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[논문] 철도교량 접속부 자갈궤도 부등침하, 침목 형상 변경 필요

2차원 동적 유한요소 해석모델 적용, 자갈 도상 침하 억제에 광폭침목·중간블록 효과성 확인

장병극 기자 | 기사입력 2020/01/17 [19:08]

[논문] 철도교량 접속부 자갈궤도 부등침하, 침목 형상 변경 필요

2차원 동적 유한요소 해석모델 적용, 자갈 도상 침하 억제에 광폭침목·중간블록 효과성 확인

장병극 기자 | 입력 : 2020/01/17 [19:08]

 

▲ 고속선 교량-토공구간 접속부(자갈궤도). 이 구간은 강성 차이로 인해 부등침하가 발생하면서 불규칙한 궤도틀림 현상이 발생한다. 이에 따라 타 구간에 비해 유지보수 비용이 많이 소요된다.     © 국토매일

 

[국토매일-장병극 기자] 기차를 타다보면 교량을 통과할 때 차량이 출렁거림을 느낄 때가 있다. 교량 접속부는 하부 구조의 차이, 즉 콘크리트로 시공된 교량부분과 토공부분의 강성(剛性, rigidity)이 다르기 때문이다.

 

기존 연구에 의하면 선로 유지보수비는 전체 선로 운영비의 40~70%가 소요되는 것으로 알려져 있다. 특히 구조물 접속부 구간은 강성의 차이로 인해 자갈궤도의 부등 침하가 빈번히 발생한다. 이에 따라 타 구간에 비해 유지보수에 더욱 많은 인력과 비용이 소요된다.

 

침하가 가속화되면서 불규칙한 궤도틀림이 발생하고, 결국 열차 운행이 장기화될수록 궤도의 사용성을 크게 떨어뜨린다. 차체에도 무리를 줄 수밖에 없다.

 

국내외 설계 기준에는 접속부 토공 구간 하부구조의 강성을 완화시키고 침하를 감소시키기 위해 CTG(cement treated gravel) 및 쇄석노반층(unbonded gravel)으로 보강토록 하고 있지만 근본적인 문제를 해결하지 못하고 있다.

 

이에 따라 기존의 하부 구조를 보강하는 방법으로부터 시야를 넓혀 상부구조(궤도구조)의 강성을 변화시키거나 침목·자갈 접촉면적을 확대하는 방안이 주목받고 있다.

 

이미 한국철도기술연구원에서는 침목의 폭을 증가시킨 광폭침목(wide sleeper), 프레임형의 궤광을 형성하도록 레일 직하부의 침목 폭을 증가시킨 반프레임침목(half-frame sleeper), 침목과 침목 사이에 블록을 추가한 중간블록(intermediate block) 등을 적용해 침목·자갈 접촉면적을 확대하는 방안을 검토한 바 있다.

 

그동안 적용되어온 자갈궤도에 대한 동적 해석 모델이 있지만 자갈궤도의 침하 등 변화 양상을 정밀하게 해석하기 위해서는 보다 적정한 해석모델이 필요하다.

 

‘철도 교량 접속부에서의 자갈궤도 부등침하에 미치는 침목 형상의 영향’ 연구에서는 교량 접속부 자갈궤도 구간에 대한 2차원 동적 유한요소 해석모델을 이용해 고속열차 통과 시 동적 자갈압력을 산정했다.

 

그리고 자갈궤도 침하 경험식을 이용하여 열차하중의 누적에 따른 자갈궤도 부등침하를 산정하고 이를 통해 일반침목, 광폭침목, 중간블록 등 침목 형상에 따른 부등침하 진전양상을 비교했다.

 

특히, 이번 연구에서는 차량-궤도-하부구조 동적 상호작용 해석모델과 경험적 침하모델을 이용한 해석기법을 적용해 교량 접속부에서 하부구조의 강성 차이로 인해 동적하중이 커지고, 이로 인해 자갈궤도의 침하가 점차 증가하게 되는 과정을 모사할 수 있었다.

 

해석 결과를 통해 광폭침목과 중간블록 등을 적용할 경우 침목과 자갈 간의 접촉면적을 증가시킴으로써 자갈층에 작용하는 압력을 낮추어 접속부에서 자갈도상의 침하 진전을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.

 

한편 국토교통부 철도기술개발사업(18RTRP-B065581-06)의 연구비 지원으로 수행된 ‘철도 교량 접속부에서의 자갈궤도 부등침하에 미치는 침목 형상의 영향’(하민기, 황성호, 정영훈, 최영태, 장승엽, 방명석) 연구 논문은 한국철도학회논문집 제22권 12호(2019년 12월)에 게재되었다. 

 
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