2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A177 아스팔트궤도노반용콘크리트슬래브직결궤도의전단키설계및성능평가 Performance Evaluation and Design of Shear Key of the Concrete Slab on Asphalt Trackbed 전선표 *, 이진욱 ***, 이성혁 ***, 정우영 *, 주부석 ** Seon-Pyo Jeon *, Jin-Wook Lee ***, Seong-Hyeok Lee ***,Woo-Young Jung *, Bu-Seog Ju ** Abstract The Concrete slab on asphalt trackbed experiences the misalignment phenomenon from the original place caused by the curved track, the displacement from temperature difference between the top and bottom of the slab, and the wind pressure exerted on the train. In order to suppress this phenomenon, the shear key was installed between two. In this study, a comparison of experiment and analysis on two different shear keys was utilized to interpret the actual model result analysis Keywords : Shear key, Asphalt trackbed, FEA, Shear Test 초록아스팔트궤도노반콘크리트슬래브는곡선부, 슬래브의상부와하부의온도차로인한변위, 열차에가해지는풍압등으로인하여본래의위치에서이탈하는현상이일어나게되는데이현상을억제하기위하여둘사이에전단키를설치한다. 본연구에서는종류가다른두가지전단키의실험과해석의비교를통하여실제모델을해석연구하였다. 주요어 : 전단키, 아스팔트궤도노반, 유한요소해석, 전단실험 1. 서론최근고속철도에관심이높아짐에따라철도관련연구가활발히진행되고철도차량이고속화가됨에따라안정성부분이중요시되고있다. 열차의고속화, 승차감향상, 안전성, 유지보수비용절감등을위해아스팔트궤도시스템을도입하기위하여국내에맞추어연구중이며본논문에서는콘크리트슬래브가아스팔트궤도노반위에서이탈하는현상을억제할전단키를전단실험을통한데이터와 3차원유한요소프로그램인 ABAQUS를이용하여해석한결과데이터를비교분석하였다. 교신저자 : 강릉원주대학교공학대학토목공학과 (woojung@gwnu.ac.kr) * 강릉원주대학교공과대학토목공학과 ** 강릉원주대학교방재연구소전임연구원 *** 한국철도기술연구원첨단인프라연구단 TFT
2. 콘크리트블록전단키 2.1 콘크리트블록전단키해석안전성검토에사용된횡하중은궤도에작용하는횡압의최대치로서차량의탈선계수를고려하여축하중의 0.8배이상이되지않으며 Figure 1 의 HL-25 표준활하중이침목에영향을주는분포하중의 0.2배부터 0.8배까지횡압을주어안전성검토를실시하였다. Figure 1 HL-25 Standard Live Load 광폭침목과전단키는 ENE건설에의하여개발되었으며모델형태는 Figure 2 와같이크게 2가지로서상부부분이솟은형태와평평한형태로서이는전단블록시공으로인하여침목의가운데부분에홀을만들게됨으로서각기다른형태의침목을검토하게되었다. Figure 2 Double Width Tie Model Case 모델링은 Figure 3 과같이광폭침목과전단블록, 전단블록캡 ( 고무 ), 아스팔트슬래브로작용하중은광폭침목의측면부에압력으로힘을주었으며침목과슬래브사이에는아스팔트-슬래브패널마찰실험에서개발된 3차원비선형경계부착 (Friction Contact) 모델을적용하였다. Figure 3 Modeling and Live Load Effect
2.2 콘크리트블록전단키실험실험은한국철도기술연구원주관으로아스팔트노반과콘크리트슬래브사이의전단키실험을수행하였다. 실험체제작은 Figure 4 와같고실험속도는 1mm/min으로횡으로압력을가했으며실험체사이즈는 Table 1 과같다. 실험은 3번수행하였다. Figure 4 Experiment Sectional View and Experiment Picture 종류 Table 1 Specimens Size 크기 (mm) 아스팔트노반 800 800 200 콘크리트슬래브 600 600 200 2.3 콘크리트블록해석및실험결과분석 Figure 5 은해석결과이다. 국부적으로큰전단응력과중신전단응력을나누어있다. Figure 5 Result of Analysis
Figure 6 Result of Experiment 실험결과는 Figure 6 과같다. case2는처음부분슬립현상을고려한다면대체적으로 case 2와 case3은그래프패턴은비슷하게보이며각 case의최대횡하중의평균적인값을산출하면약 49.5kN이나온다. 실험에서도출된평균값을이용하여허용전단응력값을계산하면 1.57MPa이다. Figure 7 중심전단응력의허용범위 Figure 7 과같이전단실험으로얻은허용전단응력 1.57MPa에들어오는것은축하중의 40% 비율일때는모든케이스가허용이지만 50% 가넘어가면허용범위를초과할수있을것으로판단된다. 하지만구조해석시탄성패드 ( 고무 ) 의물성치는실제전단키에사용되는고무의물성치가아닌일반적인고무의물성치를사용하였기에해석에서의약간의오차가있을수있으며전단실험시초기에횡하중을전단키에서버팀으로서변위발생이크지않은상태에서횡하중의최대값이산출되어야하지만전단실험결과데이터를분석하였을때아스팔트슬래브와콘크리트전단블록사이의이격과탄성패드를고려하더라도상당히변위가
크게발생한지점에서최대값이산출되기때문에실험에대한오차와허용전단응력에대한불확실성을고려할필요가있다. 3. 결론 콘크리트전단블록의경우전단실험으로허용전단응력을얻어축하중의 40% 까지는허용가능하지만 50% 이상은허용하지못하는것으로판단하였지만해석과정중탄성패드의물성치가실제와다른것과실험에대한오차와허용전단응력에대한불확실성을고려해야하며국부적으로발생되는전단응력에대해감소시킬방안을연구할필요가있을것으로예상된다. 참고문헌 [1] S.Y.Jang (2006) Ministry of Construction & Transportation, Standardization of Permanent Way System of Urban Railway [2] S.B.Seo (2009) Fundamentals of Track Dynamics, BookGallery, Yeongdeungpo-gu, pp.158-159