2017 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2017S060 기존판형교의레일장대화공법비교분석연구 Comparative Study of CWR Method of Existing Plate Girder Bridges 황만호 , 배영민 , 강기동 , 권순정 **

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지철 홍
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1 2017 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2017S060 기존판형교의레일장대화공법비교분석연구 Comparative Study of CWR Method of Existing Plate Girder Bridges 황만호 *, 배영민 **, 강기동 ***, 권순정 *** Man Ho Hwang *, Youngmin Bae **, Kee-Dong Kang ***, Soon-Jung Kwon *** Abstract Plate girder bridges are ballastless bridges which do not have the ballast and the sleepers are directly fixed to girders of the bridge. Currently there are over 450 plate girder bridges in the conventional line. Due to the recent trend of improving the conventional line in terms of its speed and weight, there is a growing need of improving as well as performing CWR at the plate girder bridge. If the CWR is not applied to the rail, it will reduce the comfort as well as driving stability and also limit the speed of the train. It will also cause the loading force. This is coming from when the train passes through the joint part. This force will cause the destruction of thee track as well the wheel. Thus, it will increase the need and the cost of maintenance. Not applying CWR at the plate girder bridge is not favorable. This is because when it is compared to the ballast bridge, it has much more noise and vibration. Therefore, passengers as well as individuals live around the track will suffer from them. The following study will introduce construction methods to perform CWR at the existing plate girder bridge and it will conduct comparative analysis on these methods. Keywords : Plate Girder Bridge, CWR, Axial Force of Rail, Ballastless Bridge, ZLR 초록판형교는자갈도상이없이거더에침목이직결된무도상교량구조로, 현재일반선에 450 개소이상부설되어있다. 최근일반선구간의열차고속화와중량화사업이활발히진행되고있으므로, 판형교개량또는기존형식에서레일장대화요구는지속해서증가하고있다. 레일비장대화는승객의승차감, 차량의주행안정성저하및열차속도의제한요인으로작용하며이음매구간을열차가통과할때발생하는큰충격하중은궤도파괴와차륜손상으로유지보수비용증가를시킨다. 특히판형교상의레일비장대화는다른유도상교량형식에비해큰소음및진동이발생함에따라열차를이용하는승객및주변주민의큰불편을초래한다. 따라서본논문에서는기존판형교상에서레일을장대화할수있는여러공법을소개하고각각의공법에대해비교분석을수행하였다. 주요어 : 판형교, 레일장대화, 레일축력, 무도상교량, 활동체결구 교신저자 : 엔알씨 (hmhmh22@hanmail.net) * 엔알씨 ** 엠와이씨앤엠 *** 삼표레일웨이 ( 주 )

2 1. 서론 판형교는자갈도상이없이거더에침목이직결된무도상교량구조로, 현재일반선전체교량의약 17% 인 450개소이상이부설되어있다. 최근일반선구간의열차고속화와중량화사업이활발히진행되고있으므로, 판형교개량또는기존형식에서레일장대화요구는지속해서증가하고있다. 레일비장대화는승객의승차감, 차량의주행안정성저하및열차속도의제한요인으로작용하며이음매구간을열차가통과할때발생하는큰충격하중은궤도파괴와차륜손상으로유지보수비용증가를시킨다. 특히판형교상의레일비장대화는다른유도상교량형식에비해큰소음및진동이발생함에따라열차를이용하는승객및주변주민의큰불편을초래한다. 따라서본논문에서는판형교를유도상화하여레일을장대화하는공법이아닌기존무도상판형교의궤도구조시스템을변경하여레일을장대화할수있는여러공법을소개하고각각의공법에대해비교분석을수행하였다. 2. 본론 2.1 무도상교량레일장대화기본개념 무도상교량레일장대화제한요인선로유지관리지침 (2013) 제93조제2항제5호에서전장 25m 이상의무도상교량은장대레일부설을피하여야한다고규정하고있다. 무도상교량구간의레일장대화를제한하게하는주요이유는아래와같다. (1) 장대레일과거더가체결장치를통한상호작용으로장대레일에거더의신축에의한추가응력발생 (2) 장대레일에의한신축의구속으로교량의고정단에서장대레일에의하여종방향력발생 위와같은이유로현재일반철도에부설된 25m 이상의무도상교량에서는거더의신축에의한이동으로장대레일및교각등구조물에이상응력발생에따른위험을우려하여레일장대화를제한하고있다. 아래 Fig. 1은장대레일과거더의상호작용을도식화하였다. Fig. 1 Interaction between CWR and bridge girder

3 2.1.2 무도상교량레일장대화전제조건무도상교량에서레일을장대화하기위해서는아래와같은전제조건을만족해야한다. (1) 좌굴에대한궤도안정성을확보할것현재국내판형교에서사용하는거더와침목간의체결은훅볼트에의한간접체결로서열차운행중진동에의한훅볼트의이완및체결력감소등에의하여좌굴방지를위한소요횡방향저항력확보에는한계가있다. 횡저항력을확보하기위하여는거더에강판을용접하고침목과강판을볼트로완벽하게체결하는방법, 거더상부플랜지에구멍을뚫어체결하는방법등으로거더와침목을강결시켜야하며침목상호간을보강하기위하여침목양쪽에 L-형강을설치후나사못으로고정하여하나의완벽한패널로형성시켜야한다. (2) 레일절손시개구량은 69mm 이하일것레일절손량이과다할경우에는열차안전운행에큰지장을주기때문에레일절손시개구량은차륜의직경, 통과열차의속도등에따라변화요인은있으나 69mm로정한다. (3) 거더신축및레일온도변화에의한레일의응력이 1,800kg/ cm2이하일것거더신축에의한축력의증가, 온도변화에의한레일의축력, 차량통과에따른레일의응력발생등을고려하여 60kg 레일의경우온도변화에따른레일자체응력증가와거더신축때문에레일에전가되는레일응력의합은 1,800kg/ cm2이하로관리되어야한다. 2.2 무도상교량레일장대화공법 일반체결구와종방향활동체결구를혼용하는공법레일과거더의상호작용에의한레일의추가응력발생을최소화하며교각등하부구조에작용하는장대레일종방향하중을최소화하는방안으로서 Fig. 2와같이고정단부근은체결력이강력한일반체결구를집중적으로배치하고나머지구간은일반체결구와종방향활동체결구를혼용하는방식으로고정단쪽에가능한한보통체결구사용비율을높이도록하고가동단부근은열차주행중레일의상하떨림폭을억제하는범위에서일반체결구사용을최소화되도록하여야한다. 이공법은교량구간에레일신축이음매가필요없이교량전후구간전체를함께장대레일화를기할수있어궤도유지관리에취약부인레일신축이음매를제거할수있으며현재일반선에일반적으로산재하여있는다경간단순판형교에적용하기가장적절한방안이다. Fig.2 Layout of fastener placement in general and zero longitudinal restraint (ZLR)

4 그러나이경우에는레일이절손시개구량이허용된범위내에서유지될수있는지확인해야하며장출에대한안정성을확보하기위하여횡저항력을충분하게확보해야한다. 특히교대의배면부에는거더및레일의온도변화에의한축력의증가와이에따른레일장출을막기위하여좌굴방지판을사용하여궤도의횡방향저항력을충분히확보해야한다. 본공법에대하여일반선구간에서현재국내에가장많이사용하고있는 2종의팬드롤체결구를사용할때에대하여적용가능교량지간을아래가동구간길이식 (1) 과레일절손시개류량식 (2) 를이용하여산정한결과는 Table 1과같다. E A β t (1) 2 2 E A β t e 2 (2) 2 Table 1 Applicable span length applying this method Classification Length general device (3/8l) Fastener type PR600 E2000 Applicable span length(m) 여기서, 복진저항력 ( )= 체결구당복진저항력 / 침목간격ⅹ( 거더당보통체결구배치비율 )ⅹ0.75 로계산한다. (0.75 : 체결구의탄성저하를감안한계수 ) 또한교각이종방향으로충분한강성을갖고있을때에는거더의고정단을 1개교각에집중시키는 FFMM방식을사용하면그효과를극대화할수있다 종방향활동체결구를사용하여전구간을장대화하는공법체결구에서종방향활동기능을갖도록하는방안으로서기본개념은체결구를체결하여도레일저부에직접체결력이전혀전달치않도록하는방식으로종방향으로는전혀힘이전달되지않으며레일의상방향활동, 전도에만저항토록하는방안이다. 레일패드를사용할때에는레일패드에턱을두어레일의온도신축시에도레일패드가베이스플레이트에걸려이완되지않도록해야한다. 아래 Table 2는본공법을적용시이론상적용가능한교량연장을식 (1) 과식 (2) 를사용하여산정한결과이다. 이공법사용시종방향저항력은단지레일자중만이작용하는데복진저항력이매우작아무시한다. 본종방향활동체결구사용공법은거더및레일자체에온도변화에의한축력이작용하지않음으로레일의장출염려가없고레일신축량만소화할수있는레일신축이음매를사용하면이론적으로교량의연장과는무관하게적용할수있다.

5 Table 2 Applicable bridge length applying this method Stroke ±62.5 ±150 ±250 Fastener type PR600 e2000 PR600 e2000 PR600 e2000 Applicable span length(m) 교량침목과거더가자유롭게이동하도록하는공법기본개념이종방향활동체결구를사용하여레일을장대화하는방안과동일하나이공법은레일과침목사이가자유롭게종방향으로움직이게하는것이아니고거더상부플랜지위에강재장치 (steel device) 를용접하고여기에강판과볼트로체결된침목을올려놓아침목과거더가종방향으로이동이자유롭게하며횡방향과상향으로는이동을구속하는방법이다르다. 이공법을적용시에는침목과거더사이의종방향활동이원활하게하여야하며, 침목과레일은하나의움직이지않는패널을형성해야하므로가능한강력한체결구가요구된다. 또거더단위로패널이형성되므로곡선부에적용시에는미세하지만선형의변형이예상되므로궤도선형관리에특히주의해야한다. 아래 Fig. 3은침목과거더를연결강재장치상세를나타내고있다. Fig.3 Detail of steel device connecting the sleeper to the bridge girder 거더를연속화하고교량단부에신축이음을설치하는공법교량상레일장대화를위한기본가정중레일장대화시강재거더의온도와레일온도는같고온도상승량, 하강량도같다는가정을전제로단일거더교량에서거더의신축량만큼교량전후에레일신축이음매로신축량을흡수토록하는공법이다. 이공법의개념은 Fig. 4와같으며일반적으로일반철도에산재하여있는교량을연속화시킬경우고정단이 1개소로되어제동및시동하중의집중과이에따른축력을고정단에서담당해야하므로종방향활동성이우수한받침을사용하고교량높이가낮아교각의종방향강성이충분한경우와직선교량에만적용할수있다.

6 Fig.4 Conceptual diagram of continuing bridge girders to CWR 3. 결론무도상판형교레일장대화를위해서기존거더와궤도를철거한후미리제작된교량슬래블교체한후교량슬래브를유도상궤도로새로부설하고레일을장대화하는공법은운행선상제한된차단시간에교체가이루어져야하므로그기술의적용성에있어서매우제한적이며많은건설비가소요된다. 따라서본논문에서는판형교를유도상화하여레일을장대화하는공법이아닌기존무도상을판형교의궤도구조시스템을변경하여레일을장대화할수있는공법을소개하고각공법별적용제한조건및장단점을비교분석하였다. 참고문헌 [1] 이덕영, 공선용, 권순섭, 김은 (2003) 종방향활동체결구를사용한당산철교장대레일화사례, 한국철도학회추계학술대회논문집, pp [2] 황만호, 엄종우 (2012) 기존판형교에서의장대레일화에대한고찰, 46, pp

<32315FB9CEB0E6C8AF2DB1B3B7AE20BBF320C0DAB0A5B1CBB5B5C0C720C1BEC0FAC7D7B7C22E687770>

<32315FB9CEB0E6C8AF2DB1B3B7AE20BBF320C0DAB0A5B1CBB5B5C0C720C1BEC0FAC7D7B7C22E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 5 pp. 173-178, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.5.173 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 교량상자갈궤도의종저항력측정을위한실험연구 민경환 1*,