Dynamic Stability of a Single Span High-Speed Railway Bridge with Seismic and Moving Loads

Abstract

The Gyeong-Ju earthquake in 2016 (magnitude 5.8) and the Po-Hang earthquake in 2017 (magnitude 5.5), the largest earthquakes since seismic observations began in 1978, served as an opportunity to confirm for us that the Korean Peninsula is no longer a safe zone for earthquakes. Statistically, as the total number of earthquakes on the Korean Peninsula increases, the need for earthquake-related research is also increasing. Meanwhile, the dynamic safety of high-speed railway bridges with moving loads has a significant impact on riding comfort and driving safety. It can be evaluated according to the displacement, track distortion and the acceleration of the bridge. In fact, it is an index that can judge the dynamic characteristics of bridges in overseas and domestic design standards. Therefore, as the number of domestic earthquakes increases, the scenario where an earthquake occurs when a train passes through a bridge cannot be excluded. The purpose of this study is to evaluate the possibility of derailment of a moving train when an earthquake occurs, and at the same time to review and analyze the dynamic stability of the train (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, KDS 24 10 10). In this paper, dynamic stability was analyzed by loading a moving train load on a bridge. In addition, after generating an artificial seismic wave that matches the seismic design criteria (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, KDS 17 10 00), the response was analyzed by loading on the bridge. Finally, the total response was calculated by matching the maximum response time of the bridge to which the seismic load was applied and the maximum response time of the bridge to which the moving load was applied. As a result, when artificial seismic waves and moving loads were applied to the bridge, safety was proven against vertical displacement and track distortion. On the other hand, the horizontal acceleration showed behavior exceeding the limitation in earthquakes with return periods of 500 and 1000 years, and in vertical acceleration, earthquakes with return periods of 200, 500, and 1000 years.

Keyword : High-Speed Railway Bridge, Seismic Load, Moving Load, Dynamic Safety, Seismic Design.| 1978년부터 시작된 지진관측 이후로 최대 규모의 지진인 2016년 경주 지진(규모 5.8)과 2017년 포항 지진(규모 5.5)은 한반도가 더는 지진의 안전지대가 아니라는 사실을 우리에게 확립시키는 계기가 되었다. 통계적으로, 한반도의 지진 총횟수가 증가함에 따라 지진과 관련된 연구의 필요성이 증대되고 있다. 한편, 이동하중이 작용하는 고속철도교량의 동적안정성은 승차감과 주행안전성에 큰 영향을 미친다. 교량의 처짐과 면틀림, 그리고 가속도 응답에 따라 평가가 가능하며, 실제로 해외 및 국내 설계기준에서 교량의 동적 특성을 판단할 수 있는 지표가 된다. 따라서, 국내 지진의 횟수가 증가함에 따라 열차가 교량을 통과할 때 지진이 일어나는 상황 또한 배제할 수 없다. 본 연구의 목적은 지진이 발생하였을 때 이동하는 열차의 탈선 가능성을 평가하고, 동시에 열차의 동적안정성(국토교통부, KDS 24 10 10)을 검토 및 분석하는 것이다. 본 논문에서는 이동열차하중을 교량에 재하하여 동적 안정성을 분석하였고, 재현 주기에 따라 내진설계기준(국토교통부. KDS 17 10 00)과 일치하는 인공지진파를 생성하여 교량에 가진 한 후, 응답을 분석하였다. 마지막으로, 지진하중이 적용된 교량의 최대응답이 일어난 시간과 이동하중이 적용된 교량의 최대응답이 일어난 시간을 일치 시켜 최종응답을 산출하였다. 결과적으로, 재현 주기별 설계기준에 따라 합성된 인공지진파와 속도에 따라 가진 된 이동하중을 교량에 재하 하였을 때, 수직 처짐과 면틀림에 대해서는 안전성이 입증되었다. 반면, 수평가속도에서는 500년, 1000년 재현 주기 지진에서, 그리고 수직가속도에서는 200년, 500년, 1000년 재현 주기 지진에서 제한 값을 초과하는 거동을 보였다.

핵심용어 : 고속철도교량, 지진하중, 이동열차하중, 동적안정성, 내진설계