GFRP 로보강된프리캐스트슬래브궤도개발및거동분석 Development of Precast Slab Track Reinforced with GFRP and Analysis of Behavior 지광습 이승정 * 문도영 ** 김유봉 *** 백인혁 **** Goangseup Zi Seung-Jung Lee Do Young Moon Yoo-Bong Kim In-Hyuk Baek ABSTRACT 철도시스템에서철도궤도와레일은주요한신호시스템의일부로사용되고있으나콘크리트슬래브궤도내부의철근으로인한신호전류감소, 교란등을방지하기위해과도한절연작업이필요하다. 본연구에서는국내에서기개발된프리캐스트슬래브궤도의횡방향철근을 GFRP 보강근으로대체하여절연작업의감소를가능하게하였다. GFRP로보강된프리캐스트슬래브궤도의설계과정과정적휨시험과단부의연결철근인발시험을통한거동분석및고찰내용을제시하였다. 휨시험과실스케일인발시험의결과정적휨강도는정립된설계법에의해적절한강도를가지고있으나기개발된연결철근의위치와형태는온도또는수축으로인해발생할수있는축력을저항할수없음을확인하였다. 1. 서론 콘크리트슬래브궤도는자갈도상궤도에비해고품질, 고강도의콘크리트시공이가능하며기계화시공으로시공속도가빠르며유지관리측면에서장점이있기때문에현재전세계적으로여러형태의프리캐스트콘크리트슬래브궤도가연구및개발되고있다. 특히, 국내에서는 2006년삼표이앤씨 ( 주 ) 와한국철도기술연구원이일차적으로개발한 PST 시스템이개발되어시험부설및성능검증을마친상태에있다. 이러한콘크리트슬래브궤도의경우레일과궤도가신호시스템의일부로사용되기때문에슬래브궤도내에존재하는철근보강재에의한신호교란이우려된다. 따라서이의방지를위해모든철근의접합점에절연재를시공하여야한다는규정을지켜야한다. 이는슬래브궤도의원가상승의요인중하나이다. 본연구에서는삼표이앤씨 ( 주 ) 와한국철도기술연구원에의해기개발된프리캐스트콘크리트슬래브궤도의절연성능을높이기위해횡방향철근을 GFRP로대체한프리캐스트콘크리트슬래브궤도를개발하였다. 설계기준의경우독일에서도입된설계법을국내설계규준에적합하도록본논문의저자들이재정립한설계법을이용하였다. 설계된슬래브궤도의정적거동을실험적으로검증및분석하였다. 책임저자 : 정회원 E-mail : g-zi@korea.ac.kr TEL : (02)3290-3324 FAX : (02)928-7656 * 비회원, 고려대학교건축 사회환경공학부 ** 정회원, 경성대학교토목공학과 *** 정회원, 삼표이앤씨 ( 주 ). PSTS팀. **** 정회원, 삼표이앤씨 ( 주 ). PSTS팀. 2072
2. 프리캐스트슬래브궤도 기개발된프리캐스트슬래브궤도는그림 1과같은표준단면을가지고있다. 공장에서미리제작된프리캐스트콘크리트슬래브패널과도상강화층 (Hydraulic Sub Base), 그리고두층의사이에서슬래브패널을지지하며하중을하부로고르게전달하는역할을하는충전재를기본구성으로한다. 본연구에서는콘크리트슬래브패널만을대상으로하여설계및검증시험을수행하였다. 그림 2는국내에서개발된 PST 시스템의상세도이다. 그림 1. 프리캐스트슬래브궤도표준단면 그림 2. 국내에서개발된프리캐스트슬래브궤도 3. GFRP 보강근 GFRP 보강근의인장특성을측정하기위하여 ACI 위원회에서제시하고있는규정에의하여인장시험을수행하였다. ACI 440 위원회에서는시편 GFRP 보강근의길이는직경의 40배이상으로규정하고있으며최소길이역시 100mm 이상으로규정하고있다. 또한최소정착길이는 250mm 이상으로규정하였다. 실험의결과로측정된보장인장강도 (Guarateed tensile strength) 는 1059MPa이었으며사용환경에대한인자를곱해주면 ( 외기에노출된콘크리트에 GFRP가사용될경우 0.7) 설계인장강도 (Design tensile strength) 741.3MPa을얻을수있다. 측정된탄성계수 (Specified tensile modulus) 는 46.5GPa이다. 4. 프리캐스트슬래브궤도의설계 프리캐스트슬래브궤도의기본설계는 Eisenmann이제안한설계개념을기본으로하며적용기준은 Beton Kalender 2000으로한다 [4,5]. 이러한독일의기본설계법을국내설계규준에적합하도록고려대학교에서 2010년에설계법을재정립한바있다 [2,3]. 프리캐스트슬래브패널의설계조건은다음과같다. 먼저, 설계하중을산출해야하며, 이러한설계하중에저항할수있도록강도를산출해야한다. 검토조건으로는슬래브패널에발생한응력, 콘크리트의피로강도가있다. 설계하중의경우차륜하중, 온도하중, 시 제동하중을포함한수평하중이있다. 차륜하중은설계대상철도에따라다르며고속철도의경우 UIC 71 하중모델을사용한다 [3]. 이러한하중모델은레일과체결장치에의해슬래브궤도본체에분산되어작용하도록한다. 이로인해발생하는응력은차륜의이동에따른검토를수행하여야하며불균일한궤도를운행하는경우차륜과레일간의 2073
요철로인해발생할수있는동적효과는실측자료를고려한동적충격계수를발생응력에곱하여설계에사용한다. 상대적으로짧은주기에서작용하는차륜하중에의한응력을피로응력이라하며, 차륜하중과온도에의해발생된인장응력의최대값을최대인장응력이라고한다. 이경우슬래브패널의강도검토는최대인장응력이콘크리트의인장강도를넘지않아야하며피로응력이콘크리트의피로강도를넘지않아야한다. 설계응력의경우대부분 Westergaard의해를기반으로한간이계산법을사용하고있다. 하지만이경우에는탄성지지판이론에준한단일하중하에서의모멘트영향선을실제설계에사용하기위해보간법을이용한식으로대체하고있는데이러한설계식이원거리의영향을적절히모사하지못한다. 따라서탄성길이이상은적용이불가능하다. 또한본대상구조물은중공부로인하여폭과길이모두가넓은판보다는일방향슬래브또는빔과같이거동하게된다. 따라서슬래브패널의설계시이러한간이설계법을사용하는데문제가있는것으로판단된다. 자세한내용은지광습등 (2010) 을참조할수잇다 [3]. 따라서본연구의프리캐스트슬래브설계에서는삼차원유한요소해석모델을사용하여설계응력을산정하였다. 본연구의대상구조물과같이길이에비해두께가얇은구조물의거동을모사하기에적절한휨거동능력이향상된요소인 C3D8I를사용하였으며상용프로그램인 ABAQUS를사용하여해석을수행하였다. 각체결구에분배된차륜하중에의한지지점력을하중으로대입하였으며설계시의보수적인측면으로슬래브층과도상강화층사이의충전층에서미끄러짐이발생하는경우를고려하여슬래브-기층경계면에서상대변위를허용하도록모델링하여해석하여슬래브패널하면의응력을산정하였다. 그림 3. 슬래브패널하면의종방향응력도 앞서언급한것과같이고속철도콘크리트궤도구조에존재하는철근이궤도회로에서신호전류의간섭문제를발생시킨다는연구결과가발표된바있으며여러연구자들에의해실내실험및현장실험이수행되어왔다 [1]. 이러한문제의대책으로써철근을전기적으로절연시켜전기적인루프를제거하는방안이주로사용되고있다. 또한고속철도공사시방서에전기절연저항성능확보를위해절연간격재를이용하여철근을서로결속할것으로규정하고있기때문에모든철근의교차점에는플라스틱절연재, 고무호스등을이용하여시공하고있다. 이러한작업들은개소가매우많고작업이어려워인건비가매우많이들며시공비증가의직접적인원인이되고있다. 따라서본연구에서는절연작업을근본적으로감소시킬수있는유리섬유보강근, Glass Fiber Reinforced Plastics(GFRP) 로횡방향철근을대체하여절연성을확보하였다. 본논문에서는 GFRP 보강근을사용한슬래브궤도의정적거동에대하여고찰하였으며본저자들의다른논문에서절연성능에대해검증한결과를발표하였다. 5. 휨시험및연결철근인발시험 슬래브궤도의거동을실험적으로고찰하기위해휨시험과실스케일인발시험을수행하였다. 파괴 하중, 파괴형상, 하중-변위곡선을분석하여종방향및횡방향슬래브궤도의기본적인휨성능을검증하였다. 또한슬래브궤도에축력으로가해지는온도및수축하중에의한슬래브궤도의거동을확인하 2074
기위해두개의슬래브궤도를연결하고있는연결철근의위치및형태에따른거동을실스케일인발시험을통하여분석하였다. 휨시험의경우 1,000kN 용량의 UTM을이용하여 2mm/min 속도의변위제어방법으로수행되었으며그림 4와같이하중을재하하고변위계는시편의상면에설치하여상부의처짐을측정하였다. (a) 종방향휨시험그림4. 슬래브궤도휨시험세팅 (b) 횡방향휨시험 슬래브궤도의종방향휨시험의경우약 10mm 처짐에서균열발생및변형경화가시작되었으며공칭휨강도 59.56kN m의약 1.5배인 89.11kN m의휨강도를가졌으며약 74mm 처짐에서최종파괴를확인하였다. 횡방향의경우약 15mm 처짐에서초기균열이발생하였으며약 20mm 처짐에서변형경화가시작되었다. 설계휨강도 69.72kN m의약 1.44배인 101.03kN m의휨강도를가졌으며약 67mm 처짐에서최종파괴를확인하였다. 휨시험의결과를그림 5에도시하였다. (a) 종방향휨시험 (b) 횡방향휨시험그림5. 슬래브궤도휨시험결과 기개발된 PST 시스템의연결철근의경우슬래브궤도단부의중앙부에헤디드바형태의연결철근이 2개존재하였다. 기존의연결철근의경우단부중앙부의연결철근주위의콘크리트가파쇄되었으며설계시계산된온도하중과체결력인약 800kN을저항할수없음을확인하였다. 따라서단부측면에일반철근형태의변경된연결철근을매설한경우온도하중과체결력을충분히저항할수있었으며콘크리트의파쇄등의파괴형상은나타나지않았다. 인발시험의결과를그림 6에도시하였다. 2075
그림 6. 슬래브궤도인발시험결과 5. 결론 본연구에서는기개발된프리캐스트슬래브궤도의절연성능을높이기위해횡방향철근을유리섬유보강근 GFRP로대체하여개발하고이의정적성능을검증하였다. 현재독일에서도입된탄성지지판이론에준한단일하중하에서의모멘트영향선을보간한설계법이본연구의대상인중공형슬래브궤도를적절히고려할수없기때문에상용프로그램인 ABAQUS를이용하여삼차원유한요소해석을수행하여응력을산출하였다. 설계된결과를검증하기위해슬래브궤도의종방향및횡방향휨실험을수행하였으며정적하중재하시설계된슬래브궤도가하중을적절히저항할수있음을확인하였다. 또한실스케일연결철근인발실험을통해기개발된형태의연결철근의경우온도하중과체결력등으로야기될수있는축력을저항할수없기때문에단부측면에일반철근형태의연결철근의설치가타당한것으로판단되었다. 감사의글 본연구는 2009 년정인욱학술장학재단의지원사업으로이루어진것으로본연구를가능케한정인욱학 술장학재단에감사드립니다. 참고문헌 1. 박대근, 김정훈, 김재학, 강영종, 궤도구조및재료가궤도회로에미치는영향분석, 2008년도한국철도학회춘계학술대회논문집, pp.1711-1715. 2008. 2. 이승정, 지광습, 장승엽, 김유봉, 프리캐스트콘크리트슬래브궤도의개발및설계, 2010년도대한토목학회정기학술대회논문집, 2010 3. 지광습, 이승정, 장승엽, 한국형프리캐스트슬래브궤도설계, 2010년도한국철도학회춘계학술대회논문집, pp.1423-1429. 2010. 4. Eisenmann, J. Introduction : Ballasted tracks and the goals of slab track development, RTR special, 2006. 5. Eisenmann, J., Leykauf, G. Beton-fahrbahnen, 2nd ed., Ernst & Sohn, Berlin, 2001. 2076