한 국 방 재 학 회 논 문 집 제11권 5호 2011년 10월
pp. 115 ~ 120
구조물방재
장기 공용 후, 디스크받침이 설치된 판형교의 동적 거동 평가
Assessing Long-term behavior of Disk Bearings Installed Under Steel Railway Bridges
최은수*·조성철**·박대효***·조백순****
Choi, Eun Soo·Cho, Sung Chul·Park, Tae Hyo·Cho, Baik Soon
···
Abstract
This study conducts two field tests of a steel railway bridge supported disk bearings to assess the long-term dynamic behavior of the steel railway bridge and a disk bearing in the service for 5.5 years; the length of the bridge is 12 m. Displacement and accel- eration in vertical direction, deformation of disk bearings and natural frequency of the first mode are measured and analyzed. In addition, the vertical stiffness of the disk bearing is estimated, and the deformation of the disk bearing due to static loading is cal- culated using the estimated stiffness and compared to the measured dynamic response. Vertical displacement at mid-span, defor- mation of a fixed disk bearing, and the first natural frequency do not vary due to the 5.5 year service. However, deformation of an expansion disk bearing increases sharply comparing to other components.
Key words : Elastic support, Railway bridge, Long-term behavior, Dynamic response
요 지
철도판형교에 설치된 디스크받침의 장기간 공용 후의 판형교 및 디스크받침의 거동을 평가하기 위해서 디스크받침 설치 직후 와 5.5년의 공용 후에 차량 주행에 의한 동적 응답을 측정하고 분석하였다. 본 연구에서 12 m 판형교를 대상으로 연구를 수행 하였으며, 교량의 수직 변위 및 가속도, 교량받침의 수직 변형량 및 고유진동수의 변화를 비교·분석하였다. 또한, 디스크받침의 수직 강성을 추정하였으며, 이를 이용하여 계산된 디스크받침의 변형과 측정된 응답을 비교하였다. 교량의 중앙 수직변위, 디스 크받침의 고정단의 변형 및 1차 모드 고유진동수는 5.5년의 공용에 의해서 크게 변하지 않았으나, 가동단의 변형이 상대적으로 크게 증가하는 현상이 발생하였다.
핵심용어 : 탄성받침, 철도교량, 장기거동, 동적응답
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1. 서 론
철도판형교는 두 개의 강거더 위에 자갈 또는 콘크리트의 도상이 없이 목침목을 설치하고 레일을 부설한 아주 간단한 구조의 교량으로 건설비가 저렴하여 경제여건이 좋지 않던 시대에 철도의 주요 교량형식으로 건설되었다. 이러한 간단 형태의 강교량은 철도차량의 주행에 의해서 과도한 소음을 유발하고, 수직변위가 다른 형태의 교량에 비해서 상대적으로 크게 발생한다(최진유 등, 2002). 구시대의 철도판형교는 철 도개량 사업 등에 의해서 점진적으로 새로운 형식의 교량으 로 교체되고 있으나, 기존의 판형교 개소가 다수이며, 철도교 량 개선사업의 예산의 한계로 인해 상당수는 현재에도 공용 중에 있다. 또한, 판형교에 사용되는 교량받침은 선받침으로 강으로 구성되어 있는 강체받침이며, 그 하부의 교량받침 지
지대는 에폭시와 모래를 혼합한 에폭시 그라우팅을 사용하고 있다. 철도판형교는 도상이 없기 때문에 차량주행에 의해서 발생하는 충격(특히 레일 이음매 부분에서 강하게 발생)을 흡 수할 수 있는 메카니즘이 없어 강거더과 교량받침을 통해서 받침지지대로 그대로 전달된다. 판형교 받침지지대는 내부에 보강철근이 없고, 에폭시 그라우트는 강도가 부족하여 반복되 는 충격에 쉽게 균열이 발생하며 파손된다(최은수 등, 2006).
교량받침 지지대의 파손은 차량주행에 의해서 발생하는 사행 동 및 차량의 진동에 의한 교량의 움직임을 완전하게 제어하 지 못해 교량을 정위치에서 고정하지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 이는 차량의 주행안정성에 크게 위험이 되는 요소 이며, 탈선의 위험성을 증가시키는 요인이다. 또한, 기존의 에 폭시 그라우트는 보수주기가 짧아 유지보수 비용의 증가를 초래하고 있다. 판형교를 현대적인 유도상 교량으로 교체하여
****정회원·홍익대학교 공과대학 토목공학과 부교수 (E-mail : eunsoochoi@hongik.ac.kr)
****한양대학교 대학원 토목공학과 박사과정
****한양대학교 대학원 토목공학과 교수
****인제대학교 공과대학 토목공학과 부교수 (교신저자)
교량의 거동을 개선하고 차량의 주행안정성을 확보하는 것이 최선의 방법이지만, 예산의 한계로 인해 선받침을 현대적인 교량받침으로 교체하여 교량받침에서 발생하는 파손의 문제 및 이로 인한 차량 주행안정성 저해 문제를 해결하고 있다.
철도판형교에 교체용 교량받침으로 사용되는 대표적인 형태 는 분리형 스페리컬 받침과 디스크 받침이 있다(오세환 등, 2006; 최은수 등, 2008). 분리형 스페리컬 받침은 강체받침으 로 수직방향에 대해서 변형을 허용하지 않으며, 분리의 기능 이 있어 추후 교체 시 용이하게 교체가 가능하다. 디스크 받 침은 폴리우레탄 디스크를 사용하는 탄성받침으로 수직방향 에 대해서 변형을 허용한다. 분리형 스페리컬 받침은 경북선 의 평천교에 설치되어, 설치 후 분리성능을 실험적으로 검증 하였으며 주행차량에 의한 동적응답 또한 측정되고 분석되었 다. 분리형 스페리컬 받침은 수직방향의 미소변위에 대해서 기존의 선받침보다 작게 발생하여 보다 안정적인 것으로 판 단되었다. 디스크 받침 또한 경북선의 소천교에 설치되어 교 량받침 교체 전후의 교량의 동적응답과 교량의 고유진동수 등이 측정되고 분석되었다(최은수 등, 2006). 디스크받침과 같은 탄성받침은 강체받침에 비해서 철도교의 소음을 감소시 키는 것으로 측정되었다(Wang, 2000). 같은 탄성받침인 고무 받침(elastomeric bearing)에 대해서는 다양한 연구 및 활용 이 있었지만(Roeder, 1987; Stanton, 1985), 고무받침은 천연 고무와 강판보강을 사용하는 반면, 디스크받침은 내부에 보강 이 없는 단일 폴리우레탄 디스크로 구성되어 있다. 이것은 폴리우레탄 고무가 천연고무에 비해 경도 (hardness)가 월등
히 크기 때문에 가능하다 (오세환 등, 2005).
기존의 연구들은 철도교에서 탄성받침에 의한 동적거동을 해석적으로 분석하거나, 현장실험은 설치 직후의 응답을 측정 하여 분석하는 것이었다. 그러나 탄성받침의 경우 고무받침 및 디스크 받침 모두 고무재질의 탄성체를 사용하므로 장기 적인 수직하중에 대해서 크리프 변형이 발생할 수 있고, 받 침의 강성에 영향을 줄 수 있다(오세환 등, 2005). 또한, 탄 성체는 환경요인에 의해서 경화하는 경향이 있어 이 또한 탄 성체의 강성에 영향을 준다. 따라서 본 연구에서는 설치된 후 상당한 공용연수가 지난 디스크 받침의 동적거동을 측정 하고 분석하여 장기적인 디스크 받침의 사용성을 평가하고자 한다. 또한, 측정으로부터 디스크 받침의 강성을 추정하고 이 를 이용하여 해석적 기법의 교량의 동적응답을 구하고 이를 측정응답과 비교하여 디스크 받침의 수직방향 강성도를 추정 하고자 한다.
2. 대상 판형교의 이력 및 현장측정
소천교는 경북선 옥산-청주 구간에 위치하고 있으며, 2경간 으로 구성되어 있다. 이 중 12 m형 판형교가 측정대상으로 2004년 11월에 판형교에 발생하는 과도한 수직변위를 제어하 기 위해서 교량의 중앙하부에 4800 mm × 2400 mm × 35 mm (L×W×t) 크기의 강판을 용접으로 부착하였다. 중앙하부의 보 강은 약 20%의 수직변위 감소를 가져왔다.
약 1년 후, 2005년 10월에 강재 선받침을 탄성인 디스크
Fig. 1. Rehabilitation history of a steel railway bridge
받침으로 교체하는 시공이 이루어졌으며, 교체 전후에 대한 판형교의 동적 거동을 측정하기 위해서 차량주행실험이 수행 되었다. 최은수 등 (2006)은 디스크 받침으로 인한 수직변위 의 변화를 분석·비교하였다. 약 5.5년의 공용 후인 2011년 3월에 차량주행실험에 의한 동적 거동이 동일하게 측정되었 다. Fig. 1에는 소천교의 측정이력이 나타나 있다.
차량주행실험을 위해서 사용한 기관차는 7000호대의 차량 으로 축중 및 축간 거리가 Fig. 2에 나타나 있다. 차량의 총 하중은 1294.8 kN이지만, 12 m 판형교에 재하될 수 있는 하 중은 축간거리로 인해 647.4 kN이 최대하중 이다. 축 세 개 의 하중이 통과하면 후의 축 세 개의 하중이 재하되게 된다.
차량은 유사정적 재하를 위해서 최초 5 km/h로 주행하고, 이 후에는 동적 거동 측정을 위해서 10-90 km/h까지 10 km/h씩 증속하면서 주행실험을 수행하였다.
3. 측정 결과 및 분석
본 연구에서는 중앙하부가 보강된 교량에서, 강재받침를 디 스트받침으로 교체 전후에 교량의 중앙하부에서 수직변위 및 수직가속도를 측정했으며, 디스크받침의 고정단 및 가동단의 수직변위를 측정하였다. Fig. 1(c)에서 교대에 고정단 받침이 설치되어 있고, 교각에 가동단 받침이 설치되어 있으며, 계측 기 설치 모습이 Fig. 3에 나타나 있다.
3.1 교량의 수직변위
Fig. 4에 차량 주행에 의한 최대 수직변위 값이 나타나 있 다. Fig. 4에서 P는 교각(Pier)을 A는 교대(Abutment)를 의 미하며, 주행방향과 측정 시기에 따라서 최대 수직변위를 표 시하였다.
주행속도 5 km/h는 유사정적으로 정적재하에 대한 수직변위 를 비교할 수 있다. 2005년도 측정에서는 5.44 및 5.33 mm 로 평균 5.385 mm의 유사정적 수직변위를 보였으며, 2011년 도 측정에서는 5.466 및 5.428 mm로 평균값이 5.447 mm로 나타났다. 따라서 교량받침의 공용 5.5년 후에 교량의 정적 처짐은 1.2% 증가한 것으로 나타났으나, 이러한 증가는 실질 적으로 거의 의미가 없으며, 정적재하에 대한 수직변위의 증 가량은 없다고 판단된다. 전 속도대의 측정결과에 대한 평균 값과 표준편차가 Table 1에 나타나 있다. Table 1에서 2011 년의 평균값은 약 2.3%와 2.9%로 2005년의 평균값보다 크 게 발생하고 있으나, 미소한 증가로 사용성에는 문제가 없을 것으로 판단된다.
3.2 교량의 수직가속도
수직 가속도는 양방향 주행에서 2011년도 측정값이 2005 년 측정값의 약 50%정도로 감소하는 것으로 Fig. 5에 나타 나있다. 2회의 측정에 의해서 수직가속도가 감소하였다고 확 정적으로 판단하기 어려우며, 수년 후에 다시 측정하여 2011 Fig. 2. A locomotive used for field test
Fig. 3. Installation of measuring devices: (a) Displacement transducer and accelerometer at mid-span; (b) Displace- ment transducer at a fixed type bearing
Fig. 4. Vertical displacements at mid-span
Table 1. Average and standard deviation of vertical displace- ments
구분 2011
(P->A)
2005 (P->A)
2011 (A->P)
2005 (A->P)
평균값(mm) 5.602 5.475 5.685 5.527
표준편차(mm) 0.258 0.207 0.195 0.260
Fig. 5. Acceleration at mid-span in vertical direction
년의 측정값과 유사한 경향이 나온다면 공용연수의 증가에 따라서 수직 가속도가 감소한다고 판단할 수 있을 것이다.
상당시간 동안의 공용은 디스크받침을 안정화 시키며, 이러 한 안정화가 교량의 수직가속도에 영향을 줄 수 있다고 판단 된다. 판형교는 자갈도상이 없는 교량으로, 교량받침의 들림 과 충격, 공진효과의 발생을 방지하여 열차의 주행안정성을 확보하기 위한 차원에서 교량의 수직 가속도가 0.5g 이하로 제한하여야 한다. 2005년의 측정값은 이 규준을 만족하지 못 하지만, 2011년 측정값은 거의 만족하고 있다. 따라서 2011 년 측정값은 정밀한 추가적인 연구를 통해서 검증 받아야 한 다.
3.3 디스크 받침의 수직변형
Fig. 6에는 디스크 받침의 고정단과 가동단에서 발생하는 변형을 측정 연도와 속도에 따라서 보여주고 있다. 고정단의 경우는 PTFE (polytetrafluoroethylene)판이 없어 순수한 폴 리우레탄 디스크의 변형이다. 이 경우, Fig. 6에 나타난 것과 같이 2011년과 2005년의 측정값 사이에 큰 차이가 없다.
2011년도 평균값은 0.252 mm (P->A)와 0.259 mm (A->P)로 나타나, 2005년도의 0.253 mm (P->A)와 0.252 mm (A->P) 보다 유사하거나 2.7%의 증가를 보이고 있다. 따라서 고정단 의 디스크 받침은 공용 5.5년 후에도 거의 초기 시공 시와 유사한 거동을 보인다고 판단된다. 그러나 가동단의 경우에는 2011년도 측정값의 평균은 0.680 mm (P->A) 및 0.697 mm (A->P)로 2005년도 측정 평균값인 0.528 mm (P->A) 및 0.50 mm (A->P)보다 각 방향별로 39.3% (P->A) 및 28.7%
(A->P) 증가하는 현상을 보였다. 가동단은 PTFE판이 내부에
설치되어 있으며, 이 판은 탄성체로 변형이 발생한다. 따라서 가동단은 고정단 보다 수직 변형량이 크게 발생하며, 5.5년의 공용 후에 가동단의 변형량이 증가한 원인은 PTFE 판의 설 치 및 거동에 의한 것으로 판단된다. 고정단 받침은 5.5년의 공용에 의해서 거동의 변화가 없으나, 가동단 받침은 약 30%의 변형량이 증가한 것은 교량상부구조가 불균형하게 변 위가 발생하는 것을 심화시키고 있다.
가동단 받침의 변형 증가량은 약 0.2 mm 이내로 발생하고 있다. Table 1에서 2011년 및 2005년의 측정값 차이는 0.127 mm (P->A) 및 0.158mm (A->P)이다. 가동단의 변형 증가는 교량의 강체운동(rigid motion)을 유발하여, 교량 길이 에 따라 선형적으로 수직변위를 증가시킨다. 즉, 가동단에서 는 0.2 mm 전부를, 중앙부에서 이 값의 1/2인 0.1 mm, 고 정단에서는 0 mm의 변위 증가를 유발한다. 따라서 2011년의 교량 중앙부 수직변위의 증가량 중 약 63-78%는 가동단의 변형 증가량에 의한 것으로 판단된다. 그러나 가동단의 변형 증가량은 교량 중앙부 수직변위의 약 3.5%로 교량의 수직변 위에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 판단되며, 중앙부의 수직변위를 검토해 보면, 이러한 영향이 교량의 수직변위에 크게 영향을 주지는 않는 것을 알 수 있다.
3.4 교량의 고유진동수
교량의 중앙하부에서 측정된 수직방향 변위 및 가속도 이 력을 이용해서 2011년 측정 시의 고유진동수를 분석하였다.
고유진동수 분석은 FFT (Fast Fourier Transformation) 기법 을 이용하여 수행하였으며(Clough, 1993), 시간이력의 시간 간격은 0.002초이다. Figs. 7과 8에는 사용된 시간이력과 주
Fig. 6. Deformations of fixed and expansion disk bearing: (a)
Fixed bearing; (b) Expansion bearing Fig. 7. Time histories of displacement and acceleration
파수 특성이 나타나 있다. 변위의 경우, 차량이 통과 한 후 자유진동의 시간이력만을 사용하였다.
2011년도 측정 응답으로부터 추정된 교량의 1차모드 고유진 동수는 변위 이용 시 15.62 Hz이며, 가속도 이용 시 15.48 Hz 로 나타났다. 이러한 추정치는 2005년도의 추정치인 15.137 Hz 보다 약간 크고, 강재받침 사용 시의 1차 모드 고유진동수 15.625 Hz 보다 약간 작다(최은수 등, 2006). 따라서 2005년 과 2011년도의 추정치 사이에는 약 3% 미만의 오차가 있으 며, 이러한 결과는 공용기간 5.5년 동안 디스크받침의 수직강 성도에 큰 변화가 없는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 설치 직후 보다 1차 모드의 고유진동수가 증가하는 것은 사용에 의한 안정화 및 폴리우레탄 디스크에 발생하는 크리프 등에 의해서 디스크받침의 수직강성도가 미소하게 증가할 수 있다.
4. 디스크 받침의 수직강성도 추정
소천교에 설치된 디스크 받침의 폴리우레탄 디스크의 형상 및 크기는 Fig. 9에 나타나 있다.
디스크의 수직강성도(vertical stiffness) 추정은 아래 식을 사용하여 구할 수 있다.
(1) 디스크의 강성도가 결정되면 작용하는 하중에 대한 변형을 아래와 같이 구할 수 있다.
(2)
소천교에 사용된 디스크받침 제작사인 (주)에스코알티에스 는 폴리우레탄 디스크의 탄성계수를 Table 2에 나타낸 것과 같이 제공하고 있으며, 이를 이용하여 강성도를 추정하면 디 스크의 수직 강성도는 1099.1 kN/mm 이다. 고정단 받침의 경우 디스크만이 변형을 일으키기 때문에 추정된 강성도와 동일한 수직 강성도를 나타낸다고 볼 수 있으나, 가동단의 경우 PTFE 판 또한 변형을 일으키기 때문에 전체의 수직 강성도는 상대적으로 작을 수밖에 없고, 하중에 의한 변형 또한 크게 발생한다.
Fig. 2의 주행차량이 저속으로 교량을 통과하는 경우(예로 5 km/h 주행), 고정단에 작용하는 최대하중은 280.6 kN 이며, 식(2)를 이용하여 변형을 계산하면 0.255 mm의 변형이 발생 한다. Fig. 6(a)에는 계산된 정적 변형을 점선으로 표시하고 동적 응답과 비교하였다. 양방향 주행과 모든 속도의 변형의 평균값은 0.254 mm로 계산된 값과 매우 유사하다. 따라서 디스크받침 제작사에서 제공한 폴리우레탄 디스크의 탄성계 수는 매우 타당하다고 판단되며, 이에 따라 수직 강성도 추 정 공식으로 구한 강성도 값도 합리적인 것으로 판단된다.
이러한 강성도 추정은 추후 해석적 연구에 도움이 될 것이다.
5. 결 론
본 연구에서는 철도판형교에 설치된 디스크받침의 장기간 의 공용에 의한 판형교의 거동특성을 분석하였다. 디스크받침 설치 직후에 측정된 동적 응답과 5.5년의 공용 후에 측정된 응답을 비교분석 하였다. 교량 중앙부의 수직변위는 약 1.2%
증가하는 것으로 나타났으며, 증가원인은 가동단 받침의 변형 증가가 큰 원인으로 분석되었다. 고정단 받침은 5.5년의 공용 에 의해서 변형증가가 거의 없었으나, 가동단 받침의 경우 약 30%의 변형 증가가 발생했다. 또한, 교량 중앙부의 수직 가속도는 크게 감소하였으나, 이 결과에 대한 신뢰도를 확보 하기 위해서는 정기적인 측정을 통한 확인이 필요하다고 판 단된다.
디스크받침 제작사에 제공하는 폴리우레탄 디스크의 탄성 계수 및 이에 의한 고정단 받침의 수직 강성도를 이용하여 계산된 고정단의 변형량은 차량의 동적 주행에 의해서 발행 하는 변형량과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제공하는 폴리우레탄 디스크의 탄성계수 및 사용된 Kv Ec×A
Tr ---
=
δ R=K---v
Fig. 8. Result of FFT analysis
Fig. 9. Shape and dimension of a disk
Table 2. Properties and stiffness of a disk
종류 Ec
(MPa)
A (mm2)
Tr (mm)
Kv (kN/mm)
디스크 561.58 41100 21 1,099.1
수직 강성도 추정 공식은 적절하다고 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이며, 지원에 대해 감사 를 표하는 바입니다 (No. 2011-0023281).
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기 호
Kv : 폴리우레탄의 강성 Ec : 폴리우레탄의 탄성계수 A : 폴리우레탄의 면적 Tr : 폴리우레탄의 두께 δ : 디스크 받침의 변위 R : 디스크 받침이 받는 하중
◎ 논문접수일 : 11년 09월 19일
◎ 심사의뢰일 : 11년 09월 20일
◎ 심사완료일 : 11년 10월 11일
