2.1 교량받침 장기마찰시험 준비

교량받침의 이동량을 지지하는 마찰재의 내구성능을 검증하기 위하여 Fig. 1(a)와 같은 표준시험체를 마련하고 장기 마찰시험을 수행하였다^{(Dae-Chang, 2014)}.

장기 마찰시험은 두 가지 저속과 고속시험 타입을 23단계를 교차 반복하여 누적 이동거리인 25,388 m(1,560,400 cycle)을 Table 1과 같은 순서로 수행하였다. 저속 0.4 mm/sec로 시험하는 Type A는 온도하중에 의한 거동을 시뮬레이션한 것으로 Fig. 1(c)에서 나타낸 것과 같이 8가지 온도단계를 적용하여 10 mm 왕복 1,700 cycle까지 누적 이동거리는 34 m이며 총 24시간이 요구된다. 이는 유럽기준과 비교 할 경우 70 ℃의 고온단계가 550 cycle까지 추가되어 있다. 고속 15.0 mm/sec인 시험속도 Type B는 활하중에 의한 거동을 시뮬레이션한 것으로 일정온도 +21 ℃(±1 ℃)에서 2,240 m (140,000 cycle)까지 수행하였다.

시험편 EP (Engineering Plastic)는 직경 φ75 mm와 두께 $8_{-0}^{+1}$ mm의 크기로 준비하여 CUAP 03.01-78에 따라 가로 13.5 mm와 세로 15 mm의 교차 간격으로 깊이 2.0 mm의 홈 (dimple)을 가공하였으며 마찰면에는 그리스 (grease)를 도포하였다. 시험편 EP는 Fig. 1(b)와 같이 고정판 (fixed plate)에 5 mm 홈을 내어 상·하 대칭으로 삽입하였으며 돌출량은 3.0 mm인 반면에 PTFE 시험편의 경우 직경 φ75 mm, 그리고 두께는 $5.0_{-0}^{+1.5}$ mm, 돌출높이는 $2.2_{-0.2}^{+0.2}$ mm였다. 여기서 두께와 돌출높이를 제외한 나머지는 모두 동일한 조건을 적용하였다. 시험장치와 시험편을 상·하 대칭으로 고정하고 수평으로 반복 이동하는 지그 플레이트는 온도변수를 최소화하기 위하여 냉각수를 순환시켰고, 단열재로 외부와 차단하였으며, 수직 압축하중을 수직로드셀로 감지하여 일정하게 유지했다. 전동모터와 회전축 기어를 이용하여 속도를 제어하고 편심베어링에 의하여 수평이동으로 전환할 때 발생하는 진동제어 및 최대 변위는 ±10 mm로 고정하고 변위계(LVDT)와 카운터 그리고 수평로드셀을 이용하여 측정하였다. 수평 로드셀에 기록되는 수평력의 유형은 최초 움직임에서 최대 값(static friction, FHs,1)을 나타내며 이후 최소 값(dynamic friction, FHd,1)까지 감소한 후 수평변위의 한계에 이를 때까지 소량 증가시켰다. 시험 중, cycle이 반복되면서 최대 값은 감소하지만 총 phase가 완료될 때 피크 정적 수평력(FHs,T )과 동적 수평력(FHd,T )을 산정하였다. 두 로드셀 값의 비로부터 사이클별 마찰계수를 얻었다. PTFE시험편의 경우 마찰계수는 적게 발생하나 시험 누적거리 4,548 m에서 마모량이 과도하여 파단으로 인해 시험을 중단하였다. 반면에, EP시험편의 경우 마찰계수가 증가되어 0.69에 이르렀으나 목표거리를 만족하였다.

Fig. 1 Long-term friction test

2.2 교량받침 장기마찰시험 시편 pilot test

유럽기준 ^{EN1337-2 (2004)}과 국내기준 ^{KOCED (2020)}에서는 Type B의 시험속도를 2.0 mm/sec로 규정하고 있다. 두 시험편의 비교를 위하여 저속실험만 1000 cycle 수행하고 Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 ^{EN 1337-2 (2004)}를 기준으로 독일에서 수행된 PTFE의 실험결과와 비교하였다.

온도변화에 따른 정적마찰계수의 상한 제한과 시험결과를 Table 2에 비교하였다. 이러한 상한 제한에도 불구하고 저온 –35 ℃부터 증가된 마찰계수 0.04가 상온 21 ℃ 이후 최고 마찰계수 0.06까지 증가하였다^{(Oh et al., 2016)}.

반면에 본 시험 결과와 관련한 국내 연구 결과에서 UHMWPE의 경우 마찰계수는 시험이 진행될수록 지속적으로 증가하여 Type이 교체되는 한 시간의 휴지시간에도 불구하고 한 달간의 총 마찰시험기간 동안 0.023부터 0.062까지 꾸준하게 증가되는 것으로 조사되었다^{(Choi et al., 2019)}. 따라서 PTFE의 마찰계수(0.18~0.25)는 EAD 기준에서 제안한 UHMWPE의 마찰계수(0.20~0.60) 보다 작으나 허용압축력도 부족하고 표면거칠기가 크게 작용하여 마찰계수보다 10 배 이상의 마멸계수를 산정하여 최소화된 연삭효과를 평가하였다^{(Dong et al., 2011)}.

Fig. 2 Upper limits of long-term friction test

2.3 교량받침 장기마찰시험 결과

마찰거리 25,000 m에 대한 장기 마찰시험의 실험결과는 PTFE의 경우 유럽기준을 모두 만족시켰으나 이미 언급한 바와 같이 도중에 파단되어 최종 마찰거리 목표를 만족하지 못하였다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이, EP의 경우 Type A의 저온 (-35 ℃)에서 0.095에 도달한 이후 상온(70 ℃)에서 0.075 이하로 회복되었으나 Type B에서 마찰계수 0.03 이하부터 시작하여 이후 지속적으로 상승하여 총 1,560,400 cycle 시험 중 최대값 0.045을 기록하였다. D사에서 실험한 장비의 상세는 해당 연구보고서와 관련논문에 상술되어 있다^{(Oh et al., 2016)}.

Fig. 3 Long term friction test results

4.1 교량받침의 최대 동적 종방향 변위

수치해석 결과로부터 주행속도에 따른 최대 종방향변위를 계측위치 별로 Fig. 4에 나타내었다. PSC 40 m 단경간 교량에서는 양방향 이동단 교량받침 Ls (Left single-span)의 경우가 최대 변위값을 나타내었고, 회전단과 마주보는 교량받침 Rs (Right single-span)의 경우는 해석된 속도 구간 내에서 평균은 84.6 %이고 표준편차는 0.046이었다. 이 차이는 회전단을 기준으로 두 교량받침 거리의 비가 94.4 %이므로 평균값은 10 % 정도로 확대되며 또한 차량의 주행노선이 왼편으로 모형화되어 발생한 결과로 판단된다. 또한 좌·우 두 교량받침 간 해석결과의 비가 90 % 이내로 해석된 구간은 330 km/h부터 360 km/h까지로 조사되었다. 이는 동적특성이 발현되지 않는 속도구간으로 최대 동적효과가 발현된 280 km/h와 430 km/h 구간에서는 평균 비율 84.6 % 이하의 차이를 나타내었다.

선행연구^{(Oh et al., 2022)}에서 조사된 동일한 규격의 단경간 PSC 교량의 동적 수직처짐는 최대 8.13 mm로 주행속도 430 km/h에서 발생하였으며, 최대값에 도달한 이후 급속하게 감소하는 유형으로 조사되었다. 따라서 현재 공용 중인 330 km/h 이하의 주행속도 구간에서는 최대 처짐 6.94 mm가 280 km/h에서 발생하였으며 차세대 고속철 주행속도인 430 km/h 이상인 구간에서는 570 km/h에서 최대 처짐 6.26 mm가 조사되어 이 결과를 바탕으로 3차항 회귀 분석식을 제안하였다. 조사범위 내에서 최대 처짐 8.13 mm를 기준으로 각각 85.4 %와 77.0 %였다. 이와 마찬가지로 교량받침의 종방향 최대 변위는 위에서 언급한 동일 주행속도에서 1.2869 mm, 1.0887 mm 그리고 1.0157 mm의 순서로 해석되어 최대값을 기준으로 각각 84.6 %와 78.9 %의 비율로 계산된다. 결과적으로 단순교의 교량처짐과 교량받침의 횡변위의 주행속도별 추이는 전체적인 유형과 일치하고 비율도 유사한 값으로 평가되었다.

PSC 2경간 연속교의 경우, 중간 교각에 위치하는 양방향 이동단 교량받침 Lc (Left center)의 경우가 해당 교량받침 중 최대 변위를 나타내었고 Ls의 최대 횡변위를 기준으로 비교하면 평균 61.2 %로 계산되었으며 표준편차는 0.030이고 변동계수(CV, Coefficient of Variation)는 5.0 %이다. 이는 Rs/Ls 비율의 변동계수 5.4 %와 유사한 상관도를 나타내며 추이도 일치하였다. 특히 주행속도 430 km/h에서 최대 변위 0.76385 mm를 나타내며 전술한 특이 속도 구간의 응답과 유사한 비율로 해석되었다. 한편 동일한 중간 교각에 위치한 회전단과 마주 보는 일방향 이동단 교량받침 Rc (Right center)의 경우 Lc의 응답에는 미치지 못하나 거의 일치된 응답으로 해석되었다. 이는 연속교의 특성상 좌·우 교량받침이 유사하게 연행하는 응답으로 전술한 회전단을 기준으로 거리의 차이가 최소로 발현하기 때문으로 판단된다.

반면에 2경간 연속교의 종점부 단부교각에 위치한 교량받침 Le (Left end)의 경우 Ls의 최대 횡변위를 기준으로 비교하여 평균 39.6 %의 값이 계산되었으며 표준편차는 0.119이고 변동계수는 30.1 %였다. 이는 주행속도 500 km/h 이상의 속도구간에서 횡방향 변위가 크게 증가하여 주행속도 550 km/h에서 0.59695 mm를 나타냈으므로 Lc와 Rc의 최대 변위를 상회하여 상관도를 산란시킨 것으로 평가된다. 역시 최단부 교각에 위치한 우측 교량받침 Re (Right end)의 경우 이러한 역전 현상 없이 Rc의 응답과 유사한 추이를 나타내며 일정한 간격을 유지하였다. 2경간 연속교의 좌측 최단부 양방향 이동단 교량받침의 역전 현상은 교량의 최대 처짐 해석결과에서 급한 증가세를 보이며 주행속도 570 km/h에서 해석구간 내 최대 처짐인 8.17 mm를 기록한 현상에는 미치지 못하였으나 추후 이와 관련한 실증적 연구가 요구되는 것으로 판단된다.

Fig. 5 Maximum displacement of PSC box bridge bearings

4.2 교량받침의 최대 변위 추세 분석

고속철 PSC 단경간교에서 종방향 교량받침의 주행속도에 따른 최대 횡변위를 연결하면 주기함수의 형태로 도출되어 각각의 주기에서 peak point를 선택하여 3차 다항식 형태의 회귀 분석식을 Fig. 6에서 제시하였다. 여기서 해당 회귀 분석식의 결정계수는 95.1 %로 신뢰성이 높은 제안식으로 평가된다. 즉, 이 제안식은 교량의 최대 처짐에 대한 회귀 분석식과 유형 별로 상관관계가 높은 것으로 판단되며, 그로 인해 대상 교량의 동적거동과 교량받침의 거동은 동일한 유형으로 주행속도와 연동되는 것으로 판단된다. 본 연구의 범위 내에서 해석결과와 회귀 분석에서 구한 추정값 모두 최대치인 1.29 mm 이하의 값이 되는 것으로 조사되었다.

Fig. 6 Poly-nominal regression equation

4.3 교량받침의 누적 이동거리

교량받침의 경우, 요구성능 설계기준은 앞에서 언급된 안정성 확보를 위한 최대 변위의 한계와 내구성을 평가하기 위한 누적 이동거리가 주요 항목으로 고려된다. 교량받침의 누적 이동거리는 Fig. 6의 최대 변위에 대한 해석결과를 바탕으로 단경간 교량의 경우 회전단과 대각 방향에 위치한 양방향 이동단에서 발생할 것으로 예상되며, 2연속경간의 교량받침인 경우 이보다 적게 발생한 것으로 예상된다. 그러나 차량통과로 발생하는 최대 변위와 연속된 부변위를 포함한 누적 이동거리를 도식한 교량받침 별 Fig. 7의 해석결과를 확인하면 2연속경간 교량받침의 경우 최대 변위의 경우와 달리 누적 이동거리에서는 단경간의 결과와 대부분 근접하며 때로는 우세한 응답을 나타나는 구간도 조사됨을 알 수 있다.

전체 해석구간 내에서 최대 누적 이동거리는 단순교 양방향 이동단에서 주행속도 390 km/h일 때 3.17 mm이고, KTX 주행속도 범위 내에서 290 km/h일 때 2.59 mm, 그리고 저속인 150 km/h일 때 2.75 mm를 기록하여, 특정 주행속도와 독립사건으로 누적 이동거리가 결정되는 것으로 평가된다. 또한 2연속경간 교량받침의 경우에도 중앙부에서 최대 기록은 410 km/h일 때 2.95 mm이며 저속구간에서 280 km/h일 때 2.51 mm로 단경간의 경우에 근접하고 일부구간에서 상회하였다. 또한 고속구간에서는 570 km/h일 때 2.50 mm로 단부 양방향 이동단의 2.51 mm와 함께 단경간의 결과를 크게 상회하였다. 오른쪽 회전단과 대응하는 중간 교각에 위치한 일방향 이동단의 경우, 철도하중이 왼쪽 PSC 단면으로 편중되어 최대 변위의 경우 상대적으로 우세하지 않았으나 누적 이동거리에서는 440 km/h일 때 2.72 mm가 발생하여 500km/h일 때까지 최대응답을 주도하는 현상이 조사되었다.

Fig. 7 Total sliding distance of PSC bridge bearings

4.4 교량받침의 최대 이동속도

교량의 거동에 관련된 연구에서는 최대 처짐과 처짐가속도에 대한 주행안정성이 관련 설계기준을 만족시켜야 하는 반면에 교량받침의 경우 최대 횡변위와 관련된 최대 변위속도를 예측하고 마찰판의 소재 개발을 위한 장기 마찰시험 속도를 적용하여 내구성능을 평가하는 기준으로 활용할 수 있다. 관련 국내·외 장기마찰시험에 따르면 온도하중의 경우 시험 변위속도는 0.4 mm/sec로 시험거리 22 m와 활하중의 경우 변위속도 2.0 mm/sec로 시험거리 1,000 m 이상을 교차하고 21회 반복해야 하며 총 시험거리는 50,000 m여야 한다^{(EN 1337-2, 2004; SPS-F KOCED 0012-7400, 2020; Choi et al., 2019)}. 한편 활하중에 대한 시험속도를 15.0 mm/sec로 적용한 기준과 연구도 있었다(EAD 050004-00-0301, ^{Dae-Chang, 2014)}.

교량받침의 횡변위 속도에 대한 해석결과를 Fig. 8에 교량받침 위치 별로 나타내었다. 교량받침의 횡변위 최대 속도는 단경간 양방향 이동단의 해석결과가 가장 우세한 값을 나타내고 있으며 회전단과 마주보고 있는 일방향 이동단의 변위속도는 최대 변위의 경우와 다르게 250 km/h 이하인 저속구간에서 양방향 이동단의 변위속도를 상회한 결과를 나타내고 있다. 해석구간 내에서 최대 변위속도는 양방향 이동단에서 주행속도 420 km/h에서 14.9 mm/sec를 기록하였고, KTX 운행속도 구간에서는 주행속도 290 km/h에서 최대 변위속도 10.7 mm/sec로 계산되었으며 차세대 고속철 주행속도 구간에서는 570 km/h일 때 13.2 mm였다. 연속경간교의 교량받침의 해석결과는 대부분의 속도구간에서 단경간교의 해석결과에 미치지 못하나 특이하게 550 km/h이상의 속도구간에서 단부교각에 위치한 양방향 이동단에서 변위속도가 크게 증가하여 590 km/h일 때는 12.1 mm/sec를 기록 단경간의 결과를 상회하였다.

이러한 해석결과 중, 해석 속도 구간의 최대 해석값 14.9 mm/sec가 가장 의미가 있는 것으로 평가된다. 따라서 유럽기준 EN1337-2와 국내기준 및 실험에서 제안된 시험속도 2.0 mm/sec 보다 EAD ^{(European Assessment Document, 2017)}에서 제시한 15.0 mm/sec가 고속철 교량의 마찰판 교량받침의 성능평가를 위한 장기마찰시험 속도로 가장 적절한 것으로 평가되었다.

Fig. 8 Maximum sliding speed of PSC box bridge bearings