KR101669096B1 - 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법 - Google Patents

저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법 Download PDF

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KR101669096B1
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김만철
김재학
김기훈
신순호
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한국철도기술연구원
주식회사 케이알티씨
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Abstract

저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용함으로써, 철도궤도 도상콘크리트의 타설과 콘크리트 양생 중에 외기온도 변화에 따라 레일의 신장 또는 수축으로 인한 힘이 레일을 고정하고 있는 침목을 통하여 소정의 강도가 발현되지 않은 콘크리트에 작용하여 발생하는 도상콘크리트의 균열을 저감시킬 수 있고, 또한, 콘크리트 타설 단계에서 외기온도 변화에 따른 레일의 신축에 의한 도상콘크리트의 균열을 방지하기 위하여 열팽창계수가 낮은 복합소재의 레일을 임시로 설치하여 온도 변화에 따른 레일의 변위를 최소화함으로써 콘크리트 균열을 최소화하고, 콘크리트궤도의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있는, 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법이 제공된다.

Description

저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법 {CONSTRUCTION METHOD FOR CONCRETE TRACK USING TEMPORARY RAIL OF COMPOSITE MATERIAL HAVING LOW TEMPERATURE EXPANSION COEFFICIENT}
본 발명은 콘크리트궤도 시공 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 콘크리트궤도의 시공시 낮은 열팽창계수(temperature expansion coefficient)를 갖는 복합소재(또는 복합재료)로 제작된 레일을 임시로 이용함으로써 콘크리트의 타설 및 양생 시에 발생할 수 있는 균열을 방지하는, 콘크리트궤도 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 철도차량은 한 쌍의 레일이 구비된 궤도(Track)를 따라 주행한다. 이러한 궤도는 레일을 설치할 수 있도록 노반(Roadbed)을 다지고, 노반의 상부에 작은 자갈을 깐 뒤에 자갈의 상부에 침목을 일정 간격으로 배열한다. 이후, 침목의 상부에 서로 나란하게 배치되는 한 쌍의 레일을 레일체결장치로 각각 결합한다.
이러한 구성을 갖는 유도상 궤도는 철도차량이 궤도를 주행할 때, 자갈이 충격을 흡수하여 궤도가 파손되는 것을 방지하는 반면에, 시간이 지나면서 궤도의 변형을 일으킴으로써 지속적인 유지보수가 필요할 뿐만 아니라 열차의 승차감을 저하시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 최근에 자갈 대신에 콘크리트를 타설하여 침목을 지지하는 콘크리트궤도가 개발되었다. 즉, 최근 철도 궤도설계에 있어 콘크리트궤도의 적용이 보편화되고 있는 추세에 있고, 콘크리트궤도의 시공 이후에 콘크리트궤도의 균열 발생과 저감에 대한 많은 노력에도 불구하고, 도상콘크리트의 균열을 획기적으로 줄이는 데에는 한계가 있는 실정이다.
예를 들면, 콘크리트 도상의 균열의 원인으로는 콘크리트의 품질관리, 시공관리, 양생관리를 비롯하여 기후 및 온도 조건 등에 따라 다양한 요인이 있으나, 특히, 콘크리트궤도의 경우, 일반 슬래브 콘크리트 타설과 달리 레일과 함께 궤광을 조립한 상태에서 콘크리트를 타설하기 때문에 콘크리트 타설시 대기온도가 변화할 경우 아직 경화되지 않은 콘크리트에 레일의 신축이 침목을 거쳐 도상에 힘을 가하게 되어 균열을 유발할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 도 1은 종래의 기술에 따른 궤도에서 침목을 지지하는 도상콘크리트층의 균열된 상태를 나타낸 평면도이고, 도 2는 온도 변화에 따른 콘크리트궤도의 균열 발생 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 콘크리트궤도(10)는 일정간격 배열된 침목(12)의 상부에 레일체결장치(14)로 레일을 결합시켜 궤광(11)을 조립하고, 궤광(11)을 정확한 위치에 위치시킨 뒤, 도상콘크리트층(17)에 의해 침목(12)이 고정되도록 콘크리트를 타설 및 양생함으로써 콘크리트궤도를 완성할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 콘크리트궤도(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 침목(12)이 도상콘크리트층(17)에 고정 설치되기 때문에 콘크리트 타설 이후, 콘크리트가 완전히 경화되지 않은 양생기간 동안에 레일(13)의 온도가 상승 또는 하강될 경우, 레일(13)이 신장 또는 수축되어 도상콘크리트층(17)에 균열이 발생하는 문제점이 있었다.
이를 방지하기 위해서 종래에는 온도변화에 의한 레일(13)의 신축량을 최소화하기 위해 길이가 비교적 짧은 대략 13m 이하의 단척레일을 우선 설치하고, 도상콘크리트층(17)을 형성하는 콘크리트가 완전히 양생된 후, 단척레일을 길이가 긴 장대레일로 교체하였다.
그러나 이러한 방법은 단척레일을 제거하고 다시 장대레일을 부설하는 과정에서 제거 및 설치 시간과 비용이 증가되고, 콘크리트의 균열도 원천적으로 제거하기 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 장대레일은 설치 당시의 온도가 1년 중에서 가장 낮을 때와 높을 때의 중간온도에서 설치되지 않을 경우, 온도 변화에 따라 장대레일에 과도한 응력이 축적되기 때문에 궤도가 완성된 후, 장대레일을 고정하는 레일 체결장치를 해체하고, 중간온도에서의 장대레일의 신축량을 계산하여 장대레일을 신축시킨 후에 다시 체결하는 재설정이라는 추가적인 과정을 수행해야하는 문제점이 있었다.
한편, 도 3은 종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하는 레일 시공 방법을 나타내는 동작흐름도이고, 도 4는 종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하여 시공하는 것을 나타내는 사진이고, 도 5는 종래의 기술에 따른 단척레일 이용구간에서 발생하는 균열을 예시하는 사진이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하는 레일 시공 방법은, 먼저, 철도 노반상에 형성된 노반강화층(HSB) 상에 콘크리트 침목을 배열하고(S11), 13m 길이의 단척레일을 배열한다(S12).
다음으로, 침목 상에 레일체결장치를 조립하고(S13), 이후 궤도를 정정하고 (S14), 이후 콘크리트 타설 전에 최종 검측을 수행한다(S15).
다음으로, 콘크리트를 타설하고(S16), 3~7일간 양생시킨다(S17).
다음으로, 궤광 조립대 및 거푸집을 철거하고(S18), 이후 레일체결장치의 체결구를 해체한다(S19).
다음으로, 13m 길이의 단척레일을 철거하고(S20), 장대레일을 배열한다(S21).
다음으로, 레일체결장치의 체결구를 조립하고(S22), 장대레일을 용접한다(S23).
마지막으로, 장대레일을 재설정하여 콘크리트궤도를 완공한다(S24).
종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하는 레일 시공 방법의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 침목(20) 및 레일체결장치(30)를 조립한 후, 콘크리트 타설시 콘크리트가 경화되기 전에 대기온도 변화에 따른 레일의 신축량을 최소화하기 위하여 긴 레일 대신에 13m 길이의 단척레일(40)을 이용하여 임시로 궤도를 설치한 후, 콘크리트가 양생되어 경화된 후에 상기 단척레일(40)을 철거함으로써 최종적으로 장대레일을 부설하여 콘크리트궤도를 완공한다.
하지만, 종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하는 레일 시공 방법의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 레일의 신축량을 최소화하기 위하여 비록 단척레일(40)을 이용하였음에도 불구하고, 레일의 특성상 온도변화에 따른 레일의 신축량은 장대레일만큼 크지는 않지만 여전히 신축이 발생하여 콘크리트 타설 및 양생 중에 침목 사이에서 도상콘크리트의 균열이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 도상콘크리트의 균열을 방지하기 위한 다른 기술로서, 대기온도 변화에 따른 레일의 신축량을 최소화하기 위하여 콘크리트 양생에 영향이 미치지 않을 만큼의 일정시간이 경과 후 레일체결장치를 해체하여 레일의 신축이 도상에 미치는 영향을 최소화하는 방법이 사용될 수 있다.
하지만, 이러한 레일체결장치의 해체 방식의 경우, 콘크리트의 타설 후에 상기 레일체결장치를 해체할 경우, 레일의 신축에 의한 영향을 완전히 해소할 수 있지만, 콘크리트의 타설 기간 중에는 궤광을 지지하고 어느 정도 콘크리트가 경화되어야 하므로 상기 레일체결장치를 해체할 수 없고, 이에 따라 콘크리트가 경화되기 전의 레일 신축에 의한 도상콘크리트의 균열을 제어하기에는 한계가 있다는 문제점이 있다.
한편, 전술한 문제점을 해결하기 위한 선행 기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1255034호에는 "전기가열을 이용한 궤도 설치방법 및 전기가열을 이용한 궤도 재설정방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 6, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한다.
도 6은 종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법을 나타내는 동작흐름도이고, 도 7은 종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법에서 이용되는 온도조절장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법은, 먼저, 철도 노반상에 형성된 노반강화층(HSB)상에 콘크리트 침목을 배열하고(S31), 장대레일을 배열한다(S32).
다음으로, 상기 콘크리트 침목 상에 레일체결장치를 조립하고(S33), 궤도를 정정한다(S34).
다음으로, 전기 레일가열장치를 설치한다(S35). 여기서, 상기 전기 레일가열장치는 온도조절장치를 포함하며, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 온도조절장치(70)는 온도센서(73), 열선(71) 및 제어부(75)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 온도센서(73)는 장대레일(60)의 온도를 측정하고, 열선(71)은 전기에 의해 가열되어 장대레일(60)을 가열하며, 제어부(75)는 온도센서(73)에서 측정된 장대레일(60)의 온도가 임의의 범위에 온도, 예를 들면, 궤도가 지하에 설치될 경우, 12℃ 이상 18℃ 이하, 궤도가 지상에 설치될 경우, 22℃ 이상 28℃ 이하의 온도를 유지하도록 열선(71)을 제어한다. 이러한 온도조절장치(70)를 장대레일(60)에 설치함으로써, 온도조절장치(70)에 의해 장대레일(60)의 온도를 일정하게 유지한 상태로 궤도를 설치할 수 있기 때문에 장대레일(60)이 온도에 따라 길이의 변형량이 차이를 최소화하여 침목을 지지하는 도상콘크리트층의 파손을 방지할 수 있다.
다음으로, 콘크리트궤도 검측장비를 사용하여 콘크리트의 타설 전에 최종 검측을 수행하고(S36), 전기 레일을 가열하고 온도를 유지한다(S37).
다음으로, 콘크리트를 타설하고(S38), 상기 전기 레일가열장치를 해체하고(S39), 이후, 상기 타설된 콘크리트를 3~7일간 양생시킨다(S40).
다음으로, 궤광조립대 및 거푸집을 철거하고(S41), 장대레일을 용접한다(S42).
마지막으로, 장대레일을 재설정하여 콘크리트궤도를 완공한다(S43).
종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법의 경우, 도상콘크리트층의 양생기간 중 온도의 변화에 따라 레일의 신축에 의해 발생하는 도상콘크리트층의 균열을 방지하며, 콘크리트의 타설 이후 별도의 레일의 재설정 과정을 생략하여 궤도를 신속하고 용이하게 시공할 수 있으며, 공사비용을 절감할 수 있고, 또한, 궤도의 변형을 최소하여 레일을 재설정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법의 경우, 별도의 전기 레일가열장치를 설치 및 해체하여야 한다.
대한민국 등록특허번호 제10-1255034호(출원일: 2011년 3월 28일), 발명의 명칭: "전기가열을 이용한 궤도 설치방법 및 전기가열을 이용한 궤도 재설정방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1405468호(출원일: 2011년 7월 15일), 발명의 명칭: "철도 궤도용 콘크리트 블록의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 콘크리트 블록을 이용한 철도 궤도 부설방법" 대한민국 공개특허번호 제2015-30689호(공개일: 2015년 3월 20일), 발명의 명칭: "철도 콘크리트 도상 균열방지 침목 및 이의 시공방법" 대한민국 공개특허번호 제2015-9243호(공개일: 2015년 1월 26일), 발명의 명칭: "철도 콘크리트 도상 균열방지 침목 시공방법" 대한민국 공개특허번호 제2012-56989호(공개일: 2012년 6월 5일), 발명의 명칭: "복합재료로 이루어진 보강 가드레일"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용함으로써, 철도궤도 도상콘크리트의 타설과 콘크리트 양생 중에 외기온도 변화에 따라 레일의 신장 또는 수축으로 인한 힘이 레일을 고정하고 있는 침목을 통하여 소정의 강도가 발현되지 않은 콘크리트에 작용하여 발생하는 도상콘크리트의 균열을 저감시킬 수 있는, 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법은, a) 철도 노반상에 형성된 노반강화층상에 콘크리트 궤도용 콘크리트 침목을 설치하고, 상기 콘크리트 침목 상에 레일체결장치를 조립하는 단계; b) 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 상기 레일체결장치에 체결하는 단계; c) 콘크리트를 타설 및 양생하여 도상콘크리트층을 형성하는 단계; d) 상기 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 상기 레일체결장치로부터 해체하는 단계; e) 장대레일을 배열하고, 상기 레일체결장치에 체결하는 단계; 및 f) 상기 장대레일을 용접 및 재설정하여 콘크리트궤도를 완공하는 단계를 포함하되, 상기 장대레일을 형성하는 레일강의 열팽창계수는
Figure 112015080282741-pat00001
m/m℃이고, 상기 복합소재 임시레일을 형성하는 복합소재의 열팽창계수는
Figure 112015080282741-pat00002
m/m℃인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복합소재 임시레일의 복합소재는 고강도 유리섬유/에폭시(S-glass/epoxy) 복합소재, 아라미드 섬유/에폭시(Kevlar 49/epoxy) 복합소재, 고탄성 카본/에폭시(High modulus carbon/epoxy) 복합소재, 초고탄성 카본/에폭시(Ultra-high modulus carbon/epoxy) 복합소재 또는 보론/에폭시(Boron/epoxy) 복합소재 중에서 선택될 수 있다.
여기서, 상기 장대레일을 형성하는 레일강의 자유 신축길이(L) 변화는 20m의 레일 길이(l), 30℃의 온도변화(t)가 있다고 하면,
Figure 112015080282741-pat00003
로 주어지고, 여기서, L은 신축길이(m)를 나타내고, β는 열팽창계수(m/m℃)를 나타내며, t는 온도변화량(℃)을 나타내고, l은 레일길이(m)를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복합소재 임시레일을 형성하는 복합소재의 자유 신축길이(L) 변화는 20m의 레일 길이(l), 30℃의 온도변화(t)가 있다고 하면,
Figure 112015080282741-pat00004
로 주어지고, 여기서, L은 신축길이(m)를 나타내고, β는 열팽창계수(m/m℃)를 나타내며, t는 온도변화량(℃)을 나타내고, l은 레일길이(m)를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계의 콘크리트 타설 및 양생 시에 상기 복합소재 임시레일이 온도 변화에 따른 레일의 변위를 최소화하여 외기온도 변화에 따른 레일의 신축에 의한 도상콘크리트의 균열을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 c) 단계에서 콘크리트를 타설하기 전에 콘크리트궤도를 정정하고, 콘크리트궤도 검측장비를 이용하여 최종 검측을 수행하며, 상기 콘크리트의 타설 후에 3~7일간 양생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용함으로써, 철도궤도 도상콘크리트의 타설과 콘크리트 양생 중에 외기온도 변화에 따라 레일의 신장 또는 수축으로 인한 힘이 레일을 고정하고 있는 침목을 통하여 소정의 강도가 발현되지 않은 콘크리트에 작용하여 발생하는 도상콘크리트의 균열을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 콘크리트 타설 단계에서 외기온도 변화에 따른 레일의 신축에 의한 도상콘크리트의 균열을 방지하기 위하여 열팽창계수가 낮은 복합소재의 레일을 임시로 설치하여 온도 변화에 따른 레일의 변위를 최소화함으로써 콘크리트 균열을 최소화하고, 콘크리트궤도의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 궤도에서 침목을 지지하는 도상콘크리트층의 균열된 상태를 나타낸 평면도이다.
도 2는 온도 변화에 따른 콘크리트궤도의 균열 발생 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하는 레일 시공 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 임시 단척레일을 이용하여 시공하는 것을 나타내는 사진이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 단척레일 이용구간에서 발생하는 균열을 예시하는 사진이다.
도 6은 종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 7은 종래의 기술에 따른 전기가열을 이용한 궤도 설치 방법에서 이용되는 온도조절장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 개략적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 9는 저열팽창계수의 복합소재의 특성을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 구체적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 11a 내지 도 11i는 각각 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 예시하는 사진들이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 개략적으로 나타내는 동작흐름도이고, 도 9는 저열팽창계수의 복합소재의 특성을 예시하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법은, 먼저, 철도 노반상에 형성된 노반강화층(Hydraulically Stabilized Base: HSB)(110)상에 콘크리트 궤도용 콘크리트 침목(120)을 설치하고, 상기 콘크리트 침목(120) 상에 레일체결장치(130)를 조립한다(S110). 여기서, 상기 콘크리트 침목(120)은 한 쌍의 장대레일(160)을 가로지르는 형태로 일정 간격 복수 개가 구비될 수 있으며, 이때, 상기 침목(120)은 콘크리트로 형성될 수 있다.
다음으로, 저열팽창계수의 복합소재 임시레일(140)을 상기 레일체결장치(130)에 체결한다(S120). 여기서, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 복합소재 임시레일(140)의 복합소재는 고강도 유리섬유/에폭시(S-glass/epoxy) 복합소재, 아라미드 섬유/에폭시(Kevlar 49/epoxy) 복합소재, 고탄성 카본/에폭시(High modulus carbon/epoxy) 복합소재, 초고탄성 카본/에폭시(Ultra-high modulus carbon/epoxy) 복합소재, 또는 보론/에폭시(Boron/epoxy) 복합소재 중에서 선택될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
다음으로, 콘크리트(150)를 타설 및 양생하여 도상콘크리트층(Track Concrete Layer: TCL)을 형성한다(S130).
다음으로, 상기 저열팽창계수의 복합소재 임시레일(140)을 상기 레일체결장치(130)로부터 해체한다(S140).
다음으로, 장대레일(160)을 배열하고, 상기 레일체결장치(130)에 체결한다(S150). 여기서, 상기 장대레일(160)은 그 길이가 200m 이상의 긴 레일을 의미하며, 20m~25m의 표준레일을 복수 개 용접하는 형태로 길이에 제한 없이 길게 제작될 수 있고, 상기 장대레일은 한 쌍이 서로 이격되도록 침목에 배치된다.
다음으로, 상기 장대레일(160)을 용접 및 재설정하여 콘크리트궤도를 완공한다(S160).
본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법에 따르면, 콘크리트궤도 균열 발생의 여러 요인 중에서 콘크리트 타설 단계에서 외기온도 변화에 따른 레일의 신축에 의한 도상균열을 방지하기 위하여 열팽창계수가 낮은 복합소재의 레일(140)을 임시로 설치하여 온도변화에 따른 레일의 변위를 최소화함으로써 콘크리트 균열 발생을 최소화하고, 콘크리트궤도의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다. 즉, 콘크리트 타설시 온도 변화에 따른 레일강의 열팽창에 따른 신축을 최소화하기 위하여 강철재질의 레일 대신 저열팽창계수의 복합소재의 레일을 임시로 설치하여 궤광을 조립한 후 콘크리트를 타설하고, 이후 복합소재 임시레일을 철거하여 최종적으로 장대레일을 설치함으로써 도상콘크리트의 균열을 억제할 수 있다.
한편, 상기 장대레일(160)을 형성하는 레일강의 열팽창계수(약
Figure 112015080282741-pat00005
m/m℃)와 상기 복합소재 임시레일(140)을 형성하는 복합소재의 열팽창계수(약
Figure 112015080282741-pat00006
m/m℃) 차이에 따른 20m의 레일 길이(l), 30℃의 온도변화(t)가 있다고 하면, 상기 레일강 및 복합소재 각각의 자유 신축길이(L) 변화는 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112015080282741-pat00007
Figure 112015080282741-pat00008
여기서, L은 신축길이(m)를 나타내고, β는 열팽창계수(m/m℃)를 나타내며, t는 온도변화량(℃)을 나타내고, l은 레일길이(m)를 각각 나타낸다.
이에 따라, 상기 콘크리트 타설 단계에서 외기온도 변화에 따른 레일의 신축에 의한 도상균열을 방지하기 위하여 열팽창계수가 낮은 복합소재의 레일을 임시로 설치하여 온도 변화에 따른 레일의 변위를 최소화함으로써 콘크리트 균열을 최소화하고 콘크리트궤도의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 구체적으로 나타내는 동작흐름도이고, 도 11a 내지 도 11i는 각각 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법을 예시하는 사진들이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법은, 먼저, 콘크리트 궤도용 침목을 배열한다(S201). 구체적으로, 도 11a에 도시된 바와 같이, 철도 노반상에 형성된 노반강화층(Hydraulically Stabilized Base: HSB)(110)상에 콘크리트 궤도용 콘크리트 침목(120)을 설치한다.
다음으로, 침목 상에 레일체결장치를 조립하고(S202), 복합소재 임시레일(140)을 배열한다(S203). 구체적으로, 도 11b에 도시된 바와 같이, 콘크리트 침목(120) 상에 레일체결장치(130)를 조립하고, 도 11c에 도시된 바와 같이, 복합소재 임시레일(140)을 상기 레일체결장치(130)에 조립하고, 궤광(170) 및 철근을 조립한다. 여기서, 상기 콘크리트 침목과 장대레일을 결합하여 궤광이 제작된다. 상기 궤광은 침목, 장대레일 및 레일체결장치를 포함할 수 있다. 상기 침목은 장대레일을 받치는 받침대의 역할을 하며, 상기 침목의 상부에는 한 쌍의 장대레일이 서로 이격되도록 배치된다.
구체적으로, 상기 궤광(Track Skeleton)은 레일, 침목, 선로바닥의 조건이 구비된 상태에서 침목과 레일이 사다리 모양을 한 것을 가리키며, 공사의 편의와 시간 단축을 위해 미리 조립한 궤광을 선로바닥에 부설한다. 특히, 레일, 침목 및 선로바닥의 3가지 조건이 구비된 상태를 궤도라 하고, 그 가운데 침목과 레일이 상호 체결된 사다리 모양의 것을 궤광이라 한다. 또한, 전술한 바와 같이, 상기 복합소재 임시레일(140)의 복합소재는 고강도 유리섬유/에폭시(S-glass/epoxy) 복합소재, 아라미드 섬유/에폭시(Kevlar 49/epoxy) 복합소재, 고탄성 카본/에폭시(High modulus carbon/epoxy) 복합소재, 초고탄성 카본/에폭시(Ultra-high modulus carbon/epoxy) 복합소재, 또는 보론/에폭시(Boron/epoxy) 복합소재 중에서 선택될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
다음으로, 콘크리트 궤도를 정정하고(S204), 이후, 도 11d에 도시된 바와 같이, 콘크리트(150)의 타설 전에 콘크리트궤도 검측장비(180)를 사용하여 최종 검측을 수행한다(S205).
다음으로, 도 11e에 도시된 바와 같이, 콘크리트(150)를 타설하고(S206), 이후, 도 11f에 도시된 바와 같이, 상기 복합소재 임시레일(140)이 설치된 상태에서 3~7일간 상기 콘크리트(150)를 양생시킨다(S207).
다음으로, 궤광 조립대 및 거푸집을 철거하고(S208), 상기 레일체결장치(130)의 체결구를 해체한다(S209).
다음으로, 도 11g에 도시된 바와 같이, 상기 복합소재 임시레일(140)을 철거한다(S210).
다음으로, 도 11h에 도시된 바와 같이, 장대레일(160)을 배열하고(S211), 이후, 상기 레일체결장치(130)의 체결구를 조립한다(S212).
다음으로, 상기 장대레일(160)을 용접하고(S213), 이후 도 11i에 도시된 바와 같이, 상기 장대레일(160)을 재설정하여 콘크리트궤도를 완공한다(S214).
결국, 본 발명의 실시예에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법에 따르면, 도상 콘크리트의 타설 전 및 타설 후의 대기온도 변화에 따른 장대레일의 신축으로 콘크리트 양생에 미치는 영향을 최소화하여 콘크리트 균열을 억제함으로써, 균열 보수에 따른 유지보수 노력을 절감하고, 콘크리트궤도의 내구성을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 노반강화층(Hydraulically Stabilized Base: HSB)
120: 콘크리트 침목
130: 레일체결장치
140: 복합소재 임시레일
150: 타설 콘크리트
160: 장대레일
170: 궤광
180: 콘크리트궤도 검측장비

Claims (7)

  1. a) 철도 노반상에 형성된 노반강화층(Hydraulically Stabilized Base: HSB)(110)상에 콘크리트 궤도용 콘크리트 침목(120)을 설치하고, 상기 콘크리트 침목(120) 상에 레일체결장치(130)를 조립하는 단계;
    b) 저열팽창계수의 복합소재 임시레일(140)을 상기 레일체결장치(130)에 체결하는 단계;
    c) 콘크리트(150)를 타설 및 양생하여 도상콘크리트층(Track Concrete Layer: TCL)을 형성하는 단계;
    d) 상기 저열팽창계수의 복합소재 임시레일(140)을 상기 레일체결장치(130)로부터 해체하는 단계;
    e) 장대레일(160)을 배열하고, 상기 레일체결장치(130)에 체결하는 단계; 및
    f) 상기 장대레일(160)을 용접 및 재설정하여 콘크리트궤도를 완공하는 단계
    를 포함하되,
    상기 장대레일(160)을 형성하는 레일강(Rail Steel)의 열팽창계수는
    Figure 112016091550843-pat00009
    m/m℃이고, 상기 복합소재 임시레일(140)을 형성하는 복합소재의 열팽창계수는
    Figure 112016091550843-pat00010
    m/m℃ 이며,
    상기 복합소재 임시레일(140)의 복합소재는 고강도 유리섬유/에폭시(S-glass/epoxy) 복합소재, 아라미드 섬유/에폭시(Kevlar 49/epoxy) 복합소재, 고탄성 카본/에폭시(High modulus carbon/epoxy) 복합소재, 초고탄성 카본/에폭시(Ultra-high modulus carbon/epoxy) 복합소재 또는 보론/에폭시(Boron/epoxy) 복합소재 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장대레일(160)을 형성하는 레일강의 자유 신축길이(L) 변화는 20m의 레일 길이(l), 30℃의 온도변화(t)가 있다고 하면,
    Figure 112015080282741-pat00011

    로 주어지고, 여기서, L은 신축길이(m)를 나타내고, β는 열팽창계수(m/m℃)를 나타내며, t는 온도변화량(℃)을 나타내고, l은 레일길이(m)를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재 임시레일(140)을 형성하는 복합소재의 자유 신축길이(L) 변화는 20m의 레일 길이(l), 30℃의 온도변화(t)가 있다고 하면,
    Figure 112015080282741-pat00012

    로 주어지고, 여기서, L은 신축길이(m)를 나타내고, β는 열팽창계수(m/m℃)를 나타내며, t는 온도변화량(℃)을 나타내고, l은 레일길이(m)를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 콘크리트 타설 및 양생 시에 상기 복합소재 임시레일(140)이 온도 변화에 따른 레일의 변위를 최소화하여 외기온도 변화에 따른 레일의 신축에 의한 도상콘크리트의 균열을 방지하는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 콘크리트(150)를 타설하기 전에 콘크리트궤도를 정정하고, 콘크리트궤도 검측장비를 이용하여 최종 검측을 수행하며, 상기 콘크리트(150)의 타설 후에 3~7일간 양생시키는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법.
  7. 제1항, 제 3항, 제 4항, 제 5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 따른 저열팽창계수의 복합소재 임시레일을 이용한 콘크리트궤도 시공 방법에 의해 시공되는 콘크리트궤도.
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