[공학저널 전찬민 기자] 철도차량은 노반을 지지기반으로 하는 궤도를 주행하기 때문에 가 도로의 노면을 직접 주행하는 도로교량과 차이가 있다.
철도교량과 도로교량은 열차하중과 차량하중이 재하되는 활하중의 차이뿐만 아니라 장대레일종하중, 시·제동하중이 재하되는 점에서 차이가 있다. 특히, 철도교량에 작용하는 연행집중하중은 계속적인 반복재하로 피로에 대한 영향이 매우 크기 때문에 도로교와 다른 성능이 요구되고 있다.
현재 철도는 평택~오송간 2복선화 건설사업이 근래 설계를 마치고 공사 중에 있으며, 춘천~속초 철도건설 및 강릉~제진 단선전철 건설사업은 설계를 마무리하고 공사 발주 준비 중에 있다. 석문산단 인입철도 건설사업은 노반 기본설계를 시행중에 있으며, 김천-거제간 남부내륙철도 및 광주송정~순천간 철도건설 사업은 설계속도 250km/h로 기본 및 실시설계를 시행 중에 있다.
철도교량 설계 시에는 설계속도 250km/h(고속철도 350~400km/h) 이상의 고속으로 주행하는 구조물의 상시하중에 의한 정적인 안정성뿐만 아니라 열차의 고속주행에 따른 동적 안정성을 확보하는 것과 VE/LCC를 통한 경제성이 확보될 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.
하지만, 그간 철도교량의 설계는 강도설계법과 허용응력 설계법이 적용되면서 여러 문제점이 지적돼 왔다. 이러한 문제점을 효과적으로 보완하고자 2년간의 유예기간을 거쳐 지난 2023년부터 한계상태설계법 적용이 의무화돼 안전성과 경제성을 확보할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
또한, 국토교통부에서 추진 중인 스마트건설 활성화 방안의 일환으로 도입한 전면 BIM에 따라 철도분야에서도 설계 전 과정을 BIM 기법에 따라 수행하고 있으며, 전 설계요원의 BIM 자격을 취득하고 BIM 설계능력을 향상하도록 독려하고 있어 설계적용의 오류가 최소화될 것으로 기대되고 있다.
한편, 2010년 이전의 일반철도 철도교량은 지간장 25m의 소경간을 위주로 경제성을 우선해 설계됐지만(고속철도의 경우 PSC BOX 형식의 교량을 주로 사용) 근래에 들어 30~40m의 콘크리트 거더교를 주경간장으로 설계되고 있다. 이는 설계기술의 발전과 시공성, 경제성을 동시에 확보했기 때문이다.
하지만, 장지간의 콘크리트 거더교는 장기적인 변형으로 인해 궤도 인계시점에서의 잔여 솟음량(20mm)과 레일면에서의 허용부등변위(연직 2mm, 수평 1.5mm)를 만족하기 어렵다.
이를 해결하기 위해 콘크리트 교량의 장기변형이 최소화될 수 있도록 공정단계별 변형량에 대한 연구가 수행되고 있다. 또한, 교량상의 신축이음과 교량받침이 없는 유지보수 최소화 교량(Integral Bridge)과 토압저감형 교대 도입으로 슬림화 교대구조물 개발, 프리캐스트에 의한 급속화 시공방안 개발 등에 대해 연구도 진행되고 있다.
한국교량및구조공학회 철도교량위원회 성근열 부위원장(사진)은 “최근의 철도건설은 국토공간의 효율적 성장과 전 국민에게 안전하고 편리한 철도서비스가 제공될 수 있도록 노력하고 있으며, 이를 위해 제4차 국가철도망 구축계획을 수립하고, 주요 거점간 고속연결, 비수도권지역의 광역철도 확대 등을 통해 2030년 철도영업거리는 5,341km로 확대될 예정”이라며 “철도교량 분야에서도 이에 맞춰 공진발생을 최소화할 수 있는 고속화 철도교량의 설계에 매진하고 있다”고 말했다.
그는 이어 “또한, 일반철도, 고속철도 이외에 트램, 경량전철, 자기부상열차의 교량 개발, BIM 등 미래지향 스마트 철도기술 개발과 활성화, 2050년 탄소중립실현을 위한 철도교량 분야에서의 저탄소 교량 건설공법, OSC(Off-Site Construction)공법기술 개발 등에 대해 노력도 필요한 시점”이라고 덧붙였다.
지난 2022년 교량건설기준 관련단체로 지정된 한국교량및구조공학회는 2021년 건설기준 통합코드에 따른 교량설계기준(한계상태설계법)에 철도교량을 반영할 수 있도록 개정했으며, 철도교량위원회는 이에 맞춰 글로벌 스탠다드에 맞는 철도교량분야 건설기준의 지속적인 정비 등을 계획해 추진하고 있다. 또한, 위원회에서 토론된 사항은 한국교량및구조공학회의 온라인상에서 매월 시행되는 기술나눔톡과 기술 세미나, 기술컨퍼런스의 전문위원회 세션 등을 통해 그 성과를 공유하고 있다.
앞으로 철도교량위원회는 철도교량 분야에 대한 이론연구와 실무적용이 보다 효과적으로 수행될 수 있도록 관련 분야의 연구를 활성화하고 체계화하는 역할을 수행하고자 하는 목표로 다양할 계획을 준비하고 있다.
성 부위원장은 “철도교량분야의 연구에 관심을 가진 여러 분야의 연구자들 상호간에 활동의 장을 만들어 협력을 유도하고 이 분야의 활성화를 위한 다양한 방법을 도출할 계획”이라며 “또한, 관련 학술세미나를 개최해 최근 연구동향과 발전방향을 파악하고 협력할 수 있는 장을 마련하기 위한 기회로 삼을 예정”이라고 말했다.
