지하구조물 변위거동에 따른 콘크리트궤도 형식별 손상영향 분석 = Evaluation on Damage Effect on Different Types of Concrete Tracks induced by Displacement Behavior of Underground Structure

국문 초록 (Abstract)

침목플로팅궤도(STEDEF), 프리캐스트 패널궤도(B2S) 및 직결식궤도(System 336)와 같은 콘크리트궤도는 지하구조물 내부에 직접 부설되는 경우가 많아, 지하구조물의 융기 및 침하가 궤도 손상으로 직결될 우려가 크다. 그럼에도 불구하고 현재 유지관리 기준은 변위량과 같은 기하학적 지표에 주로 의존하고 있어, 궤도 형식별 손상 영향 범위와 손상 위치 특성을 반영한 정량적 평가기준은 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 지하구조물 변위거동이 콘크리트궤도 형식별 구조응답과 손상 특성에 미치는 영향을 분석하고, 변위거동을 조기에 진단할 수 있는 공학적 근거를 제시하였다.
이를 위해 도시철도에서 사용되는 침목플로팅궤도, 프리캐스트 패널궤도 및 직결식궤도를 대상으로 지하구조물의 상·하향 변위와 열차하중을 고려한 3차원 수치해석을 수행하였다. 콘크리트 도상 중앙부에 융기 및 침하 변위제어 및 설계 윤중을 적용하여, 레일·도상 상대변위와 콘크리트도상의 인장·전단응력을 분석하였다. 이를 통해 균열 발생 가능 위치와 손상 영향 범위를 형식별로 비교·분석하였다. 또한 침목플로팅궤도 시험체에 대해서는 융기 및 뜬 침목 조건을 모사한 모달시험을 수행하여, 지지조건 변화에 따른 궤도 고유진동수 변화를 분석하였다. 실내시험 결과, 침하 시 고유진동수는 감소하고 융기 시 증가하는 경향을 보여, 고유진동수가 지하구조물 변위거동에 따른 지지조건 변화를 평가 할 수 있을 것으로 판단된다.
수치해석결과, 융기 조건에서는 콘크리트도상 상면의 인장응력이, 침하 조건에서는 전단응력이 지배적으로 작용하며, 궤도 형식에 따라 손상 영향 범위와 취약 위치가 상이하게 나타나는 것으로 확인되었다. 침목플로팅궤도는 융기 시 손상 영향 범위가 가장 크게 나타났고, 프리캐스트 패널궤도는 융기·침하 시 패널 이음부와 침목–도상 접합부에 전단응력이 집중되는 것으로 분석되었다. 직결식궤도는 융기 시 도상 상면과 앵커볼트 하단, 침하 시 도상 하면에서 인장균열이 발생할 가능성이 높을 것으로 분석되었다.
따라서 본 연구에서 제시한 콘크리트궤도 형식별 손상 영향 범위와 취약 위치, 고유진동수 기반 평가기법은 융기·침하가 발생한 구간의 보수·보강 우선순위 결정, 속도제한 판단 및 구조물 변형 허용기준 설정 등에 활용할 수 있는 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sleeper floating track (STEDEF), precast panel track (B2S), and direct fixation track (System 336) are typical concrete slab track systems. They are often installed inside underground structures. In such cases, uplift and settlement of the structure can be directly linked to track damage. However, current maintenance criteria
mainly rely on geometric indicators such as vertical deformation. Quantitative evaluation methods that consider the damage influence range and damage locations for each slab track type are still insufficient. This study investigates how deformation behavior of underground structures affects the structural response and damage characteristics of different concrete slab track types. It also aims to provide an engineering basis for early diagnosis of such deformation. Three dimensional numerical analyses were performed for sleeper floating track, precast panel track, and diect fixation track used in urban railways. The analyses considered both upward and downward displacements of underground structures and train loads. Prescribed uplift and settlement displacements and the design
wheel load were applied at the center of the concrete track slab.
From this, the relative displacement between rail and slab and the tensile and shear stresses in the concrete slab were evaluated. Potential crack locations and damage influence ranges were then compared among the track types. In addition, modal tests were carried out on a sleeper-floating track specimen. Uplift and
loss-of-support (floating sleeper) conditions were simulated. Changes in the natural frequency of the track under different support conditions were analyzed. The test results showed a decrease in natural frequency under settlement and an increase under uplift. This indicates that the natural frequency can be used as an in
dicator for evaluating changes in support conditions caused by deformation of underground structures. The numerical analysis results showed that tensile stresses at the top of the concrete slab govern the behavior under uplift. Under settlement, shear stresses are dominant. The damage influence range and critical locations differ by track type. The sleeper-floating track showed the largest damage influence range under uplift. The precast panel track exhibited shear stress concentration at panel joints and sleeper–slab interfaces under both uplift and settlement. The direct fixation track showed a higher likelihood of tensile cracking at the top of the slab and around anchor bolt ends under uplift, and at the bottom of the slab under settlement. The findings on damage influence ranges, vulnerable locations for each slab track type, and the natural-frequency-based evaluation method proposed in this study can be used as basic data. They are expected to support decisions on repair and strengthening priorities, speed restrictions, and allowable deformation limits in sections where uplift and settlement of underground structures occur.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 절 연구 내용 및 범위 3
• 제 3 절 연구 동향 5
• 제 4 절 콘크리트궤도의 종류와 특징 10
• 1. 침목플로팅궤도 11
• 2. 직결식궤도 12
• 3. 프리캐스트 패널궤도 13
• 제 2 장 실내시험 15
• 제 1 절 개요 15
• 제 2 절 모달시험을 통한 고유진동수 분석 18
• 1. 개요 18
• 2. 고유진동수 측정결과 20
• 제 3 장 수치해석 25
• 제 1 절 개요 25
• 제 2 절 3차원 모델링 구성 26
• 1. 침목플로팅궤도 26
• 2. 프리캐스트 패널궤도 29
• 3. 직결식궤도 31
• 제 3 절 인장·전단응력 해석결과 34
• 1. 침목플로팅궤도 34
• 2. 프리캐스트 패널궤도 37
• 3. 직결식궤도 39
• 제 4 장 분석 및 고찰 43
• 제 1 절 개요 43
• 제 2 절 콘크리트도상 인장균열 발생 영향 범위 검토 44
• 1. 침목플로팅궤도 44
• 2. 프리캐스트 패널궤도 47
• 3. 직결식궤도 50
• 제 3 절 콘크리트도상 전단파괴 발생 영향 범위 검토 54
• 1. 침목플로팅궤도 54
• 2. 프리캐스트 패널궤도 57
• 3. 직결식궤도 60
• 제 4 절 변위거동에 따른 콘크리트궤도 손상 영향 분석 64
• 제 5 장 결 론 67
• 참 고 문 헌 69
• Abstract 76