2.1.1 비상복구용 경량 전철주 설계

경량 비상복구용 전철주는 굽힘 모멘트가 기존 스틸제 비상복구용 전철주와 동등 이상이고, 작업자가 안전하고 신속하게 조립 설치할 수 있도록 경량화가 필요하다. 그리고 조립 및 설치작업이 용이하도록 해야 한다. 따라서 경량화를 위한 재질을 검토하여 선정한 후, 3개의 유닛을 조립하는 구조로 설계하고 구조해석을 하였다. 전체 구조는 국외의 트러스 구조와 비교하여 국내에서 사용하고 있는 일체 조립형 구조로 하였다.

비상복구용 전철주는 굽힘 강성 특성이 중요하고 경량화가 필요하기 때문에 알루미늄(A6063 -T6)과 유리섬유강화플라스틱(F.R.P : Fiber- glass Reinforced Plastics)으로 선정하였다. 아래와 같이 굽힘 모멘트 계산을 통하여 기존 비상복구용 전철주의 외부 치수를 기준으로 비교한 결과, 파이프 치수 조정이 필요하여서 FRP 전철주는 ∅165 × 7.5 t, 알루미늄 전철주는 ∅161 × 10.5 t로 정하였다. 계산시 적용한 굴곡강도는 각각의 파이프 시료에서 채취한 굴곡시편에 대한 굴곡강도 시험 데이터를 적용하였다. 굽힘 모멘트에 대한 산출은 알루미늄(∅165×10.5 t) 경우에 한하여 제시하였다.

\begin{align*} M =\sigma z\\ =\sigma\times[\dfrac{\pi}{32}(\dfrac{d_{2-}^{4}d_{1}^{4}}{d_{2}})]=35\times[\dfrac{\pi}{32}(\dfrac{161^{4}-140^{4}}{165})]\\ =35\times 175,\:457.2 =6,\:141,\:003[kg\bullet mm] \end{align*}

상기에서 계산한 내용을 기준으로 중량을 비교한 결과를 표 2에 나타내었다. 그리고 앞서 정한 파이프 소재들을 기준으로 경량화한 시작품 도면은 그림 3과 같이 설계하였고, 전철주 부분에 대한 중량을 비교하면 표 3과 같다.

설계된 시제품에 대하여 그림 4와 같이 비상복구용 전철주는 레일하단에 파이프 구조빔을 조립 설치을 참고하여 구속조건(지지조건)을 적용하였다. 작용하중은 가동브래킷과 장간애자, 곡선당김금구 등 조립 지지물(전차선 및 조가선 등)이 자체 중량과 함께 아래로 작용하고, 추가로 작업자 2인 하중(200kgf)이 가동브래킷 끝단부에 작용하는 것으로 하였다. 적용소재의 탄성률은 해석프로그램 (midas NFX)에서 제시된 값 (SS275 – 210,000 N/mm$^{2}$, A6063 –76 – 71,000 N/mm$^{2}$)을 적용하였고, FRP는 탄성계수(Young’s Modulus) 값 (GRP – 60,500 MPa)를 적용⁽⁴⁾, 유한요소 해석프로그램으로 변위량을 해석한 결과, 그림 5와 같은 결과를 얻었다.

그림 5와 같이 상부의 급전선 지지애자 조립용 ㄱ형강 앞부분의 최대 변위량이 높이 기준으로 기존 스틸제 전철주는 –160.89mm, FRP 전철주의 경우 –935.33mm 이고, 알루미늄 전철주의 경우 –180.73mm이었다.

그러나 높이 기준으로 3타입 모두 변위량이 -160mm 이상으로, 200km급 일반 전차선로의 전차선 높이 변화(가동브래킷의 변위량 기준)인 60mm를 만족하지 못한다. 따라서 기존에 열차 진행방향으로 와이어를 이용하여 지지하는 것에 추가로 그림 6과 같이 선로 직각 방향으로도 200 kgf의 장력으로 와이어를 고정하는 것이 타당한 것으로 판단되었다. 그림 7과 같은 구속조건으로 하여 구조해석을 재 수행한 결과, 그림 8와 같이 가동브래킷 끝단부의 변위가 기존 스틸제 비상복구용 전철주의 경우 20.61mm, 알루미늄 비상복구용 전철주는 33.10mm, FRP 비상복구용 전철주는 37.51mm로 해석되었다.

해석 결과를 토대로 FRP 비상복구용 전철주의 경우, 굽힘 모멘트의 계산 결과에서는 문제가 없고 중량감소 효과도 크지만, 해석 결과와 같이 변위량이 상대적으로 크기 때문에 비상복구용 경량 전철주 소재는 알루미늄 A6063 – T6 으로 선정하였다.

2.1.2 레일체결장치 설계

비상복구용 전철주 설치를 위한 레일체결장치는 그림 2와 같이 원형 파이프를 레일체결 금구를 이용하여 절연판을 넣고 조립하는 구조이다. 그러나 침목사이를 60cm 이상 터파기한 후 설치하는 방식이기 때문에 그림 9의 레일과 바닥 높이가 약 55mm 콘크리트 도상에 설치할 수 없는 문제점이 있다.

본 연구에서는 콘크리트 도상에도 적용할 수 있도록 그림 10과 같이 슬림하게 설계하였고, 기존 스틸제의 원형 파이프를 이용한 레일체결장치도 그림 11과 같이 알루미늄 파이프와 절연재료(엔지니어링 플라스틱)을 중간에 적용하여 기존 레일 체결부위에 PE절연판을 적용하도록 개선하는 것으로 하였다.

2.2.1 시제품 제작

시제품은 기존 제품과 비교 확인을 위하여 알루미늄과 FRP 소재로 각각 제작하였으며, FRP 소재의 비상복구용 경량 전철주는 그림 12과 같이 기존 스틸제와 같은 구조로 3개의 유닛으로 나누어 제작하였다. 파이프 양쪽으로 유닛 조립을 위한 플랜지를 본딩하고 볼팅하여 제작하고, 발판 볼트 부분은 바로 부착할 경우 강도 문제가 있을 것이 우려되어 플레이트 링 형상으로 하고, 에폭시 본드와 스터드 볼트 조립 형태로 하였다.

슬림형 레일체결장치는 강도 등을 고려하여 그림 13과 같이 SS 275 재질로 제작하고, 작업자의 안전 및 조립 편의성 측면에서 경량 전철주 조립부 양측에 가이드 블록을 두어 하부 전철부 조립시에 넘어지지 않도록 하였으며 절연재(엔지니어링 플라스틱)을 적용한 것이 특징이다.

알루미늄 소재 경량 비상복구용 전철주도 그림 14와 같이 조립을 위한 플랜지를 양쪽에 구비하는 구조로 하여 3개의 유닛으로 나누어 제작하였다. 발판 볼트 조립을 위하여 탭을 구비한 원형 봉을 알루미늄 파이프에 알르곤 용접으로 부착하는 방식으로 시제품을 제작하였다. 그리고 원통형 레일체결장치는 그림 15에서 보듯이 경량화를 위해 알루미늄 소재로 하고 중간에 절연소재(엔지니어링 플라스틱)를 사용하였다.

2.2.2 공장시험

기존 제품과의 굴곡특성에 대한 비교를 위하여 기존 강관제 전철주와 경량 비상복구용 FRP 전철주 시작품, Al 전철주 시작품 타입별로 굴곡시험을 시행하였다. 굴곡시험 시료는 전철주 타입별로 중간 파이프로 하였고, 그림 16은 굴곡시험 변위 측정 개념도이며, 그림 17과 같이 한쪽 면을 외팔보 상태로 고정한 후 말단부에 하중 인가용 플랜지 하부에 조립된 아이볼트에 체인블록과 하중 확인을 위한 로드셀과 지상에 고정된 판에 연결하고 나서 하중 인가는 체인블록으로 하였다. 시험하중(450kgf - 임의로 정한 값)은 로드셀에 스케일을 연결하여 방법으로 하고, 변위량은 시험하중 인가 후 바닥으로부터 높이를 측정하여 최초 자유상태 높이와의 치수 차이를 측정하여 확인하였다.

또한 굴곡시험 데이터를 통하여 계산된 굴곡 탄성계수 값이 구조해석시 적용한 탄성계수 값과 합치성이 있는지를 살펴보았으며 결과는 표 4와 같다. 굴곡시험 데이터에서 얻은 굴곡탄성율은 외팔보의 처짐량을 구하는 식을 이용하여 아래와 같이 계산하였다. 표 4에서 구조해석에 적용한 탄성계수와 굴곡 시험을 통하여 계산된 굴곡 탄성계수 값이 차이가 있는 것은, 구조해석에 적용한 탄성계수 값이 Young’s modulus(영률, 탄성계수)로 인장시험을 통해 구한 변형률(ε)에 따른 인장 탄성계수에 기인한다.

가. Steel (Φ139.8 * 4.5t)

\begin{align*} \delta =\dfrac{P l^{3}}{3EI}에서 E =\dfrac{P l^{3}}{3I\delta}으로 치환하고 \\ E =\dfrac{P l^{3}}{3\times\dfrac{\pi(D^{4}- d^{4})}{64}\times\delta}=\dfrac{8.050\times 10^{12}}{854,\:437,\:984.7}= 9,\:421.4[kg/mm^{2}] \end{align*}

나. FRP (Φ165 * 8.0t)

$E =\dfrac{P l^{3}}{3\times\dfrac{\pi(D^{4}- d^{4})}{64}\times\delta}=\dfrac{8.41\times 10^{12}}{7,\:862,\:030,\:222}= 1,\:069.7[kg/mm^{2}]$

다. Al (Φ161 * 10.5t)

$E =\dfrac{P l^{3}}{3\times\dfrac{\pi(D^{4}- d^{4})}{64}\times\delta}=\dfrac{8.50\times 10^{12}}{3,\:177,\:971,\:522}= 2,\:674.66[kg/mm^{2}]$