1. 서 론

장대레일(Continuous Welded Rail, CWR)은 최소 200m 이상 연속된 레일로서 통상적으로 수 km까지 연속되며, 20~25m 길이로 단속된 정척레일과 비교하여 열차 주행 시 진동이 저감되어 승차감이 우수하고 이음매판이 없어 유지보수가 우수한 장점이 있다.

특히 250 km/h 이상의 고속 주행 열차에 있어 장대레일은 주행안정성 확보를 위하여 필수적으로 적용되어야 한다. 장대레일은 양 끝단에 레일신축이음장치가 있어 온도에 따른 신축 변위가 발생하는 가동구간(movable zone)이 양단에 최대 100m씩 발생하며, 그 사이에는 온도 변화에 따라 레일에 변위가 발생하지 않고 레일의 응력만이 변화하는 부동구간(immovable zone)이 형성된다. 부동구간에서는 온도변화 시 레일의 자유 팽창 및 수축이 구속되므로 레일의 길이 방향으로 응력이 크게 발생할 수 있어, 하절기 온도 증가 시 압축응력에 인한 좌굴(장출) 및 동절기 온도 하강에 따른 인장 응력으로 인한 파단에 대하여 반드시 검토하여야 한다.

토공 노반 및 터널 구간에서는 노반이 온도 변화로 인하여 길이 방향으로 변형하지 않기 때문에 부동구간의 응력 변화만을 고려하면 되지만, 교량 구간에 설치된 장대레일은 교량이 온도 변화로 신축하기 때문에, 교량 상부구조의 길이 방향 변위가 궤도를 통하여 레일에 전달되어 장대레일의 부동구간에 부가적인 축력 변화를 유발하는 궤도-교량 상호작용이 발생한다. 일반적으로 교량의 지점부 부근에서 축력 변화가 가장 크기 때문에 부가적으로 유발된 축력으로 레일에 발생한 응력이 레일에 파단이나 좌굴을 발생시키지 않도록 상호작용 해석을 통하여 그 효과를 반드시 검토하여야 한다.

온도 변화로 발생하는 축력 변화 외에도, 교량 구간에서 열차의 급격한 시동 및 제동으로 인한 길이 방향 하중이 교각 및 교량 상부 구조에 길이 방향 변위를 유발하고 이 변위가 궤도를 통하여 레일에 전달되어 부가 축력을 유발하게 된다. 열차의 시제동 하중에 의한 효과 역시 일반적으로 교량의 지점부에서 가장 크게 나타나므로 온도 변화로 발생하는 축력 변화와 최대 발생 지점이 근접하게 된다. 이 외에도 열차 수직 하중에 의한 교량 수직 처짐으로 인하여 레일에 다소의 응력 변화를 유발한다. 종합하면, 장대레일이 적용된 교량 구간에서는 온도변화, 시제동 및 수직 하중에 의하여 레일에 부가 축응력이 발생하며, 일반적으로 온도하중에 의한 효과가 전체 부가 축력의 50~70%로 가장 큰 비중을 차지하고, 시제동 하중에 의한 효과가 20~40% 그리고 수직하중에 의한 효과가 5~10% 정도를 차지한다.

국내 및 국외의 설계지침(Korea Rail Network Authority, 2014b; International Union of Railways, 2001; The European Standard EN 1991-1-2, 2003)에서는 온도변화, 시제동 하중 및 교량 처짐에 의하여 발생하는 레일 부가응력을 압축시 최대 72 MPa 인장시 최대 92 MPa로 제한하고 있다. 다만 콘크리트 도상의 경우에는 궤도의 횡지지력이 무한대에 가까워 레일의 좌굴 우려가 없으므로, 인장과 압축 모두에 대하여 92 MPa을 적용한다.

상호작용에 기인한 레일 부가응력은 교량의 고정지점간 거리(expansion length)가 길수록 더욱 크게 발생한다. 고정지점간 거리는 교량의 지점 배치로부터 교량이 신축할 수 있는 최대 길이를 의미하며, 단순교는 경간장이고, 연속교는 고정지점으로부터 교량 단부까지의 거리이다. 연속교가 이웃하여 배치된 경우에는 각 고정지점 간의 거리가 교량이 신축하는 최대 거리가 되므로, 이를 국내에서는 고정지점간 거리로 통칭한다. 고정지점간 거리가 길수록 교량의 변위가 크기 때문에 상호작용으로 인한 레일 부가응력이 크게 발생한다. 일반적으로 고정지점간 거리가 콘크리트교 및 강합성교는 80m 강교는 60m 이내인 경우 상호작용으로 인한 부가응력이 허용치를 초과하지 않는 것으로 알려졌다. 따라서 과거에는 상호작용 해석을 수행하지 않고 고정지점간 거리를 위와 같이 제한함으로써 레일 부가응력을 제어하기도 하였다. 하지만 이처럼 고정지점간 거리를 제한하게 되면 교량의 경간장에 제약을 받는 것은 물론 연속교를 적용하기 어려워지기 때문에 철도교량에서는 단순교만을 주로 배치하는 결과를 나아 교량 입장에서 비경제적인 설계가 되게 되어, 현재는 궤도-교량 상호작용 해석을 통하여 레일 부가 응력을 검토하도록 하고 있다. Yang et al. (2000)은 철도교량상 장대레일의 축력을 해석하기 위한 프로그램을 개발하였다. Kim et al. (2005)는 교량상 장대레일의 축력을 저감하기 위한 방안을 검토하여 제시하였고, Choi et al. (2009a; 2009b)은 고속철도와 일반철도에 대하여 장대레일 부가축력과 변위 검토를 위한 설계차트를 제안하였다. Lee et al. (2010)은 고속철도 특수교량의 장대레일 부가응력을 평가하였다.

교량의 고정지점간 거리가 불가피하게 길어 궤도-교량 상호작용에 의한 레일 부가응력이 허용값을 초과하는 경우 이를 해결하기 위하여 여러 가지 방안이 적용되고 있다. 첫째로, 교량의 거더, 교각 및 기초의 강성을 증가시키게 되면 전반적으로 교량의 변위가 감소하기 때문에 상호작용 효과를 줄일 수 있다. 하지만 이는 교량의 과다 설계를 유발할 수 있어 교량 시공 비용이 과다해지는 문제가 있다.

두 번째로, 교량의 지점부 부근에서는 레일 부가응력이 허용치를 일부 초과하면 응력이 과도하게 발생하는 지점부 부근에 활동 체결장치(zero longitudinal resistance fastener, ZLR fastener)를 적용하여 레일과 침목 사이에 종방향으로 변위를 유발하여 상호작용을 부분적으로 줄이는 방법을 적용할 수 있다. 이 방법은 손쉽게 레일 부가응력을 제어할 수 있지만 응력 저감에 한계가 있고 활동 체결장치 클램프와 레일 사이의 간극을 주기적으로 점검할 필요가 있다.

세 번째로, 교량 구간 전체에 대하여 레일 체결장치의 체결력을 낮추어 체결장치의 종방향 저항력을 일반 체결장치의 40 kN/m보다 작은 22 kN/m로 저감시킨 저체결력 체결장치(reduced longitudinal resistance fastener, RLR fastener)를 적용하여 교량구간 전체에 대하여 레일의 변위를 증가시켜 응력변화를 줄이는 방법이 있다. 이 방법은 체결장치의 교체만으로 상호작용 효과를 저감시킬 수 있는 장점이 있지만 저감시킬 수 있는 폭이 제한적이며, 체결력 저하에 따른 레일 변위 증가에 대하여 검토할 필요가 있다.

마지막으로, 고정지점간 거리가 400m 이상인 경우에는 레일 부가응력이 특수 체결장치를 통하여 제어할 수 없을 정도로 크기 때문에, 교량 단부에 레일 신축이음장치를 설치하여 설치된 개소의 레일 응력의 절대값을 0으로 설정하여 응력을 제어하는 방법이 있다. 이 방법은 고정지점간 거리가 긴 장경간 연속교나 특수 교량에서 상호작용 문제를 해결하기 위하여 적용되지만, 레일신축이음장치는 완화곡선구간 및 종구배가 있는 구간에서는 설치가 어려우며 신축이음장치가 놓이는 노반, 교대 또는 교량이 견고한 기반을 제공하여야 한다. 또한, 레일신축이음장치에 대한 상시적인 유지보수가 요구되며, 열차의 고속 통과 시 주행 안정성에 대하여도 면밀한 검토가 요구된다.

이처럼 궤도-교량 상호작용에 의한 레일 부가응력을 해결하기 위한 여러 방법이 있으나, 각각은 저감 정도에 한계가 있거나 설치에 따른 부수적인 문제점을 유발할 가능성이 있다. 이 연구에서는 이러한 상호작용을 궤도 시스템 차원에서 저감하기 위한 또 다른 대안으로 교량 바닥판 상면과 콘크리트 궤도 저면 사이에 슬라이드층을 형성한 궤도 시스템(이하 슬라이딩 궤도라 칭한다)을 제시하고, 궤도-교량 상호작용 해석을 통하여 장대레일의 부가 축응력을 평가하여 슬라이딩 궤도의 적용에 따른 상호작용 감소 효과를 평가하고자 한다.

2. 상호작용 저감형 콘크리트 궤도

상호작용 저감형 콘크리트 궤도(일명 슬라이딩 궤도)는 궤도 슬래브와 교량 바닥판 사이에 저마찰 슬라이드층(sliding layer)을 형성하여 교량의 온도신축 변위가 콘크리트 도상(slab track)을 통하여 장대레일(CWR)로 전달되는 것을 차단시키는 것에 착안하고 있다. 슬라이딩 궤도는 시제동 하중을 교각과 교대로 전달하기 위하여 온도 변화에 영향을 받지 않는 교량의 고정지점 및 교대에서 콘크리트 도상(slab track)을 교량 바닥판에 고정하는 앵커를 설치한다. Fig. 1에 보인 바와 같이 단순교가 이웃하여 배치된 경우, 교량과 슬래브 콘크리트 사이에 슬라이드층이 존재하고 각 고정 지점 및 교대에 앵커가 설치된다. 연속교는 Fig. 2에 보인 바와 같이 고정 지점과 교대에 앵커가 설치되어 시제동 하중을 교각과 교대로 전달하도록 한다.

2005년에 중국은 고속철도 시공에 앞서 6개 형식의 콘크리트 궤도를 수녕-중경선 구간(일명 수투시험선)에 시험 시공한바 있다(Ren et al., 2009). 시험에 적용된 형식 중 하나인 독일의 Max-Bögl에서 제공한 사전제작형 연속 콘크리트 궤도는 교량 구간에 상호작용 저감을 위한 슬라이드층을 갖는다. 이 형식은 시험 시공을 마친 후 2006년에 베이징-텐진선(일명 경진선) 전 구간에 본격적으로 시공되었으며 2008년에 개통하여 현재 운영 중이다(Sun et al., 2011). 베이징-텐진 구간은 지반이 연약하여 교량 구간 100 km와 토공 구간 17 km로 구성되어 대부분이 교량으로 이루어져 있으며, 이 교량 구간에는 모두 슬라이드층이 설치되어 상호작용을 저감하도록 되어있다. 이 궤도는 무한-광주선(일명 무광선)을 비롯한 중국의 여러 고속철도 구간에 시공되어 2014년 현재까지 총 2,473 km에 부설되었거나 계획되어 있다. 중국에서는 Max-Bögl의 사전제작형 연속 콘크리트 궤도를 CRTS-II형-판식 궤도로 명명하였으며, 일부 논문에서는 LCPBT (Longitudinally Coupled Prefabricated Ballastless Track)로 지칭하고 있다(Rui et al., 2010; Wang et al., 2012). 중국에서 이 궤도를 자체적으로 개량하여 CRTS-III형-판식 궤도를 개발하였으며, 현재까지 총 172 km 구간에 건설되었다.

3. 궤도-교량 상호작용 해석

3.1 해석 방법

기존의 일반적인 궤도-교량 상호작용 해석(Korea Rail Network Authority, 2014b; International Union of Railways, 2001; The European Standard EN 1991-1-2, 2003; Choi et al, 2009a; Choi et al., 2009b)은 교량 구조물과 장대레일 그리고 그 사이에 도상 및 체결장치에 의한 종방향 궤도 저항력을 쌍일차(bilinear) 비선형 스프링으로 연결하여 모델링한다. 콘크리트 궤도는 콘크리트 지지층의 강성이 무한대에 가깝기 때문에 비선형 스프링은 체결장치에 의해서 제공되는 스프링 상수를 갖는다. 현재 통용되는 기준(Korea Rail Network Authority, 2014b; International Union of Railways, 2001; The European Standard EN 1991-1-2, 2003)에 따르면 열차 하중이 재하되지 않은 경우에는 상대변위가 0.5 mm일 때까지 종저항력이 선형적으로 증가하고 그 이후로는 40 kN/m의 일정한 종저항력을 갖는 쌍일차 비선형 스프링으로 모델링한다. 열차하중이 재하된 경우는 수직하중에 의하여 체결장치 클램프의 마찰력이 증가하여 60 kN/m의 종방향 저항력을 갖는 것으로 고려한다.

기존의 상호작용 해석에서는 비선형 스프링이 궤도 시스템의 종저항력을 대표하지만, 슬라이딩 궤도는 체결장치에 의한 종방향 스프링 외에도 궤도 저면과 교량 상면 사이에 놓인 슬라이드층이 있기 때문에, 슬라이드층을 별도의 비선형 스프링으로 모델링하여야 한다. 슬라이드층은 마찰 거동을 하므로 이론적으로 마찰력 이상의 종방향 하중이 가해지는 시점부터 변위가 발생하기 시작하지만, 이 연구에서는 원활한 수치해석을 위하여 0.1 mm의 변위까지 선형적으로 거동하고 그 이후에는 수직력과 마찰계수에 따른 마찰력만큼 종방향으로 저항하는 것으로 고려하였다. 슬라이드층의 마찰계수는 중국의 사례(Wang et al., 2012)에서 0.2~0.3으로 알려진 것을 바탕으로, 이 연구에서는 0.3으로 가정하였다. 콘크리트 궤도 슬래브의 단면은 구체적인 설계에 따라 결정되어야 하지만, 이 연구에서는 일반적인 교량 구간 콘크리트 궤도 단면을 참고하여 폭 3.0 m 높이 0.5 m로 가정하였다. 레일은 고속철도에서 일반적으로 사용하는 UIC-60 레일을 사용하였다. 슬라이드층에 의한 종방향 마찰력은 궤도와 레일의 자중을 고려하여 아래 Eq. (1)과 같이 계산되어 11.4 kN/m를 얻었다. 이는 체결장치에 의해서 제공되는 종저항력 40 kN/m의 약 30% 수준인 것으로 파악되었다.

 (1)

여기서,         : 슬라이드층 마찰력(kN/m)

        : 슬라이드층 마찰계수

        : 수직력(kN)

      : 콘크리트 궤도 슬래브의 단위 길이당 자중(kN/m), = 24.52

      : UIC-60 레일 2본의 단위 길이당 자중(kN/m)

기존의 상호작용 해석을 위한 모델링은 교량, 레일 그리고 체결장치를 모사하는 비선형 스프링의 3가지 층으로 구성되지만, 슬라이딩 궤도는 Fig. 3에 보인 바와 같이 교량, 콘크리트 궤도, 레일, 콘크리트 궤도와 교량 사이의 슬라이드층을 모사하기 위한 비선형 스프링, 그리고 체결장치의 종방향 저항을 모사하기 위한 비선형 스프링으로 구성된다. 각각에 대한 단면 및 물성치는 Table 1에 보인 바와 같으며, 체결장치 및 슬라이드층을 모사하기 위한 쌍일차 비선형 스프링의 하중-변위선도는 Fig. 4에 보인 바와 같다. 교량 전후부 장대레일의 응력 변동을 살펴보기 위하여 100 m 이상을 전후로 각각 연장하였다. 교량 구간에는 상호작용을 저감시키기 위한 목적으로 종방향 저항력을 감소시킨 저체결력 체결장치(RLR)를 적용하기도 하지만, 본 연구에서는 궤도 시스템에 의한 상호작용 효과만을 직접 비교하기 위하여 노반 구간과 동일한 종저항력을 갖는 일반 체결장치를 적용하였다.

궤도-교량 상호작용 해석에서 고려하는 하중은 온도하중, 시제동하중 그리고 열차 수직하중의 3가지로 구분되는데, 온도하중은 국내 기준(Korea Rail Network Authority, 2014b)에 따라 교량에 ±25°C, 레일에 +40°C, -50°C를 재하하였다. 시동 하중은 25 kN/m/궤도를 33 m에 걸쳐 재하하고 제동하중은 15 kN/m/궤도를 200 m에 걸쳐서 하중 효과가 최대가 되도록 재하하였다. 수직하중은 시제동 하중이 최대가 될 때 열차가 재하되는 위치에서의 하중 효과를 고려하였으며, 이 연구에서는 KRL-2012 표준 활하중(Korea Rail Network Authority, 2014b)의 여객전용선인 경우(0.75 KRL-2012)를 채택하였다. 위의 3가지 하중에 대하여 각각 해석하고 선형적으로 조합하여 상호작용에 따른 영향를 평가하였으며, 온도하중을 재하한 상태에서 시제동 하중을 재하하는 연성 해석(sequential analysis)은 포함하지 않았다. Sanguino and Requejo (2009)는 연성 해석을 고려하지 않은 단순 중첩 해석을 연성 해석과 비교하여 레일 축력 평가에 있어서 최대 19%까지 안전측의 결과를 보이고 변위에서는 최대 17%까지 불안전측의 결과를 보인다고 밝힌바 있다. 콘크리트 궤도에서는 변위 기준이 없고 본 연구에서는 축력에 초점을 맞추어 검토하였기 때문에 중첩 해석을 수행해도 안전측의 결과를 보일 것이므로 문제가 없는 것으로 판단하였다.

기존의 일반적인 궤도-교량 상호작용 해석(Korea Rail Network Authority, 2014; International Union of Railways, 2001; The European Standard EN 1991-1-2, 2003)에서는 궤도를 모델링하지 않기 때문에 콘크리트 도상에 온도를 재하할 필요가 없었으나, 슬라이딩 궤도의 상호작용 해석에서는 콘크리트 도상을 모델링에 포함하기 때문에 레일은 물론 궤도 슬래브에도 온도하중을 재하하여야 한다. 다만 현재로서는 궤도에 재하하는 온도에 대한 명확한 기준이 없기 때문에 교량과 동일한 온도를 재하하였다. 참고로 궤도 단면 설계 시에는 교량 구조물과의 온도 차이 10°C를 고려(International Union of Railways, 2001; Korea Rail Network Authority, 2014a)하고 있으나, 이는 궤도의 단면 설계를 검토하기 위한 것이기 때문에 상호작용 해석에는 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다.

슬라이딩 궤도는 Figs. 1 and 2에 보인 바와 같이 교량 전후부로 궤도가 단속되지 않고 연속되며, 교량의 고정지점부에서 궤도가 교량 바닥판과 앵커로 고정되므로, 고정지점부 상부에서 강결(rigid link) 요소를 사용하여 궤도 슬래브와 교량을 서로 고정되도록 연결하였다. 상호작용 해석 결과를 비교하기 위하여 일반적인 직결 콘크리트 궤도(fixed slab track)에 대하여도 함께 모델링(Fig. 5(a))하였으며, 직결 궤도는 슬라이드층이 없이 교량과 궤도가 교량 구간 전체에 걸쳐서 캠플레이트를 통하여 고정되고 교량 단부에서 궤도가 단속되어 노반구간 및 인접 교량의 궤도와 연속되지 않는다.

철도 교량에 주로 적용되는 경간장 25~40m의 단경간 교량의 교량에 대하여 상호작용 해석을 수행하였고, 각각의 단경간 교량을 5경간 연속 배치한 경우와 10경간 연속 배치한 경우를 추가로 검토하여 연속배치에 따른 효과를 평가하였다. 나아가 40 m 경간의 단순교가 좌우로 10경간씩 배치되고 중앙부에 경간장 40 m인 3경간 연속교를 배치하여 고정지점거리가 80m 에 이른 경우에 대하여 검토하였으며, 추가로 3경간 연속교의 중앙경간이 60 m인 경우도 포함하였다. 마지막으로 50 m + 80 m + 50 m의 3경간 연속교로 배치된 Extra-dosed 교량(ED교)에 대하여 상호작용 해석을 수행하였다. ED교는 주탑과 거더의 연결부에서 거더가 교각과 종방향으로 고정되어 고정지점간 거리를 80 m로 제한한 경우(ED_FF)와, 한쪽 주탑부에는 고정단 지점을 적용하고 나머지 주탑부에는 이동단 지점을 적용한 경우(ED_FM)에 대하여 각각 해석하여 고정지점간 거리의 차이에 따른 결과를 비교하였다. 전체 해석 케이스는 Table 2에 제시된 바와 같이 16개이며, 각 해석 케이스는 Table 2의 Symbol에 제시된 약어로 지칭한다. 제시된 교량 형식에 대하여 직결 콘크리트 궤도(fixed track)와 상호작용 저감형 슬라이딩 슬래브 궤도(sliding slab track)에 대하여 각각 궤도-교량 상호작용 해석을 수행하여 레일응력을 검토하였다.

경간장이 30 m, 35 m, 40 m, 60 m인 교량은 호남고속철도 2-3공구에 적용된 높이 3.5 m 폭 12.6 m의 PSC 박스거더를 적용하고, 교각은 3.6 m 직경의 중실 원형 교각을 적용하였으며 교각 높이는 10 m로 동일하게 배치하였다. 경간장이 25 m인 교량에 대해서는 거더 높이 3.0 m 교각 직경 3.2 m를 적용하여 교량 단면에 차이를 두었다. 각 형식별 거더의 단면 상수는 Table 3에 보인 바와 같다. PSC 거더교는 교각이 지반에 견고하게 놓인 것으로 보았고, ED교는 기존 설계 사례를 참고하여 지반 파일과 기초의 강성을 해석에 포함하였다(Fig. 6).

3.2 해석 결과

전체 16개 해석 사례에 대한 최대 레일응력 결과를 직결 콘크리트 궤도(fixed track)과 슬라이딩 궤도(sliding track)에 대하여 Table 4에 제시하였다. 궤도-교량 상호작용 해석 결과 슬라이딩 궤도는 직결 콘크리트 궤도와 비교하여 레일 응력을 최소 80%에서 최대 90%까지 저감시키는 것으로 나타났다(Fig. 7). 슬라이딩 궤도는 궤도와 교량 사이에 놓인 슬라이드층에 의하여 온도변화에 따른 교량 신축이 궤도에 전달되지 않기 때문에 온도하중에 의한 저감 효과가 83%에서 98%에 이르렀다. 이와 더불어 열차 시제동 하중에 대하여도 66%에서 84%의 저감 효과가 나타났다. 따라서 슬라이딩 궤도는 온도하중에 의한 상호작용뿐만 아니라 시제동 하중에 의한 상호작용 역시 상당히 저감시키는 것으로 확인되었다.

단경간 단순교의 경우 경간장이 길어짐에 따라 온도 변화에 의한 교량의 신축 변위가 증가하여 상호작용에 의한 레일 응력이 증가하였으며, 5경간 또는 10경간 연속된 경우 단경간 단순교에 비하여 상호작용에 의한 레일 부가 축응력이 직결 콘크리트 궤도는 최대 50%까지 증가하였으며, 슬라이딩 궤도는 최대 110%까지 증가하였다. 슬라이딩 궤도는 단순교 연속 배치에 의하여 레일응력의 증가 비율이 직결 궤도보다 높긴 하지만, 레일 부가 응력이 직결 콘크리트 궤도의 10%에서 20% 정도에 불과하다. 단순교 해석에서는 고정지점간 거리가 40m 이하에 머물러 직결 궤도와 슬라이딩 궤도 모두 상호작용에 의한 장대레일의 부가응력이 허용기준인 92 MPa (Korea Rail Network Authority, 2014b; International Union of Railways, 2001; The European Standard EN 1991-1-2, 2003)을 만족하였다.

좌우로 40m 경간장을 갖는 단순교가 10경간씩 배치되고 중앙부에 3경간 연속교를 배치한 경우(23CS40, 23CS60)는 온도, 시제동 및 수직 하중을 모두 조합한 레일 부가응력이 직결 콘크리트 궤도에서 최대 91.41 MPa와 98.80 MPa에 이르러 허용값인 92 MPa에 상당히 근접하거나 초과한 결과를 보였다. 반면에, 슬라이딩 궤도를 적용한 경우에는 16 MPa과 15 MPa에 머물러 상호작용에 의한 효과가 각각 83%와 85% 저감된 것을 확인하였다.

중앙 경간장이 60 m인 연속교를 포함한 경우(23CS60)에 대하여 교량 전체의 레일 부가 축응력을 온도하중에 의한 결과와 열차 시제동 및 수직 하중에 의한 결과를 Fig. 8에 각각 도시하였다. 기존의 직결 콘크리트 궤도는 온도하중에 대하여 연속교가 위치한 중앙부에서 레일 응력이 크게 변동하였으나, 슬라이딩 궤도에서는 연속교 구간에서도 레일 응력 변동폭이 크지 않았다. 직결 콘크리트 궤도는 시제동 및 수직 하중에 의하여 연속교 종점부에서 응력이 크게 발생하였으나 슬라이딩 궤도는 하중 효과가 크게 저감된 것을 확인할 수 있다.

3경간 연속교의 최대 고정지점간 거리가 각각 80 m와 100 m인 점을 고려하면, 직결 콘크리트 궤도는 고정지점간 거리가 80m 이상인 경우에 레일 응력이 허용치를 초과하는 구간에 활동체결장치(ZLR)를 적용하거나 교량 전구간 걸쳐 저체결력체결장치(RLR)를 적용하여 상호작용 효과에 대응하여야 할 것으로 판단된다. 하지만, 슬라이딩 궤도는 고정지점간 거리가 80 m 이상인 경우에도 상호작용에 의한 레일 부가축응력이 허용값을 크게 밑돌아 별도의 특수 체결장치 등을 고려할 필요가 없을 것으로 보인다.

ED교는 상호작용 저감을 위하여 주탑과 거더의 연결부에서 거더를 교각에 고정하여 고정지점간 거리를 중앙 경간장인 80 m가 되도록 한 경우(ED_FF)와 우측 지점을 이동단으로 변경하여 고정지점간 거리가 130 m인 경우(ED_FM) 모두에 대하여 직결 콘크리트 궤도는 상당한 크기의 레일 부가 응력이 발생했다. 주탑부에 모두 고정지점을 적용한 경우(ED_FF)에서는 온도하중에 의한 효과만으로도 레일 부가 축응력이 교량의 양단부에서 123 MPa에 이르러 허용 최대값인 92 MPa을 크게 상회하였고, 시제동 및 수직 하중을 포함하면 최대 177 MPa에 이르러 허용치의 2배에 가까운 부가응력을 보였다. 좌측 주탑부에서는 고정지점을 적용하고 우측 주탑부에는 이동지점인 경우(ED_FM)에서는 온도하중에 의하여 151 MPa의 응력이 발생하였고 시제동 및 수직 하중에 의하여 72.6 MPa의 응력이 발생하여 모든 하중 효과를 포함하면 최대 223.6 MPa의 응력이 발생하였다.

고정지점간 거리가 80 m인 3경간 연속교(23CS40)의 온도변화에 따른 최대 레일응력이 51 MPa였던 것과 비교하면, 고정지점간 거리가 동일한 ED교(ED_FF)의 레일응력은 123 MPa로 매우 큰 값을 보인다. 이는 ED교 교각의 수평강성이 상대적으로 작고 기초 파일의 강성을 고려한 것에 원인이 있으며, 특히 양쪽 주탑부에 고정지점이 적용되어 온도 변화에 의한 거더의 팽창 및 수축으로 주탑부 교각이 수평 방향으로 회전하고 이로 인하여 거더에 발생한 최대 13.6 mm의 수직 변위에 의하여 레일과 교량의 상대변위가 더 크게 발생한 것으로 파악된다.

ED교에 슬라이딩 궤도를 적용한 경우는 온도하중에 의한 효과가 각각 84% 및 86% 저감되고, 시제동 및 수직 하중에 의한 효과 역시 각각 83% 및 87%가 저감되어 최대 부가 응력이 29 MPa과 30 MPa에 불과하였다. 온도 하중에 의한 효과는 주탑부 교각의 회전에 의하여 주탑부를 중심으로 레일 응력이 약 20 MPa 정도 변동하였으며, 시제동 및 수직 하중에 의한 효과는 크게 저감되어 약 9 MPa에 머물렀다. 직결 콘크리트 궤도에서는 허용치 92 MPa을 초과한 레일 부가 응력을 해결하기 위하여 교량 양단부에 각각 약 30 m 내지 40 m 구간에 걸쳐 활동 체결장치(ZLR)를 적용하거나 교량의 시점부 또는 종점부에 레일신축이음장치(REJ)를 적용해야 할 것으로 보인다. 하지만 슬라이딩 궤도를 적용한 경우에는 이러한 상호작용 효과가 저감되어 별도의 특수 체결장치나 레일신축이음장치를 고려할 필요가 전혀 없는 것으로 확인되었다.

3.3 슬라이딩 궤도의 적용에 따른 기대 효과

슬라이딩 궤도는 직결 콘크리트 궤도와 비교하여 레일의 응력 변동이 적기 때문에 레일 유지보수 횟수가 감소되는 효과를 기대할 수 있고, 교량 구간에 캠플레이트를 시공할 필요가 없으므로 콘크리트 궤도 구조가 간소화될 수 있다. 특히 슬라이딩 궤도에서는 고정지점간 거리의 제약이 없어지기 때문에 교량 구간 노선 계획 시 경간장을 자유롭게 배치할 수 있어 연약지반이나 시설물 교차 구간 또는 산악 및 계곡 지형과 같은 주변 환경에 대응하여 유연하게 교량을 설계할 수 있는 장점이 있다. 이에 더하여, 슬라이딩 궤도는 열차의 시제동 하중에 의한 효과도 저감되기 때문에 교각에 재하되는 수평력이 감소되어 교각 단면 역시 축소할 수 있을 것으로 기대된다. 슬라이딩 궤도를 적용하면 상호작용 효과에 대한 우려를 불식시킬 수 있으므로 단순교 대신 연속교를 용이하게 적용할 수 있으며, 연속교 적용시 교량의 상부구조 단면이 축소될 수 있으며, 거더가 불연속되는 교량 단부 개소가 줄어들어 단부 사용성이 개선되고 그에 따른 열차 주행 승차감 향상도 기대할 수 있다.

4. 결 론

철도 교량은 온도 변화에 따른 신축 및 열차 하중에 의한 변위 등으로 인하여 장대레일에 부가 응력이 가해지는 궤도-교량 상호작용이 발생하고, 이 때문에 고정지점간 거리가 제한되어 교량 구간의 노선 계획 및 설계에 영향을 준다. 특히 장경간 및/또는 연속교와 같이 고정지점간 거리가 긴 경우에는 상호작용의 효과가 더욱 크게 나타나기 때문에 철도 교량에서는 일반적으로 단경간 단순교를 선호하고 있다. 불가피하게 장경간 및/또는 연속교를 적용할 경우에는 상호작용 해석을 통하여 레일 부가 응력 등을 검토한 후, 레일신축이음장치 또는 활동체결장치와 같은 별도의 상호작용 저감 방안을 적용하여야만 하였다.

슬라이딩 궤도는 콘크리트 궤도 슬래브 저면과 교량 바닥판 사이에 저마찰 슬라이드층을 형성하여 교량과 궤도의 종방향 거동을 분리함으로써 궤도-교량 상호작용 효과를 저감시킬 수 있다. 이 연구에서는 철도 노선의 교량 구간에 주로 사용되는 대표적인 16 사례의 경간장 배치와 교량 형식을 선정하여 일반적인 직결 콘크리트 궤도와 슬라이딩 궤도의 상호작용에 의한 레일 부가 축응력을 검토하였고, 이를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)슬라이드층을 포함한 궤도-교량 상호작용 해석을 수행한 결과, 슬라이딩 궤도는 교량의 경간장 배치와 형식에 관계없이 기존 직결식 콘크리트 궤도와 비교하여 레일 부가 축응력을 80~90% 가량 저감시키는 것으로 확인되었다.

(2)40m 이하의 단경간 단순교는 직결 궤도와 슬라이딩 궤도 모두 레일 부가 응력이 허용값을 만족하나, 고정지점간 거리가 80m 이상인 연속교에서 기존 직결식 콘크리트 궤도는 레일의 부가 응력이 허용값을 초과하는 것으로 나타났다. 반면, 슬라이딩 궤도는 고정지점간 거리가 80m 이상인 연속교에서도 레일 응력이 허용값보다 현저히 낮은 것으로 나타나 기준을 여유있게 만족하는 것으로 나타났다.

(3)중앙 경간장이 80m인 3경간 연속 Extra-dosed 교량에서는 주탑부 교각의 회전에 의하여 온도하중에 의한 레일 부가 응력의 변동폭이 주탑부를 중심으로 증가하는 것으로 나타났고, 직결식 궤도를 적용한 경우 레일 응력이 허용값을 초과한 반면, 슬라이딩 궤도는 허용값을 충분히 만족하였다. 한쪽 주탑부의 지점조건을 이동지점으로 변경하는 경우 고정지점간 거리가 증가하므로 직결식 궤도에서는 레일 부가 응력이 더 증가하지만, 슬라이딩 궤도에서는 지점 조건에 관계없이 동일한 결과를 보였다.

(4)결론적으로, 슬라이딩 궤도를 적용하면 고정지점간 거리가 80m 이상인 경우에도 레일 부가 응력을 허용값 이하로 유지할 수 있으므로, 궤도-교량의 상호작용으로 인한 제약을 고려하지 않고 자유롭게 경간장을 배치할 수 있고, 상호작용 효과를 저감시키기 위하여 별도로 활동체결장치, 저체결력 체결장치 또는 레일신축이음장치 등을 설치할 필요가 없다.