열차-궤도-노반 동적 상호작용 해석을 이용한 철도교 접속부 성능 평가 = Performance Evaluation of Railway Bridge Transition Zones Using Train-Track-Substructure Dynamic Interaction

국문 초록 (Abstract)

철도교 접속부는 강성이 서로 다른 교량 구조물과 토공 구간이 만나는 지점으로, 궤도 지지 강성의 급격한 변화와 부등 침하가 빈번하게 발생하는 궤도의 구조적 취약부이다. 이러한 접속부의 불연속성은 고속열차 주행 시 과도한 충격 하중과 동적 응답을 유발하여 궤도 틀림을 가속화하고 승차감 을 저하시키며, 유지보수 비용을 증가시키는 주요 원인이 된다. 기존의 접 속부 해석은 주로 궤도 구성요소를 독립된 스프링으로 가정하는 Winkler 기반의 질량-스프링/댐퍼 모델을 적용했으나, 이는 노반 내부의 연속적인 응력 전달과 하중 중첩 효과를 모사하는 데 한계가 있어 실제 발생하는 동 적 거동을 과소평가할 우려가 있다. 또한, 현행 접속부 평가기준은 열차의 주행 안전성 및 승차감과 레일의 구조적 문제에 국한되어 있어, 강성이 불 균일한 구간의 도상과 노반에 대한 정량적인 평가는 명시되어 있지 않은 문제가 있다. 본 연구는 철도교 접속부의 적합성을 평가하기 위한 합리적인 평가 프레 임워크(framework)를 제시하는 것을 목적으로 한다. 이에 본 연구에서는 철도교 접속부를 평가할 수 있는 적합한 모델을 제시하고 국내외 기준을 분석해 접속부의 성능 평가 기준을 제시했다. 또한, 검증된 모델과 평가기 준을 적용하여 접속부 구간의 강성변화, 열차 속도 변화와 같은 주요 영향 인자에 대한 매개변수 해석을 수행했다. 해석 결과, 기존의 질량-스프링/댐퍼 모델은 지반을 독립된 스프링으로 가정함에 따라 전단 상호작용과 응력 중첩을 반영하지 못해 동적 거동을 과소평가하는 한계가 있는 반면, 제안된 평면요소 모델은 도상과 노반을 연 속체로 모사하여 하중 분산 메커니즘을 효과적으로 반영함으로써 접속부 평가에 더 적합함을 확인하였다. 접속부 CTB와 CTG의 강성에 따른 매개변수 해석 결과, 현행 설계 기준 의 최소 변형계수를 적용할 경우 동적 윤중과 노반의 변형에너지가 증가하 여 장기 침하의 우려가 있는 것으로 나타났다. 강성을 증가시킬수록 노반 변형률은 감소하나, 과도한 강성은 오히려 자갈도상 압력을 상승시키므로 실제 강성을 고려한 적절한 수준의 설계가 필요함을 규명하였다. 또한, 열 핵심 용어 : 철도교 접속부, 성능 평가, 열차-궤도-노반 동적 상호작용 해석, 평면요소 모델 차 속도 해석에서 40m 교량의 공진 발생 시 주행 안전성은 만족하였으나, 교량 단부의 궤도 인상 거동이 증가하여 자갈 이완 및 장기적 궤도 틀림을 유발할 수 있음을 확인하였다. KR C-14010의 접속부 평가지표는 주로 강성 변화·구조 차이에 따른 주 행안전성과 승차감 영향을 중심으로 구성되어 있으나, 매개변수 해석 결과 에 따르면 접속부 강성 변화가 열차 주행안전과 승차감보다 자갈도상 압력 과 노반 변형에너지 증가에 미치는 영향이 더 크게 나타났다. 이는 접속부 궤도틀림 진전을 유발하는 주요 원인이므로, 접속부 성능평가에서는 자갈도 상 압력과 노반 총 변형에너지가 접속부 성능 평가에 있어 더 민감한 지표 로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구목적 및 내용 3
• II. 이론적 배경 4
• 2.1. 궤도 구조 4
• 2.2. 교량 접속부 8
• 2.2.1. 문제점 8
• 2.2.2. 접속부 구조 9
• 2.3. 해석모델 15
• 2.3.1. 궤도-노반 정적 해석모델 15
• 2.3.2. 열차-궤도-노반 동적 상호작용 모델 19
• 2.3.3. 열차-궤도-교량 동적 상호작용 모델 32
• III. 철도교 접속부 성능평가 방법 및 기준 37
• 3.1. 개요 37
• 3.2. 해석모델 38
• 3.2.1 궤도-노반 모델 38
• 3.2.2. 교량 모델 62
• 3.2.3. 열차 모델 64
• 3.3. 평가기준 70
• 3.3.1. 국내외 관련 기준 70
• 3.3.2. 접속부 평가기준 79
• IV. 결과 및 분석 82
• 4.1. 개요 82
• 4.2. 기본 물성 83
• 4.2.1 궤도, 노반 및 교량의 물성 83
• 4.2.2. 열차 제원 및 물성 89
• 4.3. 모델 검증 93
• 4.3.1. 궤도 모델 검증 93
• 4.3.2. 차량 모델 검증 96
• 4.4. 평면요소 모델과 질량-스프링/댐퍼 모델 비교 99
• 4.4.1. 해석모델에 따른 궤도 및 노반의 동적응답 비교 99
• 4.4.2. 요약 및 소결 114
• 4.5. 철도교 접속부 매개변수 해석 115
• 4.5.1. 해석 개요 115
• 4.5.2. 접속부 어프로치 블록 강성에 따른 영향 116
• 4.5.3. 열차 속도에 따른 교량 공진의 영향 133
• V. 결론 146