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철도연, 세계 최초 최장경간 200m 경전철 고가구조물 개발

작성자홍보협력실

등록일 2023-05-29

조회수1201



- 신형식 경전철 고가구조물 구조성능검증 공개실험 -




한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 한석윤)은 세계 최초로 케이블을 설치하지 않고 최장 200m 경간을 구현한 ‘신형식 경전철 고가구조물’ 기술을 공개했다. 경간은 교량의 기둥과 기둥 사이를 말한다.


철도연은 200m 경간의 실제 크기로 구현한 고가구조물이 파괴될 때까지 하중을 가하는 성능검증 실험을 부산교통공사, 지에스건설, 동아이엔지, 우성디앤씨, 씨엔에스씨, 한국화이바와 공동으로 5월 26일, 명지대 하이브리드구조실험센터에서 진행했다.


국토교통부 대도시권광역교통위원회, 국토교통과학기술진흥원, 부산, 대구 등 지자체, 도시철도건설 및 운영기관, 학회 및 학계, 산업체 등 200여 명이 참석했다.


신형식 경전철 고가구조물의 가장 취약한 부위인 중앙 경간 부분에 최대 430톤까지 하중재하실험을 수행했고, 120% 이상의 안전 확보로 구조적 안전성을 확인했다.


실제 크기의 구조성능검증 실험 성공으로 2018년부터 6년간 진행한 세계 최초의 도심지 최장경간 200m 경전철 고가구조물 기술개발이 결실을 맺었다. 이 기술은 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 국가연구개발사업으로 진행됐다.


※ 관련 연구과제

- 1단계: 도시경관 친화형 경전철 고가구조물 설계기술 개발(2018.4~2020.12)

- 2단계: 세계 최장경간(200m급) 경전철 고가구조물 개발 및 검증(2021.4~2024.12)

- 주관기관 및 연구책임자: 한국철도기술연구원 신정열 책임연구원

- 공동연구기관: 부산교통공사, 지에스건설, 동아이엔지, 우성디앤씨, 씨엔에스씨, 한국화이바


개발된 경전철 고가구조물은 하부 기둥이 최장 200m 간격으로 구성돼 확 트인 개방감 준다. 상하부 일체형 구조로 기존 강박스형 거더교 대비 20%, 콘크리트 바닥판 대비 80% 경량화하여 케이블 없이도 최대 200m 긴 경간을 구현했다.


하부 기둥의 폭은 1.5m 이내로 기존 2.5m 내외보다 최대 1m 정도 축소했다. 도로 잠식이 중앙분리대 수준으로 중앙분리대 역할을 하면서 도로교통 혼잡을 최소화했다.


상부는 도시 미관을 고려하여 도시조형물 같은 유선형 구조로 이루어졌다. 또한, 캐노피 구조를 채택하여 열차운행 중 발생하는 소음을 차단하고, 강설과 강우 등 악천후에도 열차가 안전하게 운행할 수 있다.


공사는 도로 차단을 최소화하고 교통혼잡을 줄이기 위해 상부 및 하부구조물을 공장에서 사전 제작하여 현장에서는 모듈 단위로 조립한 후, 소형 가설 특수장비로 단기간 급속 정밀 시공하는 기술을 도입했다.


디지털 트윈 기술을 이용하여, 부재 제작부터 현장 가설 시공 시 구조물의 형상 및 시공 정보를 라이다 드론 등을 활용하여 실시간 신형식 고가구조물의 BIM(건축정보모델)* 설계정보와 정합성을 체크하여 정밀 시공된다.


*BIM(Building Information Modeling) 토목·건축물의 자재, 공정, 공사비 가격 등 정보가 입력된 3차원 입체 모델링으로 토목·건축물의 전 생애주기 정보를 통합 관리하는 기술


철도연은 설계기술 및 시공기술 개발에 이어 열차주행안전성, 내풍 및 내진 안전성 검증, 그리고, 26일 실제 크기로 구조적으로 제일 취약한 중앙 경간부를 대상으로 실대형 구조안전성 검증실험 완료했다.


국내 경전철은 2011년 부산을 시작으로 김해, 의정부, 용인, 대구, 인천, 서울, 김포 순으로 전국 지자체에서 신규 노선이 확충되고 있다.


그동안 고가 경전철은 철도교량 형식을 그대로 도심지에 들여와 3~40m 경간으로 하부 기둥구조가 촘촘히 세워지고, 그 위에 육중한 상부구조가 놓였다.


도시미관 훼손, 고가를 중심으로 도시단절, 도로 잠식으로 인한 교통혼잡 가중, 소음 등을 이유로 시민들은 고가구조 대비 건설비가 2배 이상 비싼 지하화를 요구해왔다.


신형식 고가구조물 도입으로 사업추진에 난항을 거듭한 국내 경전철사업 활성화와 동남아 등 해외 경전철 시장 진출도 기대된다.


연구책임자인 신정열 책임연구원은 “도시 과밀화에 따른 교통혼잡 해소를 위해 지자체별로 경전철사업이 추진 중인데, 개발 기술은 도시단절, 미관 훼손, 교통혼잡, 소음, 악천후 시 운행사고 등 기존 고가 경전철 문제를 해소할 수 있는 기술”로, ”남은 연구기간 동안 신형식 고가구조물 성능검증을 마무리하여 조속히 국내 신규 노선 실용화에 최선을 다할 계획이다“고 말했다.


한석윤 철도연 원장은 “기존의 토목기술을 한 단계 도약한 기술로 세계를 선도하는 명품 K-철도기술”이라며, “국토교통부와 협의하여 지자체 실증사업 등으로 국내 실용화를 추진하고, 이를 기반으로 동남아 등 해외 경전철 시장에 진출하는 명품 K-철도기술로 완성하겠다”고 전했다.



※참고:

1. 구조성능검증 공개실험 모습 사진

2. ‘세계 최장경간(200m급) 경전철 고가구조물 개발 및 검증’ 연구사업 개요



참고1 신형식 고가구조물 구조성능검증 공개실험 모습 사진


고가구조물 01.jpg


고가구조물 02.jpg


고가구조물 03.jpg



참고2 세계 최장경간(200m) 경전철 고가구조물 개발 및 검증 연구사업 개요

관련 연구과제 (국토교통부 국가연구개발사업)

- 1단계: 도시경관 친화형 경전철 고가구조물 설계기술 개발(2018.4~2020.12)

- 2단계: 세계 최장경간(200m) 경전철 고가구조물 개발 및 검증(2021.4~2024.12)

- 주관기관 및 연구책임자: 한국철도기술연구원 신정열 책임연구원

- 공동연구기관: 부산교통공사, 지에스건설, 동아이엔지, 우성디앤씨, 씨엔에스씨, 한국화이바


최장경간 200m 경전철 고가구조물 기술소개 및 특장점


최장경간 200m 경전철 고가구조물은 강박스 혹은 PC박스 거더교 등 기존 철도교 형식을 탈피하여, 상부 중앙 백본(backbone) 구조를 갖는 상·하부 일체형의 신형식 구조를 메인 구조로 하여 최적의 구조효율을 갖도록 하고, 도시조형물 같은 심미성을 고려한 유선형 구조로 메시형(mesh)의 외부 아웃리거 스킨 구조가 중앙 백본 구조를 미학적으로 감싸면서 구조적으로는 부부재 역할을 하는 신형식 구조이다.


- 도심지 세계 최장경간(200m)의 신형식 구조를 갖는 신형식 경전철 고가구조물을 구현하기 위해, 일종의 교량 거더 역할을 하는 상부 중앙 백본(backbone) 구조를 갖는 상·하부 일체형의 신형식 구조를 메인 구조로 하여 최적의 구조효율을 갖도록 하였으며, 하부구조와 일체로 연결된 중앙 백본 부재가 전체 구조계의 65%를 지지하도록 하였다.


- 도시조형물 같은 심미성을 고려하여 메시형(mesh)의 외부 아웃리거 스킨 구조가 중앙 백본 구조를 미학적으로 감싸면서 구조적으로는 부부재 역할을 하도록 하였으며, 이 아웃리거 부재가 전체 구조계의 35%를 지지하도록 하였다.


- 백본 및 아웃리거 구조는 상부 중앙에 위치하는 백본 구조를 중심으로, 좌우 대칭구조를 갖도록 백본 상단 및 하단에 각각 상부 및 하부 아웃리거가 연결되어 있는 구조이다.


- 기존의 하부구조가 상부구조를 받치는 구조 역할만 하는 반면, 상·하부 일체형의 하부구조를 도입하여 상부구조물의 응력 및 처짐 분담을 하도록 하였다. 지점부에서 하부구조가 상부구조의 백본 상단까지 연장되고, 지점부가 일반 중앙부에 비해 높게 돌출되어 있으면서 미학적으로 유선형을 가지도록 설계되어 있다.


- 상·하부 일체형의 백본 및 아웃리거 신형식 구조를 이용하여 기존 강박스형 거더교 대비 강중 20% 이상 경량화시켰고, 기존 콘크리트 바닥판 중량의 20% 수준인 FRP 바닥판을 도입하여 케이블 없이도 최대 200m 장경간화 구현이 가능하도록 하였다.


- 하부 아웃리거의 경우, 직접적으로 열차하중이 재하되는 부분으로, 열차하중이 직접적으로 재하되는 부분에 절점부를 두고 여러 사재들이 만나도록 배치하여 구조안전성을 도모하였다.


- 최장경간 200m를 갖는 장경간 상부구조를 도입함으로써 고가 하부 개방감을 극대화하고, 하부 교각 위치로 인해 곡선 선형 시공될 수밖에 없었던 도로 혹은 하천 등의 지형 영향을 최소화하여 시·종점간 전체 구조물 연장을 최단 시공이 가능케 하여 열차운행 효율을 높이고 사업비 절감에 따른 경제성 제고가 가능하다.


- 그러면서도 하부구조의 폭은 최대 1.5m 이내의 슬림한 구조를 채택하여, 도로 중앙분리대 역할을 하면서 기존 상부도로 차선 잠식이 없거나 최소화함으로써 도로교통 혼잡 가중 문제를 해소케 한다.


- 이렇듯, 신형식 경전철 고가구조물은 최대한의 하부구조를 제거하고 심미적인 개방형 구조의 도시조형물 같은 상부구조 형식을 도입하여, 도시미관 및 경관성을 극대화하였다.


- 기존 철도교 형식의 경전철 고가구조물의 상부가 노출된 구조인 반면, 신형식 경전철 고가구조물은 상부 아웃리거 스킨 구조가 캐노피 역할을 하여 눈·비·바람으로부터 직접적인 영향을 받지 않도록 하여 기존 폭설시 열차 급전 문제 및 주행선로 미끄럼 문제 등을 근본적으로 해결하였다.


- 또한, 소음 측면에서도 상부 중앙 백본(backbone) 구조의 상·하면에 연결된 외부 아웃리거 스킨 구조로 인해 1차 방음 효과가 있으며, 필요시 외부 아웃리거 스킨 구조에 별도의 글라스 방음 패널 적용으로 2차 방음 효과 뿐 아니라 부분적으로 태양광 글라스 패널 적용도 가능하여 유지관리용 전원 및 야간 경관조명 등의 에너지원으로 활용이 가능하다.


- 상부 중앙 백본(backbone) 구조를 갖는 신형식 경전철 고가구조물의 특징 중 하나로, 차량 승객의 눈높이에 맞춰 양측이 개방된 구조로 되어있어 차내 승객의 시야 확보가 가능하다.


- 특히 시공 측면에서도, 복잡한 도심지내 기존 고가구조물 시공시 대형 크레인 가설로 인한 6차로 이상의 교통 차단과 함께 수년 간에 걸친 장기 공사로 인해 공사중 상부도로교통 혼잡이 가중되던 문제를 해소하도록, 상부 및 하부구조물을 요소부재 혹은 세그먼트 단위로 사전에 공장 제작하고 현장에서 모듈 단위로 조립한 후, 소형 가설 특수장비를 이용하여 도로 차단을 최소화(3차로 이내)하여 단기간에 급속·정밀 가설 시공된다.



□ 안전성 검증연구

ㅇ 열차 주행안전성 검증

- 신형식 경전철 고가구조물의 경간 중앙부 연직 처짐 및 최대 연직가속도, 면틀림에 대한 응답을 분석하여 주행안전성 및 승차감을 평가했고, 최대 연직가속도 0.29g(<0.5g), 연직처짐 약 60mm(<333.3mm), 면틀림 0.07mm(<1.2mm)로 모두 허용 기준치 이내를 충분히 만족함을 확인했다.


ㅇ 내풍·내진 안전성 검증

- 국내 공인인증시험기관에서 신형식 경전철 고가구조물의 내풍 및 내진 성능평가 완료하여, 강한 태풍급 이상의 바람(최대 80m/s)에서 와류진동 및 플러터 현상이 발생되지 않아 내풍 안전성을 확인했고, 열차 운행제한 풍속(20m/s)에서 모두 진동사용성 기준(최대가속도 100gal 이하)을 만족하는 것을 확인했으며, 1000년 빈도 주기의 강한 지진 시를 모사한 내진성능검증 실험을 통해 120% 이상의 내진 안전을 확인했다.


ㅇ 실대형 구조성능검증 실험

- 신형식 경전철 고가구조물의 가장 취약한 부위인 중앙 경간 부분을 최대 430톤까지 하중재하실험을 수행했고, 120% 이상의 안전 확보로 구조적 안전성을 확인했다.



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<세계 최장경간(200m) 경전철 고가구조물의 특장점>



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<세계 최장경간(200m) 경전철 고가구조물의 주요 이미지>



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<세계 최장경간(200m) 경전철 고가구조물의 구성도>



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<세계 최장경간(200m) 경전철 고가구조물 개요도>




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  • 최종수정일 : 2023-03-09

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