장대레일축력

왜 배우는가: 장대레일축력은 레일과 교량이 함께 있는 구간에서 온도·열차하중·교량 변형이 겹쳐 생기는 힘이다. 이 힘을 잘못 검토하면 레일 좌굴·파단이나 교량 신축이음 손상으로 이어지므로 실무 설계와 유지관리에서 반드시 확인한다. 교량 설계하중의 롱레일종하중과 철도교 상·하로 트러스 비교 문항에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제133회 4교시 3번, 제112회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

장대레일축력은 용접으로 이은 연속 레일이 온도변화와 열차·교량 변형에 구속되어 레일 길이방향에 생기는 축력이다. 핵심 키워드: 장대레일(CWR), 레일 축력, 궤도-구조물 상호작용, 롱레일종하중, 온도 고정점, 부가 궤도 종방향응력, 신축이음

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 레일을 이음매 없이 길게 이어 놓으면 날이 더워질 때 레일이 늘어나려 하고 추워지면 줄어들려 한다. 양 끝이 묶여 있으면 그 변형이 막혀서 레일 안에 힘이 생긴다. 이 힘이 장대레일축력이다.

정식으로는 장대레일(CWR, Continuous Welded Rail)이 구속되어 생기는 종방향 축력(인장 또는 압축)을 말한다. 교량 위에서는 레일과 교량 상부구조가 서로 변위를 구속하므로 궤도-구조물 상호작용에 의한 축력까지 함께 검토한다. 교량 위 레일과 체결장치 사이 마찰력이 교량보와 교대에 전달되는 하중을 롱레일종하중이라고 하며, 교량 설계하중의 검토 항목이다.

온도 영향은 단순한 탄성 식으로 어림할 수 있다. 구속된 레일의 온도 응력은 $\sigma = E\alpha\Delta T로 쓰며, 여기서 \sigma는 축응력(MPa), E는 강재 탄성계수(MPa), \alpha는 열팽창계수(1/℃), \Delta T$는 온도 변화(℃)다. 강재의 탄성계수와 열팽창계수를 이용해 온도 변화에 따른 응력 변화를 어림할 수 있다. 이 관계로 온도 변화에 따른 응력 규모를 바로 짐작할 수 있다.

부가 궤도 종방향응력은 교량이 있어서 추가로 생기는 응력이다. 온도, 시동·제동하중, 교량 바닥판의 휨 등이 여기에 해당한다. 온도 고정점은 온도변화에도 구조물의 종방향 변위가 생기지 않는 점이며, 교대 사이 구조물에서는 교대 받침 중심으로부터 온도 고정점까지 거리가 온도 신축길이의 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 레일은 일정 길이 단위로 부설되어 이음매가 많았다. 이음매를 열차 바퀴가 지날 때 충격과 소음이 생기고 이음매 마모와 유지관리 비용이 커진다. 이를 줄이기 위해 레일을 용접으로 이어 길게 만든 것이 장대레일이다. 용접 궤도는 이후 간선 철도에서 보편화되었다.

장대레일은 이음매가 없어 승차감과 유지관리 측면에서 유리하다. 그러나 레일이 길어질수록 온도 변화에 따른 축력이 커진다. 더워지면 궤도 좌굴 위험이 생기고, 추워지면 레일이 수축해 취성 파괴와 균열 위험이 커진다. 그래서 레일을 응력 자유 온도에 맞추어 긴장(stressing)하는 작업이 함께 필요하다.

교량에서는 문제가 더 복잡해진다. 레일과 교량 상부구조는 서로 다른 열팽창 특성을 가지므로, 교량보와 레일의 신축량 차이로 레일 체결장치에 마찰력이 생긴다. 이 힘이 교량 상부구조와 교대에 전달되며, 신축이음 설치와 교대 설계에 직접 영향을 준다. 무도상교량은 도상이 없어 장대레일을 쓰기 어렵다는 점도 교량 형식 선택에서 고려해야 할 배경이다.

국내에서는 장대레일을 정척레일(표준 궤간용 레일)을 용접해 만든다. 정척레일 길이는 설계기준과 제작 조건에 따라 정해지며, 현장 용접 전 공장에서 통상 75m~150m 정도의 장척레일을 제작해 화차로 운반한 뒤 현장 용접하는 방식이 쓰인다. 고속선에는 300m 규격의 장대레일이 쓰인다는 자료도 있다. 이 길이와 부설 방식이 교량 위 축력 계산의 전제가 되므로 설계 단계에서 확인해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

장대레일축력은 레일 자체의 온도 변화와 교량 구조물의 신축이 서로 다르기 때문에 레일과 구조물 사이에 발생하는 궤도 종방향력이다. 이 절에서는 구성요소, 발생 원리, 계산 절차를 차례로 정리한다. 장대레일은 용접으로 이음매를 없앤 레일이므로 온도 변화에 대한 자유 신축이 구속되고, 그 구속력이 축력으로 나타난다.

원리는 다음과 같다. 레일과 교량 구조물은 온도 변화 시 신축량이 다르다. 두 부재가 체결장치로 연결되어 있으면 신축량 차이만큼 레일과 체결장치 사이에 마찰력이 작용한다. 이 마찰력의 반력이 교량보와 교대에 종하중으로 전달된다. 이것이 롱레일종하중(장대레일 종하중, LR)이다. 온도 변화에 의한 레일 축력은 $\sigma = E \cdot \alpha \cdot \Delta T$ 로 개략 산정하며, E는 레일 탄성계수(MPa), \alpha는 레일 열팽창계수(1/℃), \Delta T는 레일 온도 변화량(℃)이다.

교량 위 장대레일의 종방향력 검토 절차는 다음과 같다.

• 교량 구조형식과 온도 고정점 위치, 온도 신축길이를 정한다.
• 교량 상부구조 온도 신축량과 레일의 온도 변화량을 구한다.
• 두 신축량의 차이로 체결장치 마찰력(횡방향 저항 포함)을 산정한다.
• 마찰력의 반력을 교량보와 교대에 종하중(LR)으로 배분한다.
• 시동·제동하중과 교량 바닥판 휨에 의한 부가 궤도 종방향응력을 더한다.
• 레일 응력 한도와 교량 하부구조 안전성을 검토한다.

장대레일축력은 레일과 교량의 신축량 차이로 체결장치에 생기는 마찰력의 반력이다

온도 고정점과 부가 궤도 종방향응력은 축력 산정의 핵심 항목이다. 고정점을 교대 중심에 두면 신축길이가 짧아져 축력 분담이 줄어든다. 반대로 고정점에서 멀수록 교량 종방향 변위와 레일 축력이 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

장대레일과 교량의 상호작용은 철도 설계기준과 교량 설계기준에서 함께 다룬다. 국내 기준은 한국철도시설공단 설계기준(철도 설계 기준류)과 KDS 24 12 21(교량 설계하중, 한계상태설계법)의 장대레일 종하중 규정을 따른다.

국내 설계기준에서 장대레일 관련 기준값은 아래 표와 같다.

6. 유형과 비교

장대레일축력은 교량 형식에 따라 상로트러스와 하로트러스에서 크기와 발생 양상이 달라진다. 상로형은 바닥틀이 주형 위에 있어 레일 높이가 높고, 하로형은 바닥틀이 주형 아래에 있어 레일이 주형 사이에 놓인다. 이 차이가 레일 축방향 힘을 받는 위치와 종방향 구속 조건을 바꾼다.