배치조건 변화에 따른 전철주의 지진응답특성 분석
Earthquake Response Characteristics of the Catenary Pole for Arrangement Conditions
Article information
Abstract
열차에 전력을 공급하기 위한 전차선로시스템의 전철주 설치 간격은 차량의 팬터그래프와 전차선의 횡적 수평위치의 상대적인 관계를 고려하여 산정하나, 가공전선의 영향을 고려하여 다양한 설치 및 노반조건에 대하여 지진 시 거동을 검토한 연구결과는 거의 없는 상황이다. 이 논문에서는 전철주 배치 간격 및 곡선반경 변화와 토공 및 교량 등 노반조건의 변화에 따른 전철주의 지진응답을 검토하였다. 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용한 검토 결과 곡선반경이 작을수록 전철주 간 간격이 클수록 전철주의 지진응답이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 교량상 전철주의 지진응답이 토공상 보다 크게 나타났으며, 교랑 구간의 길이가 증가할수록 교량상 전철주의 지진응답은 감소하는 등 전철주의 지진응답은 노반환경에 따라 변화하는 것으로 나타났다.
Trans Abstract
The construction interval of the catenary pole of the catenary system for supplying electric power to a train is determined considering relative relationship between the pantograph and the lateral horizontal location of the contact line. The research on the effect of the earthquake for various intervals, curve radius and trackbed conditions, however, has not been sufficiently conducted. In this paper, the earthquake response characteristics of the catenary pole for various installation intervals, curve radii and trackbed conditions are investigated. The analysis results using a commercial finite element program ABAQUS reveal that the earthquake response increases as the installation interval grows and the curve radius decreases. Also, the trackbed condition affects the earthquake response of the pole as the response of the catenary pole on a bridge is greater than on a soil trackbed, and the increase of the bridge section length decreases the magnitude of the earthquake response.
1. 서 론
전철전력, 신호제어, 궤도, 토목, 차량 등 다양한 시스템기술을 기반으로 운행되는 철도는 대량수송성, 친환경성, 정시성, 안전성 등의 장점과 함께 지속적인 고속화 노력을 통하여 점차 여객 및 화물 수송 분담률을 높이고 있으며, 2020년까지 철도연장 56% 증가 및 전국 주요거점 간 이동거리 90분대를 목표로 정책지원이 진행되고 있어 국가의 중심 교통인프라로 부상할 전망이다. 그러나 이러한 다양한 시스템기술에 대한 의존성은 일부 기술요소 장애 시 운행 장애 등의 문제를 초래할 수 있으며, 자연 재해에 대한 취약성을 높일 수 있는 위험요소가 될 수 있다. 특히 최근 발생 빈도가 높아진 지진의 경우 교량, 터널 등의 구조물에 대한 내진 보강이 이뤄지고 있으나(Kim and Jang, 2013), 전철전력, 신호제어 시설 등을 포함한 철도시스템 전반에 대한 검토는 미흡한 상황이다(Park et al., 2018).
철도시스템 시설 중 열차에 전력을 공급하기 위한 전차선로시스템은 기초부, 전철주, 브래킷 및 가공전선 등으로 구성된다. 전력을 이용한 철도 운용에 필수적인 전차선로시스템은 2004년까지 40%에 머물던 전철화 비율이 2015년 71%로 급증함에 따라 본선 가선연장이 8,321 km에 이를 정도로 크게 증가한 바 있다(Park et al., 2018). 지진 시 지지상태에 크게 영향을 받는 일반구조물의 거동과 달리 전차선로시스템은 전철주 간 상호연결된 전선의 존재로 인하여 복잡한 거동이 발생하나, 최근까지 심도있는 연구가 수행되지 않았으며 건설 시 지진에 대한 안전성 검토도 미흡한 상황이다.
국내의 경우 전차선로시스템의 설치 시 전철주의 간격은 철도설계편람(KR, 2014)에 제시된 요건에 준하여 결정할 수 있으며, 이 요건은 전차선의 편위 및 바람으로 인한 수평변위, 차량의 롤링 등에 따른 차량의 팬터그래프와 전차선의 횡적 수평위치의 상대적인 관계를 고려하여 산정하나, 가공전선의 영향을 고려하여 다양한 설치 및 노반조건에 대하여 지진 시 거동을 검토한 연구결과는 거의 없는 상황이다. 특히 전철주 배치 간격, 곡선반경 및 지지조건의 변화 등에 대한 검토는 미흡한 상황이다.
이 연구에서는 수치해석을 이용하여 다양한 부설조건에서 전철주의 지진응답을 검토하였다. 수치해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였으며, 전철주는 국내 부설현황을 고려하여 강관단면을 갖는 단독주형을 고려하였다. 부설조건은 전철주 배치 간격 및 곡선반경 변화와 토공 및 교량 등 노반조건의 변화를 고려하였다. 지진하중은 내진설계지침에 제시된 설계스펙트럼을 포괄하도록 작성한 인공지진을 사용하였다.
2. 전차선로시스템 현황 및 설계기준
2.1 전차선로시스템의 구성 및 현황
국내에 건설되어 있는 전차선로시스템의 전철주는 문형, 단주형 및 서스팬션빔형이 있다(Park et al., 2018). 전철주의 재료로는 콘크리트주와 강재주가 있으며, 전철화 초창기 1980년대에는 콘크리트주가 사용되었으나 1990년 이후 H형강주를 거쳐 2000년 이후에는 강관주가 사용되고 있다.
Fig. 1(a)은 전차선로시스템의 개요도이다. Fig. 1(a)에서 ①은 차량에 전기를 공급하는 역할을 하는 전차선(contact line)이며, Fig. 1(b)와 같은 홈경동선이 주로 사용된다. ②는 Fig. 1(c)와 같이 19가닥의 청동선을 꼬아서 만든 조가선(catenary line)이다. 조가선은 현수 역할을 하며, ⑤의 드롭퍼(dropper)를 통해 전차선을 잡아매어 레일상면으로부터 5.08 m 높이가 일정하게 유지되도록 한다. ③은 급전선(feed line)이며, 전차선에 전기를 공급하는 역할을 한다. ⑧은 가동브래킷이며, ⑨은 곡선당김구이다. 가동브래킷은 곡선당김금구의 위치에 따라 I형(In type)과 O형(Out type)으로 구분하며, 평형개소, 말단개소 또는 전차선의 무효부분에 설치하는 F형이 있다. ⑩, ⑪은 절연을 위한 애자이다(국토교통부 철도산업정보센터 홈페이지).
Catenary System (www.kric.or.kr)
2.2 설계기준
전차선로시스템의 설계 및 건설과 관련한 기준으로는 철도설계기준, 철도설계편람 등이 있으나, 전철주의 배치와 관련해서는 철도설계편람 KR E-03060에 제시되어 있다. KR E-03060은 시속 300 km 이상의 고속선에서는 전주경간을 최대 65 m 이하(터널 50 m)로 하고, 시속 250 km 이하의 선로에서는 Table 1과 같이 최대경간을 제시하고 있다. 교량 상에서는 가급적 교각에 가깝도록 설치하고, 짧은 교량은 경간 중앙에 오도록 하며, 교량상의 위치를 기준으로 다른 전주경간을 정하도록 하고 있다.
Interval of Catenary Poles
3. 수치해석을 이용한 검토
3.1 해석모델
지진 시 설치 간격에 따른 전철주의 응답을 정확히 해석하기 위해서는 전차선로시스템에 대한 적절한 해석모델이 필요하다. 전차선로시스템은 전차선, 조가선, 급전선을 포함한 가공전선과 가동브래킷 및 전철주가 연결되어 연속체 거동을 하므로 구성요소 간의 상호작용으로 인한 효과를 고려해야 한다. 실제 가공전선은 수십 km에 달하는 거리에 걸쳐 연속으로 부설되므로 수백개 이상의 전철주가 연속되어 있다. 가공전선이 연속되어 있는 전차선로시스템 전체를 모델링할 수 없으므로 일정 구간만을 모델링해야 한다.
이 연구에서는 가공전선 단부의 자유도를 구속시킨 상태로 전철주 개수를 증가시키며, 지진하중 작용으로 인한 전철주 기초 반력의 변화 검토를 통해 단부의 영향이 없는 전철주 개수를 결정하였다. 참고로 전철주 기초 반력만을 검토한 이유는 Park et al. (2018)의 연구에서 지진 시 전철주 기초부 파괴가 전차선로시스템의 지배적인 파괴모드로 나타났기 때문이다. 해석모델에 사용된 전차선로시스템 구성요소의 재료적 성질은 Table 2에 제시하였다. Fig. 2는 전차선로시스템의 해석모델이며, Fig. 3은 토노반에 건설된 전철주 개수 증가에 따른 반력 변화이다. Fig. 3에서 반력모멘트는 전철주 11개 이후 수렴하는 것을 알 수 있다. 이 연구에서는 이러한 검토 결과를 참고하여 11개의 전철주를 갖는 해석모델을 사용하였다.
Material Properties of the Catenary System
Analysis Model for the Catenary System
Maximum Reaction Moment Depending on the Number of Catenary Poles
3.2 지진입력 및 해석시나리오
최근 지진에 대한 안전지대로 여겨졌던 국내에서도 2016년 한반도 관측이래 최대 규모 5.8의 경주지진이 발생하였으며, 2017년 규모 5.4의 포항지진이 발생한 이후 2018년 2월까지 97회나 여진이 발생하는 등 지진 위험에 대한 경각심이 높이지고 있다.
지진해석은 실제 관측된 지진파를 사용하거나, 내진설계 스펙트럼을 포괄하는 인공지진을 사용하여 수행할 수 있다. 국내의 경우 구조물에 피해를 야기할 수 있는 관측지진이 없는 상황임을 감안하여 인공지진을 사용하였다. 국내에서는 1995년 일본고베지진 이후 내진설계기준을 정비하기 위한 연구용역을 1996 (1단계) 및 1997 (2단계)에 건설교통부 주관으로 시행하여 “내진설계기준연구” 보고서를 발간한 바 있다(Lee, 2016). 이 연구에서는 국내 실정을 고려하여 개정된 내진설계지침의 설계스펙트럼을 이용하여 작성한 PGA 0.154 g의 인공지진을 이용하여 검토를 수행하였다. 참고로 Fig. 4는 S1 지반부터 S5 지반까지 5개의 지반조건에 대한 5% 감쇠비의 가속도 스펙트럼이다.
Seismic Input Motions – Artificial Earthquakes
인공지진입력은 응답스펙트럼을 이용하여 지진가속도의 시간이력데이터를 생성해주는 RSPMatch프로그램을 사용하여 작성하였다. 토노반은 KR E-03080 (KR, 2015)에 제시된 노반 조건 중 ‘보통지반’에 해당하는 스프링계수를 이용하여 모델링하였다(Liang et al., 2009). 교량은 고속선에 건설된 가장 대표적인 형식인 PSC (Prestressed Concrete) 박스교량으로 모델링하였으며, 단면과 제원은 통상적인 값을 사용하였다(Fig. 5).
PSC Box Bridge
이 연구에서 검토된 해석경우는 Table 3과 같다. Case 1에서는 곡선반경 감소에 따른 변화를 검토하였으며, 곡선반경 10,000m, 4,000m 및 1,000m의 3가지 경우를 검토하였다. Case 2에서는 전철주 간격 증가에 따른 변화를 검토하였으며, 50m, 55m, 60m 및 65m의 4가지 간격에 대하여 검토를 수행하였다. Case 3에서는 교량의 존재에 따른 영향을 검토하였다. 검토에 적용된 교량은 2@40m경간 연속 PSC 박스교량이다. 교량상 전철주는 교량 중앙 교각부에 설치된 것으로 가정하였다. 검토는 교량상 전철주와 토공에 설치된 전철주 간 거리 40m, 45m, 50m, 55m, 60m 및 65m의 6가지 경우에 대하여 수행하였다.
Analysis Cases
Case 4는 Case 3에서 전철주 간격이 60m로 고정되었을 때 교량 경간 길이 증가에 따른 변화를 검토하였다. 검토는 교량 경간 30m, 40m 및 50m의 3가지 경우에 대하여 수행하였다. Case 5에서는 교량 경간 수의 영향을 검토하였으며, 교량 경간 길이는 30m로 고정한 상황에서 교량 경간 수가 2개, 4개 및 6개 일 때의 변화를 검토하였다. Case 6에서는 지지조건의 변화에 따른 검토를 수행하였다. 검토는 2@30m PSC 박스교량이 3개 연속된 경우와 6@30m 연속교량에 대하여 비교를 수행하였다.
3.3 지진해석 결과
Table 3에 제시된 검토 경우에 대하여 ABAQUS를 이용한 지진해석을 수행하였으며, 결과는 Figs. 6 ~ 11에 제시하였다. 지진해석은 전선의 장력과 실제 처짐을 모사하기 위하여 준정적해석(quasi static)을 일차로 수행한 후 직접적분법으로 시간이력해석을 수행하였다.
Reaction Moment of Catenary Poles in Case 1
Reaction Moment of Catenary Poles in Case 2
Reaction Moment of Catenary Poles in Case 3
Reaction Moment of Catenary Poles in Case 4
Reaction Moment of Catenary Poles in Case 5
Reaction Moment of Catenary Poles in Case 6
Case 1에서 Case 4는 중앙 3개 전철주 하부의 반력모멘트를 비교하였다. Case 5에서는 교량의 경간이 증가하므로 P3가 토공 또는 교량상에 위치하는 경우가 혼재되므로 같은 조건에서 비교하기 위하여 교량에 인접한 토공 위의 전철주 하부(P1)와 인접한 교량 상 전철주 하부(P2)의 반력모멘트를 검토하였다. Case 6에서는 교량 상 전철주 1개를 포함하여 좌우 2개씩의 전철주를 포함한 총 5개 전철주의 반력모멘트를 검토하였다.
Fig. 6에서 전철주의 반력모멘트는 곡선반경이 작아짐에 따라 크게 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 7에서 전철주의 모멘트는 전철주 간 경간이 길어짐에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 참고로 P2는 I형, P1과 P3은 O형 브래킷의 전철주가 배치되어 있다. 즉 브래킷 형식에 따라 전철주 간격 증가에 따라 지진응답 변화 양상이 차이가 있는 것으로 나타났다.
Fig. 8에서 교량상 전철주에 토공상 보다 큰 반력모멘트가 발생하는 것으로 나타났다. 반력모멘트의 크기는 전철주 간격 40m에서 가장 작고 45m에서 최댓값이 나타났으며, 이후 경간 길이가 증가함에 따라 큰 변화 없는 것으로 나타났다. Fig. 9에서 교량구간의 길이가 30m일 때 교량상 전철주의 반력모멘트가 가장 크나, 40m와 50m일 때는 유사하게 나타났다. 토공상 전철주에 발생하는 반력모멘트는 큰 변화가 없었다.
Fig. 10에서 교량 경간 수가 증가할수록 교량상 전철주의 반력모멘트는 감소하는 것으로 나타났다. Case 4에서와 같이 토공상 전철주에 발생하는 반력모멘트는 큰 변화가 없었다. 참고로 P1은 토공상 전철주, P2는 교량상 전철주이다. Fig. 11에서 2@30m가 3개 연속된 경우 중앙 교량상의 전철주에서 가장 큰 반력모멘트가 발생했으나, 6@30m의 경우 P2 전철주의 반력모멘트가 가장 크게 나타났다. 참고로 P1과 P5는 토공상 전철주, P2 ~ P4는 교량상 전철주이며, 교량의 지지조건은 P2가 위치한 곳이 힌지, 나머지는 롤러이다.
4. 결 론
이 연구에서는 배치 간격 및 곡선반경 등 부설조건 변화와 토공 및 교량 등 노반조건 변화에 따른 전철주의 지진응답을 검토하였다. 인공지진입력을 이용한 수치해석 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
(1) 선로의 곡선반경이 작아질수록 그리고 전철주간 간격이 증가할수록 전철주에 발생하는 지진응답이 증가하며, I형과 O형 브래킷 전철주의 증가 양상이 다르게 나타났다.
(2) 교량상 전철주의 지진응답이 토공상 보다 크게 나타났으며, 교랑 구간의 길이가 증가할수록 교량상 전철주의 지진응답은 감소하는 것으로 나타났다.
(3) 교량 경간 수가 증가할수록 교량상 전철주의 지진응답은 감소하는 것으로 나타났다. 즉 비교적 짧은 경간의 교량에 설치된 전철주일수록 지진에 취약할 수 있는 것으로 나타났다.
(4) 2경간 연속 교량이 3개 부설된 경우 교량상 전철주의 지진응답은 중앙부가 가장 크게 나타났으나, 6경간 연속 교량의 경우 힌지지지에 설치된 전철주에서 가장 큰 지진응답이 나타났다.
Acknowledgements
이 논문은 2017년도 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(No. 2016R1A2B4013051).