† 교신저자, 한국철도기술연구원, 신교통연구본부 초고속열차연구단TFT E-mail : [email protected]
* 한국철도기술연구원, 신교통연구본부 초고속열차연구단TFT
연속 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도에서의 온도하강에 따른 슬래브
이음매 개구량 해석
Analysis of Slab Joint Opening Due to Temperature Drop in Continuous
Precast Concrete Slab Track
장승엽† 이정완* Seung Yup Jang Jeong Wan Lee
ABSTRACT
Precast concrete slab track is a track structure to be installed by transporting and assembling precast concrete slabs manufactured at the factory. This method can improve concrete quality, provide easy maintenance and reduce construction time, compared with in-situ concrete track. However, the concrete slabs being continuously connected in longitudinal direction, due to the temperature change between summer and winter, the openings at slab joints have occurred. Thus, in this study, to identify the cause of this opening of slab joint, the joint opening caused by temperature drop in the longitudinally continuous precast concrete slab track has been predicted using three-dimensional finite element analysis, and compared with field measurements. Based on the proven model, the slab joint opening, and the stress pattern of concrete slab and steel reinforcement according to concrete slab-base friction properties, concrete-reinforcement bond properties, and prestressing were analyzed.
1. 서론 자갈궤도는 승차감과 주행안전의 확보를 위해 지속적인 유지보수를 필요로 하는 구조로 열차의 고속 화·중량화에 따라 유지보수 부담이 점차 가중되고 있다. 그 때문에 안정성과 내구성 향상 및 유지보수비 절감을 위한 대안으로 슬래브궤도(slab track)가 개발되었다. 콘크리트 슬래브궤도는 자갈 대신 콘크리트 를 사용하고 고탄성 레일 체결장치와 침목을 사용할 수 있어 열차의 고속화에 따른 궤도 변형에 의한 유지보수를 절감하고 구조적으로 더 안정적인 장점이 있다. 또한 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도
(precast concrete slab track)는 콘크리트 슬래브를 공장에서 제작한 후 현장으로 운반하고 조립하여 시공
하는 궤도구조로 현장 타설식 콘크리트 궤도에 비해 콘크리트의 품질 향상과 유지보수가 용이하며 시공 속도를 향상시킬 수 있어 앞으로 보다 활발히 적용될 것으로 기대를 모으고 있다. 이에 최근 프리캐스 트 콘크리트 슬래브를 서로 연결하여 연속화하는 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도를 개발하여 실제 운 행선에 시험 부설한 사례가 있다.[1] 시험부설 궤도에서 2006년 부설 후 지금까지 궤도의 거동을 관찰해 온 결과 전반적인 성능은 목표를 만족하고 있는 것으로 나타났다. 하지만 프리캐스트 콘크리트 슬래브 간 종방향으로 연결 할 때, 슬래브 패널간 연결부에서 하절기와 동절기 온도변화에 따라 이음매 간격이 벌어지는 현상이 관찰되었다. 이에 본 연구에서는 이러한 슬래브 이음매에서의 개구량 발생의 원인을 규명하기 위하여 종방향으로 연속된 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도에서 온도하강에 의해 발생하는 슬 래브 이음매의 개구량을 3차원 유한요소해석모델을 이용하여 예측하고, 이를 현장조사 결과와 비교하여 검증하였다. 또한 검증된 모델을 바탕으로, 콘크리트 슬래브와 기층간의 마찰특성, 철근과 콘크리트의
부착특성, 프리스트레스 도입에 따라 슬래브 이음매 개구량과 콘크리트 슬래브 및 연결 철근의 응력발 생 패턴을 분석하였다. 2. 연속형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 개요 부설된 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도는 현장 타설 콘크리트 슬래브궤도와 기본적으로 동일한 구조 로 이루어진다. 토공구간을 기준으로 보면 그림 1과 같이 아래에서부터 노반-입도조정쇄석기층(동상방지 층, FPL)-콘크리트기층(HSB)-콘크리트궤도 슬래브의 순으로 다층 구조를 형성한다. 이 연속형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도는 고속철도와 일반철도 구간을 목표로 UIC LM71(HS-25) 표준하중을 적용하였고, 길이는 6.45m, 폭 2.5m, 두께 0.2m, 콘크리트 강도는 40MPa를 적용하였다. 그림 2와 같이 슬래브 패널을 서로 연결하여 슬래브 층을 연속화하는 것이다. 연속 철근 보강 콘크리트궤도와 유사한 선로방향으로 이 음매 없이 연속된 지지구조를 확보함으로써 조인트에서 발생할 수 있는 문제점을 최소화 할 수 있고, 연 속보강 콘크리트와 동일한 구조를 구성할 수 있다. 콘크리트 기층의 폭은 대략 3.2m 내외, 두께는 0.3m, 콘크리트 강도는 15MPa 내외이다. HSB Precast Concrete Slab (RC/PSC) Gro ut
FPL HSB
In-situ Concrete Slab
(C.R.C) Sleeper FPL Subgrade 그림 1. 현장타설 콘크리트 슬래브궤도와 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 횡단면 비교(토공구간기준) 그림 2. 연속형 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 3. 수치해석 3.1 해석방법 3.1.1 유한요소 모델 수치해석을 위해 그림 3과 같이 프리캐스트 콘크리트 슬래브와 하부 콘크리트기층의 1/4을 3차원 유한 요소로 모델링하였다. 콘크리트 슬래브와 연결철근, 슬래브와 콘크리트 기층 사이의 경계면에는 인터페이
에 사용된 프로그램은 범용프로그램인 MIDAS FEA v2.1.0 이다. 그림 3. 콘크리트 슬래브궤도 유한요소해석 모델(1/4 모델) 3.1.2 재료모델 콘크리트 및 철근의 재료물성은 표 1에 나타냈다. 콘크리트 크리프는 프리스트레스의 손실에서 고려하 는 것으로 보고 온도변화와 열차수직하중에 대한 해석에서는 고려하지 않는다. 철근과 콘크리트간의 경 계면에는 부착을 고려한 인터페이스 요소를 적용하였다. 콘크리트-철근 부착특성은 CEB-FIP model code
2010[2]의 부착모델을 적용한다(그림 4). 슬래브와 기층간의 경계면에도 슬래브-기층간의 마찰특성을 고려 한 인터페이스 요소를 적용하였으며 하중-변위 관계는 실내실험 결과(그림 5)를 적용하였다. -3.9829 -10.0256 -6.9282 -17.3205 -3.4641 -8.6603 -20 -15 -10 -5 0 -25 -20 -15 -10 -5 0 Slip(mm) Bon d s tre ss (M P a)
input data(SP_stirrups-actual bond) input data(PO_good-actual bond) input data(PO_poor-actual bond)
그림 4. 콘크리트-철근 부착특성 11.0 23.3 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 Relative displacement (mm) La te ra l lo a d p e r u n it df g f ar ea ( k N /m2 ) dgd g
Cement-asphalt emulsion composite mortar (without steel connector, thickness = 30mm)
그림 5. 슬래브-기층 마찰특성 실내실험 결과 3.1.3 경계조건 슬래브는 대칭성을 고려하여 대칭면에 수직인 변위와 회전각을 구속하였고, 기층하부에는 지점스프링 을 두어 Winkler 스프링을 표현하였다. 3.1.4 해석순서 콘크리트 슬래브의 종방향(선로방향)으로는 프리스트레스가 도입되므로 이를 고려하여 연결철근 단부의 구속이 없는 상태에서 프리스트레스를 도입하고, 연결철근이 구속된 조건에서 온도차를 설정하여 슬래브 가 수축할 때의 콘크리트 및 연결철근의 응력과 슬래브 이음매 개구량을 산정한다. 3.1.5 해석변수 해석변수는 콘크리트-철근간 부착특성으로 파괴 모드에 따라 표 2와 같이 나누었으며, 해석 모델에 적 용된 부착특성 함수는 그림 4와 같다.
항 목 구 분 재료 특성값 콘크리트 슬래브 탄성계수 E 30,500 [MPa] 설계강도 40 [MPa] 포아송비 0.18 철근 탄성계수 E 200,000 [MPa] 포아송비 0.2 콘크리트 기층 탄성계수 E 10,000 [MPa] 설계강도 15 [MPa] 포아송비 0.15 표 1. 슬래브궤도의 재료 특성값 해석 No.
인터페이스(bond stress-slip relationship)
콘크리트-철근[CEB-FIP 2010] 슬래브-기층
1 Splitting bond(SP) - stirrups
Actual bond 2 Pull-Out(PO) - good bond cond.
3 Pull-Out(PO) - poor bond cond.
표 2. 해석변수 3.2 해석결과 및 분석 그림 6은 온도차, ΔT=-30°C에서 콘크리트 슬래브의 종방향 변위 분포와 변형 형상을 나타낸 것이다. 슬래브의 변형 형상에서 온도차에 의해 슬래브가 수축하는 것을 볼 수 있고, 슬래브의 종방향 변위는 슬 래브 단부 외측부에서 가장 크게 나타났다. 그림 7과 8은 온도변화에 따른 콘크리트-철근의 부착특성, 슬 래브-기층의 마찰특성의 입력값과 계산결과를 나타내고 있다. 그림 9과 10은 온도변화에 따른 콘크리트와 철근의 최대 응력을 나타낸 것으로 온도변화가 증가할수록, 구속 정도가 클수록 최대 응력도 증가함을 알 수 있다. 그리고 온도변화에 따라 콘크리트 슬래브궤도 이음매의 개구량을 그림 11에 나타냈다. 온도 차가 커질수록 이음매의 개구량은 증가하고 구속 정도가 클수록 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나 철근-콘크리트의 부착특성에 따른 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 현장 실측치의 평균값은 약 0.61mm로 실측 당시 대기온도가 기상 관측데이터를 기준으로 하면 약 25°C 정도로 추정되어 그림 9에서 알 수 있듯이 해석결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 그림 6. 콘크리트 슬래브의 종방향 변위 분포와 변형 형상 -20 -15 -10 -5 0 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0
Concrete-steel x-direction slip(mm)
C onc re te -s te el x -d ir ec tion bo nd str es s( M P a)
input data(SP_stirrups-actual bond) input data(PO_good-actual bond) input data(PO_poor-actual bond) calculated(SP_stirrups-actual bond) calculated(PO_good-actual bond) calculated(PO_poor-actual bond) 그림 7. 온도변화에 따른 콘크리트-철근의 부착특성 -0.03 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 -2 -1.5 -1 -0.5 0
Slab-base x-direction slip(mm)
Sl ab -b as e x -d irect io n bond str ess (M P a)
input data(actual bond) calculated(SP_stirrups-actual bond) calculated(PO_good-actual bond) calculated(PO_poor-actual bond) 그림 8. 온도변화에 따른 슬래브-기층의 마찰특성 -3 -2 -1 0 1 2 3 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 temperature change(∆T, ℃) C o ncr et e s lab t rack x -d irect io n max imu m s tres s(MPa) SP_stirrups-actual bond PO_good-actual bond PO_poor-actual bond 그림 9. 온도변화에 따른 콘크리트의 x-방향 최대 응력 0 200 400 600 800 1000 1200 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 temperature change(∆T, ℃) R ei n fo rcem en t x -d ire ct io n st re ss (MPa ) SP_stirrups-actual bond PO_good-actual bond PO_poor-actual bond 그림 10. 온도변화에 따른 연결철근의 x-방향 최대 응력 실측치평균:0.61 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 temperature change(∆T, ℃) C on cr ete sla b tr ac k join t op en in g( mm) SP_stirrups-actual bond PO_good-actual bond PO_poor-actual bond 그림 11. 온도변화에 따른 콘크리트 슬래브 이음매 개구량
4. 결론 본 연구에서는 종방향으로 연속된 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 유한요소해석을 통해 철근-콘크 리트 부착특성 등에 따른 콘크리트 슬래브와 철근의 응력, 이음매의 개구량을 산정하였으며, 이를 실측치 와 비교하여 검증하였다. 본 연구 결과를 활용하여 종방향으로 연속된 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도 의 합리적인 설계가 가능할 것으로 기대된다. 감사의 글 본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업 "철도 구성품 환경성 향상기술 개발" 과제의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 참고문헌 1. 이후삼 외, “콘크리트 슬래부궤도 및 궤도 개발품의 시험시공,” 한국철도기술, 2007. 06.
2. “CEB-FIP model code 2010," pp.232-292, 2010.
3. 장승엽 외, “프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 영업선 시험시공 및 성능평가,” 한국철도학회 추계 학
술대회 논문집, 2008. 11.
4. 지광습 외, “한국형 프리캐스트 슬래브궤도 설계,” 한국철도학회 춘계 학술대회 논문집, 2010. 06.
5. S. M. Kim, M. C. Won and B. F. McCullough, "Numerical modeling of continuously reinforced concrete pavement subjected to environmental loads," Transportation research board, Vol.1629/1998, pp.76-89, 2007 6. S. M. Kim, M. C. Won and B. F. McCullough, "Three-dimensional analysis of continuously reinforced
