시험 대상 구조는 Fig. 4와 같이, 현재 운영 중인 자갈궤도에서 사용될 수 있는 강재형 DCP (Steel Frame Type DCP)이다. 이 구조는 자갈궤도 위에 설치된 PSC 콘크리트 침목 상단에 급속체결이 가능하다. 강재 프레임(Steel Frame)은 자갈궤도 PSC 침목 상단에 체결하고 고정하는데 7개 침목을 1조 체결되며, 선로진행 방향으로 연속으로 체결하여 설치된다. 천공은 PC 강선을 피해 3개홀을 천공하고 케미컬 앵커로 시공한다. 케미컬 앵커를 시공한 후 강도는 80%가 발현된다.

일본의 JR의 강재형 DCP는 탈선 차량의 선로 횡방향으로 과도한 이탈을 방지하고 구조적 안정성을 확보하며, 사고 이후에도 착탈식으로 급속 시공이 용이하다(KRRI, 2024).

열차바퀴가 탈선하여 충돌되는 하중이 얼마인지를 평가하기 위하여 자갈도상에 설치된 강재형 DCP 구조와 총 5량 편성(동력차-동력객차-객차-동력객차-동력차)로 구성된 KTX 열차로 탈선 충돌해석을 수행되었다(Lim et al., 2025). Fig. 5와같이 곡선반경(R) 4,500 m의 궤도에 연속적으로 설 치된 곡선 선로를 고속열차(KTX)가 300 km/h로 주행 하는 중 탈선하는 시나리오를 반영하여 해석모델을 구축하였다. 강재형 DCP는 차량 탈선 발생 위치로부터 약 30 m에 걸쳐 총 15개 패널이 연속 배치된 형태로 모델링하였다. 이 때 기존에 검증된 FEM 시뮬레이션 모델(Song, Kim, Koo, Bae et al., 2019; Song, Kim, Koo, and Lim, 2019; Song et al., 2023)과 실제 규모의 탈선-충돌 실험에서 도출된 검증 기술(Kim et al., 2018)을 활용하였다. 구조해석을 통해 탈선시 차량의 바퀴와 충돌하는 DCP의 1개 패널당 최대 내부에너지와 충돌하중을 구하고 그 중 최대값을 산정하여 설계를 위한 충돌 하중값은 162.6 kN로 결정하였다(Kim et al., 2024). 본 논문에서 이 설계하중을 근거로 시험결과에 대한 분석을 수행하였다.

본 연구에서는 준정적 하중 조건에서의 거동을 실험적으로 검증하기 위하여 Figs. 6, 7과 같이 강재형 DCP 프레임과 구성품을 제작하였다. 이 구조는 PSC 콘크리트 침목 상단에 연속하여 설치한다. 스틸프레임 구조는 100 mm 두께 패널, 20 mm 두께의 고정 베이스 플레이트, 그리고 5 mm 두께의 절연 고무판으로 구성되어 있다.

강재 DCP 프레임의 형상과 주요제원은 Figs. 4, 6과 같으며, DCP 프레임의 길이는 3,710 mm이며 종방향 빔은 150 × 100 × 9 mm 크기의 표준 열간압연 직사각형 강재 단면을 사용하였고, 보강재 역시 동일한 단면의 강재로 제작하였다. 침목에 체결하기 위한 주요 구성품은 체결 볼트(Fixing Bolt), 베이스플레이트(Base Plate), 프레임 고정장치(Frame Fixure), 고정웨지(Fixed Wedge)이며, 침목에 결합 방법은 Fig. 7에 제시하였다. 각 DCP 패널은 7개의 침목의 격자형 구조로 구성되며 강재형 DCP는 침목에 대해 중앙 앵커와 양 끝단의 앵커, 총 3개의 위치에 고정한다. 각 앵커 위치에서는, 지름 20 mm, 길이 90 mm의 볼트를 침목에 삽입하고, 에폭시 수지로 고정하였다. 이후 침목은 양측 고정 너트를 이용해 고정 베이스 플레이트 및 절연 패드에 부착하였다. 마지막으로, 강재 DCP 프레임은 각 베이스 플레이트에 네 개의 모서리 볼트로 체결하였고, 프레임 고정구와 고정 쐐기를 활용하여 DCP 프레임과 베이스 플레이트, 침목을 고정할 수 있다.

실험을 위해 사용된 콘크리트 침목의 설계 압축강도는 양생 28일 후 50 MPa이며, 강재 프레임과 고정 베이스 플레이트, 프레임 고정구, 고정 쐐기의 항복강도는 355 MPa, 탄성계수는 210 GPa이다.

본 시험에서는 강재형 DCP의 성능을 평가하기 위해 크게 단일 강재 앵커시험과 침목과 결합이 된 강재형 DCP 시스템 시험을 수행하였다. 열차가 탈선하면 차륜은 자갈궤도 침목에 결합된 DCP 패널과 횡방향으로 충돌하는데, 이 때 DCP 패널이 충돌 하중에 따라 거동하는 양상, 패널과 앵커의 거동과 구조적인 안전성을 평가하였다. 이를 위해 열차바퀴의 내측 부분을 표면에 호(arc) 형태로 접촉하며 면 접촉된 횡방향 하중이 DCP 프레임의 측면으로 가해진다고 가정하여 횡방향 하중을 패널에 전달하는 지그를 제작하고, 하중을 재하 하였으며 수평 변위계로 변위를 측정하였다.

단일 강재 앵커에 가해지는 하중이 변위에 미치는 영향을 조사하였다. Fig. 8은 앵커 위치에서 강재형 DCP 프레임에 탈선된 차륜의 하중이 횡방향으로 충돌할 때를 가정하여 시험을 하였다. 개별 앵커의 하중 지지 능력 및 시험체의 변위를 측정하기 위해 총 4개의 LVDT 센서로 측정하였고, 수평 변위(H)는 LVDT H1과 H2로, 수직 변위(V)는 V1과 V2로 측정하였다. 각 시험은 두 번씩 반복 수행되었으며, 각각 “-1”과 “-2”의 접미어로 구분하였다. 측정 정확도 0.001 mm, 100 mm의 스트로크를 가진 LVDT 센서를 사용하여 수직 및 수평 변위를 측정하였다. 하중은 UTM (최대 용량 500 kN)의 로드셀로 재하하였고, 하중 재하 속도는 2 mm/min으며, 보다 자세한 센서와 시험장비의 제원은 Table 1에 제시하였다.

강재형 DCP의 각 구성품이 조립된 전체 시스템의 시험 전경을 Fig. 9에 나타내었다. 시험체는 DCP 프레임을 PSC 침목 7개에 체결하고, 하중을 가력하는 가력 지그(Loading Zig)를 하부에서 지지하기 위해 침목 1개를 추가로 설치하였다. 하중가력을 위해 레일을 제거하였고, 스틸프레임과 침목을 체결한 후 준정적 하중재하 시험을 수행하였으며 탈선 충돌하중의 상황을 모사하기 위해 3가지 하중 재하 조건을 설정하였다. Figs. 9, 10과 같이 프레임 중앙 재하(Case 1), 프레임 중앙 앵커 재하(Case 2), 프레임 단부 앵커 재하(Case 3)로 분류해서 시험을 수행하였다. LVDT는 각 하중 위치 조건에 따라 설치되었으며, Case 1과 Case 2의 경우, Figs. 10(a), (b)에 나타난 바와 같이 LVDT L1, L2, L3를 각각 끝단 앵커, 중간 스팬, 중앙 앵커 위치에 배치하였다. Case 3에서는 LVDT L1과 L2를 중앙 앵커와 프레임 중앙부에 L3와 L4는 프레임 단부 앵커 단부에 Fig. 10(c)와 같이 설치하였다. 각 시험은 2회 반복 수행하였고, 각각 “-1”과 “-2”의 접미어로 표시하였다. 침목은 시험실 하부의 클램핑 블록(Clamping Block)에 단단히 고정되었으며, 하중의 영향으로 인한 침목의 변형은 무시 가능한 수준으로 가정할 수 있다. 하부에 2 mm 고무 패드를 설치하였으나 PC침목의 하부를 고정시키는 시험조건인데, 이러한 구속적인 경계조건은 자갈궤도 위에 놓여진 경우와는 다르다. 실제 현장에서는 자갈 입자의 비선형 거동, 침목-자갈 상호작용, 기초 노반 강성의 변화와 같은 다양한 불확실성이 있을 수 있다. 시험시 조립된 시험체의 강제 프레임은 각 구성품의 변위와 회전도 구속이 발생할 수 있다. 이러한 부분은 자갈궤도의 각각의 시공품질과 유지관리 상태, 반복통과톤수에 따라서 지지강성이 달라지므로 현장에서는 다소 차이가 있는 값을 보일 수 있으므로 시험의 한계점이 있을 수 있다. 지반의 탄성이 있는 경우에 비해서 시험값이 크게 발생할 수 있어 안전율을 고려하였고, 목표값을 설정하였다. 시험 LVDT 및 UTM의 사양은 Table 1에 제시한 단일 앵커 시험과 동일하다. 목표 하중은 설계 하중(162.6 kN) 이상이 되도록 하였으며, 하중 여유는 125% 이상이다.

목표 하중은 설계 하중(162.6 kN) 이상이 되도록 하였으며, 하중 여유는 125% 이상이다. 모사하기 위해 하중을 재하하였다. Fig. 11의 그래프와 같이, 단일 앵커는 176 kN의 하중이 수평 변위 12.70 mm에 도달할 때까지 선형 거동을 하였다. 이후 앵커의 거동은 거동은 점차 항복 단계를 지나서, 최대 197.9 kN의 하중에 도달하였다. 이 시점의 단일 앵커의 평균 수평 및 수직 변위는 각각 15.77 mm, 0.37 mm로 측정되었다.

시험 중, 고강도 앵커 볼트의 축 방향 변형은 앵커를 구성하는 다른 부재들의 변위보다 현저히 작게 측정되었다. 앵커 하중 시 변위에 영향을 준 주요 원인은 앵커 볼트와 앵커 구멍 간의 직경 차이, 절연 패드와 고정 베이스 플레이트, DCP 강재 프레임의 변형 때문인 것으로 판단된다. 수직 변위가 거의 발생하지 않은 것은 볼트와 침목 간의 결합이 인발 및 국부 회전을 효과적으로 방지하고 있음을 나타내는 것으로 판단된다. 단일 앵커 실험 결과는 Table 2에 정리하였다.

강재형 DCP를 침목에 체결하여 구성한 조합 시험체에 대해서 3개의 조건(프레임 중앙 재하: Case 1, 중앙 앵커 재하: Case 2, 프레임 단부 앵커 재하: Case 3)에 대한 하중-변위 곡선을 나타낸 것이 Fig. 12이다. 각 조건은 평균값의 신뢰성을 확보하기 위해 2회 반복 측정하였다. 강재형 DCP의 설계 하중 162.6 kN의 125%에 이르는 203.3 kN를 목표값으로 하였다.

Figs. 12(a), (b), (c)를 통해 DCP 시스템이 탄성 범위 내에서 구조적 안정성을 확보함을 확인할 수 있었다. 하중 제거 후 LVDT의 변위가 원위치로 완전히 복귀하지 않았다. 그것은 침목과 프레임을 체결하는 구성 부재 들의 국부의 수평, 수직 및 회전변위가 누적되어 발생한 것으로 분석된다. Case 1에서 LVDT L1, L2, L3의 평균 변위는 각각 5.32 mm, 6.07 mm, 7.00 mm로 나타났다. 강재형 DCP에서 L3가 L2보다 크게 발생하여 앵커부가 DCP 프레임 자체의 휨변형보다 더 크게 발생하였다(Fig. 10(a) 참조). 변위가 Case 1과 3보다 크게 측정되었으며, 강재형 DCP의 프레임이 휨 거동을 보이고, 앵커 간 하중 재분산 효과가 나타난 것으로 판단된다. 앵커와 프레임 구조가 충돌 하중을 분담하면 실제 탈선 시 차륜이 궤도 중앙부 프레임에 접촉하여 보다 넓은 부재에 하중이 분산되는 효과를 기대할 수 있다. 변위가 다른 경우보다는 크게 발생하지만 프레임-앵커 시스템의 일체성 유지하면서도 에너지 흡수 효과를 기대할 수 있다.

Case 2에서는 LVDT L1, L2, L3의 평균 변위가 각각 5.32 mm, 6.07 mm, 7.00 mm로 측정되었으며(Fig. 10(b)), 하중이 가해진 중앙부의 경간보다 단부 앵커에서 보다 큰 변위가 발생하였다. 전체적으로 Case 1과 Case 3보다는 변위가 작게 발생되었다. 이 경우는 앵커 중앙부에 하중이 직접 작용하므로 앵커에 전달되는 인장력과 회전부의 저항성능이 검증된다. 변위가 작게 발생한 것은 충돌 에너지가 집중되는 조건에서도 앵커-침목 체결부가 안정적으로 기능을 수행함을 의미한다. 실제 탈선 상황에서는 차륜이 침목 상부를 직접 타격할 경우를 모사한 실험으로 앵커부에 직접적인 차륜 타격시에도 강재형 DCP가 충분한 저항 능력을 보유하고 있음을 나타낸다.

Case 3에서는 LVDT L3, L4가 평균 5.81 mm로 가장 큰 변위를 나타냈으며, LVDT L1과 L2는 각각 1.27 mm, 3.27 mm의 변위를 기록하였다(Fig. 10(c) 참조). 단부 앵커에 하중이 집중되므로 국부적 변위가 발생하지만, 전체적으로는 Case 2보다 작은 변위를 나타낸다. 이는 단부에서 충격을 받더라도 인접 앵커들이 하중을 일부 분담하여 국부 손상이 전체 시스템 파괴로 이어지지 않음을 의미한다. 실제 탈선 상황에서 차륜이 궤도 측면이나 단부를 충격할 때의 시나리오와 유사하며, 시스템 차원의 안전성은 유지되는 것으로 추정된다.

전체 시험 결과는 Table 3에 요약하였고, 전체적으로 제안된 설계는 설계 하중인 162.6 kN에서의 최대 평균 변위는 Case 1에서 7.00 mm, Case 2에서는 4.50 mm, Case 3에서는 5.81 mm로 측정되었다.

동일한 재하 하중(203.3 kN) 조건에서 최대 변위를 비교하면 Case 1이 9.06 mm인데, 이는 Case 2 및 Case 3보다 각각 1.59배, 1.10배 더 큰 수치이다. Case 2, 3은 차륜과 강재 DCP의 앵커부가 보다 직접적으로 충돌하는 조건인데 Case 1보다 변위가 작게 발생되었다.

또한 단일 앵커 실험에서 강재 볼트는 176 kN의 하중에서 항복에 도달한 반면, DCP 시스템은 207 kN 이상의 하중까지 선형 탄성 거동을 유지하였다. 이로부터 각 앵커 간 서로 협응하여 저항하였고, 하중에 따른 내부력이 재분배가 발생하였음을 알 수 있었다. 시험조건은 충격하중이 불리하게 작용하는 조건으로 대상으로 하였고, 강재형 DCP간 서로 연결되어 발생하는 군집 효과와 안전율을 고려한 하중 재하 시나리오는 포함하지 않았다.

구조물의 초기 강성은 변위 기반 설계에서 변위량과 연성비 산정에 직접적인 영향을 미치며, 이는 단면 형상, 크기, 재료 특성, 지지 조건 등에 따라 결정된다. 초기 강성은 하중-변위 곡선에서 선형 탄성 구간의 기울기로 정의되며, 하중을 해당 변위로 나누어 산정된다.

본 연구에서 Case 1의 강재형 DCP의 횡방향 초기 강성값은 35.44 kN/mm로 3가지 조건 중 가장 크게 나타났다. 반면 Case 2와 Case 3의 초기 강성값은 각각 26.78 kN/mm 및 24.62 kN/mm로, Case 1 대비 약 1.32배~1.44배가 낮은 것으로 나타났다. 하중 작용 위치에 따라서 강재형 DCP 시스템의 초기 강성에 상당한 영향을 주는 것을 알 수 있었다.

또한, Case 1, 2, 3에서의 초기 강성은 단일 앵커의 초기 강성(13.92 kN/mm)에 비해 각각 약 2.55배, 1.92배, 1.77배 높은 수치를 나타냈다. 이는 인접 앵커 간의 하중 전달 및 지지력의 상호 작용하여 전체 시스템의 구조안정성과 방호성능을 향상시키고 있음을 시사한다. 향후 DCP 시스템의 구조적 거동을 심화시키고, 향후 해석 연구 및 열차 탈선에 의한 피해 저감을 위한 방호 구조를 개발 할 때 설계 및 제작을 위한 기반 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.