[철도연 기술개발] ART(Advanced Railroad Trivet) 거더 성능검증 / 남극 얼음 건너는 가설교량 개발

#1 ART(Advanced Railroad Trivet) 거더 맞춤형 철도교량 공개 성능 검증

건설비 절감·안전성 향상시킨 

맞춤형 철도교량, 설계·시공 신뢰도 확보 

   한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 나희승)은 11월 1일 경기도 의왕 본원에서 ‘ART(Advanced Railroad Trivet) 거더 철도교량’ 성능검증 시험과 기술발표회를 진행했다.

충북 오송 철도종합시험선로에 적용한 ART 철도교량(2017년) 

40m 길이의 실물을 대상으로 한‘ART 철도교’의 구조 안전성 등 성능검증을 위한 공개 시험을 살펴보기 위해 철도 시공사, 설계사 등 철도 및 교량 분야 전문가 약 100여 명이 참석했다.

‘ART 거더 철도교량‘은 철도연, GS건설(대표이사 임병용), 동아이엔지(대표이사 강덕만), 동연엔지니어링(대표이사 오희성)이 공동으로 개발했다.

성능검증시험을 진행한 ART 철도교량은 포스트텐션 공법이 적용됐다. 포스트텐션 공법은 프리텐션 공법과 함께 콘크리트의 구조 안전성을 강화하기 위한 제작 방법으로 프리텐션 공법을 적용한 ART 교량은 지난해 충북 오송 철도종합시험선로에 40m 경간 복선교량으로 설치됐다.

ART 철도교량의 프리텐션 공법과 포스트텐션 공법 2가지를 개발 완료함으로써 다양한 건설 여건에 맞춰 선택 적용할 수 있게 됐다.

ART 철도교량은 일반철도 및 고속철도에 적용 가능한 교량 시스템이다. 기존 I형 거더 형식의 철도교량이 복선 철도교에서 필요했던 5개의 거더를 4개로 줄였으며, 거더 높이인 형고를 획기적으로 감소시켰다.

ART 복선 철도교량은 거더 4개로 구성되며, 단선 교량은 거더 2개로 구성된다. 30~45m 경간(교량에서 교각과 교각의 간격)에 적합한 시스템이다. 40m 경간 기준 형고는 2.2m이다.

철도교량이 도로교량과 가장 큰 차이점인 열차하중의 흐름과 열차 동적 하중에 대한 진동을 충분히 확보하도록 단면 형상 및 거더 배치를 설계했다.

열차하중 분포에 따른 거더 형상 및 배치 최적화 

거더 측면은 곡선을 가미한 항아리 형상으로 단면을 디자인하여 심미적 효과를 높였다. 또한 기존 철도교량에 비해 거더의 높이를 줄여 홍수위 확보, 도심지 건설이나 도로와의 교차 등 교량 아랫부분의 공간 확보가 필요한 장소에 효과적으로 적용할 수 있다.

기존의 I형 거더의 경우 높은 무게 중심으로 인해 전도사고 등이 많이 발생했으나, ART 교량은 무게 중심이 낮아 가설 중 전도 위험성을 사전에 차단했다.

ART 철도교량은 기존 I형 거더 대비 거더 수량을 20% 이상 감소시켰으며, 형고를 25% 이상 줄일 수 있어 공정 단축 및 건설비를 절감시켰다.

개발된 ART 거더 철도교량을 실제 적용할 경우 일반철도에서는 기존 I형 거더 교량 대비 약 20% 이상, 고속철도 PSC박스거더 교량 대비 약 35% 이상 건설비를 줄일 수 있어 1km당 40억원 정도의 비용 절감이 예상된다.

연구개발을 총괄한 철도연 김성일 박사는 “실험실 하중 재하시험과 오송 철도종합시험선로에 시범 구축된 ART 교량의 장기거동 분석 및 열차 주행시험을 통해 ART 철도교량의 완벽한 검증을 진행하여 신규 철도노선 및 노후 철도교량 교체에 적용될 수 있도록 하겠다”고 전했다.

철도연 나희승 원장은 “철도 시설물의 건설비를 줄이면서 안전성을 강화한 첨단 기술을 지속적으로 개발하여 국내 상용화는 물론 해외 철도 시장 진출을 활성화하기 위해 노력하겠다”고 밝혔다.

#2 남극 얼음 건너는 가설교량 개발

갈라진 얼음을 통과하는 모듈러 브릿지, 남극 K-루트 개척에 적용 

  한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 나희승)은 극지연구소(이하 극지연, 소장 윤호일)와 함께 남극의 크레바스를 바로 통과할 수 있는 가설교량 ‘남극형 모듈러 브릿지’를 개발했다.

<남극 쇄빙선 아라온호 앞에서 (좌)에서 세 번째 윤호일 극지연 소장,

네 번째 원광연 국가과학기술연구회 이사장, 다섯 번째 나희승 철도연 원장>

크레바스는 빙하가 갈라져서 생긴 좁고 긴 틈을 말한다. 그 크기와 깊이가 다양하고 위험한 경우가 많아 빙하지대를 탐사할 때는 항상 주의해야 한다.

극지연은 남극 내륙에서 빙저호 탐사 등 새로운 연구영역을 확보하기 위해 남극 장보고과학기지에서 남극점으로 향하는 독자적 내륙진출로를 개척하는 코리안루트(K-루트) 탐사사업을 2017년부터 진행하고 있다.

K-루트 개척은 연구장비와 생존물자를 실은 컨테이너, 연구실과 숙소를 겸한 캐러반, 유류탱크, 그리고 중장비 및 소형차량 등을 하부에 썰매가 달린 차량(Antarctic Traverse Sled)에 싣고 열차처럼 연결하여 설상차가 견인하는 방식으로 진행한다.

K-루트 개척과정에서 해결해야 할 여러 문제 중 하나가 계획경로 상에 존재하는 회피가 어려운 다수의 크레바스이다. 남극의 크레바스는 길게는 수십 km에 이르고, 갈라진 틈의 윗부분에 눈이 쌓여있어 육안으로 확인할 수 없는 경우가 대부분이다.

개발된 남극형 모듈러 브릿지는 탐사 중 크레바스를 만났을 때 먼 거리를 우회하지 않고 바로 통과할 수 있는 극지 탐사용 교량 장비이다. 오래전부터 남극 탐사사업을 진행한 다른 국가에서 찾아볼 수 없는 독창적인 아이디어로 설계·제작됐다.

남극형 모듈러 브릿지는 설치했을 때 길이 10m, 폭 4.5m, 중량 7톤의 가설교량으로 최대 4m 폭의 크레바스에 설치 가능하며 최대 30톤 중량의 K-루트 탐사 선단 차량이 통과하도록 설계됐다.

기동성을 높이기 위해 교량의 양쪽 램프를 접을 수 있고, 하부에는 얼음 위에서 견인될 수 있도록 공기튜브 형태의 미끄럼 장치를 장착했다. 따라서 교량 수송을 위해 별도의 썰매차가 필요하지 않으며, 오히려 견인 시 다른 장비와 물자를 수송하는 썰매차로 활용할 수 있다.

탐사선단 설상차에 장착된 크레인으로 인상할 수 있는 최대하중이 500kg 수준으로 매우 낮기때문에, 구조를 최대한 경량화했고 혹한과 강풍 속에서도 3명의 최소 인력만으로 신속하게 설치할 수 있도록 설계됐다.

남극형 모듈러 브릿지는 남극 크레바스와 유사한 환경의 국내  테스트베드에서 성능시험을 이미 완료했고, 10월 30일 극지연의 쇄빙연구선 아라온호에 선적되어 남극 장보고과학기지로 이송된다. 남극의 여름인 11월부터 내년 2월까지 남극 현장적응 테스트를 거쳐 내년 10월부터 남극 내륙탐사에 투입될 예정이다.

<23일 아라온호 선내 회의실에서 개최된 ‘극지연-철도연 남극형 모듈러 브릿지 협력연구 간담회’>

철도연 나희승 원장은 “모듈러 브릿지는 신속하게 수송하여 소수의 인력으로 설치 가능하다는 장점을 살려 대형재난이나 자연재해 발생 시 긴급복구 및 통행을 위한 비상장비로 활용하는 등 안전 및 물류 등 다양한 분야로 적용 범위를 확대할 계획이다”고 전했다.

윤호일 극지연 소장은 “남극 탐사에 가장 큰 위험 요소인 크레바스로부터 연구팀과 장비를 보호하는 획기적인 장비 개발로, 크레바스 탐지에 소요되는 시간이 단축되고, 연구자의 안전이 확보되는 등 앞으로 K-루트 개척사업에 큰 진전이 있을 것으로 보인다”고 전했다.

23일 아라온호 선내 회의실에서 개최된 ‘극지연-철도연 남극형 모듈러 브릿지 협력연구 간담회’에 참석한 원광연 국가과학기술연구회 이사장은 “남극형 모듈러 브릿지는 자연과학 연구를 수행하는 극지연과 공학 기반의 철도연이 만나 이루어낸 융합연구의 성공모델이다”며 “계속해서 융합연구를 통한 우수 성과물이 도출될 수 있도록 자율과 소통의 선진 연구환경을 조성해 나가겠다”고 밝혔다.

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