Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 1 pp. 411-417, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.1.411 이수형 1, 이승현 2* 1 한국철도기술연구원광역도시교통연구본부, 2 선문대학교토목공학과 Moment Resisting Behaviors of Railway Electric Pole Foundation According to Form Work Methods Su-Hyung Lee 1 and Seung-Hyun Lee 2* 1 Korea Railroad Research Institute, Metropolitan Transportation Research Center 2 Dept. of Civil Engineering, Sunmoon University 요약철도선로에설치되는전철주기초의모멘트에대한거동을파악하기위한실물재하시험을수행하였다. 현장타설방식으로설치된폭 1.1m, 깊이 2.2m의정사각형전철주기초 2본에대하여실제조건과동일한모멘트위주의하중을가하여기초의항복모멘트를확인하였다. 거푸집설치여부가기초의저항모멘트에미치는영향을평가하기위하여동일한조건에서거푸집을설치한경우와그렇지않은경우에대하여시험하였다. 거푸집설치효과로흙과지반의접촉면이매끈해지면서발생하는마찰력감소보다는, 거푸집미설치시굴착지반의이완에의한기초주변지반의강도감소효과가더크게나타나는것으로나타났다. 비례계수를사용하여포괄적으로전철주기초의저항모멘트를산정하는현행설계방법으로는거푸집의설치효과를적절히고려할수없었으며, 연직응력과마찰력을분리하여저항모멘트를산정하는경우에는기초와지반의마찰각을 20% 감소시킴으로써거푸집설치효과에대한합리적인고려가가능하였다. Abstract The moment responses of electric pole foundations for a railroad were investigated using real-scale load tests. Large overturning moments were applied to two square rigid piles with a 1.1 m width and a 2.2 m embedded depth. Two different installation methods-with and without a form-were applied to evaluate the influence of the form work on the moment capacities of the foundations. The reduction of ground strength caused by the excavation without a form is more pronounce than the decrease of frictional strength due to the smooth concrete surface with a form. From the test results, it is found that the current design method which applies a proportional coefficient to consider the effect of a form work is not appropriate. When the normal and frictional stressed is considered separately, the effect of a form work can be estimated reasonably by reducing the friction angle between soil and foundation by 20%. Key Words : Pole foundation, Railroad, Overturning moment, Real-scale, Moment capacity, Form work 1. 서론 우리나라철도는 1970년대초반부터전기에의하여열차가구동되는전철화가시작되었으며, 2012년현재전체철도선로거리 3,637.2km의 67% 인 2,436.0km의노선이전철화되어있다. 또한한국교통연구원과한국철도 기술공사 [6] 에의하면 2019년까지 1,596.3km 구간을전철화하는계획을국가적으로수립중에있다. 따라서철도의전력시설물에대한합리적인설계및시공을통하여국가적인예산의절감이필요한실정이다. 철도선로의전철화를위해서는전력공급을위하여선로를따라전철선을설치해야하며, 이를지지할수있는기초가설 * Corresponding Author : Seung-Hyun Lee (Sunmoon University) Tel: +82-10-7278-1080 email: shlee02@sunmoon.ac.kr Received September 25, 2012 Revised November 9, 2012 Accepted January 10, 2013 411
한국산학기술학회논문지제 14 권제 1 호, 2013 치되어야한다. 국내에서는기초의단면형상에따라사각형과원형의두종류의현장타설콘크리트기초가적용되고있다. 사각형기초의경우는주로굴착후현장콘크리트타설에의하여설치되며이경우기초형성을위해거푸집을사용하게된다. 그러나굴착부의공벽이유지되어기초형상을유지할수있다면거푸집을설치하지않은방안이공정이많이단축되어더바람직하다고할수있다. 본논문에서는거푸집을이용한경우와그렇지않은경우의두가지방법을적용한 2본의실물크기의기초에대하여재하시험을실시함으로써, 거푸집설치여부가사각형전철주기초의모멘트저항거동에미치는영향을평가하였다. 2. 철도전철주기초의특성 2.2 국내사각형전철주기초의시공방법사각형기초는전통적으로시공되던기초형태로서기계굴착과인력굴착을병행하여설치되며작용하중이크거나지반이연약한개소에주로적용되고있다. 기본적으로는소요깊이까지완전히굴착하고거푸집을제작한후, 콘크리트양생이완료되면기초주변지반을굴착하여거푸집을완전히제거한후되메우는방식으로시공하는것으로되어있다. 하지만실제현장에서는공벽을유지할수있는수준의깊이까지만거푸집을설치하고하부는거푸집없이콘크리트를굴착지반에직접현장타설하는방법이주로적용되고있다. 사각형기초의크기는철도설계편람 ( 한국철도시설공단 [2]) 에제시된폭 900mm~ 1,400mm, 근입깊이 1,800mm~3,200mm의기초가적용되고있다 [Fig. 2]. 2.1 철도전철주기초에작용하는하중철도선로에설치되는전철주는선로의곡선반경에따라 20m~60m 간격으로배치되며따라서전철주하나는 20~60m 길이의전선및이를고정하기위하여부착되는구성품에작용하는각종하중 ( 자중, 풍하중, 전선의장력등 ) 을지지하여야한다 [Fig. 1]. 이들하중중전철주에가장큰영향을주는것은전철선에작용하는풍하중이다. 전철선에작용하는하중은전철주기초로부터 7m 이상떨어져작용하기때문이며, 따라서전철주기초는매우큰회전모멘트를저항하여전도 (overturning) 가발생하지않도록설계되어야한다 [Fig. 1]. [Fig. 2] Rectangular concrete foundation for railway electric pole 2.3 전철주기초의설계방법철도설계편람 ( 한국철도시설공단 [2]) 에제시된전철주기초저항모멘트산정방법은일본에서개발된경험적인방법을적용하고있다. 이방법에서는지지력이양호한지반조건에대하여간편식을사용하도록되어있으며, 지반조건이불명확하거나연약지반인경우에는각종지반조사를통해지반특성을파악하고해당조사에적합한경험식을적용하여기초의저항모멘트를산정한후소정의안전율을적용한다. 지반의지지력측정을필요로하지않는양호한지반에대해서는아래의식 [1] 을적용하여허용저항모멘트를산정한다. [Fig. 1] Schematics of loads acting on a pole foundation of Railroad (1) 412
여기서, M a : 허용저항모멘트 K : 지형계수 f : 형상계수 S 0 : 강도계수 D : 기초근입깊이 (m) d : 기초직경 (m) 이와같이흙과기초사이의마찰력이기초의저항모멘트에미치는영향이명확히파악되지않고있기때문에거푸집설치여부에따른저항모멘트의변화를예측하는것은매우어려운상태이며, 따라서본연구와같은실물재하시험으로총체적인영향을파악하는것이반드시필요하다. 지형계수 (K) 는성토사면또는측구에의한지형적인영향을고려하기위한계수로지형조건에따라 0.6~1.0의값을적용한다. 강도계수 (S 0) 는설계하중조건 ( 폭풍시와운전시 ) 과지반조건을고려하기위한계수로 0.75~1.2의값을적용한다. 형상계수 (f) 는기초의형태와흙막이거푸집의사용여부에따른기초재료와흙사이의마찰강도차이를고려하기위한계수로서 Table1의값을적용한다. 이러한계수적용조건은거푸집에의하여기초표면이매끈해짐에따라기초와주변흙사이의마찰력이감소하여약 10% 정도저항모멘트감소가발생하는것을가정한것이다. 그러나이들계수는일본에서적용하고있는경험적인것으로이들값에대한공학적인산출근거는명확하지않다. 거푸집이설치되면기초표면이매끈해지므로콘크리트와와흙사이의마찰력이감소하게된다. Kulhawy 등 [7] 은흙과다른재료사이의마찰각을제안하였으며, 거푸집을설치하여표면이매끈한콘크리트 (smooth concrete) 의경우흙과의마찰각이거친콘크리트 (rough concrete) 에비해 20% 까지감소할수있는것으로제시하고있다. 그러나전철주기초는주로기초측면에작용하는수동토압을통해전도모멘트에저항한다. 프랑스 (Korea TGV Consortium[5]) 와독일 (Kiessling et al.[1]) 의경우는 [Fig. 3] 과같이기초에작용하는토압분포를가정하여기초의저항모멘트를산정한다. 전철주기초의최대저항모멘트는 Fig. 2의토압분포에서힘과모멘트에대한평형방정식을고려하여산출한작용토압이지반의한계토압을초과하는경우의모멘트로결정하고있다. 그러나두경우모두기초와흙사이의마찰력은전혀고려하고있지않기때문에이들방법에서거푸집의설치여부를고려하는것은불가능하다고할수있다. (a) Germany, Kiessling et al.[1] (b) France, Korea TGV Consortium[5] [Fig. 3] Assumptions for the distributions of soil pressures acting on a foundation 한국철도기술연구원 [4] 에서는기초의마찰저항을고려할수있는저항모멘트산정기법을개발하였으며, 이방법에서는 Fig. 4와같이기초에작용하는연직응력과마찰응력의분포를가정하여, 모멘트와힘에대한평형방정식을풀게되며, 기초에작용하는마찰력과기초저면에작용하는연직응력을함께고려할수있다. [Table 1] Values of shape factors(f) (Korea Rail Network Authority, 2004) Shape Crushed stones Circular concrete Rectangular concrete T shape Form conditions Without a form With a form Without a form With a form Without a form With a form Pouring after excavation Shape factor 0.6 0.75 1.0 0.9 1.1 1.0 1.4 413
한국산학기술학회논문지제 14 권제 1 호, 2013 [Fig. 4] Assumption of soil pressure distribution for moment capacity evaluation, Korea Railroad Research Institute[4] (a) Case 1 : A form is installed for the entire foundation depth 3. 전철주기초실물재하시험 3.1 시험개요본연구에서는실제조건에가까운하중재하를통해실제크기전철주기초의항복을확인하는재하시험을수행하였다. 특히 Fig. 5와같이기초전깊이에대하여거푸집을설치한경우와기초상부 40cm 깊이까지만거푸집을설치한경우의 2가지설치조건에대한시험을수행함으로써거푸집설치여부가기초의모멘트저항거동에미치는영향을파악하고자하였다. (b) Case 2 : A form is installed at the upper 0.4m foundation depth [Fig. 6] Construction of foundations according to form work methods [Fig. 5] Schematics of the foundations and form work methods 기초는 Fig. 6에나타낸바와같이굴착장비와인력굴착과콘크리트현장타설에의하여, 폭 1.1m의정사각형기초를근입깊이가 2.2m 되도록 2본시공하였다. 이때 1개기초는 Fig. 5a와같이기초전면에대하여거푸집을설치하였으며, 또다른한개의기초는 Fig. 5b와같이기초근입부의상부 40cm 까지만거푸집을설치하였다. 3.2 시험위치및지반조건재하시험은한국철도기술연구원부지에서수행되었다. 해당지역의흙은고속철도설계기준 ( 한국철도시설공단 [3]) 에서고속철도선로의상부노반으로적용가능한재료로분류된 GP-GM( 실트및모래섞인입도불량한자갈 ) 로구성되어있다. 지반의강성및강도는 LFWD(Light Falling Weight Defletometer) 와동적콘관입시험기 (Dynamic Cone Penetrometer, DCP) 를이용한현장시험을통해평가하였다. LFWD는자유낙하시킨추로인해발생하는에너지, 하중, 지반침하사이의관계를이용하여지반강성을평가하는장비로서크기가작고이동이간편하기때문에차량이접근하기곤란한철도선로에서많이적용되고있다. 본연구에서사용된장비는 Dynatest의 Keros Prima100 Portable FWD이다. 동적콘관입시험은 78.4N의해머를 575mm의높이에서낙하시켜직경 20mm의원추를타격하여관입되는길이를측정함으로써지반의강성및강도를평가하는방법으로서, 본연구에서사용한장비는미국 Kessler의장비로현장시험시관입깊이는 414
500mm 이상을기준으로하였다. [Table 2] Results of ground investigations Test type With form Without form LFWD Elastic modulus (MPa) Dynamic cone penetration test DCP Index (cm) Internal friction angle(degree) 44 2.3 34.3 32 3.6 32.7 Table 2는재하시험을위하여설치된기초의주변지반에대하여수행한 LFWD와동적콘관입시험의결과로서 10회이상의시험결과를평균한값이다. Table 2에제시한내부마찰각 ( ) 은 1회타격당콘관입깊이인 DCP Index(DCPI) 로부터 Mohammadi 등 [8] 이제시한아래의식 [2] 를이용하여산정하였다. (a) Schematic of loading method (degree) (2) Table 2에제시된측정결과에의하면거푸집을설치하지않은경우의주변지반강도와강성이약한것으로나타났다. 이는거푸집을설치한경우굴착부를되메우며기초주변부를다짐하는데반해, 거푸집을설치하지않은경우는굴착으로이완된지반에바로콘크리트를바로타설하기때문인것으로판단된다. (b) On site view [Fig. 7] Loading method using a crane 3.3 재하조건실제하중조건을모사하기위하여 Fig. 7과같이강철케이블을전철주에연결하고크레인을이용하여인장하였다. 재하위치는일반적인전철선위치 ( 레일상면으로부터약 7m) 를고려하여기초로부터높이가 8m인곳으로결정하였다. 전철주에전달되는하중은 Fig. 8과같이케이블에장착된로드셀을이용하여측정하였다. 로드셀은 50kN까지측정이가능한제품을사용하였다. 하중은기본적으로크레인의인장하중을단계별로 0.5kN씩증가시키는방법으로재하하였다. 크레인을통한정확한하중조절이어렵기때문에측정된하중을확인하며크레인하중을서서히증가시켰으며 0.5kN 이상하중이증가하면하중증가를멈추고계측된값이안정될때까지하중을유지하였다. 하중재하시에는모멘트-회전각곡선을실시간으로작성하여기초의거동을파악하였으며, 기초의항복이충분히발생할정도까지하중을재하하여기초의항복모멘트를확인할수있도록하였다. (a) Side view (b) Plan view [Fig. 8] Locations of LVDT 3.4 변위계측방법작용모멘트에따른기초의변위를측정하기위하여 6 개의전자식변위계 (LVDT, Linear Variable Differential Transformer) 를설치하였다. 사용된 LVDT는일본 KYOWA사의스트레인게이지형제품 (DTH-A-50) 으로최대 50mm까지측정가능한센서이다. [Fig. 8] 은전자식변위계의설치위치를나타낸것으로하중작용방향에대하여전면부는기초상면에 2개, 기초측면에 2개씩 4개 415
한국산학기술학회논문지제 14 권제 1 호, 2013 를설치하였고, 후면부에는기초상면과측면에각각 1개씩설치하였다. 기초상면부의전자식변위계는기초의수직변위측정을통한회전각을산정을위하여설치하였으며, 기초측면부의전자식변위계는기초의수평변위를측정하기위하여설치하였다. 4. 재하시험결과및분석 4.1 기초의모멘트-회전거동 Fig. 9는재하시험결과로나타난모멘트-회전각곡선이다. 거푸집설치방법과상관없이두곡선은유사한유형으로나타났으며, 모두전철주기초가항복한이후에도모멘트가지속적으로증가하는회전각경화현상이발생하였다. 가효과는예상보다미비하게발휘된것으로판단된다. 4.3 설계방법별저항모멘트의평가 Table3은설계방법별로계산된저항모멘트를시험결과와비교한것이다. 한국철도기술연구원 (2010) 의방법에서는마찰력을고려하기위하여 Kulhawy 등 [7] 의제안에따라거푸집설치시흙과기초사이의마찰각을 20% 감소시키는방법을적용하였다. 프랑스와독일의방법은마찰력을고려할수없으므로평가대상에서제외하였다. [Table 3] Moment capacities obtained from two different design methods With Form Without form Failure moments from field load tests (kn m) Design moment capacities (kn m) Korea Railway Standard KRRI method 95 83(1.1) * 86(1.1) * 83 91(0.9) * 75(1.1) * * Safety factors obtained from the failure moments [Fig. 9] Moment-rotation angle curves 4.2 설치방법별저항모멘트의비교기초의저항모멘트는모멘트증가에따라회전각이급격이변화하는구간의평균모멘트로결정하였다. 저항모멘트는각각거푸집을설치한경우 95kN m, 거푸집을설치하지않은경우 83kN m으로산정되었다. 일반적으로거푸집을설치하지않은경우기초표면의거칠기증가로인한마찰강도의증가로기초의저항모멘트가증가할것으로예측되지만, 재하시험의결과는반대로나타났다. 이는거푸집없이기초를설치하는경우굴착부주변지반이이완되어지반의강도가감소하는데비해서, 거푸집이설치되는경우는거푸집을제거한후, 굴착부를되메우며다짐작업을수행하므로주변지반의강도가오히려더커지기때문이것으로판단된다. 특히전철주기초의경우기초와흙사이의마찰력보다는수동토압 ( 연직응력 ) 에의하여저항모멘트가발휘되므로마찰력증 국내철도설계기준 ( 한국철도시설공단 [2]) 으로산정된설계저항모멘트는재하시험결과와반대의결과를산출하고있으며, 이는거푸집설치에따른지반강도증가효과를고려하는것이불가능하고, 전체저항모멘트를 10% 증가시키는방법으로거푸집미설치로인한마찰력증가효과를고려하고있기때문이다. 반면에한국철도기술연구원 [4] 의설계방법으로는비교적일관성있는설계저항모멘트의산정이가능하였다. 따라서기초와흙사이의연직응력과마찰력이동시에작용하는사각형전철주기초의경우에거푸집설치효과를고려하기위하여비례계수를사용하여전체저항모멘트를일률적으로증가시키는방법은부적절한것으로판단된다. 거푸집설치효과를합리적으로고려하기위해서는흙과기초사이의마찰강도변경을통해, 마찰력이전체전철주기초의거동에대하여미치는영향을통합적으로평가하는것이바람직하며, 본연구에서는거푸집설치로인해내부마찰각을 20% 감소시키는방안이적절한것으로평가되었다. 5. 결론 본연구에서는철도연변에설치되는사각형전철주기초의설치방법에따른모멘트저항거동을실물재하시험을통해평가하였으며다음과같은결론을얻었다. 416
[1] 거푸집설치로인하여표면이매끈해짐에따라기초와흙사이의마찰강도가감소하지만, 반면에거푸집을설치하지않으면굴착지반의이완등으로기초주변지반의강도가감소하는것으로나타났다. 따라서현행설계법과같이지반조건의변화에대한고려없이거푸집설치여부에따라일정비율로저항모멘트를증감시키는방법은부적절한것으로판단된다. [2] 전철주기초는흙과기초사이의연직응력과마찰응력이동시에작용하여전도모멘트에저항하므로, 거푸집설치효과를고려하기위해서는기초와흙사이의마찰강도를별도로고려할수있는설계방법의적용이필요하다. 기존설계방법으로산정된저항모멘트를실물재하시험결과와비교한결과, 거푸집설치효과로흙과기초사이의마찰각을 20% 정도감소시키는것이적절한것으로평가되었다. [3] 본연구를통해규명된사실로부터철도연변에설치되는사각형전철주기초의모멘트저항거동에대한보다신뢰성있는설계가가능할것으로판단된다. uplift-compression loading. Rep. No.EL-2870, Electric Power Research Institute, Palo Alto, Calif., 1983. [8] Mohammadi S.D., Nikoudel M.R., Rahimi, H. and Khamehchiyan, M. "Application of the Dynamic Cone Penetrometer (DCP) for determination of the engineering parameters of sandy soils", Engineering Geology, 101, pp.195-203, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2008.05.006 이수형 (Su-Hyung Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 지반공학, 철도공학 1994 년 8 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학사 ) 1996 년 2 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 2002 년 2 월 : 서울대학교지구환경시스템공학부 ( 공학박사 ) 2003 년 12 월 ~ 현재 : 한국철도기술연구원선임연구원 References 이승현 (Seung-Hyun Lee) [ 정회원 ] [1] Kiessling, F., Puschmann, R and Schmieder, A. Contact lines for electric railways : planning, design, implementation, Publicis publishing, Eriangen, 2009. [2] Korea Rail Network Authority, Railway Design Standards(Electric Railway), Korea Rail Network Authority, Daejeon, 2004. [3] Korea Rail Network Authority, Highspeed Railway Design Standards, Korea Rail Network Authority, Daejeon, 2005. [4] Korea Railroad Research Institute, The Development of Moment Capacity Equation for Railway Electric Pole Foundation, Korea Rail Network Authority, Daejeon, 2010. [5] Korea TGV Consortium, Basic Environmental Data for Catenary Design. KTC, 1995. [6] Korea Transport Institute and KRTC, Study on the Total Plan of Korean Railway Network Electrification, Ministry of Transport and Maritime Affairs, 2009. [7] Kulhawy, F. H., Trautmann, C. H., Beech, J. F., O Rourke, T. D., McGuire, W., Wood, W. A., and Capano, C. Transmission line structure foundations for < 관심분야 > 토질역학, 기초공학 1988 년 8 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학사 ) 1991 년 2 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학박사 ) 2000 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교토목공학과교수 417