국내 신교통시스템 상부구조물의 설계변수 변화에 따른 적용성 및 경제성 평가

Abstract

국내 도시철도는 1974년 서울 도시철도 1호선 개통이후 서울을 비롯한 수도권, 부산, 대구, 광주, 대전 등의 대도시를 중심으로 활발하게 건설되어 왔으며, 현재도 친환경 교통수단으로 인식되어 대도시 뿐만 아니라 중도시에도 건설이 활발히 추진 중이다. 이러한 도시철도는 과거에는 중량전철 위주의 건설이 주를 이루었어나, 2011년 부산도시철도 4호선이 고무차륜 AGT 경량전철 시스템으로 개통된 이후 대부분 경량전철로 건설이 추진되고 있는 실정이다. 이러한 경량전철 시스템은 주로 고가로 건설되며 경량화를 통한 경제성이 우수하고 또한 무인운전으로 운영비 절감효과 또한 우수하다. 이러한 장점으로 인해 향후 도시철도 건설 활성화에 크게 기여할 것으로 판단된다. 그러나 이러한 시스템의 장점에도 불구하고 설계기준이 기존의 중량전철 시스템의 설계기준 또는 철도교 설계기준을 준용하고 있어 구조물의 경량화에 한계가 있는 실정이다. 이러한 설계기준의 불합리성은 경량전철의 최대 장점중 하나인 구조물 경량화를 통한 경제성 향상의 장애요소가 되고 있다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 기존의 중량전철 및 경량전철의 시스템별 설계기준을 분석하고, 고무차륜 AGT 시스템에 적합한 설계기준을 제시하기 위해 현재 공용중인 부산도시철도 4호선에 대하여 계측 및 시험을 시행한 후 구조해석을 통해 고무차륜 AGT 시스템에 적합한 설계기준을 제시하였다. 연구 결과, 충격계수는 기존의 설계기준 대비 약 34.0~41.5% 수준으로 확인되었으며 제동하중은 기존의 설계기준 대비 약 9.7~10.2% 수준, 시동하중은 기존의 설계기준 대비 약 10.6~10.9% 수준, 횡하중은 기존의 설계기준 대비 약 62.2% 수준인 것으로 확인 되었다. 즉 기존의 설계기준이 차량 시스템의 특성을 제대로 반영하지 못하고 있으므로 충격계수, 시․제동 하중 및 횡하중에 대한 설계기준을 새로이 제시하였다. 또한 시스템의 차이에 따른 개략적인 경제성을 분석하기위해 기존의 공용중인 중량전철과 경량전철의 강합성거더교의 상부 강재량을 비교․분석하여 시스템 차이에 따른 경제성을 상호 비교하였다. 경제성을 분석한 결과, 경량전철 시스템이 중량전철 시스템에 비해 약 20.5 % 정도 상부 강재량이 감소되는 것을 확인하였다. 또한 설계기준 중 충격계수의 변화에 따른 경제성을 분석하기 위해 현재 공용중인 부산도시철도 4호선 7공구의 대표교량을 선정한 후 SAP2000으로 구조해석을 수행한 후 단면검토를 통해 강재량을 산정하고 충격계수 변화에 따른 경제성을 분석하였다. 설계기준의 변화에 따른 경제성을 분석한 결과, 단면력은 약 2.0 % 내외로 감소하나 연구대상의 제한성 및 관련규정의 제한 등으로 경제성이 향상을 확인하지 못하였으나, 연구범위의 확대 및 관련규정의 보완 등으로 경제성 향상의 가능성을 확인하였다. 이러한 연구는 구조물의 경량화를 통한 경제성 향상이라는 경량전철 시스템의 장점을 최대한 활용함으로써, 현재 활발히 진행되는 경량전철시스템의 도시철도 건설이 가속화되는데 일조하게 될 것으로 판단된다.