R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717RTRP-B067919-05 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 철도기술연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 철도노반 성능 및 건설비 최적화 기반기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2013-12-27 ~ 2018-06-26 | |||||
| 연구책임자 | 여인호 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
7명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
29명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 2,425,000,000 원 기업 : 240,200,000 원 계 : 2,665,200,000 원 |
총연구비 | 정부 : 18,235,000,000 원 기업 : 2,439,934,000 원 계 : 20,674,934,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국철도기술연구원 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 국내 철도망에 대한 대폭적인 확대 추진 및 ‘제2차 국가철도망 구축계획’에 따라 KTX 고속철도망 위주로 전국 주요도시를 1시간 30분대로 연결하는 목표를 달성하기 위한 예상 투자소요는 134조원이며 이를 97조원(72%수준)으로 축소하여 투자효율성을 제고할 필요가 있음 ○ 교량/궤도/토공의 공사비가 전체 철도 건설비의 약 65% 수준이므로, 교량/궤도/토공노반 설계기준 정비에 의해 철도건설비 절감효과가 클 것으로 판단됨 ○ 국내 철도교량은 정확한 이론이나 사실에 근거하지 않고 주로 경험적인 판단에 의한 허용응력설계법이나 강도설계법에 의해 설계되어 왔으나, 미국, 유럽, 일본 등 대부분의 선진국에서는 하중 및 재료 변동성의 정량적인 확률론적 개념을 토대로 국제 표준으로서의 신뢰도 기반의 설계법을 사용하고 있음 ○ 국내 철도교량 및 철도구조물의 신뢰성에 대한 연구는 부분적으로 수행되어 왔으나, 신뢰도기반 한계상태설계기준에 대한 본격적인 연구는 현재 전혀 이루어지지 않은 상태로 철도 고속화 및 고밀도화에 대응하여 일괄적 설계가 아닌, 선구/설계속도 특성별 합리적 설계가 필요함 ○ 콘크리트 궤도의 운영 경험 부족, 열차 하중 및 환경 하중에 대한 데이터의 부족 등으로 국외 기준 및 경험적 설계가 혼재하는 콘크리트 궤도 설계의 국내 설계 기술 정립이 절실함 ○ 현재 국내 토공노반 설계기준은 고속화, 통과톤수의 증가 등 최근의 철도시스템 기술개발을 적절히 반영하지 있지 못하며 과거 국외 설계법의 일방적인 도입으로 국내 환경 및 운행조건이 반영되지 않아, 철도 교통조건과 환경조건 및 궤도구조별 토공노반 구성층의 다양한 재료특성을 효과적으로 고려할 수 있는 노반 설계기준의 개발 및 토공노반 상태 평가 시스템이 요구됨 ○ 구조물-토공 접속부 구간은 지지강성의 변화로 변형 발생의 가능성이 크고 운행 안정성에 영향을 미치며, 노반강성 불균일에 의한 노반 침하, 교량의 변형에 따른 궤도 틀림이 자주 발생하는 구간으로, 기존 접속부에서의 문제점을 예방하기 위한 획기적인 방안의 제시가 필요함 ○ 완화곡선 삽입기준과 평면선형 및 종단선형 최소길이 국내 선형 설계기준의 경우, 국외 기준을 일방적으로 도입함으로써 국내 철도 차량의 기술 특성을 고려하지 못하고 있는 상태로 국내환경을 고려한 일부 낙후된 선형 설계기준의 개선이 요구됨 ○ 철도 교량 장경간화 및 상·하부구조 슬림화, 궤도 유지보수 저감을 위한 궤도/교량 상호작용을 고려한 궤도/교량 인터페이스 설계기준을 개선하고자 함. ○ 철도교량 하부구조에 많이 채택되는 구형(사각형) 중공단면 RC 교각은 내진설계시 단면제원이 커지는 탄성설계 방법으로만 적용되고 있는데 이를 소성설계 방법으로 적용할 경우 단면의 축소 및 교각공사비 절감 요인이 있음에도 현행 철도설계기준(노반편)에 소성설계를 실시할 규정이 없어 적용되지 못하고 있다. 구형 중공단면 교각의 내진성능에 대한 규모 있는 실험 평가 연구를 실시하고, 그 결과에 근거하여 소성설계규정을 마련하여 철도설계기준(노반편)을 개정한다면 향후 신설될 철도교량 구형 중공단면 교각의 공사비 절감을 추진한다. ○ 그리고 현재 철도교량의 상부구조에 대부분 적용되고 있는 PSC 박스거더와 PSC-I 거더는 대부분 독일, 일본 등에서 개발된 형식을 일부 변경/향상시킨 형식이며, 도로교를 목표로 개발된 단면을 키워 철도교에 적용하여 왔다. 관행적으로 적용해온 교량 상부구조 단면은 그동안 일부 최적화 노력에도 불구하고 해외 철도교량의 단면들과 비교할 때 아직 좀 더 경제적인 설계의 여지가 남아있고 표준열차하중, 시제동하중, PSC 인장응력 등 관련 설계요소가 변화하였으므로 이를 종합적으로 고려하여 상부구조 단면을 최적화한다. ○ 연약지반구간에서 교량을 대체할 수 있는 침하억제형 토공노반구조의 개발 [최종목표] <1세부> - 신뢰도 기반 한계상태 설계법 개발 - 국내 여건을 반영한 철도토공 노반 설계기준 개발 - 철도 차량기술 발전을 반영 한 선형기준 개선 <2세부> - 궤도/교량 상호작용 효과를 정밀하게, 합리적으로 해석하고 설계하는 기법/기준과 상호작용 효과 저감이 가능한 궤도 및 교량 바닥판 구조를 개발하여 교량상 궤도의 안전성 향상 및 장대교량 설계의 자유도 증대 <4세부> - 연약지반 구간에서의 콘크리트궤도 건설시 잔류침하량 기준(30mm)을 만족하고 교량대비 건설비를 30% 이상 절감할 수 있는 경제적 침하억제형 토공노반공법 개발 <5세부> - 국내 철도산업 내수시장의 한계를 극복하기 위한 해결방안으로 글로벌 철도시장의 진출이 절실해 지고 있음. 이러한 시점에서 유럽의 철도산업 활성화에 대한 범 유럽국가 차원에서의 통합추진체계 및 기준들을 국내의 철도건설기준들과 심도 있게 비교？분석하고 이를 통하여 국내 철도산업의 미래지향적 대응체계 수립이 필요하며, 본 연구가 지향할 최종 목표는 다음과 같음 ？ 국내 철도건설기준 설정근거 및 이력조사 ？ 국내 철도건설기준 제？개정 중장기 전략 [연구내용 및 범위] <1세부> - 선구별/지역별 교량/콘크리트궤도 하중 데이터 계측 및 DB 구축 - 철도교량 하중 데이터 통계 자료 분석 - 사용성 관련 목표신뢰도 수준을 갖는 하중계수 및 저항계수 도출 · 신뢰도 이론을 바탕으로 도출된 목표 신뢰도 수준을 만족할 수 있는 하중계수 및 저항계수 산출 - 제안된 사용성관련 하중조합과 기존 기준과의 비교, 검토 - 기존 철도관련 설계기준의 주행안전성 및 승차감에 관련된 규정의 적정성 검토 - 적정성 검토 결과에 따라 한계상태설계법에 기반한 주행안전성 및 승차감의 개정안 도출 - 콘크리트궤도 파괴모델 정립을 위한 실험 수행 · 실험 데이터 분석을 통한 파괴 메커니즘 정립 및 검증 - 열차하중을 받는 콘크리트궤도의 거동 분석 - 현행 고속철도, 일반철도 교량설계는 극한한계상태의 중력방향 하중조합에 대한 목표신뢰도지수를 4.0 으로 설정하고, 이를 만족할 수 있는 하중조합계수 및 저항계수를 적용하여, 실교량에 대하여 적용하고, 기존 설계와 비교하여 합리성 및 안전성 검토 - 건설비 저감을 위한 접속부 개선단면의 KR code 개정(안) 제시 · 기 수행된 제안된 접속부 개선방안에 대하여 성능을 일부 확인하여 해당 KR code를 개정하기 위한 설계분석 및 개정(안) 제시 · 설계측면: 교대 뒷굽길이의 영향을 합리적으로 고려할 수 있는 토압이론의 다변화 교대 뒤채움재료의 내부마찰각의 설계정수, 중고속대역의 접속부 단면 · 시공측면: 교대접속 기울기의 최적단면 · 기타: 절성토 경계부, 박스부의 설계개선(안) - 동적관입 방법이 적용된 하이브리드 콘 관입기 설계 및 제작, 실내토조, 다짐완료된 현장을 대상으로 관입실험 수행 및 직접적적으로 강성특성 획득 - 표준 설계예제 구축 · 샘플로 작성된 구조계산서를 바탕으로 엑셀 자동화 표준예제 구축 · 인풋자료의 변경에 따른 자동 구조계산서 작성 - 전문가 자문 및 검토사항 반영 · 설계회사에 근무하는 전문가의 의견을 반영하여 오류 및 개선사항 검토 · 연구기간 중 수시로 의견을 청취하여 구조계산서 및 표준예제 구축시 참고 <2세부> - 궤도/교량 상호작용에 의한 궤도 응답 측정 · 자갈궤도 교량 · 콘크리트궤도 교량 - 궤도/교량 상호작용 구성요소의 물성치 실험 · 콘크리트 궤도 체결장치 종저항력 · 자갈궤도 종저항력 - 구성인자의 특성이 궤도/교량 상호작용에 미치는 영향 분석 - 상호작용의 정밀해석을 위한 개선된 해석지침 작성(2) - 개선된 상호작용 해석기법을 적용할 수 있는 연동 프로그램 작성(2) - 슬라이딩 궤도의 3차원 정밀 해석을 통한 동적 안정성 및 단부회전 대응 성능 검토 - 궤도 바닥판 고정 앵커 성능의 실험적 평가 - 철도시설공단의 철도시설성능검증 1차 기술요건 적합성 검토를 위한 설계보고서, 구조계산서, 설계도면, 공사시방서, 자재사양서, 유지보수매뉴얼, 인터페이스 검토서 작성 - 현장 시험 시공이 가능한 노선 협의 및 현장 시험 계획 수립 - 철도교량 형식별 장기거동 예측 - 장기계측 결과를 활용한 장기거동 예측 정확성 향상 기술 개발 - 설계단계에서의 장기거동 예측법 제시 <4세부> - 주관연구기관(한국철도기술연구원): ·실대형재하시험 결과를 통한 성토지지말뚝구조의 안정성, 설계기법, 시공성 검증(국제공동연구) ·해석, 실험, 본선시험부설 결과를 반영한 성토지지말뚝구조의 설계 및 시공법 정립 ·궤도지지말뚝공법의 SSI 평가를 위한 해석 및 실험 ·궤도지지말뚝공법의 내진성능평가를 위한 해석 및 원심모형시험 · 궤도지지말뚝공법용 대구경말뚝의 횡방향저항성 평가 ·궤도지지말뚝공법의 적용조건(노반) 제안 및 경제성 평가 <5세부> - 협동연구기관(서울과학기술대학교): 철도설계기준과 국제기준 비교？분석 연구(Part3), 철도설계지침 및 편람과 국제기준 비교？분석 연구(Part2) 국내 철도건설기준 설정근거 및 이력 조사보고서 작성 - 공동연구기관(한국철도시설공단): 철도건설기준 제？개정(안) 작성(2편) 철도건설기준 제？개정 중장기 전략 수립(1부) - 공동연구기관(한국철도기술연구원): 해외진출을 위한 국제화된 철도건설기준 마련(Part2) |
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| 색인어 | 한글 | 철도교량 | 콘크리트궤도 | 장대레일 | 성토지지말뚝 | 설계 기준 |
| 영문 | railway bridge | Concrete | CWR | embankment supported by pile | Design Specification | |
| 최종보고서 | 철도노반 성능 및 건설비최적화 기반기술 개발.pdf | |||||