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동적응답에 근거한 고속철도(KTX)교량의 단면효율화 방안

This study is proposed to give a proper span length or a sufficient section property of bridges

for the Korea high-speed railway bridge systems considering dynamic responses. Dynamic

responses like resonance and cancellation of the bridge according to the span length are ana-

lyzed using the load induced by a real Korea high-speed train model. From the consequences

of analysis, it is concluded an effective method to avoid resonance is that a critical speed must

be determined up to a level which is higher than that of design speed by improving properties

of the bridges, as below :

1. a change of the height of bridge section.

2. a change of the span-length of bridge.

3. a use of the span-length of resonance suppression.

1) 건설기술연구소 전무이사,구조기술사([email protected]) 2) 건설기술연구소 부장([email protected])3) 건설기술연구소 과장·토목구조기술사([email protected]) 4) 건설기술연구소 과장([email protected] )5) 건설기술연구소 사원([email protected])

1. 서 론

2. 매개변수선정 및 단면효율화 과정

3. 대상교량의 선정 및 정적안전성

4. 동적응답해석 및 결과 분석

5. 결과 고찰

정 휘 석1) 천 기 원2)

정 제 용4)김 철 환3) 한 창 훈5)

동적응답에근거한고속철도(KTX)교량의단면효율화방안A Study on the Properties of The High-Speed Railway Bridges

Considering Dynamic Responses

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74_유신기술회보 제15호

1. 서론

철도교량은고속의열차하중이지속적이며반복

적으로재하되므로도로교량과는적용되는하중의

크기및특성에서많은차이가있다. 특히, 고속철도

의도입이후열차의고속화에따른철도교량의동

적안정확보가매우중요한요소로인식되고있다.

그러나철도교량의설계는설계기준에의해규정

된표준열차하중을재하하여안전한단면을정적으

로설계하는것이일반적이며, 동적해석에의한안

전성 검토는 고속철도 및 특수교량의 경우에 수행

하고있다.

이와같이현행설계는 정적설계가끝난단면에

대해단순히동적거동을검토하는것으로종료되므

로 동적인 측면을 고려한 효율적인 교량의 설계는

이루어지지않고있다.

그러나 설계속도 350km/h의 경부고속철도의

경우주로 250∼300km/h의속도대에서열차가

주행하고있으며, 적용된표준형식인PSC 박스거

더 40m교량의 경우 공진이 일어나는 임계속도도

이범위의속도대에주로존재한다. 물론임계속도

주행에서동적응답이열차의주행안전성이나교량

의구조적안전성에문제가없는범위내에있도록

설계되어 있으나 현 운행선 일부 교량에서의 실측

결과는 공진에 의한 응답 시간이력이 나타나고 있

어장기적으로교량의피로및궤도의유지보수등

의 측면에서 개선의 필요가 있는 것으로 나타나고

있다.

따라서작용하중의저항에필요한소요의성능을

확보하면서동적성능측면에서효율적인교량단면

을실제사용되는고속철도교량을대상으로지간별

형식별로고찰하고자하 다.

2. 매개변수선정및단면효율화과정

2.1 매개변수의 선정

교량의운동방정식에의하여단면효율화에필요

한 매개변수를 선정하는 과정을 요약하면 다음과

같다.

운동방정식에서 감쇠계수 C는 상수이므로 교량

의 동적거동에 대한 변수는 질량(m)과 강성(K)이

다.

교량의질량과강성은단면2차모멘트(I), 단면적

(A), 교량의지간(L), 탄성계수(E) 등의함수로이

루어져있으며, 동일한지간과형식을가진교량은

단면2차모멘트와 단면적의 함수가 된다. 그러므로

교량의단면효율화를위한매개변수는다음과같이

선정할수있다.

- 강성(K)의 매개변수는단면적(A)와 단면2차

모멘트(I)이다.

- 질량(M)의매개변수는단면적이다.

2.2 단면효율화 분석과정

단면효율화 분석과정을 흐름도로 나타내면 <그

림2.1>과같다.

유신기술회보 |기술정보

mu+Cu+ Ku=f(t).. .

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3. 대상교량의선정및정적안전성

3.1 PSC 박스거더 교량

PSC 박스거더교량은경부고속철도에서사용하

고있는대표적인교량형식으로25m∼40m 경간

에서주로사용된형식이다. 동적해석수행에앞서

각PSC박스거더의경간별검토단면의선정과정은

다음과같다.

▶단면효율화 매개변수인 단면적과 단면2차모

멘트가 PSC 박스거더단면에서는 플랜지 및

웨브두께와형고이므로,

▶경부고속철도에서 적용된 40.0m 경간, 형고

(H) 3.5m의PSC박스거더표준단면을기준

으로비교대상형고를선정하 으며,

▶경간 35.0m, 공진소멸예상경간인 48.9m

(18.7m×2.5=‘46.75m’를 지지점간 거리로

가지는경간), 표준지간인40m보다상대적으

로유연한강성을가지는55.0m 등경간별로

적정형고 및 단면과 비교대상 형고를 선정하

고이에대하여정적인해석을통한안전성을

확인하 다.

분석대상경간 및 비교단면의 선정

정적 설계(정적설계하중에 대한 안전도 검토)

자유진동해석 : 단면별 고유진동수 추출단면변화에 따른 임계속도 변화 검토: 실열차 유효축간거리 18.7m(고속철도)

단면변화에 따른 Stiffness/Mass변화율 검토강성에 따른 연직동적변위/연직가속도 변화분석질량에 따른 연직가속도 분석

동적성능검토 항목에 대한 종합적 분석- 단면, 질량, 강성변화에 따른 비교

고속철도 교량 정/동적 성능요구조건에 부합되는효율적 단면 제시

<그림 2.1> 동적거동을 고려한 단면효율화 과정 흐름도

<그림 3.1> 경부고속철도 PSC 박스거더 40m 표준단면

지 간35.0m 40.0m 48.9m 55.0m

L35-H3.1 L35-H3.5 L40-H3.1 L40-H3.5 L40-H3.8 L49-H4.2 L49-H4.6L55-H4.2 L55-H4.6형 고(m) 3.1 3.5 3.1 3.5 3.8 4.2 4.6 4.2 4.6

단면적(m2) 11.516 11.974 11.516 11.974 12.319 12.777 13.236 12.777 13.236

강 성(m4) 14.457 19.403 14.457 19.403 23.677 30.162 37.584 30.162 37.584

강선제 원

15.2mm-22연선

15.2mm-19연선

5.2mm-22연선

15.2mm-19연선

15.2mm-19연선

15.2mm-22연선 15.2mm-22연선

갯 수 16ea 16ea 20ea 20ea 20ea 24ea 20ea 28ea 26ea

<표 3.1> 각 지간별 검토단면 제원

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교량의정적인구조해석은범용해석프로그램인

Midas/Civil을 사용하여 수행하 으며, 단면의

모델링은다음<그림3.2>와같다.


PSC 박스거더 L40-H3.5 응력도









<그림 3.3> PSC 박스거더 경간별 응력도

각지간별단면의응력해석결과를간략하게나

타내면다음<그림3.3>과같다.

<그림 3.2> PSC 박스거더 모델링도

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3.2 소수주형 강합성거더 교량

소수주형 강합성거더 교량은 경부고속철도에서

PSC박스거더교량보다는낮은형고가요구되는

구간에 40∼55m정도의 경간으로 적용된 교량이

다.

그특징은주거더에80∼100mm두께의후판을

적용함으로써, 열차고속주행시의 강교량 박판웨브

(12∼18mm)에발생하는피로현상을개선할수있

는장점이있어고속철도교량에도입되었다.

소수주형강합성거더교량의검토지간은사용된

교량재료에따른비교를감안하여PSC박스거더교

와동일한48.9m와55.0m을선정하 으며, 정적

인 구조해석에는 범용해석 유한요소 프로그램인

Midas/Civil을사용하 다.

각경간별주형의해석결과를간략하게나타내면

다음과같다.

<표 3.2> PSC 박스거더 단면별 중앙부 응력 요약

지 간

(단위 : Mpa)

35.0m 40.0m 48.9m 55.0m3.1m 3.5m 3.1m 3.5m 3.8m 4.2m 4.6m 4.2m 4.6m

(L35-H3.1) (L35-H3.5) (L40-H3.1) (L40-H3.5) (L40-H3.8) (L39-H4.2) (L39-H4.6) (L55-H4.2) (L55-H4.6)

상연허용응력 -16.0

발생응력 -6.1 -5.2 -7.7 -6.6 -6.0 -8.6 -7.5 -10.8 -9.7

허용응력 -3.0하연

발생응력 0.9 1.0 0.8 0.9 1.0 0.7 1.0 1.0 0.7

<그림 3.4> 소수주형 강합성거더 55m 표준단면 <그림 3.5> 소수주형 강합성거더 교량 경간별 휨응력도

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4. 동적응답해석및결과분석

수치해석 프로그램인 DABTGV를 이용하여

KTX 열차하중에대하여PSC 박스거더교량과소

수주형강합성거더교량을경간별로모델링하여동

적응답을구하 다. 교량의감쇠는Rayleigh댐핑

을이용하 으며, 감쇠비효과를PSC 박스거더의

1.0%, 강합성소수주형거더 0.5%(Eurocode 및

호남고속철도설계지침)로가정하여해석하여교량

의연직처짐, 연직가속도및단부회전각등에대해

검토하 다.

4.1 검토안별 임계속도 산정

KTX차량의임계속도와부임계속도를구하면다

음과같다.


<표 3.3> 소수주형 강합성거더 교량 경간별 조합응력(kgf/cm2, 최대정모멘트 지점)

<표 4.1> 각 교량의 KTX 열차에 대한 임계속도(km/h)

경간

(m)구 분

바닥판슬래브 주 형

비고(상연) 상부

플랜지하부플랜지

48.9

1. 합성전 0.000 658.123 -570.365

2. 2차사하중 21.308 344.758 -579.597

3. 활하중 32.449 150.313 -541.165

4. 건조수축 -7.419 195.487 -44.927

5. 온도차(±) 2.482 77.109 -17.553

6. 시동 및 제동하중(±)

3.560 21.113 -40.471

1 ＋ 2 21.308 1,002.881 -1,149.962O.K

허용응력 160 2,389 2,450

1＋2＋3 53.757 1,153.194 -1,691.127O.K

허용응력 160 2,389 2,450

1＋2＋3＋4 46.338 1,348.681 -1,736.054O.K

허용응력 160 2,389 2,450

1＋2＋3＋4＋5 48.820 1,425.790 -1,753.607O.K

허용응력 200 2,986 3,063

1＋2＋3＋4＋6 49.898 1,369.795 -1,776.525O.K

허용응력 200 2,986 3,063

1＋2＋3＋4＋5＋6 52.380 1,446.903 -1,794.078O.K

허용응력 224 3,344 3,430

55.0

1. 합성전 0.000 991.877 -865.405

2. 2차사하중 24.837 412.480 -678.534

3. 활하중 37.050 179.760 -616.121

4. 건조수축 -7.694 192.608 -45.549

5. 온도차 (±) 2.668 76.834 -18.042

6. 시동 및 제동하중 (±)

3.107 19.151 -33.405

1 ＋ 2 24.837 1,404.357 -1,543.939O.K

허용응력 160 2,335 2,450

1＋2＋3 61.887 1,584.117 -2,160.060O.K

허용응력 160 2,335 2,450

1＋2＋3＋4 54.193 1,776.725 -2,205.609O.K

허용응력 160 2,335 2,450

1＋2＋3＋4＋5 56.861 1,853.559 -2,223.651O.K

허용응력 200 2,918 3,063

1＋2＋3＋4＋6 57.300 1,795.875 -2,239.013O.K

허용응력 200 2,918 3,063

1＋2＋3＋4＋5＋6 59.968 1,872.710 -2,257.055O.K

허용응력 224 3,268 3,430

형 식 경 간 형 고 임계속도 부임계속도

PSC

박스거더

35.0m3.1m 319.16 159.58

3.5m 363.35 181.68

40.0m

3.1m 244.74 122.37

3.5m 278.74 139.37

3.8m 303.89 151.95

48.9m4.2m 221.47 110.74

4.6m 243.40 121.70

55.0m4.2m 173.87 86.94

4.6m 191.14 95.57

소수주형

강합성

거더

48.9m3.6m 242.14 121.07

4.0m 257.93 128.97

55.0m4.0m 209.26 104.63

4.7m 246.44 123.22

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4.2 해석결과 분석

일반적인고속철도교량의모델을근거로설계속

도가350Km/h임을감안하여20km/h부터향후

속도향상에 대비하여 설계초과 속도인 420km/h

까지 증속을 시키며 동적 해석을 수행하여 거동을

분석하 다.

<표4.2>는해석대상교량의경간/형고별분류와

그에사용된의미를정리하 다.

4.2.1 경간 40m 표준형식 PSC박스거더교

분석

경부 및 호남고속철도 PSC 박스거더교량의 대

표적으로사용된경간40m, 형고3.5m교량을 주

분석대상으로선정하 으며, 비교단면으로는정적

해석에의한가능한최소형고인3.1m와표준형고

3.5m보다큰3.8m를선정하 다. 또한질량의증

가에의한동적성능의비교를위하여형고3.1m에

서단면두께를증가시켜형고3.5m의질량과동

일한질량을가진단면(L40-H3.1M)을추가로검

토하 다.

<그림4.1>은각단면별, 속도별연직변위와연직

가속도의최대값을나타낸다.


<표 4.2> 경간/형고별 분류 및 의미 정리

<표 4.3>L=40m 경간에 대한 동해석 결과구 분 의 미

L40-H3.1PSC 박스거더 경간 40.0m, 형고 3.1m인 검토 단면



L40-H3.1MCASE “L40-H3.5”와 동일한 질량을갖기 위해 단면두께를 증가시킨 단면







STB-L49-H3.6

강합성소수주형거더 경간 48.9m, 주형형고 3.6m인 검토 단면

STB-L49-H4.0


STB-L55-H4.0


STB-L55-H4.7


구 분 L40-H3.1

L40-H3.5

L40-H3.8

L40-H3.1M 단위

HL 하중처짐

6.837 5.177 4.274 6.648mm

132.1% 100.0% 82.6% 128.4%

교량 강성332779 438597 529942 342818

KN/m75.9% 100.0% 120.8% 78.2%

총 질량2213.3 2268.0 2309.0 2265.7

tonf97.6% 100.0% 101.8% 99.9%

고유진동수(임계속도)

3.635(244.74)

4.141(278.74)

4.514(303.89)

3.622(243.87) Hz

(km/h)87.8% 100.0% 109.0% 87.47%

KTX하중정적 처짐

2.062 1.536 1.261 2.170mm

134.2% 100.0% 82.1% 141.3%

KTX하중동적처짐

7.824 5.899 4.843 7.640mm

132.6% 100.0% 82.1% 129.5%

최대가속도

0.3243 0.3287 0.3133 0.3105g

98.7% 100.0% 95.3% 94.5%

079-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지79


각단면별분석결과를요약하면다음과같다.

(1) 표준형고 (H=3.5m) 대비 형고를 낮춘

(H=3.1m) 경우

박스형거더단면에서플랜지나웨브의두께변화

없이높이만축소한것으로결과는다음과같다.

질량변화는2.4% 감소, 단면강성은24.1% 감

소

동적최대처짐32.6% 증가, 연직가속도1.3%

감소

동적처짐량은두단면모두L/1700인경부고

속철도 처짐기준을 만족하고 있으며, 호남고

속철도승차감기준도충분히만족시키고있다

(H3.5에서 L/6780이하, H3.1에서 L/5112

이하). 또한질량변화가거의없음(2.4%)으로

인하여연직가속도의변화량은미미(1.3%)하

다.

형고가3.5m인H3.5단면이나형고가3.1m

인H3.1단면은모두정적, 동적으로응력이나

승차감, 주행안전성 등의 측면에서 설계기준

에서 제시된 기준값을 만족시키는 데에 문제

가없는것으로검토되었다. 또한임계속도를

278km/h에서 244km/h대로내릴수있으

나, 실주행속도도대역을완전히피할수는없

었다. 따라서 단면의 형고를 낮춘 경우 동적

성능개선에미치는 향은작아동적성능개

선에효율적이지못하다.

(2) 표준형고(H=3.5m)대비 형고를 높인(H=3.8m)

경우

질량변화는1.8%증가, 단면강성은20.8%증가

동적최대처짐17.9% 감소, 연직가속도4.7%

감소

형고3.8m인H3.8단면은모두정적, 동적으

로응력이나승차감, 주행안전성등의측면에

서설계기준에서제시된기준값을만족시키며

또한 임계속도를 278km/h에서 304km/h

로높일수있다.

(3) 표준형고(H=3.5m)대비 동일질량의 형고

3.1m단면(H3.1M)의경우

H3.5단면과 동일한 질량을 가지기위해 단면

두께를증가시킨H3.1M의경우로그결과는

다음과같다.

H3.1에비하여단면강성3.0% 증가,

H3.5 대비 동적최대처짐 29.5% 증가, 연직


<그림 4.1> 단면별 연직변위,연직가속도 최대값(L=40m)

080-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지80


가속도5.5%감소.

따라서단면강성의증감없이질량만증감시키

는 것은 형고조정에 의한 단면강성조정보다

고속철도교량의 동적성능개선에 효율적이지

못하다. 단, 질량증가에의한가속도발생감

소효과가존재한다.

4.2.2 경간35m PSC박스거더교분석

35m 경간의 경우 고속철도에서 사용하는 형고

3.5m와 형고를 낮춘 3.1m에 대하여 동적응답을

검토하 으며, 그결과는 <표 4.4>와같다. 형고를

3.5m에서 3.1m로 낮춘 경우 동적처짐이 25.5%

증가하나그차이는 1.134mm로크지않으며, 연

직가속도도0.0174g정도만증가하는등동적성능

면에서는큰차이가없다. H3.1단면도임계속도가

319km/h로 300km/h 이상으로 주행속도대를

넘는다. 따라서 경간 35m의 경우 형고 3.1m와

3.5m모두실운행속도대역에서효과적이다.

4.2.3 경간48.9m PSC박스거더교분석

고속철도의경우특정열차만운행되므로공진소

멸을 유도하면 안정적인 동적거동을 확보할 수 있

는교량을설계할수있다. 공진소멸이예상되는지

지점간의거리는28.05m, 46.75m, 65.45m 등

이다.

따라서공진소멸예상지간의분석을위하여지지

점간거리46.75m에서단부켄틸레버를고려하여

48.9m를경간을검토대상으로선택하 다.

형고 4.2m를표준단면으로하 으며, 비교단면

으로4.6m 형고를선정하여동적응답결과를비교

분석하면다음과같다.


<표 4.4> L=35m 경간에 대한 동해석 결과

<그림 4.2> 단면별 연직변위, 연직가속도 최대값 (L=35m)

구 분 L35-H3.1 L35-H3.5 단 위

HL 하중 처짐4.130 3.128

mm100.0% 75.7%

강성489237 643915

KN/m100.0% 131.6%

총 질량1952.9 2001.7

tonf100.0% 102.5%


4.741(319.16)

5.397(363.35) Hz (km/h)

100.0% 113.8%

KTX 하중정적처짐

1.260 0.9387mm

100.0% 74.5%

KTX 하중동적처짐

4.441 3.307mm

100.0% 74.5%

최대가속도0.3221 0.3047

g100.0% 94.6%

081-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지81


위의표에서와같이경간48.9m의경우는공진

소멸로효과로인하여처짐및가속도의변화가다

른경간에비하여매우적음을알수있다.

4.2.4 경간55.0m PSC박스거더교분석

형고4.6m를표준단면으로선정하 으며, 비교

단면으로 정적해석에 의해 가능한 최소단면인

4.2m를 선정하 다. 55.0m 경간의 PSC박스거

더는실제경부고속철도교량에서는적용사례가없

는 장경간의 형식이지만 일반적으로 사용되는 35

∼40m 전후의 경간과의 비교분석을 위하여 포함

되었다.

해석결과를 보면, 고유진동수가 하한치인

2.23Hz에근접하고있어서경간장대화에따라교


<표 4.5> L=48.9m 경간에 대한 동해석 결과

<그림 4.3> 단면별 연직변위, 연직가속도 최대값(L=48.9m)

구 분 L49-H4.2 L49-H4.6 단 위

HL 하중

처짐

7.549 6.124mm

100% 81.1%

강성369276 454133

KN/m100% 123.0%

총 질량2937.0 3003.3

tonf100% 102.3%

고유진동수

(임계속도)

3.290

(221.47)

3.616

(243.40) Hz

(km/h)100.0% 109.9%

KTX 하중

정적처짐

2.069 1.660mm

100.0% 80.2%

KTX 하중

동적처짐

2.537 2.258mm

100.0% 89.0%

최대 가속도0.0430 0.0484

g100.0% 112.6%

<그림 4.4> 단면별 연직변위, 연직가속도 최대값(L=55m)

082-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지82


량강성이 너무 유연해져 있음을 알 수 있다. 또한

동적해석결과는공진소멸예상지간장이외의일반

경간과동일한경향을보임을알수있다.

4.2.5 경간48.9m 소수주형강합성거더교분석

주형의형고는3.6m를사용하 으며, 비교단면

으로형고4.0m를선정하 다. 공진소멸예상지간

적용으로인해PSC 박스거더교량과동일하게공

진소멸로 효과로 인하여 처짐 및 가속도의 변화가

매우적은안정적인동적성능을나타냈다. 즉, 속도

대역에상관없이KTX 열차하중에대해매우좋은

동적응답을나타낸다. <표4.7> 및<그림4.5>에결

과를정리하 다.


<표 4.6> L = 55m 경간에 대한 동해석 결과

구 분 L55-H4.2 L55-H4.6 단 위

HL 하중처짐

11.686 9.478mm

123.3% 100%

강성264620 325733

KN/m81.2% 100%

총 질량3265.4 3338.6

tonf97.8% 100%

고유진동수

(임계속도)

2.583(173.87)

2.839(191.1) Hz (km/h)

91.0% 100.0%


3.251 2.609mm

124.6% 100.0%


7.355 5.960mm

123.4% 100.0

최대 가속도0.1153 0.1131

g101.9% 100.0%

<표 4.7> L=48.9m 경간(소수주형 강합성거더)에 대한동해석 결과

구 분STB-L49-

H3.6STB-L49-

H4.0단 위

HL 하중처짐

10.271 8.195mm

100% 79.8%

강성258866 319693

KN/m100% 123.5%

총 질량2040.0 2052.9

tonf100% 100.6%


3.597(242.14)

3.831(257.93) Hz

(km/h)100.0% 106.5


3.607 3.182mm

100.0% 88.2%


4.199 3.691mm

100.0% 87.9%

최대가속도

0.0641 0.05871g

100.0% 91.6%

<그림 4.5> 단면별 연직변위, 연직가속도 최대값(소수주형강합성거더 L = 48.9m)

083-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지83


4.2.6 경간55.0m 소수주형강합성거더교분석

주형의 형고는 기존 사용된 교량 등을 고려하여

4.0m를 사용하 으며, 비교 단면으로는 형고

4.7m를선정하 다.

<표4.8>의해석결과에서강성과질량, 고유진동

수부분을같은경간의PSC 박스거더와비교하면

<표4.9>와같다.

즉, 비슷한형고에비슷한교량강성의확보에필

요한질량이소수주형강합성거더는 PSC 박스거

더의 70% 정도로서 재료특성상 단면효율성이 높

은 결과를 보여준다. 이러한 단면효율성은 거더높

이를일정치로제한시킨상태에서도강성을증가시

키기용이한장점을제공하므로PSC박스거더교보

다는장경간에서의대응성이우수한형식으로판단

할수있다.


<그림 4.6> 단면별 연직변위, 연직가속도 최대값 (소수주형강합성거더 L=55m)

<표 4.8> L = 55m 경간(소수주형 강합성거더)에 대한동해석 결과

구 분STB-L55-

H4.0STB-L55-

H4.7단 위

HL 하중

처짐

14.091 9.929mm

100% 70.5%

강성230946 306278

KN/m100% 132.6%

총 질량2364.0 2390.1

tonf100% 101.1%

고유진동수

(임계속도)

3.108(209.26)

3.661(246.44) Hz

(km/h)100.0% 117.8%

KTX 하중

정처짐

4.526 3.251mm

100.0% 71.8%

KTX 하중

최대 동적 처짐

6.498 4.788mm

100.0% 73.7%

최대가속도0.0923 0.0981

g100.0% 106.3%

<표 4.9> L=55m 경간에서 PSC 박스거더와 소수주형 강합성거더의 비교

구 분PSC 박스거더 강합성 소수주형

L55-H4.2

L55-H4.6

STB-L55-H4.0

STB-L55-h4.7

강 성(kN/m) 264620 325733 230946 306278

총질량(tonf) 3265.4 3338.6 2364.0 2390.1

고유진동수(Hz) 2.583 2.839 3.108 3.661

084-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지84


5. 결과고찰

정적설계조건을만족하는고속철도교량의지간

별단면변화를통한동적거동에대한평가후안전

성및사용성, 실주행속도대역및공진발생임계속

도등에대한평가를통해경제성및안전성에대해

합리적인교량의지간장과단면결정방향을제시하

고자하 다.

PSC 박스거더교 및 강합성 소수주형교의 강성

과질량의변동에따른동적거동의비교및분석을

수행하 다. 대상 교량으로는 복선고속철도교량으

로PSC 박스거더교(35.0m∼55.0m), 강합성소

수주형교(48.9m, 55.0m)이다.

동적거동에 따른 주요 결과를 정리하면 다음과

같다.

동일경간의 경우 단순교량에서 검토대상교량

의형고의변화에따른강성의변화는18.8∼

32.6%이며, 이에 대한 질량의 변화는 2.2∼

2.5%로강성변화에비하여작은값이다. 또한

동일지간의 검토대상교량에서 형고가 일정하

고 단면이 증감(질량 증감)이 된 경우의 동적

처짐과 최대연직가속도의 증감은 1∼2% 이

내로동적성능에미치는 향은적었다. 동일

경간의검토대상교량에서형고의감소(강성의

감소)따라 동적 처짐은 증가하나 동적처짐이

2.3mm∼7.8mm로 고속철도설계기준상의

처짐제한기준인L/1700에비하여매우작으

므로구조물안전성에 향이작다. 또한형고

의 증감에 따른 최대연직가속도의 증감은 대

부분2∼3%로변동폭이매우작다. 즉, 동일

형식내에서 단면변화에는 제한적이며, 형식

자체에대한변환검토가적극적인방법이다.

경간장의 비교측면으로는, PSC박스거더

40m 교량에 비하여 35m 경간의 교량은 현

재사용하는 단면이 임계속도가 충분히 높아

실운행속도 300km/h인 경부고속철도에서

동적성능측면에서는유리한경간장이라고할

수있다.

50∼55m 범위의장경간교량에서는정적인

하중에 저항하는 필요 형고가 높아지므로 교

량단부의 회전각, 수평변위가 증가하여 자갈

궤도 안전성의 저해요인이 증가한다. 소수주

형 강합성형거더 교량은 거더 높이가 제한된

상태로 강성을 증가시켜도 질량은 PSC박스

거더에 비해 작으므로 고유주파수 조절이

PSC박스거더에비해용이하여장경간교량에

적합하다.

동일경간의검토대상교량에서형고의변화에

따라 강성이 증감되면, 고유진동수가 증감이

되며이에따라임계속도도증감이된다. 따라

서임계속도가고속철도의실주행속도대에있

는경우형고의증감을통하여임계속도가실

열차주행속도대를 벗어날 수 있으며, 주행안

전성증대효과에의해유지보수성, 승차감등

의 측면에서 유리해진다. 따라서 실주행속도

를 임계속도와 가능한 차이를 두는 단면설계

가효과적인설계이며, 이를위하여서는PSC

박스거더교량의경우단면형고를변화시키는

것이가장효율적이다.

공진소멸지간장인 48.9m에 대한 검토결과

동적 연직처짐 및 연직가속도가 다른 지간장

에비하여매우작으며, 공진소멸의 향으로

임계속도에서의동적처짐및가속도의변화폭


085-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지85



도매우작았다. 공진소멸을활용한지간장적

용은매우효과적인방법이될수있다.

참고문헌

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2. 한국철도시설공단, 호남고속철도 설계지침(노

반편), 2007

3. UIC 776-3R, Deformation of bridges,

1st edition, International Union of

Railways, 1989

4. ERRI D214/RP9 Final Report, Rail

Bridges For Speeds > 200km/h, 1999.

5. Eurocode 1 : Actions on Structures -

Part 2 : Traffic Loads on Bridges,

2003

6. 김성일, 곽종원, 장승필, “교량의지간장과고

속전철하중유효타격간격사이의관계에따른

공진현상”, 한국지진공학회 논문집, 제 3권 2

호, pp.67-75, 1999

7. Y.B. Yang, J.D. Yau & L.C. Hsu,

“Vibration of Simple Beams due to

Trains Moving at High Speeds”,

Engineering Structures, 19(11),

pp.936-944, 1997

086-06-15 동적응답 .ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지86

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