[20년07월] 6. 북한철도 연결을 위한 노반 건설기준 제･개정 연구

The purpose of this study is to prepare a draft and amendment(draft) of current railroad construction standards by examining the major effects of North Korea's low-temperature climate on the roadbed structures such as earthworks, tunnels, and bridges in preparation for connection to the North Korea railway. The range of bridge temperature variation is defined as -30°C to +50°C in the domestic railroad design standards, but as a result of examining the bridge temperature considering the winter temperature for each region in North Korea, the range of bridge temperature variation exceeded the range of the domestic design standard, so it is necessary to revise the design criteria of the range of bridge design variation.

 

 

 

 

 

이선호 전무(공학박사, 토목구조기술사), 구조부(shlee7@samaneng.com)

최혁재(상무), 구조부(hjchoi@samaneng.com)

장호규(부장), 구조부(hgchang@samaneng.com)

 

 

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1. 서론

 

 

1.1 연구 배경

 

한국경제의 신성장동력을 확보하고 한반도 평화구축을 위하여, 정부의 한반도 신경제지도 구상과 신북방정책(Fig. 1 참조)을 달성하기 위한 남북 및 대륙철도연결의 사전준비가 필요하며, 러시아, 중국 등 북한 국경 인접국들의 북한 철도 개량 및 신설사업에 대한 적극적인 참여와 사업발굴로 북한철도 건설시장의 한국의 역할 제고가 필요하다.

 

제3차 국가철도망 구축계획(2016년~2025년) 및 철도산업발전 기본계획에 제시되어 있는 통일시대를 대비한 한반도 통합철도망 구축방안으로 선제적 대응 및 철도 인프라 북한철도 개보수 및 구축방안을 마련하고, 대륙철도 운송을 위한 기반 조성 준비가 필요하다.

 

최근 남북 정상회담에서 선언된 남북철도 연결･현대화를 위한 남북철도 공동연구조사('18.11.30)를 시행함으로서 남북 및 유라시아 철도 연계 실현 가능성에 대한 사회적 관심이 증대되고 있다.

 

남북한 통합철도망 구상 연구용역(2010.11)에서는 남북공동체 활성화를 위해서 단계별 북한철도 현대화와 물류사업의 선순화 구조를 창출하여 국제물류경쟁력을 확보할 수 있는 방안으로 「남북철도 최소개보수→물류사업에 따른 수익창출/재투자→개량개념의 북한철도 현대화→물류사업확대/국제콘소시엄 구성→신선개념의 북한철도현대화→유라시아랜드브리지 완성」로 이어지는 “통합철도망의 3단계 로드맵” 국제경쟁력 제고방안을 제시하였다(Fig. 3 참조).

 

그 중 2단계는 개량개념의 북한철도 현대화로 북한철도 개보수 단계에서 “북한철도 연결을 위한 노반 건설기준 제･개정 연구”가 필요하다.

 

 

 

1.2 연구 목적

 

철도설계기준 마련을 위하여 남북한 간의 차이점을 분석한 결과, 북한의 경우 지질학적으로 남한과 큰 차이를 보이고 있지 않다. 그러나 동절기 기후의 경우, 남한은 영하 10~25°C로 관측되고 있으나, 북한은 영하 25°C~40°C로 관측되어 큰 기온 차이를 나타내고 있다(Fig. 4.(a)~(b) 참조).

 

지역별 최저기온과 함께 중요한 지표로써 남･북한의 동결지수도 및 동결기간을 분석해 보면 남한의 경우 태백산맥을 따라 영서 지방의 동결지수가 높게 나타나며 북한의 경우 낭림산맥을 따라 개마고원 일대와 함경도 내륙지역 특히 백두산 인근의 삼지연 등의 동결지수가 높은 것으로 나타났으며 이는 지형상 표고차에 의한 영향이 있다(<Fig.. 4(c)> 참조).

 

따라서 북한의 기후조건을 고려한 철도 건설기준이 마련된다면, 기존철도 개보수와 신설건설 사업 추진이 보다 원활할 것으로 판단된다.

 

 

 

1.3 기존 연구 동향

 

남북철도와 관련된 지금까지의 연구는 다양한 형태로 접근되었으며, 북한철도에 대한 기술적 조사에 대해서도 일부 진행되었으며, 국가 전체적으로 볼 때 국토해양부, 한국철도시설공단, 한국철도기술연구원을 중심으로 한 철도 관련 기관과 토목학회, 철도학회 등을 중심으로 한 학술단체에서 북한철도에 대한 관심을 갖고 기초조사를 수행하고 있지만 대부분 해당 분야의 기획조사 차원에 머무르고 있는 실정이다. 이것은 남북관계의 특수성으로 인한 정보수집의 어려움으로 인해 남북철도 연결을 위한 체계적 조사 및 세부 연구가 미흡하다고 할 수 있다.

 

 

1.4 연구 목표

 

본 연구에서는 북한철도 연결에 대비하여 북한의 동절기 낮은 온도의 기후가 토공, 터널, 교량 등의 노반구조물에 미치는 주요 영향을 검토하여 현 철도 노반 건설기준의 제･개정(안)을 마련하고자 한다. 국내 철도설계기준 내 교량의 온도변화는 기존 철도설계기준에서 –30°C ~ +50°C까지 정의되어 있으나 북한의 지역별로 동절기 온도변화가 국내와 다르므로 한랭지역의 특성을 고려하여 온도변화 재설정이 필요하다. 본 연구에서 당사가 참여중인 분야는 철도교량 상부구조로서 기후조건과 교량 요소의 상관관계를 분석하여 교량의 온도변화 기준을 제안하고, 상부구조 및 교량 부대시설의 세부 건설기준을 마련하는 데 연구의 목적을 두고 있다.

 

 

1.5 연구 추진현황

 

연구기간은 2019년 1월부터 2020년 12월까지로 총 24개월이며, 아래와 같이 총 5개의 산-학 연구진을 구성하여 공동으로 연구를 수행하고 있다. 당사에서는 북한지역의 기후조건을 고려하여 철도교량 상부구조 및 교량 부대시설의 온도변화 기준, 동결융해를 고려한 콘크리트교량의 내구성 설계기준 등에 대해 중점적으로 연구하고 있다.

 

 

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2. 본론

 

 

2.1 교량 온도변화 관련 각국의 설계기준 비교・검토

 

한랭지역 철도교량 온도변화에 대한 기준 정립을 위해 국내외 온도변화 관련 기준을 비교하였다. 국내 기준으로 대표적인 철도설계 지침 및 편람(KR Code, 한국철도시설공단), 도로교 설계기준(한국도로교통협회), 도로설계편람(국토교통부), 도로설계요령(한국도로공사)을 조사하였고, 국외 기준으로 유럽 UIC Code, 일본 철도구조물등 설계표준 동해설(국토교통성), 러시아 SP Code, 중국 TB Code, 미국 AASHTO Code 등을 비교하여 연구방향을 설정하였다(Table 2).

 

국내외 철도교량 설계시 온도변화 범위를 비교한 결과, 미국의 AASHTO LRFD Code에서 강교의 온도변화 범위(Table 4)와 일본 설계기준의 콘크리트교 온도변화 범위(Table 5)가 국내기준과 유사한 경향을 보이는 것으로 조사되었다.

 

 

 

2.2 북한지역의 동절이 온도특성(대기온도)

 

북한지역의 대기온도 특성 분석을 위해 기상청 기상자료 개방포털(Fig. 6)에서 제공하는 북한지역 27개 관측지점의 기상자료를 수집하였다. 현재 기상자료는 1973년부터 현재까지 조회가 가능하며 이를 수집하여 연구를 수행하였다. 최근 30년(1989~2018) 북한의 평균기온 및 최고기온, 최저기온을 정리하면 Table 6와 같다.

 

27개 지역 중 8개 지역의 최저기온이 –30℃ 이하를 기록하여 남한보다 동절기 온도가 크게 낮은 것으로 조사되었다. 특히 최저기온이 가장 낮은 지역은 삼지연으로 최저온도가 –40.1℃이고, 온도변화량이 가장 큰 지역은 중강으로 82.6℃를 기록하였다.

 

 

2.3 대기온도 변화에 따른 교량온도 변화량 추정 방안

 

2.3.1 강교의 유효온도

AASHTO LRFD 기준에서 온도변화의 범위는 표에 의한 방법(Procedure A)과 온도분포도에 의한 방법(Procedure B)의 두 가지를 제시하고 있다. Procedure A의 경우 지역 구분 방법과 강교의 온도변화 범위가 국내와 유사하였다. 이 방법은 1920년대에 개발되었으나 뚜렷한 이론적 배경이 없는 것으로 조사되었다. Procedure B의 경우 NHCRP 연구보고서(NHCRP 20-07/106, 2002)에 기반을 두고 있으며, 보고서 내 교량형식별 교량 유효온도와 대기온도의 상관관계 식을 제시하고 있어 국내 강교의 유효온도 분석시 적용이 가능할 것으로 사료된다.

 

본 연구에서 강교의 유효온도 검토는 미국 AASHTO LRFD의 Procedure B의 이론적 배경이 되는 NHCRP 연구보고서에 따라 수행하였다. 보고서에 따르면 교량온도 예측방법은 Emerson Method, Kuppa Method 두가지가 있으며, Emerson Method은 평균온도에 기반한 이론으로 교량 온도 거동 예측에는 적합하지 않다고 판단된다. 따라서 금회 검토에서는 극한온도에 기반한 Kuppa Method를 적용하여 강교의 유효온도를 분석하였다.

 

 

2.3.2 콘크리트교의 유효온도

 

일본 철도교량 설계기준에서 콘크리트교의 온도변화량은 ±15℃로서 국내기준과 유사한 것으로 확인되었다. 따라서 일본 기준의 방법을 따라 국내 콘크리트교의 유효온도 분석이 가능할 것으로 판단되며, 일본 설계기준의 방법을 따라 지역별 월평균 기온의 최고 및 최저치와 연평균 기온을 비교하여 분석을 수행하였다.

 

 

2.3.3 북한지역 철도교량의 온도변화 범위 분석결과

 

북한지역 철도교량의 설계시 온도변화 범위의 분석을 위해 국내 교량의 유효온도와 대기온도의 상관관계를 분석하였다. 강교의 경우 미국 AASHTO LRFD의 이론적 배경인 NHCRP 연구보고서에 따라 유효온도를 검토하였다. 콘크리트교의 경우 일본 철도구조물등 설계표준 동해설의 방법에 따라 유효온도를 검토하였다.

 

온도변화 범위를 분석결과, 강교의 경우 최대 온도변화 범위가 –33℃~+43℃로 분석되었고(Table 7 참조), 27개 지역 중 4곳의 최저기온이 철도설계지침 및 편람의 온도변화 범위를 초과하는 것으로 검토되었다. 콘크리트교의 경우 최대 온도승강이 ±18.61℃로(Table 8 참조) 27개 지역 중 가반수인 13개 지역에서 철도설계지침 및 편람의 온도승강 기준을 초과하는 것으로 분석되었다.

 

 

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3. 결론

 

 

남북철도와 관련된 지금까지의 연구는 남북관계의 특수성으로 인한 정보수집의 어려움으로 인해 남북철도 연결을 위한 체계적 조사 및 세부 연구가 미흡하였으나, 최근 한반도 평화 기류에 따라 남북간 철도 연결 및 현대화 사업에 대하여 논의됨으로써 남북 및 유라시아 철도 연계에 앞서 국내 철도 건설기준 마련에 따른 사회적 기술 마련이 요구되고 있다.

 

본 지에서는 당사가 연구 수행중인 북한지역 철도교량의 온도변화 기준 제시를 위한 연구자료를 일부 소개하였다. 앞서 언급했듯이 동절기 기후의 경우, 남한은 영하 10°C∼25°C로 관측되고 있으나, 북한은 영하 25°C∼40°C로 관측되어 큰 기온 차이를 나타내고 있다. 이에 따라 기후조건과 교량온도의 상관관계를 분석한 결과, 북한지역의 교량온도는 국내 교량온도 변화의 범위를 초과하여 북한지역의 기후특성을 반영한 기준의 재정립이 필요한 것으로 분석되었다.

 

본 연구에서 당사는 북한지역 철도교량 상부구조 및 부대시설의 온도변화 기준, 동결융해를 고려한 콘크리트교량의 내구성 설계기준, 한중콘크리트 적용성, 교량상 장대레일 상호작용 설계기준을 검토하여 북한 동절기 온도 저하를 반영한 교량 건설기준을 제시할 예정이다. 본 연구가 북한 동절기 기후를 반영한 연구 및 철도설계기준 마련에 토대가 되어 남북철도 연계에 중요한 기틀이 되기를 기대한다.

 

 

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Reference

 

1.고경택, 한민철, 이병덕(2015). “동결융해에 대한 내구성 설계”, 콘크리트학회지, 제27권 5호, pp. 30-35

2.박권제, 방희조, (2015). “이상기후 및 제설환경을 고려한 콘크리트 소구조물 설계기준 개선”, 토목학회지, 제63권 제01호, pp. 43-49

3.신재민, 박창호, 이병주, 이지영, 서진원(2008). “교대 코핑부 균열 및 받침파손에 따른 보수보강 방안 고찰”, 대한토목학회 학술대회 논문집, pp. 3270-3273

4.김홍삼, 김진철, 정해문(2013). “제설제 환경에서의 콘크리트 구조물 열화 및 대책”, 한국콘크리트학회 학술대회 논문집, pp. 228-239

5.김성수(2014), “동결융해 및 제설제에 의한 콘크리트 구조물의 열화”, 한국콘크리트학회 학술대회 논문집, pp. 17-29

6.한국레미콘공업협회 기술분과 위원회(2011), “콘크리트 염해의 원인과 대책”, pp. 1-8

7.한국철도시설공단(2014). KR C-08010(교량 설계일반)

8.한국철도시설공단(2017). KR C-08020(하중)

9.한국철도시설공단(2012). KR C-08060(내구성 설계)

10.한국철도시설공단(2014). KR C-08100(받침 및 받침부)

11.국토교통부(2016). KSD 24 12 20(교량 설계하중(일반설계법))

12.국토교통부(2019). KSD 24 14 21(콘크리트교 설계기준(한계상태설계법))

13.국토교통부(2016). KSD 24 90 10(교량 기타시설설계기준(일반설계법))

14.중화인민공화국 철도국(2019). TB 10005-2018 철도 콘크리트구조 내구성 설계기준

15.일본 국토교통성 철도국(2004). 철도구조물등 설계표준 동해설(콘크리트구조물)

16.러시아연방 지역개발부(2011). SP 35.13330.2011(교량 및 구교)

17.러시아연방 국가건설위원회(2009). SP 52-105-2009(추운 기후 및 영구동토층의 철근콘크리트 구조물)

18.미국도로교통협회(2007), AASHTO　LRFD Bridge Design Specifications SI Units 4th Edition

19.최윤석 외(2012), “동결융해 작용을 받은 콘크리트의 공극구조 및 염화물 침투저항 특성”, 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 제16권 제6호

20.이성행(2016), “강상자형교의 설계온도하중을 위한 최고 유효온도 산정”, 한국산학기술학회논문지 제17권 제8호

21.도로교통연구원(2014), “제설제 환경을 고려한 콘크리트 구조물의 염해 내구성 설계 및 평가 연구”, 한국도로공사 연구보고서

22.Charles W. Roeder(2002), “Thermal Movement Design Procedure for Steel and Concrete Bridges”, National Cooperative Highway Research Program, NHCRP 20-07/106

23.기상자료개방포털, https://data.kma.go.kr/