| 연구개발개요 |
○ 철도의 무도상 교량은 일반적으로 판형교로 불리는 플레이트거더교 또는 트러스교의 주거더에 궤광을 직접 연결하는 형태의 구조로 열차 통과로 인한 충격이 직접 전달되는 구조적 특성으로 인하여 강교량으로 설계되며, 현재까지 100년 이상 공용 중인 교량도 있으며, 철도교 형식 중 가장 많이 부설되어 있는 형식 중 하나임(국토해양부 등, 2011).○ 무도상 교량은 궤광-교량이 직접 연결되는 구조적인 면 이외에도 상부구조의 자중이 교량을 통과하는 열차보다 상대적으로 경량이라는 특성 등으로 인하여 심각한 소음 및 진동이 발생하고 교량 받침 및 보자리의 손상이 잦은 단점이 있어(남보현 등, 2016) 2000년대 중반부터 상부구조를 개량하여 자갈궤도를 부설하는 유도상화를 위한 교체 또는 상부구조 변경 사업이 진행 중임.○ 무도상 교량에 부설된 궤도는 20∼50m 길이의 레일을 이음매판으로 연결하여 사용하고 있으며 거더의 온도신축으로 인한 궤도의 안정성 저하 우려로 레일장대화가 쉽게 이뤄지지 못하고 있는 상황이 나 [선로유지관리지침(철도시설공단, 2016)은 전장 25m 이상의 경우 장대레일 부설을 피하도록 규정], 유도상화 시 레일장대화를 통한 속도향상, 궤도구조 손상 방지 및 유지보수 절감 등을 기대할 수 있음.○ 이러한 장점에도 불구하고 무도상 교량에 대한 유도상화 사업은 정부 투자가 지속적이나 공용 중인 무도상 교량의 개수(판형교 443개소, 트러스교 11개소)에 비하여 소극적으로 이뤄지고 있어 장기적으로 상당수의 무도상 교량을 원형 그대로 사용해야 하는 상황임.○ 현재까지 개발되거나 적용되어온 유도상화 공법은 주로 밀어넣기 또는 크레인 작업 등으로 상부구조를 교체하거나(국토교통부 등, 2014) 기존 무도상교량을 활용한 강합성교량화 하는 방법(민경주 등, 2009) 등이 있으나, 제한된 유도상화 사업 예산을 감안할 때 현재 공용 중인 450 여개의 무도상 교량을 조속히 교체하기 어려우며 대부분 판형교에 대한 공법으로 트러스교의 경우는 유도상화 사업에도 포함되어 있지 않은 상황임.○ 유도상화 공법 이외에 무도상 교량에서 발생하는 소음？진동을 저감하여 사용성을 증진할 수 있는 방법으로는 교량 상에 부설된 레일을 장대화하는 방법이 있으며, 레일 장대화 만으로도 열차 증속, 유지보수비용 절감 등의 추가적인 효과를 기대할 수 있음.○ 현재까지 개발된 레일 장대화 공법으로는 활동체결구를 사용하는 공법(이덕영 등, 2003), 교량 침목과 거더가 자유롭게 이동하도록 하는 공법, 교량 단부에 신축이음을 설치하는 공법(황만호 등, 2017), 종방향 변위제어형 교량받침 설치하는 공법(민경주 등, 2005; 두산중공업 등, 2007) 등이 있으나, 온도 승강에 따른 궤도-교량 상호작용으로 인하여 레일에 발생하는 부가응력 및 교량 고정단에 발생하는 종방향력으로 인한 궤도 및 교량의 안전성 우려, 레일 및 침목 이외 침목복진방지앵글, 게재 앵글 등 궤도 구성품의 역학적 특성 등에 대한 정보 부족 등으로 제한적으로 적용되어 왔음.○ 교량 상에 장대레일을 부설하기 위해서는 궤도와 교량의 종방향 상호작용에 영향을 미치는 온도하중, 열차 시/제동하중과 열차수직하중 등에 대한 비선형 해석을 통한 궤도 및 교량에 대한 고도의 설계기술이 요구되며, 이러한 기술은 1980년대 이후에 정립되었으나, 현재까지 운용되고 있는 판형교 및 트러스교 등의 무도상 교량은 이러한 장대레일 해석 및 설계기술이 정립되어 있지 않은 시기에 다양한 구조와 형식 및 규격으로 건설된 상황임(국토교통부 등, 2016).○ 궤도와 교량의 안전, 안정성 및 장기사용성과 열차의 안정된 주행을 확보할 수 있도록 레일을 장대화하기 위해서는 궤도구성품의 역학적 특성 및 궤도-교량 상호작용에 대한 이론적 해석의 불확실성을 해소하고, 무도상 교량의 상태에 따른 안전성 평가 및 보강 기법과 설계 가이드라인 및 기준의 정립이 필요한 상황임.○ 특히 현행 지침(한국철도시설공단, 2016)으로는 적용이 어려운 장연장의 노후된 판형교 및 트러스교에 대한 레일 장대화는 체계적이고 심도있는 연구, 실험 및 검증이 필요하며, 최소한의 투자로 레일을 장대화할 수 있도록 하는 기술이 개발되어야 함.○ 특히 충분한 실험을 통해 레일장대화 공법의 효용성 및 기존 교량-궤도 상호작용 해석기법을 무도상 교량에 적용하여 검토 및 개선하고, 궤도구성품의 역학적 특성과 저항력을 산정하기 위한 시험기법 개발 통해 레일장대화에 따른 궤도 및 교량구조물의 역학적성질의 불확실성을 최소화할 계획임.
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| 최종목표 |
○ 기존 무도상 교량(판형교, 트러스교)에서 레일을 장대화하기 위한 설계 핵심기술 개발 및 시험시공을 통한 개발품의 성능평가.○ 기존 무도상 교량에서 궤도상태가 비교적 양호한 경우 기존 궤도구성품을 활용하여 최소의 비용으로 레일을 장대화하기 위한 핵심 제품 및 장치 개발.<1세부> 무도상 교량 장대레일화 설계 핵심기술 및 보수보강매뉴얼 개발○ 무도상 교량 상태평가기법 및 보수？보강매뉴얼 개발○ 무도상 교량 장대레일화에 따른 궤도-교량 상호작용 해석？시험？설계기술 개발○ 무도상 교량 장대레일화 설계 가이드라인 개발○ 무도상 교량 레일 장대화를 위한 기준[안] 개발○ 시험시공구간 선정, 검토 및 관리○ 시험시공구간 현장계측, 성능평가 및 보수보강 매뉴얼 검증<2세부> 기존 기존 궤도구조를 활용한 레일 장대화 장치 개발 및 시험시공을 통한 성능검증○ 침목-강거더 종방향 및 횡방향 저항력 확보를 위한 체결 시스템 개발○ 선형조정 및 충격완화용 침목 탄성받침 개발○ 무도상교량 레일장대화를 침목 개발○ 시공성 향상을 위한 부대 장비 개발○ 연구성과 적용을 위한 Testbed 설계 및 시공○ 연구성과에 대한 성능검증 인증○ 상용화 기반 구축※ 장대화시 기존 구성품 활용 대상 - 레일을 제외한 궤도구성품(체결장치 및 목침목) 및 교량 상하부 구조 전체 - 단, 일부 불량한 궤도구성품은 교체하며, 교량 상태가 불량한 개소의 보수보강 실시
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| 연구내용 및 범위 |
<연구개발 내용>○ 무도상 교량 장대레일화 설계 핵심기술 및 보수보강매뉴얼 개발 - 무도상 교량 상태평가기법 및 보수 보강매뉴얼 개발 - 무도상 교량 장대레일화에 따른 궤도-교량 상호작용 해석？시험？설계기술 개발 - 무도상 교량 장대레일화 설계 가이드라인 개발 - 무도상 교량 레일 장대화를 위한 기준[안] 개발 - 시험시공구간 선정, 검토 및 관리 - 시험시공구간 현장계측, 성능평가 및 보수보강 매뉴얼 검증○ 기존 궤도구조를 활용한 레일 장대화 장치 개발 및 시험시공을 통한 성능검증 - 침목-강거더 종방향 및 횡방향 저항력 확보를 위한 체결 시스템 개발 - 선형조정 및 충격완화용 침목 탄성받침 개발 - 무도상교량 레일장대화를 침목 개발 - 시공성 향상을 위한 부대 장비 개발 - 연구성과 적용을 위한 Testbed 설계 및 시공 - 연구성과에 대한 성능검증 인증 - 상용화 기반 구축<연구개발 성과>○ 무도상 교량 장대레일화 설계 핵심기술 및 보수보강매뉴얼 개발 - 무도상 교량 상태평가기법 및 보수？보강매뉴얼 - 무도상 교량 레일장대화 기술요건 - 무도상 교량 장대레일화 설계 가이드라인 - 무도상 교량 레일 장대화 기준[안]○ 기존 궤도구조를 활용한 레일 장대화 장치 개발 및 시험시공을 통한 성능검증 - 침목-강거더 종방향 및 횡방향 저항력 확보를 위한 체결 시스템 - 선형조정 및 충격완화용 침목 탄성받침 - 무도상교량 레일장대화를 위한 침목 - 시공성 향상을 위한 부대 장비 - 체결시스템, 탄성받침 및 시공장비 유지보수 매뉴얼□ 세부과제별 품질,성능 및 경제성 목표<1세부>● 레일 장대화를 위한 무도상 교량(트러스교/판형교)에 적용 가능● 레일 장대화를 위한 무도상 교량(트러스교/판형교) 적용 가능● 궤도 및 무도상교량 상호작용 해석 및 시험 가능● 무도상교량 궤도좌굴해석 가능● 상호작용을 고려한 궤도 및 무도상 교량의 설계 가능● 기준에 반영 가능한 레일장대화[안]<2세부>● 경제성: 유도상화 사업 공사비의 25%(15,500천원/m) 이하● 설계하중: KRL2012 ● 열차속도: 선형 및 구조물에 따른 허용최고속도(단, 해당선구 열차속도제한규정에 의하여 속도가 제한될 수 있음) ※ 레일이음에 따른 속도제한 해제● 횡저항력: 0.9 ton/침목 이상● 종저항력: 0.5 ton/체결장치 이상● 내구성능: 조립체 피로시험 200만회 통과● 선형조정성능: 궤도준공검사 기준 만족● 성능검증 및 인증 기준 통과● 기존 시공방법 대비 25%이상 향상
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