2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A223 콘크리트-아스팔트궤도연결접속부내광폭침목거동평가 Performance Evaluation of Wide Sleeper of the Connection Area Between Concrete and Asphalt Trackbed 전선표 *, 이성혁 **, 정우영 *, 박성민 *, 손호영 * SeonPyo Jeon *, SeongHyeok Lee **, WooYoung Jung *, SungMin Park *, HoYoung Son * Abstract The connection area of trackbed systems associated with stiffness change according to substructures types can result in differential settlement due to superstructure loads. The primary objective of this research is to evaluate the performance of superstructures to the connection area between the concrete and asphalt systems during the construction. Also, the Finite Element (FE) program, ABAQUS was applied to carry out the numerical analysis of the connection area of trackbed systems and KRL-2012 load based on the railway design guideline was used. Keywords : FEM, Asphalt Track, Wide Sleeper, Connection Area, Structural Behavior 초록일반적으로철도궤도접속부는하부지반또는노반강화층의지지강성이변하는구간으로상부차량하중으로인한불균등침하현상이발생할수있다. 본연구는아스팔트직결궤도개발에따른현장시공시콘크리트도상궤도와의접속부에서발생가능한상부구조의거동을해석적으로평가하고자한다. 콘크리트 - 아스팔트도상궤도접속부내상부구조의거동평가를위하여 ABAQUS 를이용하였으며검토설계하중으로는철도설계기준 (2012) 에의한 KRL-2012 하중을적용하여평가하였다. 주요어 : 유한요소해석, 아스팔트궤도, 광폭침목, 접속부, 구조거동 1. 서론 제2차국가철도망구축계획에의하여고속철도는 10년대비 20년에 90.31% 증가할계획이며철도고속화에맞춰현재한국철도기술연구원에서는새로운인프라기술로서한국형아스팔트콘크리트궤도에대한연구가진행중에있다. 본연구에서는이들아스팔트궤도시공성검토를위하여콘크리트도상궤도와의접속부에서발생가능한상부구조의안전성에대하여평가를해석적으로수행하였다. 2. 광폭침목의거동 2.1 하중철도하중은 KRL-2012 표준열차하중을고려하여재하하였으며그값은 Fig.1 과같다. 교신저자 : 강릉원주대학교공과대학토목공학과 (woojung@gwnu.ac.kr) * 강릉원주대학교공과대학토목공학과 ** 한국철도기술연구원첨단인프라연구단 TFT
해석시고려된충격계수는 KR Code2012에서제시된설계식을사용하였으며그값은식 (1) 과같으며통과차량의최대속도는 300km/h를본해석에서고려하였다. Fig. 1 Train Load of KRL-2012 DAF V 60 1 t (1.0 0.5 ) (60 V 300 km/ h) ( Dynamic Amplitude Factor) 190 (1) 여기서, DAF : 동적할증계수 t : 확률의신뢰구간에좌우되는표준편차의가중치 (t=3 : 침목구조계산 ) : 궤도품질에좌우되는계수 V : 설계속도 (300km/h) 2.2 아스팔트콘크리트직결궤도접속부광폭침목유한요소모델 해석시고려된접속부유형은토공접속부이며상부침목의경우하부폭이넓게설계된광폭침목으로최근개발된아스팔트도상궤도에적용하기위해개발된맞춤형침목이다. 일반적인광폭침목은레일장착지점은넓은단면적으로이루어져있고중앙단면적은최적화하였으며 PC강연선을매립한 PC침목이나접속부에설치될침목은 Fig. 2에서보이듯안전성을위하여중앙부단면의축소가이루어지지않은모델로구성되어있다. Fig. 2 Design of The Wide Sleeper at Connection Area 유한요소해석모델의경우, 좌우대칭을고려하여 2개의선로중앙을기점으로 Half Modeling을구축하였으며모델의길이는 20.8M로콘크리트침목 16개, 광폭침목 16개가모
델링하였다. 침목의간격은 650mm로배치되었으며하부지반의기울기는 KRC-04020 쌓기편의고속철도표준기울기를적용하였으며레일과침목사이의하중전달매개체인체결구는스프링으로모델링하여하중재하후하부에전달되는하중을분포하중으로변환하여다시재하하였다. Fig. 3은최종적인수치해석모델링을보여준다. Fig. 3 Finite Element Model of the Connection Area Track 재하하중의경우콘크리트궤도와아스팔트콘크리트궤도변환지점에가장가까운콘크리트침목 (C1) 을기준으로아스팔트층의첫번째침목 (A1) 까지하중위치를변화하면서적용하였다. KRL-2012의집중하중은좌 ( 左 ) 에서우 ( 右 ) 로진행하며오른쪽하중이하중재하지점에재하되는것을 FW, 왼쪽하중이하중재하지점에재하되는것을 RW로결과를분류하였다. 2.3 해석결과 Table 1은하중위치에따라접속부구간내광폭침목에발생하는최대하중값을나타내고있다. 광폭침목에전달되는하중이가장큰시기는 KRL-2012 표준열차하중도의왼쪽집중하중 (RW) 이첫번째광폭침목의중앙 (A1) 에위치할때이며전체적으로두집중하중의작용점이아스팔트콘크리트궤도위에위치하였을때비교적큰값을나타내고있다. Table 2 는가장큰집중하중이재하되었을때를포함하여콘크리트침목중앙 (C1), 분할지점 (Split Point), 광폭침목중앙지점 (A1) 에집중하중이재하되었을때광폭침목내하부에발생된응력값을나타내고있다. 본해석결과, 접속부내광폭침목하부에발생하는응력은모두압축응력으로예측되었으며이는 PC침목설계시고려된허용범위내에서거동하는것으로접속부구간내하부휨 -인장균열에대한문제점은없을것으로판단된다. 다만해석시침목의 PC강연선정착부상단에서다소국부적인휨-인장응력이발생하였는데이는 3차원해석모델링의격자 (Mesh) 에의한문제나 PC 강연선정착지점의 Pre-Stressing 긴장력에의해발생된것이므로보이는바본연구에서는이들의영향성은무시하였다.
Reference Concentrated Load Right(FW) Left(RW) Table 1 Maximum Reaction Force according to loading location Loading Location 130mm 260mm 390mm 520mm 780mm 910mm 1040mm 1170mm 1300mm (A2) 130mm 260mm 390mm 520mm 780mm 910mm 1040mm 1170mm 1300mm (A2) Maximum Reaction Force of Wide Sleeper 87.92 kn 90.29 kn 92.50 kn 93.51 kn 94.51 kn 96.18 kn 97.43 kn 98.18 kn 98.51 kn 98.57 kn 98.40 kn 99.28 kn 102.07 kn 101.89 kn 101.49 kn 101.68 kn 102.07 kn 102.35 kn 102.36 kn 102.17 kn 101.86 kn 102.01 kn 102.29 kn 102.31 kn Reference Concentrated Load Right(FW) Left(RW) Table 2 Comparison of stress in lower surface of wide sleeper Loading Location Stress in Lower Surface of Wide Sleeper -1.85737 MPa -1.86164 MPa -1.84458 MPa -1.70123 MPa -1.64306 MPa -1.53612 MPa 3. 결론 토공접속부내아스팔트-콘크리트직결궤도시공시상부광폭침목에서의구조거동을해석적으로평가, 분석하였다. 접속부하부강성변화에의하여상부침목에서발생하는응력은
대부분압축응력으로평가되어하부휨-인장에의한구조적문제점은없을것으로예측되었다. 이는 PC 강연선의성능으로하중에의해발생되는인장응력을모두상쇄시키는것으로판단되며광폭침목의하단부인장균열은발생하지않을것으로예상된다. 다만외부온도에의한영향성과시공시발생되는잠재응력에대한변동성은향후연구가필요할것으로판단된다. 감사의글본논문은한국철도기술연구원주요사업 철도건설및운용비절감을위한경제성향상기술개발 ( 고속화에대응한아스팔트노반및궤도구조개발 ) 의연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 [1] Wang et al, (2005) Three Dimensional Finite Element Simulations of Ground Vibration Generated by High-Speed Trains and Engineering Countermeasures, Journal of Vibration and Control [2] Korea Rail Code 2012 (2014) KR Code-2012, Korea Rail Network Authority [3] ABAQUS/CAE Ver6.13 User`s Manual (2013) Dassault Systemes