콘크리트 궤도의 경우 열차하중에 의한 도상 슬래브층의 변위는 없는 것으로 감안 하고 콘크리트도상에 도상에 전달되는 진동의 영향에 간섭을 받지 않도록 Fig. 11(b)와 같이 도상 슬래브 상면에 변위계 설치용 지그를 견고히 설치하여 변위 계측을 실시하였다. (a) 윤중 게이지 설치전경 (b) 변위계 설치전경 (레일, 침목 수직 및 횡변위) Fig. 11 측정센서 설치전경 5.2.2 텐션클램프 응력 측정[2]
초기 체결력의 영향 및 과도한 동적 횡압 등의 작용으로 인한 텐션클램프의 절손 원인을 파악하고자 Fig. 12와 같이 실제 텐션클램프의 파괴가 발생하는 위치에 스트레인게이지를 부착하였으며 열차 주행 시 텐션클램프의 동적 발생 응력을 측정하였다. 텐션클램프 구조 부위중 취약한 부위를 찾고자 대상선로에서 발생하는 텐션 (a) 텐션클램프 절손 유형 (b) 텐션클램프 절손 현황 Fig. 12 텐션클램프 절손 현황
클램프의 절손유형을 분석한 결과 대부분의 절손위치는 Fig. 12와 같이 텐션클램프의 Spring arm 절곡부에서 발생하는 것으로 조사되었다. 따라서 현장측정시 Fig. 13과 같이 텐션클램프의 Spring arm 절곡부(4개 소/1EA)에 1축 스트레인게이지를 체결 스프링의 축방향에 맞추어 설치하였으며 실 주행열차하중에 따른 텐션클램프 취약부위의 발생응력을 측정하였다. Fig. 13 텐션클램프 스트레인게이지 설치위치별 센서번호 5.3 현장측정 결과 및 분석 5.3.1 정상체결시(200Nm) 윤중 및 횡압측정 결과 동적 윤중 측정결과를 Fig. 14에 나타내었으며, 최대윤중과 횡압은 각각 75kN, 34kN으로 측정되어 축중 180kN인 서울메트로 열차하중이 잘 반영된 것으로 판단되며, 계측 시 측정구간을 주행한 모든 열차에 대한 측정응답 중 측정상의 오류나 이상 신호가 계측된 경우를 제외하고 동적 윤중 및 횡압 분석에 사용하였다. 0 5 10 15 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 W h eel lo a d (k N ) Time(sec) 0 5 10 15 -40 -30 -20 -10 0 10 L a te ra l W h ee l lo a d ( k N ) Time(sec) (a) 윤 중 (b) 횡 압 Fig. 14 윤중 및 횡압 측정파형(시간-하중곡선) 5.3.2 동적 변위측정 결과 측정구간의 실 운행열차 주행에 따른 레일 및 침목의 수직변위, 침목간 중앙부와 레일지지점 두부 횡변위 측정결과의 예는 Fig. 15과 같다. 레일 횡변위 측정결과 예상대로 텐션클램프 체결위치인 레일지지점 두부 횡변위 보다 침목간 중앙부 두부 횡변위가 더 크게 나타났으며, 레일수직변위 역시 최대 1.25mm로서 급곡선 궤도구조의 허용 레일침하기준(2.5mm)을 만족시키는 것으로 나타났다. 침목수직변위는 침목하부에 탄성이 거의 없으며 침목과 도상을 분리를 위한 침목상자만이 존재하는 급곡선 궤도구조의 특성이 반영되어 0.1mm 내외로 측정되었다.
0 5 10 15 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Dis p la c eme n t(m m) Time(sec) 0 5 10 15 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Di sp lac e me n t( m m ) Time(sec) 0 5 10 15 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Di sp lac e me n t( m m ) Time(sec) 0 5 10 15 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 D is p la ce me n t( m m) Time(sec) (a)침목간중앙 두부횡변위 (b)레일지지점 두부 횡변위 (c) 레일수직변위 (d) 침목수직변위 Fig. 15 동적 변위측정 결과(외측레일) 초기 체결력(100Nm, 200Nm)변화에 따른 동적 레일변위 측정결과는 Fig. 16과 같다. 정상체결상태 (200Nm)의 동적 변위와 측정위치 전후로 침목 5장(약 7.5m)에 해당하는 텐션클램프의 체결토크를 100Nm으로 조정 후 측정한 데이터를 비교한 결과, 레일두부 횡변위가 약 32% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 체결 스프링을 직접 고정하는 클립(clip)형 체결구와 달리 클램프(clamp)형 체결구의 경우 체결구의 초기 시공 시 텐션클램프에 적정 초기 체결력(토크량)을 부여하는 것이 중요하다는 사실을 실험적으로 입증하였다. 0 5 10 15 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Di spl a cem en t( m m ) Time(sec) 토크량(100kN) 0 5 10 15 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Di sp la cem en t( m m ) Time(sec) 토크량(200kN) 0 5 10 15 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Displacem en t( m m ) Time(sec) 토크량(100kN) 0 5 10 15 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 D ispl a cem en t( m m ) Time(sec) 토크량(200kN) (a) 침목간중앙 레일두부 횡변위 변화 (b) 레일지지점 레일두부 횡변위 변화 Fig. 16 초기 체결력 변화에 따른 레일두부 횡변위 측정 결과 5.3.3 텐션클램프(SKL12) 응력측정 결과 본 연구의 대상 체결구는 텐션클램프(SKL12)로써 체결력 조정을 토크렌치의 토크치로 조정할 수 있다. 따라서 정량적인 체결력 도입이 가능하며 체결력 손실에 따른 체결구의 거동 특성 파악을 위해 초기 체결력 변화(100Nm, 200Nm)에 따른 텐션클램프 Spring arm의 응력수준을 비교·검토하였다. 또한 급곡선부(R140)에서 열차주행에 따른 원심력에 의해 과도한 횡압이 발생하는 외측레일의 좌·우측 텐션클램프를 대상으로 측정하였으며 그 결과를 Fig. 17에 나타내었다. 동적 변위측정결과와 마찬가지로 정상체결상태와 체결토크 감소(100Nm) 후 텐션클램프의 발생응 력을 비교한 결과 정상체결 시 텐션클램프의 발생응력이 약 29% 감소되는 것으로 나타났다.
0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 S tres s( M P a) Time(sec) 토크량(100kN) 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 S tress( M P a ) Time(sec) 토크량(200kN) 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 S tress( M P a ) Time(sec) 토크량(100kN) 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 S tress( M P a ) Time(sec) 토크량(200kN) (a) S1 (b) S2 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 S tre ss (MPa ) Time (sec) 토크량(100kN) 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Stre ss (MPa ) Time (sec) 토크량(200kN) 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Stre ss (MPa ) Time (sec) 토크량(100kN) 0 5 10 15 20 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Stre ss (MPa ) Time (sec) 토크량(200kN) (c) S3 (d) S4 Fig. 17 체결력 변화에 따른 텐션클램프 응력변화 6. 결 론 본 연구에서는 탄성레일체결장치의 성능에 미치는 매개변수로서 레일 및 콘크리트도상의 초기 시공 품질, 초기 체결력 및 극대 하중의 영향을 설정하고 이러한 매개변수를 고려할 수 있는 실내시험을 실 시하여 탄성레일체결장치의 거동특성을 분석하였다. 또한 실제 텐션클램프 절손 사례가 많이 발생하고 있는 서울메트로 급곡선 구간에서 수행한 현장측정결과와 비교·분석하였으며 그 결과는 다음과 같다. 1. 매개변수 시험결과, 초기 체결력은 텐션클램프 Spring arm의 절곡부에 도입되는 초기 압축응력에 직접적인 영향을 미치며, 초기 체결력(체결토크)의 감소는 텐션클램프에 도입되는 초기 압축응력의 감 소로 나타났다. 또한 극대횡압작용에 따른 텐션클램프의 발생응력 검토결과, 초기 체결력 도입에 의해 발생된 압축응 력이 횡방향력 작용에 따라 인장응력으로 변환되었으며 초기 체결력의 감소는 극대횡압작용에 따른 텐 션클램프 Spring arm 절곡부의 응력증가로 나타났다. 또한 과 체결상태의 경우에는 정상 체결한 경우 보다 다소 높은 발생 인장응력을 나타내어 과다한 체결력은 극대 횡압작용 시 오히려 텐션클램프의 응 력증가를 초래할 수 있을 것으로 분석되었다. 따라서 텐션클램프의 초기 체결력에 의해 도입된 압축응 력은 외력작용에 따른 텐션클램프의 발생응력 저감을 위한 보강력으로 작용하는 것을 실험적으로 입증 하였다. 초기 시공품질의 수준에 따른 텐션클램프의 초기 체결력의 변화를 검토한 결과, 레일과 텐션클램프 사이의 간격증가는 텐션클램프에 도입되는 초기 압축응력의 감소를 초래하는 것으로 나타났다. 또한 3mm 이상의 시공품질저하는 텐션클램프의 도입 압축응력의 급격한 저감을 초래하는 것으로 나타났다. 정상적인 체결상태 대비 5mm의 시공품질 저하발생시 클램프의 도입 압축응력의 수준은 약 40% 이하 로 감소되는 것으로 나타나 초기 시공품질의 저하는 텐션클램프의 외력에 대한 저항성능에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 2. 현장측정결과, 텐션클램프의 체결력이 정상(200Nm)인 경우 레일의 횡변위는 체결력을 변화 (100Nm)시킨 경우 대비 약 32% 감소되는 것으로 나타났으며, 텐션클램프 응력은 약 29% 감소되는 것으로 분석되었다. 이는 탄성레일체결장치의 현장시공 시 텐션클램프에 부가하는 초기 체결력(체결토 크)는 텐션클램프의 외력에 대한 보강력으로 작용하며 이러한 현장측정결과는 매개변수 시험결과와 잘
일치하는 것으로 분석되었다. 따라서 텐션클램프의 적정 초기 체결력의 도입은 텐션클램프의 장기 내 구성능 및 거동특성에 직접적인 영향을 미치는 주요 요인임을 실험적으로 입증하였다. 3. 매개변수 시험과 급곡선 궤도에서의 현장측정결과 텐션클램프는 클립형식의 체결구와 달리 체결 스 프링의 구조적 특성상 초기 체결력에 의해 텐션클램프의 내부에는 압축응력이 도입되며 이러한 압축응 력은 외력작용 시, 특히 극대횡압 작용 시 텐션클램프의 보강력으로 작용하는 것으로 나타났다. 따라서 초기 체결력의 감소는 도입 압축응력의 감소를 유발하여 낮은 수준의 외력에도 텐션클램프의 발생응력 을 증가시키는 요인으로 작용하는 것으로 분석되었다. 또한 초기 시공품질의 저하는 텐션클램프의 초 기 체결력의 감소를 유발하여 외력에 대한 저항성능저하에 직접적인 영향을 미치므로 탄성레일체결장 치의 장기 내구성능 확보와 안정적인 거동을 유지하기 위해서는 적정 초기 체결력과 초기 시공품질의 확보가 매우 중요할 것으로 판단된다. 참고문헌 1. 서사범, 선로공학
2. DS.Chun, JY.Choi, HY.Ahn, YG.Park,(2009) Behavior of fastening system of HSR Bridge ends deck on Slab track installed Bridge, Journal of the Korean Society for Railway
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