강박스거더 철도교량의 동적거동 및 진동저감 방안 분석

1. 서 론

최근 많은 국가에서 교통체증, 환경문제 등으로 철도 인프라 구축에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히 고속철도의 운행은 철도분야의 발전을 이끌고 있다. 한국에서도 고속철도 교통 네트워크구축이 계획되고 진행 중에 있다.

우리나라의 경우 지형의 특성상 많은 교량과 터널이 건설되어 있으며 철도상 교량의 수는 3,025개이다. 교량의 총연장은 전체 철도선로의 연장 2,185,312km 중 429,184km로 전체의 20%를 차지하고 있다^[1]. 도로교와 철도교는 주행하는 차량으로 인해 교량구조에 진동과 처짐을 갖게 되는데, 철도교의 경우 이러한 진동과 처짐이 철도교의 구조적 안정성과 함께 사용성에 문제를 일으킬 수 있기 때문에 세심한 검토가 필요하다^[2],[3],[4]. 또한 열차 속도에 따른 공진 가능성은 설계단계에서 반드시 검토해야할 문제이다^[5].

여러 가지 형식의 철도 교량중 강교는 강성 대비 중량이 콘크리트교보다 상대적으로 가볍기 때문에 진동에 취약할 수 있다. 본 논문의 목적은 강박스거더 철도교량의 열차 주행에 따른 동적 거동을 분석하고 가속도 진동레벨을 감소시키기 위한 적절한 보강 방안을 제시하는 것이다. 이를 위하여 3개의 강박스거더 철도교에 대하여 여러 형식의 열차 주행에 따른 처짐 및 가속도를 장기간 계측하여 설계기준에서 제시하고 있는 제한값의 초과 여부를 분석한다. 또한 상용 구조해석 프로그램을 이용하여 이동하중에 의한 구조 해석모델을 구축하고 실험 결과를 이용하여 모델의 적정성을 분석하였다. 이를 통하여 교량의 동적 거동, 즉 처짐이나 가속도의 수준을 감소시키기 위하여 단면 증대, 질량 증대, 감쇠비 증감 등에 의한 영향을 분석하고 적절한 진동저감 방안을 제시한다.

2. 현장 계측

2.1 대상 교량

교량의 동적거동 분석을 위해 현재 공용 중인 철도교량의 처짐과 가속도를 측정하였다. 대상교량은 중앙선상의 A교, B교와 경부선상의 C교이며, 모두 단경간의 강박스거더교이다. 세 교량 모두 교량 경간의 중앙에 처짐계와 가속도계를 설치하여 A교와 B교는 상행, C교는 하행으로 열차가 통과할 때의 처짐과 가속도를 측정하였다. 통과할 때 또한 열차의 윤중을 측정하여 축거와 열차의 속도를 계산하였으며 각 교량에서 40일 이상 측정하였다. 계측 구간 및 기간은 Table 1과 같다. 계측 센서의 위치는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Sensor location of A bridge

2.2 계측 결과

경간 중앙에서 측정된 처짐과 가속도를 열차의 최대 축 중량과 운행 평균속도에 따라 정리하였다. Fig. 2는 교량 A의 계측 결과로서 DT1과 ACC1은 A교, B교는 상행, C교는 하행의 처짐과 가속도, DT2와 ACC2는 반대 방향의 처짐과 가속도를 나타낸다. 각 교량에서 측정된 평균속도, 최대 축중량, 처짐, 가속도 값을 Table 2에 정리하였다.

Fig. 2.

Deflection and acceleration by wheel load and velocity (A bridge)

2.3 설계기준값과의 비교분석

철도 교량에서는 주행안전성과 승차감으로 사용성을 검토한다^[6]. 철도설계기준(노반편)^[7]에 따르면 주행안전성 기준은 동적 구조해석 및 현장 계측 시에 열차하중에 의해 발생하는 교량 상판의 최대 연직가속도는 자갈궤도의 경우 0.35g, 콘크리트 궤도는 0.50g를 초과해서는 안 된다. 또한 연직처짐은 충격계수가 고려된 표준 열차 하중이 불리하게 재하된 상태에서 로 고속열차의 동적 안전성 등을 포함하는 열차의 안전 확보를 위한 최소요구 조건이다. 승차감 확보에 대해서는 연직 처짐에 대한 검토를 수행하며 교량의 경간에 따라 제한 값이 다르게 나타난다^[8],[9].

기준값을 계측값과 비교하여 Table 3에 정리하였다. 처짐의 경우는 세 교량 모두 기준값에 미치지 못하지만 가속도의 경우는 중앙선상의 두 교량 모두 127%, 173%로 기준값을 초과하였고 C교량 역시 87.7%로 기준값에 매우 가까운 값으로 나타났다.

3. 해석 모델 구축 및 비교

3.1 해석 모델

본 연구에서는 강박스거더 철도교량의 동적거동 분석을 위하여 각 교량을 상용프로그램(Midas Civil 프로그램)을 이용하여 모델링하였다(Fig. 3). 강박스와 슬래브의 경우는 Plate Element, 가로보의 경우는 Beam Element를 사용해 모델링 하였으며, 동적해석의 정확도를 높이기 위해 2차 고정하중인 자갈도상, 침목, 레일 자중을 추가하였다. 철도설계기준(노반편)의 2차 고정하중의 값은 Table 4와 같다.

Fig. 3.

Modeling of bridges

하중은 계측결과와의 비교를 위하여 실제 계측된 축 중량과 축간 거리를 사용해 열차하중을 생성해 해석에 사용하였다. 생성된 하중은 Fig. 4와 같다. 고속철도선과 달리 현장계측 교량은 일반선로 상에 위치하기 때문에 여러 종류의 열차가 운행하고 있다. 본 연구에서는 운행 빈도수가 높은 종류의 열차를 선택하였다. 중앙선에 포함된 A와 B교의 경우 28축, 32축, 86축 열차를 선정하였고, 경부선인 C교는 24축, 38축, 54축 열차를 선정하였다.

Fig. 4.

Generated train load (28 axles)

시간이력해석(Time History Analysis)은 구조물에 동적하중이 작용할 경우에 대하여 동적평형방정식의 해를 구하는 것으로, 구조물의 동적특성과 가해지는 하중을 사용하여 임의시각에 대한 구조물의 거동(변위, 부재력 등)을 해석하는 것이다. Midas Civil을 사용한 교량의 시간이력 해석 절차는 Fig. 5와 같다. 질량 입력 방법에는 3가지가 있는데, 구조물의 질량은 Structure Mass로, 자갈도상, 침목, 레일은 Load to Mass 기능을 사용하였다. 모드중첩법을 사용한 시간이력해석은 고유치해석에 기초하므로, 반드시 고유치해석을 수행해야 한다^[10],[11]. 모델링과 계측값을 이용하여 구조물의 고유진동수^[12]를 구한 결과는 Table 5와 같다.

Fig. 5.

Fig. 5. Time history analysis procedure

시간이력해석의 시간간격은 해석결과의 정확도에 상당한 영향을 미치는 변수이며, 시간간격의 크기는 구조물의 고차모드의 주기, 하중의 주기와 밀접한 관계를 갖는다. 차량하중은 각 절점에서 일정시간이 지나면 사라지는 충격하중으로 고려되므로 차량하중의 주기를 정하기는 어렵다. 따라서 고려하고자 하는 최고차모드 주기의 1/10 이하의 시간간격을 입력한다. 본 연구에서는 0.001초의 시간간격을 사용하였다.

3.2 계측값과의 비교

대표적인 차량 주행에 대하여 각 교량의 계측값과 해석값을 비교하였다(Table 6). 처짐의 경우 계측 값과 해석 값의 추세가 유사한 것으로 나타났으며 C교의 경우 38축 열차가 통과할 경우 상대적으로 큰 처짐이 나타나는 것으로 해석되었지만 주행안전성과 승차감 기준은 만족하는 것으로 확인되었다. 하지만 가속도의 경우 A교에서 86축 열차가 통과할 때에는 28축, 32축 열차가 통과하는 경우와 비교했을 때 큰 가속도 값이 측정되어 이를 정밀하게 분석하기 위하여 속도 별 처짐과 가속도를 동적해석을 통해 확인하였다. 동적 해석을 통해 축수에 따른 열차 운행속도 별 최대 처짐과 최대 가속도를 분석하여 정리하였다. A교 분석 결과 32축 열차 통과 시 110km/h 일 경우 최대 가속도가 3.416g로 나타나는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 6). B교의 분석 결과 28축과 86축 열차 하중재하 시 유사한 경향성을 보이는 것을 확인하였다(Fig. 7). C교의 경우 24축 열차 통과 시 임계속도 294km/h 부근인 280km/h에서 가속도 1.012g, 처짐 7.935mm로 최댓값을 나타내었고 열차속도 가 증가할수록 최대 가속도가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다(Fig. 8). 임계속도는 식(1)을 이용하여 구하였으며 여기서, 는 유효타격간격으로 새마을호, 무궁화호, 틸팅열차의 경우 23.5m, 화물열차는 13.95 m, KTX와 KTX 산천은 18.7m이다. 위의 24축은 유효타격간격 23.5m를 이용하여 임계속도를 계산하였다.

Fig. 6.

Comparison of measured and analytical values (A bridge, 32-axles train)

Fig. 7.

Comparison of measured and analytical values (B bridge, 86-axles train)

Fig. 8.

Comparison of measured and analytical values (C bridge, 24-axles train)

4. 진동저감 방안

이동하중을 받는 교량의 동적거동을 분석하였고, 이를 바탕으로 진동저감방안을 제안하였다. 영향을 주는 매개변수로는 교량의 슬래브 단면 변화, 질량 추가, 감쇠비 증가 등이 있고 각각의 변수에 따른 분석 결과는 다음과 같다.

4.1 슬래브 단면 두께 증가 방안

강박스거더 철도교량의 동적거동 해석 시 슬래브 단면을 250mm, 275mm, 325mm, 350mm로 변화시켜 기존의 설계단면인 300mm와 비교하여 Table 7에 정리하였다. 동적 해석 결과 처짐의 경우 주행 안전성과 승차감은 모두 기준을 만족하는 것으로 확인되었다. 단면 변화에 따라 처짐은 A교는 최대 6.4%, B교는 6.0%, C교는 5.9% 감소하였다. 가속도의 경우, A교는 3.6%, B교는 17%, C교는 22% 감소하였다. 슬래브 단면을 증가시키는 방안은 시공상의 난이도를 고려하면 큰 효과는 없는 것으로 판단된다.

4.2 질량 추가 방안

강박스거더 교량의 진동을 저감시키기 위해 박스 안에 콘크리트를 타설하는 방법을 모델링을 통해 검증하였다^[13]. 슬래브두께를 변화시키는 방안의 경우 구조물 전체의 강성에 영향을 주지만 콘크리트를 추가적으로 타설하는 방안의 경우 구조물의 강성에는 영향을 주지 않는다. 본 연구에서는 15 이다. 기존 교량의 보강을 위하여 콘크리트 추가 타설 시 교량의 고유진동수가 변화하므로 이에 따른 임계속도 변화 역시 고려해야 한다. Table 8은 콘크리트 타설 후 교량의 고유진동수를 비교해 본 것이다. 타설량이 많을수록 질량의 증가량이 커서 고유진동수가 많이 줄어드는 것을 확인할 수 있으며 경간이 짧은B교의 경우 콘크리트 추가 타설의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다. 고유진동수의 감소는 낮은 임계속도를 유발하기 때문에 타설 전 반드시 고려해야 한다.

추가 콘크리트 타설 분석 결과, Tables 9∼11에서 확인 할 수 있듯이 모든 교량에서 가장 큰 가속도 감소 효과를 가지는 방법은 거더 전체에 콘크리트를 타설하는 것이며 각각 66.65%, 45.30%, 46.07%의 감소효과를 보였으며, 지점부근에만 콘크리트를 추가하는 경우 32.61%, 17.95%, 38.22%의 가속도 감소효과를 확인하였다. 처짐의 경우 콘크리트 타설 전과 비교해 3% 이상 차이 나는 효과를 볼 수 없었지만 주행안전성과 승차감 기준을 만족하지 않는 경우는 없었다. 거더 전체에 콘크리트를 추가하는 것이 진동저감 효과는 좋지만 시공상의 경제성을 떨어트릴 수 있고 고정하중의 증가로 하중의 증가를 유발할 수 있으므로 각 교량의 조건에 따라 경제적인 진동저감 방안을 사용해야 한다.

4.3 감쇠비 증가 방안

본 연구에서는 동적해석을 하기 위해 모드 중첩법을 사용하였다. 감쇠비의 영향을 검토하기 위해 감쇠비를 0.02, 0.03으로 변화시켜 해석하였다. 강합성구조물의 감쇠비 상한값은 경간 20m 이상의 교량에서 1%이므로^[7] 이 값을 기준으로 비교하였다.

감쇠비 분석 결과 감쇠비가 커질수록 처짐과 가속도 모두 감소하는 경향을 보였으며 처짐의 경우 큰 차이가 없었지만 가속도의 경우는 감쇠비가 1%에서 3%로 증가 시 A교는 약 4%, B교는 약 10%, C교는 약 35% 감소하였다. 감쇠비에 따른 각 교량의 처짐과 가속도 값을 Tables 12~14에 정리하였다.

5. 결 론

이 논문은 이동하중을 받는 강박스거더 철도교량의 동적거동을 분석하고 진동저감 방안을 제시하였다. 또한 실교량의 처짐과 가속도를 측정하였고 구조해석을 수행하여 계측값과 해석값을 비교하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1)세 개의 강박스거더 철도교에 대하여 주행중인 실열차에 의한 동적 거동을 계측한 결과 처짐은 설계기준상의 제한값을 만족하지만 가속도는 제한값을 상회하거나 매우 근접한 값을 보였다.

(2)강철도교의 진동 저감을 위하여 다양한 방안을 검토한 결과 거더 전체에 콘크리트 중량을 추가하는 것이 진동 저감 효과가 가장 큰 것으로 나타났다. 그러나 거더 전체에 콘크리트 중량을 추가하는 방안은 시공상의 경제성과 고정하중의 증가로 인하여 전체 하중의 증가를 유발할 수 있다.

(3)질량 추가의 방안은 구조물의 강성에는 변화가 없지만 추가적인 질량 증가로 인해 고유진동수가 변화하기 때문에 이를 고려해 임계속도를 다시 산정해야 하는 과정을 거쳐야 한다.

향후에는 질량 추가 방안에 대하여 실교량에서의 실험적 연구가 필수적이며, 다양한 강철도교 형식에 대한 추가적인 분석이 필요하다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 철도기술연구사업의 연구비 지원(17RTRP-B067919-05)에 의해 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

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