철도교의 편심체를 가진 스페리컬 받침의 최적화 = Design Optimization of Eccentric Rotating Spherical Bearings for Railway Bridges

국문 초록 (Abstract)

한국은 판의 경계에서 안쪽에 위치하여 지진에 안전하다고 알려져 있었다. 하지만 2016년 경주 지진, 2017년 포항 지진이 발생하면서 국내에 규모 5.0 이상의 지진이 발생할 수 있다는 사실이 확인되었다. 기상청의 연도별 지진 발생 횟수 그래프를 보면 지진의 빈도와 규모가 증가하는 추세를 보이고 있기에 한국의 내진 설계 중요성이 강조되고 있다.
지진 피해 중에서 철도의 탈선은 지진 수평력에 의한 철도 궤도의 미미한 변형으로 시작된다. 2004년 주에쓰 지진 때 신칸센의 탈선 사고가 있었고 2024년 화롄 지진 때 궤도에 큰 수평 변형이 발생한 사건이 있었다. 따라서 철도교에서는 수평력 제어를 통해 열차 주행에 안전성을 보장하는 것이 중요하다.
철도교에서는 높은 면압과 활하중에 강점이 있는 스페리컬 받침을 많이 사용한다. 하지만 설계 사용 수명에 비해 실제 사용 수명은 절반 이하이며 유지 관리가 힘들다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 스페리컬 받침의 곡면부에 대한 연구(재료적, 기계적 특성)는 많이 진행되었지만 수평력을 저항하는 사이드 블록에 대한 연구를 상대적으로 이루어지지 않았다.
이 논문에서는 사이드 블록 대신에 편심 회전체를 사용하는 편심 회전체 스페리컬 받침을 대상으로 연구를 진행하였다. 첫 번째 연구로 정밀 비선형 해석 모델을 제작하였다. 해당 모델은 주요 거동인 솔플레이트의 수평 이동, 편심 회전체의 회전, 솔플레이트와 편심 회전체의 접합을 잘 설명하고 해석 결과의 응력분포와 실제 시험의 균열 위치가 동일한 것으로 실제 받침은 잘 구현한 것을 확인하였다.
정밀 비선형 모델 해석 결과를 바탕으로 경제적 개선 방안 3가지를 제안하였다. 개선 방안은 회전체에 발생하는 응력 집중을 해소하는 것을 목표로 하며 3가지 중에서 연결부에 GAP을 늘리는 것이 가장 효과적이었다. 하지만 GAP의 증가는 솔플레이트의 수평 이동량 증가를 야기하고 최종적으로 궤도의 변형에 기여할 수 있다. 최대 이동량은 열차의 속력에 따라 기준이 다르지만 지진 감속된 열차의 속도는 200km/h 이하인 것을 고려할 때 해석 결과의 수평 이동량은 설계기준에 적합하다.
연구 결과 바탕으로 정밀 비선형 해석 모델은 실제 받침의 파손 거동을 성공적으로 예측할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 받침의 유지 관리에 크게 기여할 수 있다. 그리고 경제적 개선 방안 중 GAP 증가는 회전체에 작용하는 최대 응력을 감소시켜 사용 수명을 효과적으로 증대시켰으며 수평 이동량은 철도교의 설계기준을 만족함을 확인하였다. 하지만 다른 개선방안에서는 최대 응력의 증가가 확인되며 제원을 수정할 경우 받침에 치명적인 문제를 발생시킬 수 있어 제원 수정 시 엄밀한 검증이 필요할 것으로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Korea has traditionally been considered safe from earthquakes due to its location within the plate boundary. However, the occurrences of the 2016 Gyeongju earthquake and the 2017 Pohang earthquake confirmed that earthquakes of magnitude 5.0 or greater can occur domestically. As the Korea Meteorological Administration's annual earthquake frequency graph shows an increasing trend in both frequency and magnitude, the importance of seismic design in Korea is being emphasized.
Among seismic damages, railway derailment begins with minor deformations of the railway track caused by horizontal seismic forces. Notable incidents include the Shinkansen derailment during the 2004 Chuetsu Earthquake and significant lateral track deformation during the 2024 Hualien Earthquake. Therefore, ensuring running safety by controlling horizontal forces is crucial for railway bridges.
Spherical bearings are widely used in railway bridges due to their advantages regarding high contact pressure and live loads. However, their actual service life is often less than half of the design service life, making maintenance difficult. To address these issues, while extensive research has been conducted on the curved surfaces of spherical bearings (regarding material and mechanical properties), relatively little research has focused on the side blocks that resist horizontal forces.
This study investigates an eccentric rotating body spherical bearing that utilizes an eccentric rotating body instead of a side block. First, a precise non-linear analysis model was developed. This model accurately simulates key behaviors, including the horizontal movement of the sole plate, the rotation of the eccentric rotating body, and the contact between the sole plate and the rotating body. The stress distribution in the analysis results matched the crack locations observed in actual tests, confirming that the model accurately implements the actual bearing.
Based on the results of the precise non-linear model analysis, three economic improvement measures were proposed. These measures aimed to relieve stress concentration occurring in the rotating body; among the three, increasing the GAP at the connection part was the most effective. However, increasing the GAP causes an increase in the horizontal displacement of the sole plate, which can ultimately contribute to track deformation. Considering that the speed of trains decelerated by earthquakes is 200 km/h or less, the horizontal displacement obtained from the analysis satisfies the design criteria.
Based on the research results, it was confirmed that the precise non-linear analysis model successfully predicts the failure behavior of the actual bearing. This can significantly contribute to the maintenance of bearings. Furthermore, among the economic improvement measures, increasing the GAP effectively increased the service life by reducing the maximum stress acting on the rotating body, while the horizontal displacement satisfied the design criteria for railway bridges. However, other improvement measures showed an increase in maximum stress, suggesting that modifying specifications could cause fatal problems for the bearing; thus, rigorous verification is deemed necessary when modifying specifications.

목차 (Table of Contents)

• 표목차ⅳ
• 그림목차 ⅵ
• 국문초록 ⅸ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 연구 범위 및 내용 4
• 제3절 논문의 구성 5
• 제2장 국내 교량 설계 기준 6
• 제1절 한계상태 6
• 제2절 설계 하중 8
• 2.1 표준 열차 하중 8
• 2.2 철도교의 시제동하중 9
• 제3절 설계 하중 조합 10
• 제4절 내진 설계 17
• 4.1 설계 지반 운동 17
• 4.2 해석 방법 19
• 4.2.1 스펙트럼 가속도 19
• 4.2.1.1 암반 지반 스펙트럼 가속도 19
• 4.2.1.2 토사 지반 스펙트럼 가속도 20
• 4.2.2 내진 설계 해석 방법 21
• 4.2.2.1 등가 정적 하중법 21
• 4.2.2.2 응답스펙트럼 해석법 21
• 4.2.2.3 시간 이력 해석법 21
• 4.3 지진 격리 설계 22
• 4.3.1 지진 격리 교량 22
• 4.3.2 지진 격리 받침 26
• 4.3.3 마찰 요소 26
• 제3장 편심 회전체 스페리컬 받침 28
• 제1절 지진 격리 받침 28
• 1.1 일반적인 격리 시스템 28
• 1.2 스페리컬 받침의 원리와 재료 31
• 1.3 스페리컬 받침의 종류 32
• 1.3.1 기본 형식 32
• 1.3.2 상부 곡면 스페리컬 받침 32
• 1.3.3 DSSI bearing(double spherical seismic isolation bearing) 33
• 1.4 스페리컬 받침의 문제점 34
• 제2절 편심 회전체 스페리컬 받침 34
• 2.1 편심 회전체의 원리 34
• 2.2 기존 받침과 비교 37
• 2.3 편심 회전체 스페리컬 받침 실제 시험 결과. 38
• 제4장 해석 모델 40
• 제1절 교량 모델 40
• 제2절 제2절 정밀 비선형 해석모델 41
• 제5장 교량 및 정밀 비선형 모델 해석 45
• 제1절 교량 해석 45
• 1.1 입력 지진파 45
• 1.2 모드 해석 49
• 1.3 지진 응답 해석 결과 52
• 제2절 정밀 비선형 모델 해석 55
• 2.1 설정 조건. 55
• 2.2 해설 결과 56
• 제6장 설계 최적화 61
• 제1절 경제적 설계 개선 방안 61
• 1.1 편심 회전체 모서리 곡률 적용 61
• 1.2 솔플레이트 아랫 부분 모서리 곡률 적용 64
• 1.3 편심 회전체와 고정핀 사이 Gap 적용 65
• 제2절 해석 결과 68
• 1.1 편심 회전체 모서리 곡률 적용. 68
• 1.2 솔플레이트 아랫 부분 모서리 곡률 적용 71
• 1.3 편심 회전체와 고정핀 사이 Gap 적용 74
• 제7장 결론 79
• 참고문헌 81
• ABSTRACT 85