하중조합과 충전층 두께에 따른 3차원 유한요소 해석에 의한 PST 부재의 거동 분석

국문 초록 (Abstract)

국내뿐만 아니라 세계적인 추세로 증가하고 있는 열차의 고속화와 대량 운송능력의 요구에 따라 열차 궤도구조의 개발은 지속적으로 발전하고 있다. 콘크리트 구조궤도인 PST는 안전성과 경제성에서 그 요구조건을 충족할 수 있는 시스템으로 개발되고 있다. 따라서 본 연구 에서는 PST시스템의 각 구조부재의 거동을 분석함으로써 향후 시스템 개발 및 설계에 필요한 정보를 제공하고자 하였다. KRL-2012 열차하중과 KRC 코드에 의한 다양한 정적하중조합에 따른 응력분포 결과를 3차원 유한요소 해석을 통하여 분석하였으며, 그라우트충전층의 두께에 따른 결과 또한 제공하고자 하였다. 구조부재별로는 그라우트충전층에서 가장 큰 응력이 발생하였으며 하중조합과 두께에 따라 응력의 변화가 민감하였다. 시동하중 및 온도하중에 의해서는 KRL-2012에 의한 수직하중만 적용할 때와 비교하여 콘크리트 패널과 HSB에서 각각 3.3배, 14.1배의 발생응력이 증가하는 것으로 나타났다. 충전층의 두께가 20mm에서 80mm로 증가할 때 콘크리트 패널의 발생 응력은 4% 감소하지만, 충전층은 24% 증가하는 것으로 나타났다. 균열의 양상은 그라우트충전층에서 인장균열이 국부적으로 발생하는 것으로 나타났다. 이와같은 결과에 따라 PST시스템 개발 시에는 수직하중 보다는 수평하중에 의한 휨 및 인장거동에 세심한 주의가 필요하며, 충전층의 두께를 40mm 이상 유지함으로써 각 구조부재의 안전성을 확보할 수 있도록 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Follofwing the accelerating speed-up of trains and rising demand for large-volume transfer capacity, not only in Korea, but also around the world, track structures for trains have been improving consistently. Precast concrete slab track (PST), a concrete structure track, was developed as a system that can fulfil new safety and economic requirements for railroad traffic. The purpose of this study is to provide the information required for the development and design of the system in the future, by analyzing the behavior of each structural member of the PST system. The stress distribution result for different combinations of appropriate loads according to the KRL-2012 train load and KRC code was analyzed by conducting a three-dimensional finite element analysis, while the result for different thicknesses of the grouting layer is also presented. Among the structural members, the largest stress took place on the grouting layer. The stress changed sensitively following the thickness and the combination of loads. When compared with a case of applying only a vertical KRL-2012 load, the stress increased by 3.3 times and 14.1 times on a concrete panel and HSB, respectively, from the starting load and temperature load. When the thickness of the grouting layer increased from 20 mm to 80 mm, the stress generated on the concrete panel decreased by 4%, while the stress increased by 24% on the grouting layer. As for the cracking condition, tension cracking was caused locally on the grouting layer. Such a result indicates that more attention should be paid to the flexure and tension behavior from horizontal loads rather than from vertical loads when developing PST systems. In addition, the safety of each structural member must be ensured by maintaining the thickness of the grouting layer at 40 mm or more.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• 1. 서 론
• 2. 해석방법 및 모델링
• 2.1 PST시스템 구조
• 2.2 유한요소 모델링
• 2.3 재료구성모델
• 2.4 적용하중
• 3. 해석결과 및 분석
• 3.1 해석결과
• 3.2 결과분석
• 4. 결 론
• References
• 요 지

참고문헌 (Reference)

• 1 김진섭, "후 설치 앵커 성능평가와 해석모델" 한국방재학회 13 (13): 89-95, 2013
• 2 장승엽, "철도 궤도의 수명주기비용 분석 : 고속철도 자갈궤도와 콘크리트궤도 사례 연구" 한국구조물진단유지관리공학회 20 (20): 110-121, 2016
• 3 이성혁, "아스팔트 콘크리트 설계두께 및 재료특성을 반영한 아스팔트 콘크리트 궤도 3차원 이동하중 동적해석 및 진동특성" 한국철도학회 19 (19): 67-76, 2016
• 4 송지은, "도상안정제에 의한 마모된 철도자갈도상재료의 보강에 대한 실험적 연구" 한국복합신소재구조학회 7 (7): 1-6, 2016
• 5 한상윤, "곡선 장대레일 궤도와 곡선 교량의 상호작용해석" 한국방재학회 12 (12): 119-126, 2012
• 6 Rashid, Y. R., "Ultimate strength analysis of prestressed concrete pressure vessels" Elsevier 7 (7): 334-344, 1968
• 7 Butterfield, R., "The elastic analysis of compressible piles and pile groups" 21 (21): 43-60, 1971
• 8 Kim, Y. B., "The effect of the poor infilling of the underpouring in precast slab track system on structural behavior" 256-260, 2010
• 9 Pi, Y. L., "Second order nonlinear inelastic analysis of composite steel-concrete members. I: Theory" ASCE 132 (132): 751-761, 2006
• 10 Korea Railway Network Authority, "Railway design guidance and manual"
• 11 Lee, J., "Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures" ASCE 124 (124): 892-900, 1998
• 12 Jung, W. Y., "Performance Evaluation of Precast Slab Track System According to Design Methods" 2017-2022, 2012
• 13 Odemark, N., "Investigations as to the elastic properties of siols and design of pavements according to the theory of elasticity"
• 14 Elwi, A. E., "Finite element model for curved embedded reinforcement" ASCE 115 (115): 740-754, 1989
• 15 Griffin, D. W., "Finite Element Modelling of Modular Precast Composites for Railway Track Support Structure: A battle to Save Sydney Harbour Bridge" Taylor & Francis 16 (16): 150-168, 2015
• 16 Kang, N. H., "Development of 3 dimensional Precasted Slab Track (3D-PST)" 1181-1189, 2013
• 17 Systèmes, D., "Abaqus Analysis User’s Guide, Vol. 6.14-2"
• 18 Ando, K., "A study on Load-Carrying Structures and Its Design for Low-Maintenance Track on Earthworks" 1997
• 19 Cicekli, U., "A plasticity and anisotropic damage model for plain concrete" Elsevier 23 (23): 1874-1900, 2007
• 20 Lubliner, J., "A plastic-damage model for concrete" Elsevier 25 (25): 299-326, 1989
• 21 Kim, Y. B., "A Study to select the optimum size for the panel of the precast slab track system" 740-744, 2011
• 22 Han, B. K., "A Simple and Accurate Analysis of Two Dimensional Concrete Slab for a Railroad Bridge by the Composite Laminates Plate Theory" 2 (2): 20-25, 2011
• 23 Code, U. I. C., "777-3, Track/Bridge Interaction Recommendations for Calculation [S]"