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[기고] 부유식 철도교의 출현과 적용 확대를 위한 시도

서승일 / 한국철도기술연구원 차량핵심기술연구팀

철도경제신문 | 기사입력 2020/06/29 [15:19]

[기고] 부유식 철도교의 출현과 적용 확대를 위한 시도

서승일 / 한국철도기술연구원 차량핵심기술연구팀

철도경제신문 | 입력 : 2020/06/29 [15:19]

▲ 한국철도기술연구원 서승일 수석연구원     ©철도경제

[철도경제-서승일 / 한국철도기술연구원] 정확하고 안전하며 빠르고 친환경적인 철도의 장점이 널리 인식되면서 철도의 적용 범위는 지속적으로 확대되고 있다. 특히 3천여 개의 크고 작은 섬이 있고, 11개의 대형 항만과 다양한 항구가 존재하는 우리 국토의 특성 상 도서와 연안까지 철도서비스를 확대해달라는 요구가 늘어가고 있다. 

 

도서와 연안까지 철도서비스를 확대하기 위해서는 교량이 불가피하게 건설되어야 하는데, 바다를 가로질러 건설되는 교량은 장경간의 현수교나 사장교가 적용되어 왔다. 그러나 케이블의 강도 제한 등으로 현수교의 경간은 3000m 정도가 한계인 것으로 알려져 있다. 

 

한편으로 수심이 극히 깊은 곳이나 지반이 연약한 지역에서는 교각의 설치가 곤란하여 건설비는 가파르게 증가할 수밖에 없게 된다. 이런 지역에서는 부력에 의해 지지되어 교각이 필요 없게 되는 부유식 교량이 경제적인 측면에서 유용한 대안이 될 수 있다. 

 

부유식 교량은 수심뿐만 아니라 길이에도 제한을 받지 않고 건설될 수 있는 장점이 있다. 역사적으로도 BC 480년 페르시아의 크세르크세스 황제가 그리스로 진격하는 도중, 헬레스폰트 해협을 건너기 위해 부유식 교량을 건설하였다는 기록이 있어서, 부유식 교량의 유용성은 고대로부터 각인되어 왔음을 알 수 있다. 

 

현재 부유식 교량은 미국, 유럽, 일본 등지에서 다양한 형태로 설계·건설되어 활용되고 있으나 안타깝게도 도로용으로만 활용되고 있다. 그러나 최초의 부유식 철도교가 미국 시애틀에서 건설되고 있다. I-90으로 불리는 도로용 부유식 교량을 철도 겸용 교량으로 개조하기 위한 공사가 진행 중에 있어서 2023년에는 경전철이 운행될 전망이다. 

 

부유식 철도교의 등장이 이 때까지로 늦어진 것은 파도에 의해 흔들리는 부유식 교량의 특성에 주된 원인이 있었다고 할 수 있다. 부유식 교량의 동요를 억제하기 위해 계류선을 이용하여 고정하고 있으나 한계가 있어서 파도가 심한 날에 교량의 흔들림은 피할 수가 없게 된다. 

 

부유식 교량이 흔들리게 되면 교량 위에 설치된 궤도도 함께 흔들리게 되어 그 위를 주행하는 열차는 탈선할 위험이 있게 된다. 부유식 철도교의 탈선 안전성 확보는 부유식 철도교의 확대를 위해 철도기술자가 풀어야 할 첫 번째 과업이 된다. 이를 위한 선행 단계로서 탈선을 판정하고 회피할 수 있도록 기준을 만드는 것이 필요하다.

 

부유식 철도교와 같은 궤도의 흔들림 현상은 지진에 의해서도 유발된다. 지진에 의해 발생한 지면의 운동은 궤도에 전달되어 레일을 흔들리게 하고, 주행하는 열차의 탈선을 일으키게 할 수 있다. 실제로 2004년 일본 북서부 니가타현을 강타한 지진으로 신칸센이 탈선한 사고가 발생하였다. 지진이 빈발한 일본에서는 많은 연구자들이 지진 시에 열차의 탈선을 막기 위해 다양한 연구와 기술 개발을 수행하였다. 

 

특히 지진에 의해 흔들리는 궤도를 주행하는 열차의 탈선 안전 기준에 대하여 많은 연구를 수행하였다. 열차의 탈선 메커니즘을 파악하기 위해 축소모형 뿐 아니라, 실물 대차에 대한 탈선 시험을 실시하고 이를 기초로 하여 지진에 의한 궤도 동요 시의 탈선 안전기준을 제시하였다. 

 

그러나 지진은 궤도의 동요를 유발하지만 특성상 지면이라는 고체를 통해 전달되는 진동 현상이므로 주파수 대역이 0.5Hz 이상 고주파 영역이 된다. 그러나 부유식 철도교가 마주하게 되는 파도는 유체를 통해 전파되는 진동이므로 저주파 성분을 띠게 되고, 부유식 철도교의 동요 주기도 저주파 성분이 주류를 이루게 된다. 

 

따라서 지진 시 탈선 안전을 평가하기 위한 기준을 부유식 철도교에 그대로 적용하기에는 무리가 따르게 된다. 부유식 철도교에 적합한 탈선 안전 기준을 도출하기 위해 필자는 체계적인 연구를 수행하였다. 먼저 해양파의 데이터를 분석하여 파도의 주파수와 높이 특성을 파악하고, 주파수와 파고와의 관계를 도출하여, 저주파 영역에 적용할 수 있는 기준을 도출하고자 하였다. 

 

다음으로 차륜의 탈선을 일으키는 차륜과 궤도 사이에 작용하는 다양한 힘의 근원과 관계를 분석하여, 차륜의 탈선을 일으키는 궤도의 가속도 한계를 도출하였다. 이를 기초로 궤도의 동요 주파수와 가속도에 따른 열차의 탈선 안전기준을 제시하였다. 제시된 탈선 안전기준에 대해 자가 구동이 가능한 정밀 축소모형의 진동대 시험을 실시하여 적합성을 검증하였다. 

 

본 탈선 안전기준을 이용하여 파랑 중 부유식 철도교의 안전성을 평가할 수 있음은 물론이고, 열차 주행이 가능한 해상 파랑 상태도 판정할 수 있어 열차 및 교량의 운영 효율화에도 기여할 수 있다. 또한 부유식 철도교의 설계를 위한 기초 자료로 활용할 수 있고, 탈선 방지 장치의 도입 등도 결정할 수 있어서 철도 운영의 안전 확보는 물론이거니와 이를 토대로 부유식 철도교의 적용이 확대될 것으로 기대한다.

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