2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A090 3D 이동하중을고려한선로하부비개착구조물주변거동특성연구 The Behavior Characteristic of Transition Zone Existence around Substructure using 3Dimension Moving load 권혁일, 염태중 *, 조국환 ** HukIl Kwon, TaeJung Yeom *, KookHwan Cho ** Abstract As the development of city area, the construction of box structure under railway are also increased. If a structure is existed under railway, the geotechnical conditions are varied which is affecting track support stiffness. The varied support stiffness under railway affects the behavior of rail, which leads rail damage and train unsafety. The transition zone is applied to minimize sudden rail support stiffness change. This research performed numerical analysis to figure out the effect of the transition zone existence on damage and deformation of rail using moving load 3Dimension. The research results verify that the importance of transition zone, which can minimize the damage of rail due to sudden rail support stiffness change. Keywords : Substructure, Support stiffness, Moving loadbased three dimensional 초록도심지개발이점차확대되어짐에따라선로하부구조물건설또한점차증가하고있다. 궤도하부에구조물이존재하게되면, 지반조건이달라지게되고이에따라궤도지지강성도변하게된다. 궤도하부의지지강성변화는열차하중에따른레일의거동특성을달리하게되고, 이는선로손상과열차주행안정성에큰영향을미치게된다. 이러한이유로접속부설치를통해급격한궤도지지강성차를저감하고있다. 본연구에서는 3 차원이동하중해석을통하여접속부유무에따른선로손상여부및레일의변형에대하여수치해석을수행하였다. 연구결과접속부설계의중요성을검증할수있었으며, 궤도하부에급격한지지강성변화를방지하여야함을알수있었다. 주요어 : 지하구조물, 지지강성, 3D 이동하중 1. 서론최근철도교통량의증가로인하여철도노반하부를횡단하는지하구조물시공이증가하고있으며, 기존선하부를횡단하는지하구조물시공시비개착공법으로시공을하는경우가일반적이다. 구조물시공으로인하여구조물접속부구간에서는지지강성차가발생하게된다. 이로인해불균등한침하가발생하고, 열차의이상진동및충격하중이발생하게된다. 철도 교신저자 : GS 건설, 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과석사과정 (hikwun@gsconst.co.kr) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과석사과정 ** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과부교수, 토질및기초기술사
의고속화가진행됨에따라차량의주행안정성과궤도, 노반의유지보수에대한관심이늘어나고있어구조물접속부의거동특성은매우중요한검토사항이된다. 2. 구조물접속부구조물의접속부란궤도를지지하는하부구조물의지지강성이변화하는구간을말하며, 지지강성차에의하여시공기면에단차가발생하거나동적특성의급변에의하여열차주행시궤도틀림의진행, 승차감의악화등을일으키기쉽다. 이와같은문제점을해결하고자많은연구를하고있지만현재까지획기적인해결방안은제시되지못하고있다 [1]. 2.1 구조물관리기준국내접속부설계기준은 Table 1과같이 4가지항목을정하여시행되고있다. 차체상하진동가속도의경우토공에유일하게들어가는가속도이며, 승차감에영향을미치는값이다. 차체상하진동가속도와윤중변동율의경우주행안전을고려한값을사용하고있으며, 레일응력의경우윤중변동및지지강성의불균일에의하여발생하는레일응력의피로를고려하여적용하였다. 상향레일압력의경우경계부에서지지강성의불균일에의하여레일체결장치에상향압력이작용함으로이를고려하여적용하고있다. Table 1. Transitional zone design of standards 항목차체진동가속도윤중변동율레일응력레일압상력 기준값 1.3 m/s 2 0.13 90 MPa 체결력의 70% 2.2 하중재하방법에따른노반응력특성 Fig. 1(a) 는하중재하를고정된지점과이동하중조건에서지반내의응력상태를비교한것이다. 특히레일을체결한궤도조건에서는하중이재하되는부분만변위가집중되어침목이뜨게되는들뜸현상이발생하여응력이작게전달되는특징을가지고있다. 따라서, 레일을체결한경우에는노반의거동이작게평가될수있기때문에주의를하여야한다고알려져있다. 이와달리하중이이동하는경우에는노반내부에서의응력거동은압축, 인장, 전단응력이동시에복합적으로작용하여 3차원적인거동을보여고정하중과다른응력상태에놓이게된다.
(a) Fixed loading case (b) Moving wheel loading case Fig. 1 Different of stresss in soil mass with fixed point loading and moving wheel loading Ledbetter[6] 는이동하중에대하여지반의응력상태를응력경로로평가한바있다. Fig. 2 는이동하중에대한응력경로를나타낸것이다. 그림에서와같이일반적으로고정된지점에서수직하중을받는경우에는압축거동만받아응력경로상에서 A D로거동하지만, 이동하중의경우응력경상에서보면 A B C D로압축뿐만아니라인장도받고있는것을볼수있다. 즉, 이동하중의경우수직하중에서의하중경로와달리인장거동을하기때문에전단변형과소성변형이빠르게진행됨을알수있다. Fig. 2 Deviator stress q, q vs. mean normal stress p, stress space for a moving wheel l load 2.2.1 이동윤하중재하방식이동윤하중재하방식은노반의하중재하하이력을그대로모사할수있다는장점이있다. Fig. 3은하중재하시노반요소에서의주응력발생방향의변화를나타내는는그림으로서윤하중이이동하게되면주응력방향또한시계방향으로회전하게되며, 결국은은모든재하지점에서응력발생은동일한패턴으로진행하게된다. 정적해석, 유사정적해석및고정식반복재하시험등에서는재하지점이고정되므로이러한주응력의변화를모사할수없다다. 이동윤하중재하
방식의해석을수행할때노반요소에서의 전형적인 주응력및 전단응력의의발생경로는그림 Fig. 4와같다. Fig. 3 Rotation of principal stress and planess due to movingg wheel load Fig. 4 Stress path due to moving load(roadbed) 2.3 수치해석 2.3.1 수치해석접속부는강성차가매우큰두개의구조물이접해있고열차가주행하면서서발생하는상호작용이시간및환경에매우의존적이기때문에거동을평가하는것은매우우까다롭다다. 그래서시험의목적에따라해석방법이달라진다. 본연구에서는정적해석과이동윤하중재하방식의동적해석 ( 직접적분법 ) 을사용하였다. 하중은이동하중만을고려하였으며, 동적해석을위한범용유한요소해석프로그램인 Lusas를사용하였다. V Pd = P s (1 + 0.3 ) 100 (1) 여기서, P : KTX 동적윤하중 s V : 열차속도 (km/h) 해석모델링은 Fig. 5에서보는바와같이구조물접속부의보강여부에따른 2가지경우에대해해석을수행하였으며, 해석모델은궤도및노반구조를사용하여레일일, 침목, 자갈도상, 상부노반, 하부노반으로구성되어있다. 모든요소는 3차원입체형상의 Solid요소로적용하였으며, 지반의구성은비선형재료모델인 MorhCoulomb model을사용하였다. 레일과침목을연결하는체결장치는 80 10 3 kn/m 2 의스프링계수를갖는요소로모델링하였다. 해석단면의양쪽측면과하부경계는응력파의반사및굴절을제거하기위하여무한요소를를적용하였다. 수치해석에사용된모델링의물성치는 Table 2와같다.
(a) Case A( 접속부미처리) (b) Case C B ( 접속부부보강 ) Fig. 5 Analysis model cases Table 2. Analysis parameters 구분 모델 탄성계수 (t/m 2 ) 단위중량 (t/m 3 ) 포화단위중량 (t/m 3 ) 포아송비 (v) 점착력 (KPa) 내부마찰각 (Ø) 전단강도 (t/m 3 ) Rail Elastic 2.1 10 6 7.85 0.3 자갈도상 Elastic 2.3 10 6 2.2 0.18 강화노반 Morh Coulomb 1.3 10 4 0.25 35 200 상부노반 Morh Coulomb 3 10 3 0.35 1.5 31 200 하부노반 Morh Coulomb 1 10 4 2.0 2.0 0.3 40 200 구조물 Elastic 2.3 10 6 2.3 0.21 2.3.3 해석결과그림 Fig. 6~7 에서보는 및사진바와같이 300km/h 속도로이동하는 KTX를모델링하여여해석해 보았을 때, 접속부 보강유 무에따라 발생하는변위차이는있었으나 구조물접속부주변에서가장 큰변위가발생함을알수있었다. Fig. 6(a) 는구조물 접속부에 아무런보강을하지않은상태에서열차의 이동하중을고려한 모델링으로 구조물좌측 8m 지점에서가장 약 8.4mm로가장큰변위를나타냈었으며, 구조물 우측 10m 지점에서도약 3.5mm의 변위를발생하였다. Fig. 6(b) 는구조물접속부를보강하였을 때를나타내며, 구조물좌 우측 12m 지점에서약 1.7mm로최대변위가발생하였다. 열차의바퀴 1개가이동할경우자유진동과유사한 거동을유지하는중에에감쇠비가적용된 다. 바퀴가 2개이상인경우에는 앞서거동한바퀴하중에의한진동이있는는상태에서다음바
퀴가지나가게되므로게나타나므로예측이 진동은증폭혹은상쇄하게된다. 이는하중위치, 속도등에따라다르 불가능하다. (a) Case A ( 접속부미처리 ) (b) Case B ( 접속부보강 ) Fig. 6 Results of analysis(i) Fig.7 Results of analysis(ii) 3. 결론본논문에서는비개착공법을이용하여지하구조물시공시접속부보강유무에따른변위및거동특성을비교 분석하였다. 실제철도하중을적용하는경우고정지점에서의하중재하방법과는다르게노반내부에서의거동은복합적으로작용함을알수있었으며, 보다정확한노반의거동특성을평가할수있었다. 1) 비개착공법을이용하여지하구조물시공시열차하중이가해질때구조물접속부의보강유무와상관없이구조물접속부에서가장큰변위가발생함을알수있었다. 2) 3D 이동하중을고려하여수치해석을한경우구조물접속부를보강하지않은경우최대변위는약 8.4mm가발생하였으며, 접속부보강을한경우는약 3.4mm로보강하지않은경
우에비해약 2.4배적은변위를나타냄을알수있었다. 철도설계기준에서제시하고있는열차하중에의한노반의허용탄성침하량은 5mm로나타나있다. 수치해석결과에따르면접속부보강을하지않은경우설계기준에서제시하고있는허용침하량의범위를벗어나고있어열차주행안정성에영향을미칠뿐만아니라선로손상을발생시킬수있음을알수있었다. 후기본연구는한국건설교통기술평가원미래철도기술개발사업의일환으로시행되었습니다. 참고문헌 [1] H. J. Woo (2011) A Study on the Supportive Stiffness in Transitional Zone through Moving Load Based ThreeDimensional Modeling, Autumn Conference & Annual Meeting of the Korea Society for Railway, pp.15421549 [2] I. H. Lee, S. J Lee, M. H. Shin, S. K. Hwang, C. J. Lee (2009) Determination on the reinforced roadbed thickness of concrete track at embankment section, Journal of the Korea Society for Railway, 12(6), pp.835846 [3] C. Y. Choi (2008) Prediction of plastic settlement for railway roadbed under Moving single Wheel Load, Ph D thesis, Dept. of Civil and Environmental system Engre., University of Incheon, Incheon, South Korea [4] Korea Railway Research Institute (2008) Study of increasing Natural Ground Stabilization on Railway Earthwork Section, Research Report [5] S. K. Hwang, S. H. Lee, C. Y. Choi (2002) Characteristics of Displacement of the Reinforced Roadbed Material with Cycle loading, Journal of the Korean Society for Railway, 5(2) pp. 8389 [6] R. H Ledbetter (1997) General deformation(elastic and inelastic) and stress distribution theory in soils, Technical Report S7710, Soils and Pavements Laboratory, US Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississippi, pp.117