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과제기본정보

토공노반 최적두께 산정을 위한 설계표준기술연구2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 06TRPI-C043260-02
국가과학표준분류 1순위 건설·교통 | 교통시설·수단·환경 기술 | 철도 시설물 설계·최적화 기술 적용분야 -
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 토공노반 최적두께 산정을 위한 설계표준기술연구
주관연구기관 한국철도기술연구원
총괄연구 책임자 성명 최찬용
소속 한국철도기술연구원 직위 센터원
기관 대표번호 031-460-5000 FAX 031-460-5814
총 연구기간 2005-06-30 ~ 2008-06-29
당해연도 연구기간 2006-06-30 ~ 2007-06-29

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 265,000,000 0 0 0 265,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 우리나라의 철도시설은 2003년도 선로 총연장은 6,845km, 영업거리는 3,140km로 연평균 2.1%씩 증가하고, 열차 운행 빈도 증가와 고속화에 따라 2004년에는 고속철도 신선 건설로 선로 총연장 및 영업거리 등이 증가됨에 따라 선로 총연장은 7,503㎞, 영업거리는 3,388㎞로 늘어났으며, 국가기간 교통망계획(1999) 및 21세기 국가철도망 구축 기본계획수립(1998)에 따르면 2006년 영업연장이 3,546km로 증가할 전망이다. 또한, 기존의 주요 간선철도는 기본적으로 고속철도 신설선로와 연결하여 고속철도 차량을 직접 운행할 수 있도록 기존 선로의 개량 및 전철화공사가 지속적으로 이루어질 전망이다.
과거의 철도시설은 대부분이 과거의 경험에 의존한 설계/시공만으로 선로가 구축되어 왔으나, 최근 들어 고속철도의 도입으로 철도노반의 중요성이 인식하여 철도토목공사전문시방서개정(1999) 및 철도설계기준(2001)을 제정하고 철도설계편람(2004)을 작성하여 철도노반에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 특히, 강화노반의 도입으로 노반의 고질적인 문제점인 분니발생 억제 등 자갈도상궤도의 생력화에 기술적 발전을 거두고 있다. 그러나, 강화노반에 대한 정확한 두께 산정이 이루어지고 있지 않고 있으며, 일본에서 설계시공 되어져 오고 있는 방법을 그대로 답습하고 있는 실정이다. 이러한 강화노반두께 증가는 안전측의 설계이기는 하나 경제적이지 못한 설계가 될 수 있으므로 열차 주행안정성과 승차감 궤도의 유지보수와 경제성을 고려한 최적의 강화노반두께 산정은 필요하다. 또한, 이러한 철도 노반두께에 영향을 미치는 여러 가지 요인들에 대한 정량적인 분석과 검증을 통한 한국철도환경에 적합한 노반 설계하는 연구가 필요하다고 판단된다.
일반적으로 철도노반두께를 산정하는 설계기법으로는 지반반력계수(k30)에 의한 방법과 변형계수(Ev)를 이용한 다층이론(multi-layered theory)에 근거를 둔 등가방법(equivalent method)에 의해 구하는 방법이 있다. 우리나라 및 일본(고속전철사업기획단, 1991a, 1991b;고속전철핸드북, 1993;RTRI, 1992)에서는 전자의 방법을 사용하고 있으며, 독일 및 유럽(Deutsche Bundesbahn, 1975; DB Netz, 1999; Baum, 1982; Selig & Water, 1995)에서 후자의 방법인 변형계수를 이용하여 설계하고 있다. 일반적으로 노반의 파괴는 초기하중에 의해 발생되는 것이 아니라, 열차의 반복하중과 수문학적 요인 등에 의해 복잡하게 발생하기 때문에 변형계수에 의한 노반두께 산정방법이 더 합리적이라 사료된다.
따라서, 본 연구에서는 일반철도와 고속철도에 적용되고 있는 강화노반두께에 대해 열차반복하중 뿐만 아니라 수문학적 특성을 가미한 보다 합리적이며, 과학적인 노반두께를 산정하여 경제적이며 안정한 토공노반을 구축하고 IT기술을 활용하여 설계, 해석의 과정을 모두 포함할 수 있는 토공노반 설계자동화 프로그램을 개발하고자 한다. 이를 통해 토공노반 설계의 독자적인 기술 보유 및 기술 수출로 고속철도 보유국으로서의 자존심을 제고시키고자 한다.
최종목표 토공노반의 최적두께 산정을 위한 설계자동화 프로그램 개발
- 우리나라 실정에 맞는 철도강화노반의 최적두께를 산정하기 위한 설계법을 개발하고 IT기술을 접목시킨 토공노반 설계자동화 프로그램 개발
(본 연구의 최종목표로 설정한 “토공노반 최적두께 산정을 위한 설계 자동화 프로그램 개발”은 신설철도 시공시 체계적이고 합리적인 설계방법으로 표준화된 설계방법으로 건설비 저감을 통해 경제성을 확보하며, 철도노반설계에 대한 모방기술을 탈피하여 선도할 수 있는 기틀을 마련하여 고속철도 기술보유국으로 기술력 자립을 목적으로 하였다. 본 연구에서 개발하고자 하는 설계자동화 프로그램은 설계, 해석단계를 포함한 광범위 개념의 프로그램이며, 적절한 시공이 되도록 품질관리기준에 대한 새로운 개념의 다짐품질관리기준을 제시한다. 이를 위해 3년의 연구기간으로 1차년도에는 토공노반 최적두께 산정을 위한 설계법 및 품질관리방안, 설계에 사용되는 노반재료의 동적물성값, 강화노반 설계법을 면밀히 검토하여 국내 토공설계의 기술적 한계점과 개선방안을 도출하였다. 2차년도에는 설계법을 개선시키는 방법에 대한 연구와 합리적으로 토공노반의 설계할 수 있는 설계 표준사양을 개발하고 새로운 개념의 강화노반설계법을 활용한 강화노반두께 산정프로그램을 개발할 예정이다. 또한, 2차년도에는 시스템을 통합할 수 있는 자동화 프로그램 기본설계를 완료하여 설계, 해석을 수행할 수 있는 패키지된 상품을 개발할 예정이다. 3차년도에는 통합자동화 프로그램을 완성도를 높이기 위하여 전문가 집단의 의견수렴을 반영하고 개선된 다짐품질관리시험방법에 대하여 제시할 예정이다. 품질관리방안에 대한 시공지침(안)을 수립하여 설계조건과 시공조건간의 차이를 최소화 시킬 예정이다. 따라서, 본 연구는 핵심기술은 토공노반에 대한 자동화된 프로그램을 통해 토공노반에 대하여 설계, 해석, 품질관리방안을 모두 포함되는 제품 또는 공정개발의 성격을 가진다.)
연구내용 및 범위 국내외 노반설계방법 및 노반두께 산정방법에 대한 기준분석
(흙쌓기/땅깍기/암반상에서의 노반두께 산정에 대한 기준분석; 고속철도/일반철도의 노반두께 산정방법; 국내외 노반두께 산정을 위한 방법에 대한 종합적 검토)
상？하부노반의 다짐관리
(상？하부노반에 대한 열차하중에 영향범위; 다짐관리방법 및 노반관리 방법에 대한 검토)
허용침하량, 소성침하량, 열차하중에 대한 수직분담율에 대한 기준분석 및 제안
(허용탄성침하량 2.5mm에 대한 재정립 및 제안; 노반의 허용소성침하량, 최소지지력 평가; 열차하중에 대한 수직하중분산효과 재평가 및 제안)
강화노반두께 실태조사(상태평가)
(고속철도/일반철도의 강화노반두게 실태조사; 현장부설시험구간내(평택)의 SASW시험, GPR, FWD, 보오링, 인홀시험 등 지반상태평가; 평택현장부설시험구간에서의 보수 및 궤도틀림자료 분석)
철도노반재료의 동적물성치 측정방법과 동적물성치로부터의 노반설계정수 추정방법 개발
(노반재료별(토사노반, 강화노반) 동적물성치 산정방법; 기존 노반설계 물성치 (k30, MR)와 동적물성치의 상관관계 분석; 재하회수(열차운행회수)에 따른 동적물성치의 변화; 재료의 함수비에 따른 동적물성치의 변화)
철도노반재료물성의 데이터베이스 구축 및 활용방안 수립
(다양한 지반조건 (함수비, 재령, 단위중량 등)과 하중조건(재하회수)의 노반재료에 대한 노반설계정수, 동적물성치의 정보화)

강화노반 아스팔트콘크리트층 유무에 따른 노반영향 평가
(모형실험을 통한 아스팔트층의 기능 및 효과분석; 수치해석을 통한 아스팔트 층의 효과분석; 아스팔트 두께 산정 검토 및 미 설치시 고려사항 검토)
지지력계수와 탄성계수와의 상관모델 개발
(지지력계수와 탄성계수에 의한 품질관리시험법의 현장 적용성 시험; 탄성계수에 대한 품질관리시험법 개발; 탄성계수와 지지력계수와의 상관성 및 설계활용방안 수립)
철도강화노반의 파손모델 개발
(환경변화 및 시험조건에 따른 탄성계수의 변화분석; 시일경과에 따른 탄성계수의 변화 분석; 실내, 현장시험조건에 따른 설계물성의 변화)
강화노반의 파손모델 개발
(평택 강화노반 현장시험을 통한 노반의 내구성평가; 장기거동을 통한 도상자갈의 궤도틀림 진행성 평가)
강화노반 두께 설계영향인자에 대한 표준사양 개발
(새로운 강화노반 설계법에 대한 보완 및 표준사양 개발; 설계영향인자별 정량화 및 Case Study를 통한 보완)
철도환경을 고려한 운행선상에서 최적의 노반 동적물성치 평가방법의 결정
(운행선상에서의 노반 동적물성의 평가방법 제안; FWD, DCP, SASW, In-Hole기법 중에서 최적 방법 제시; 최적 동적방법 선정을 위한 신뢰성, 적용성 평가; 운행선상에서의 동적계측을 위한 지침서 수립)
사용자 인터페이스 환경에서의 철도전용프로그램 개발
(철도환경을 위한 프로그램 기본설계 및 사양검토; 토공구간에서의 입력치 필요 data 검토)

변형계수를 이용한 강화노반 설계법 개발
(현장시험을 통한 철도하중이 경험하는 층별 거동과 수치해석과의 비교분석; 변형계수를 이용한 강화노반 설계방법의 설계기준 정립)
통합자동화 프로그램 구성을 위한 인터페이스 기술
(각 구성모듈별 인터페이스 구성 및 체계화; 구성모듈별 입력, 출력 관리 인터페이스; 프로젝트 정보입력 및 해석인터페이스; 프로그램내 모듈검토 및 기능사항 검토 확장; 토공노반 설계자동화 프로그램 인터페이스 완성; 통합자동화 프로그램 사용자 매뉴얼)
토공노반 구조해석 프로그램 개발
(사용자의 편의성 및 설계 실무환경을 반영한 철도전용 해석프로그램 개발; Pre-post 기능강화; 사용자 요구 사항 수렴 및 편의성 검토; 개발프로그램의 상용프로그램과의 비교분석)
소성을 이용한 강화노반두께 산정지표 이론정립
(설계지표의 이론정립 및 방법론 정립; 설계지표에 대한 의견수렴 및 수정보완)
탄성계수를 이용한 다짐품질관리 방안 및 시험법 개발
(탄성계수를 이용한 품질관리 시험법의 적용성(현장, 실내); 대체 품질관리 시험법 개발(변형계수 이용))
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 “토공노반 최적두께 산정을 위한 설계 자동화 프로그램 개발”은 신설철도 시공시 체계적이고 합리적인 설계방법으로 표준화된 설계방법으로 건설비 저감을 통해 경제성을 확보하며, 철도노반설계에 대한 모방기술을 탈피하여 선도할 수 있는 기틀을 마련하여 고속철도 기술보유국으로 기술력 자립을 목적으로 하였다. 본 연구에서 개발하고자 하는 설계자동화 프로그램은 설계, 해석단계를 포함한 광범위 개념의 프로그램이며, 적절한 시공이 되도록 품질관리기준에 대한 새로운 개념의 다짐품질관리기준을 제시한다. 이를 위해 3년의 연구기간으로 1차년도에는 토공노반 최적두께 산정을 위한 설계법 및 품질관리방안, 설계에 사용되는 노반재료의 동적물성값, 강화노반 설계법을 면밀히 검토하여 국내 토공설계의 기술적 한계점과 개선방안을 도출하였다. 2차년도에는 설계법을 개선시키는 방법에 대한 연구와 합리적으로 토공노반의 설계할 수 있는 설계 표준사양을 개발하고 새로운 개념의 강화노반설계법을 활용한 강화노반두께 산정프로그램을 개발할 예정이다. 또한, 2차년도에는 시스템을 통합할 수 있는 자동화 프로그램 기본설계를 완료하여 설계, 해석을 수행할 수 있는 패키지된 상품을 개발할 예정이다. 3차년도에는 통합자동화 프로그램을 완성도를 높이기 위하여 전문가 집단의 의견수렴을 반영하고 개선된 다짐품질관리시험방법에 대하여 제시할 예정이다. 품질관리방안에 대한 시공지침(안)을 수립하여 설계조건과 시공조건간의 차이를 최소화 시킬 예정이다. 따라서, 본 연구는 핵심기술은 토공노반에 대한 자동화된 프로그램을 통해 토공노반에 대하여 설계, 해석, 품질관리방안을 모두 포함되는 제품 또는 공정개발의 성격을 가진다. -국내외 노반설계방법 및 노반두께 산정방법에 대한 기준분석
-흙쌓기/땅깍기/암반상에서의 노반두께 산정에 대한 기준분석
-고속철도/일반철도의 노반두께 산정방법
-국내외 노반두께 산정을 위한 방법에 대한 종합적 검토
-상.하부노반의 다짐관리
-상.하부노반에 대한 열차하중에 영향범위
-다짐관리방법 및 노반관리 방법에 대한 검토
-허용침하량, 소성침하량, 열차하중에 대한 수직분담율에 대한 기준분석 및 제안
-허용탄성침하량 2.5mm에 대한 재정립 및 제안
-노반의 허용소성침하량, 최소지지력 평가
-열차하중에 대한 수직하중분산효과 재평가 및 제안
-강화노반두께 실태조사
(상태평가)
-고속철도/일반철도의 강화노반두게 실태조사
-현장부설시험구간내(평택)의 SASW시험, GPR, FWD, 보오링, 인홀시험 등 지반상태평가
-평택현장부설시험구간에서의 보수 및 궤도틀림자료 분석
-철도노반재료의 동적물성치 측정방법과 동적물성치로부터의 노반설계정수 추정방법 개발
-노반재료별(토사노반, 강화노반) 동적물성치 산정방법
-기존 노반설계 물성치 (k30, MR)와 동적물성치의 상관관계 분석
-재하회수(열차운행회수)에 따른 동적물성치의 변화
-강화노반 아스팔트콘크리트층 유무에 따른 노반영향 평가
-모형실험을 통한 아스팔트층의 기능 및 효과분석
-수치해석을 통한 아스팔트 층의 효과분석
-아스팔트 두께 산정 검토 및 미 설치시 고려사항 검토
-지지력계수와 탄성계수와의 상관모델 개발
-지지력계수와 탄성계수에 의한 품질관리시험법의 현장 적용성 시험

ㅇ 탄성계수에 대한 품질관리시험법 개발

ㅇ 탄성계수와 지지력계수와의 상관성 및 설계활용방안 수립
-철도강화노반의 파손모델 개발
-환경변화 및 시험조건에 따른 탄성계수의 변화분석

ㅇ 시일경과에 따른 탄성계수의 변화 분석

ㅇ 실내, 현장시험조건에 따른 설계물성의
-통합자동화 프로그램 구성을 위한 인터페이스 기술
-각 구성모듈별 인터페이스 구성 및 체계화
-구성모듈별 입력, 출력 관리 인터페이스
-프로젝트 정보입력 및 해석인터페이스
-프로그램내 모듈검토 및 기능사항 검토 확장
-토공노반 설계자동화 프로그램 인터페이스 완성
-통합자동화 프로그램 사용자 메뉴얼
-강화노반두께 산정 프로그램
-베터버전 테스트 의견수렴 및 수정보완
-통합 자동화 프로그램과의 상호 인터페이스 구축
-철도전용해석프로그램 개발
-사용자의 편의성 및 설계 실무환경을 반영한 철도전용 해석프로그램 개발
-Pre-post 기능강화
-사용자 요구 사항 수렴 및 편의성 검토
-개발프로그램의 상용프로그램과의 비교분석
-탄성계수를 이용한 다짐품질관리 방안 및 시험법 개발
-탄성계수를 이용한 다짐품질관리 시험법의 타당성
-실무자를 위한 시공지침서(안) 수립 변화
-강화노반의 파손모델 개발

ㅇ 평택 강화노반 현장시험을 통한 노반의 내구성평가

ㅇ 장기거동을 통한 도상자갈의 궤도틀림 진행성 평가
-강화노반 두께 설계영향인자에 대한 표준사양 개발
-새로운 강화노반 설계법에 대한 보완 및 표준사양 개발

ㅇ 설계영향인자별 정량화 및 Case Study를 통한 보완
-철도환경을 고려한 운행선상에서 최적의 노반 동적물성치 평가방법의 결정
-운행선상에서의 노반 동적물성의 평가방법 제안

ㅇFWD, DCP, SASW, In-Hole기법 중에서 최적 방법 제시

ㅇ최적 동적방법 선정을 위한 신뢰성, 적용성 평가
-운행선상에서의 동적계측을 위한 지침서 수립
-사용자 인터페이스 환경에서의 철도전용프로그램 개발
-철도환경을 위한 프로그램 기본설계 및 사양검토

ㅇ토공구간에서의 입력치 필요 data 검토

ㅇ해석을 위한 3D 자동유한요소 Mesh 생성

ㅇ해석을 위한 자동 입력 Data 생성
-재료의 함수비에 따른 동적물성치의 변화
-철도노반재료물성의 데이터베이스 구축 및 활용방안 수립
-다양한 지반조건 (함수비, 재령, 단위중량 등)과 하중조건(재하회수)의 노반재료에 대한 노반설계정수, 동적물성치의 정보화
연구성과 기술적 기대성과 ㅇ 신설토공노반 설계에 활용
ㅇ국가 철도설계기준서의 기초자료 활용
ㅇ새로운 강화노반두께 설계법 개발을 통한 기술자립
ㅇ토공설계 자동화프로그램 개발
ㅇ지반 동적물성치 설계정수의 D/B화 및 평가지침서 개발
사회 경제적 파급효과 ㅇ국내외 노반설계자료 분석을 통한 체계적인 노반기준정립
ㅇ경제적이며 반영구적인 노반설계를 통한 유지보수비용의 절감
ㅇ노반설계관리 및 품질관리를 위한 기준서 마련
ㅇ강화노반두께 산정 프로그램 개발을 통한 설계시간의 단축 및 비용절감
ㅇ강화노반두께 5cm 절감시 공사비 약 16% 절감
ㅇ노반상태평가를 통한 합리적인 유지보수주기 분석
활용방안 ㅇ본 연구를 통해 개발된 토공노반 설계자동화 프로그램은 설계와 해석을 동시에 수행하고 설계 당시 조건을 충분히 확보하기 위하여 시공상 품질관리방법을 합리적으로 개선하여 설계초기조건을 확보하는 기술임. 이러한 기술결과를 바탕으로 구체적인 활용방안을 서술하면 다음과 같다.

①토공노반의 설계 및 해석 통합 자동화 S/W의 개발
②국가 설계기준서의 기초자료로 활용
③탄성계수에 근거한 노반 품질관리방안 및 암성토에 대한 다짐관리기준 제시
④동적설계정수에 대한 합리성 평가를 통한 철도, 도로설계 활용
⑤철도전용해석을 통한 보다 빠르고 쉽게 설계 적용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 철도노반 강화노반 표준화 설계프로그램 품질관리
영문 Railroad roadbed Reinforced roadbed Design Standard Design Program Maintenance Quality
최종보고서
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최종보고서 0717_토공노반 최적두께산정을 위한 설계표준 기술연구.pdf   다운로드

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