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문제 정의
- 부압을 적용하여 정적구조해석을 수행하는 것 보다 좀 더 현실적인 해석은 시간에 내하여 발생한 압력을 고려한 천이해석이다’ 하지만 천이해석은 정확한 결과를 도출하는데 비해 시간적으로 정적 구조해석에 비해 많게는 10배 정도의 시간이 걸리며 승강장 스크린도어 구조물과 같이 대형구조물은 해석 시간이 많이 소요된다. 따라서 본 연구에서는특정 시간대에 최대 풍압 값을 적용시켜 준정적해석을 수행함으로서 스크린도어 구조물의 해석 시간을 줄이는 동시에천이해석 결과와 거의 동일한 결과를 도출하여 빠른 설계검증을 수행할 수 있는 방법을 찾고자 한다. Table 2는 열차 조건과 시간에 따른 해석의 경우를 나타낸다.
- 운용되고 있다. 운행 중인 중전철의 경우 실제 설치 될 역사에 대하여 풍압 해석과 실제 풍압 측정을 통하여 열차 진입 시 풍압을 측정하여 승강장 스크린 도어의 구조안정성 평가에 적용한 사례가 있으나 본 연구에서는 국내에서는 처음으로 경량전철이 운행되는 부산 지하철 3호선 반송선 구간에 설치 될 완전 밀폐형 승강장 스크린 도어에 대하여 구조안정성 평가를 수행하였다. 이를 위해 열차가 승강장에 진입후 스크린도어에 미치는 풍압을 유체유동해석 프로그램인 Fluent를 이용하여 분석하고 도줄된 결과를 구조해석에 하중파라미터로 적용하여 천이해석(transient analysis)을 수행하여 구조안정성을 평가하였다.
제안 방법
- 본 연구에 적용한 천이해석은구조물이 시간에 따라 임의로 변동하는 하중에 대한 구조물의 응답을 구하고자 할 때 수행되며 열차가 진입 순간부터 정차 및 통과하는데 걸리는 시간을 고려하여 해석 조건을 고려하였으며 다음과 같다. (1)열차가 승강장을 70km/h로 정차하지 않고 통과하는 경우, (2)열차가 승강장을 70km/h로 진입후 감속하여 정차하는 두 가지 경우에 대해 수행하였다. 또한, 천이해석은 하중에 대한 입력과 해석시간이 많이 걸리므로빠른 설계검증을 위해 준정적해석(quasi-static analysis)을 제시하여 천이해석과의 결과를 비교 검토하였다.
- Table 3과 4는 열차가 통과 및 정차하는 경우에 대해 열차가 진입 후 승강장 내부의 특정 위치에서의 최대 변위 및 응력 발생에 대해서 준정적해석과 천이해석을 통해 도출하여 비교하였다. Table 3과 4의 결과를 요약하면 (1)열차의 통과 및 정차 시점에서의 변위 및 응력 값은 일반적으로 열차가 진입할 때는 같고 통과할 때와 정차할 때는 차이를 나타남을 보인다.
- 구성되었다. 또한 볼트체결부위, 강화유리와 압출재 사이의 구속조건은커플구속 조건을 적용하여 자유도를 공유하였다.
- 이를 위해 열차가 승강장에 진입후 스크린도어에 미치는 풍압을 유체유동해석 프로그램인 Fluent를 이용하여 분석하고 도줄된 결과를 구조해석에 하중파라미터로 적용하여 천이해석(transient analysis)을 수행하여 구조안정성을 평가하였다. 본 연구에 적용한 천이해석은구조물이 시간에 따라 임의로 변동하는 하중에 대한 구조물의 응답을 구하고자 할 때 수행되며 열차가 진입 순간부터 정차 및 통과하는데 걸리는 시간을 고려하여 해석 조건을 고려하였으며 다음과 같다. (1)열차가 승강장을 70km/h로 정차하지 않고 통과하는 경우, (2)열차가 승강장을 70km/h로 진입후 감속하여 정차하는 두 가지 경우에 대해 수행하였다.
- 스크린 도어의 2차원 설계 도면을 바탕으로 유한요소모델을 생성하였다. 생성된 유한 요소 모델은 실제 승강장 스크린도어와 같은 경계조건을 모사하여 열차 주행에 따른 압력의 시간에 따른 변화를 고려한 구조해석을 수행하였다.
- 0을 사용하여 수행하였다. 스크린 도어의 2차원 설계 도면을 바탕으로 유한요소모델을 생성하였다. 생성된 유한 요소 모델은 실제 승강장 스크린도어와 같은 경계조건을 모사하여 열차 주행에 따른 압력의 시간에 따른 변화를 고려한 구조해석을 수행하였다.
- 아랫부분 역시 완전 구속하였다. 스크린 도어의 하중 조건은 열차 진입 시 작용 받는 풍압의 크기가 위치와 진행 시간에 따라 다르므로 풍압 적용 구간은 16개 유닛으로 나누어 풍압을 적용하였다. 풍압의 적용은 슬라이딩 도어를 포함한 하나의 유닛으로 구분되며 천이해석에서는 각 구간별로 시간에 따라 다르게 적용되었고, 준정적해석의 경우 특정 시간대에서의 풍압을 적용하여 계산하게 된다.
- 스크린도어의 형상에 대한 정보와 재료에 대한 정보는 설계된 자료를 활용하여 모델링을 수행하였으며, Fig. 9는 스크린도어의 유한요소해석 모델을 나타낸다.
- 승강장 스크린 도어의 구성품은 크게 골조구조 가동도어, 비상도어, 고정도어로 구성되며 일반적으로 스크린 도어 하나의 유닛은 가동도어와 비상도어가 각각 한 쌍씩 고정도어한 개의 구성으로 이루어지며 본 연구의 모델인 동래역사에설치되는 스크린 도어의 구성은 가동도어 12쌍과 비상도어 25개, 고정도어 19개로 구성되며 완전 밀폐식으로 설계되었다. 승강장 스크린도어에 대한 설계요구조건은 Table 1에 나타내었다.
- 열차의 움직임을 모사하기 위하여 이동격자 기법을 사용하였으며, 움직이는 유동영역과 고정되는 유동영역이 분리되어야 하므로 Fig. 4와 같이 열차를 포함한 이동해석 영 역과 열차 바깥쪽의 고정해석 영역을 나누어 모델링 하였다. Fig.
- 이는 열차 운행 시 발생할 수 있는 모든 경우를 고려한경우이며 열차가 통과하는 경우가 정지하는 경우보다 큰 풍압을 나타냄을 유동해석을 통하여 도출하였다.
- 6은 스크린 도 어가 설치된 역사에 대하여 전체 모델링한 것이다. 이동격자 기법을 사용하기 위해서 모델 전체에 비정렬 격자를 생성하였다[5].
- 운행 중인 중전철의 경우 실제 설치 될 역사에 대하여 풍압 해석과 실제 풍압 측정을 통하여 열차 진입 시 풍압을 측정하여 승강장 스크린 도어의 구조안정성 평가에 적용한 사례가 있으나 본 연구에서는 국내에서는 처음으로 경량전철이 운행되는 부산 지하철 3호선 반송선 구간에 설치 될 완전 밀폐형 승강장 스크린 도어에 대하여 구조안정성 평가를 수행하였다. 이를 위해 열차가 승강장에 진입후 스크린도어에 미치는 풍압을 유체유동해석 프로그램인 Fluent를 이용하여 분석하고 도줄된 결과를 구조해석에 하중파라미터로 적용하여 천이해석(transient analysis)을 수행하여 구조안정성을 평가하였다. 본 연구에 적용한 천이해석은구조물이 시간에 따라 임의로 변동하는 하중에 대한 구조물의 응답을 구하고자 할 때 수행되며 열차가 진입 순간부터 정차 및 통과하는데 걸리는 시간을 고려하여 해석 조건을 고려하였으며 다음과 같다.
- 하지만 구조해석의경우에는 풍압해석과 달리 풍압에 대한 정량적인 값만 요구되는 것이 아니라 시간에 따라 변동하는 풍압의 적용과 이를수반한 영향이 고려된 평가가 이루어져야한다. 이를 위해 열차의 통과 및 정지조건에 대한 천이해석을 수행하고 특정 시간 및 최대 압력이 작용하는 시점에 대한 준정적해석을 수행하여 천이해석과 비교하여 경제적인 설계 프로세스를 도출하고자 한다.
- 따라서, 열차의 형상에 따라 유동특성이 크게 달라지는 고속열차나 지하철 유동해석 등에 많이 사용되고 있다. 풍압해석은 열차가 70km/h로승강장을 정차하지 않고 지나가는 경우와 감속하여 정차하는경우에 대해 수행하였다.
대상 데이터
- 반송선 구간 중 최대 풍압의 작용이 예상되는 동래역을 선정하여 연구를 수행하였다. Fig.
- 스크린도어의 유한요소해석모델은 승강장 길이 65m이며, 총 203, 503개의 노드와 209, 916개의 쉘 요소로 구성되었다. 또한 볼트체결부위, 강화유리와 압출재 사이의 구속조건은커플구속 조건을 적용하여 자유도를 공유하였다.
- 연구대상으로 선정된 스크린 도어는 완전 밀폐형 스크린도어로서 부산 3호선 반송선 구간에 설치 예정인 스크린 도어이다. 반송선 구간 중 최대 풍압의 작용이 예상되는 동래역을 선정하여 연구를 수행하였다.
데이터처리
- (1)열차가 승강장을 70km/h로 정차하지 않고 통과하는 경우, (2)열차가 승강장을 70km/h로 진입후 감속하여 정차하는 두 가지 경우에 대해 수행하였다. 또한, 천이해석은 하중에 대한 입력과 해석시간이 많이 걸리므로빠른 설계검증을 위해 준정적해석(quasi-static analysis)을 제시하여 천이해석과의 결과를 비교 검토하였다.
- 본 연구에서 승강장 스크린 도어에 대한 설계 검증은 ANSYS VI 0.0을 사용하여 수행하였다. 스크린 도어의 2차원 설계 도면을 바탕으로 유한요소모델을 생성하였다.
이론/모형
- 부산지하철 3호선의 동래 역사를 기준으로 70km/h의 열차속도 의한 스크린 도어의 풍압해석은 3차원 수치해석 프로그램인 Fluent 6.0을 사용하였으며, 시간에 따른 열차의 위치가고려되어야 하므로 수치기법 중 이동격자(moving mesh) 기법을 적용하였다. 이동격자 기법은 이동영역과 고정영역을분리하여 상대적인 운동을 가지도록 하는 기법으로 복잡한형상을 가지는 문제 해석에 효율적이다.
성능/효과
- (1) 열차가 승강장에 정차하는 경우와 통과하는 경우에 풍압에 의한 구조해석 결과, 스크린 도어는 설계요구조건을만족함을 확인하였다.
- (2) 풍압해석 결과 정차조건에서의 최대 풍압은 게이지압 2500Pa의 수치를 나타내고 있으며, 전반적으로 열차가 70km/h의 속도로 통과하는 경우(게이지압 2650Pa) 보다풍압수준이 낮음을 확인하였다.
- Table 3과 4의 결과를 요약하면 (1)열차의 통과 및 정차 시점에서의 변위 및 응력 값은 일반적으로 열차가 진입할 때는 같고 통과할 때와 정차할 때는 차이를 나타남을 보인다. (2)준정적 해석과 천이해석의 변위 값과 응력 값은 천이 해석 값이 대체적으로 크게 나타냄을 확인하였다. 이유는 준 정적 해석의 경우 풍압해석에서 얻은 압력 데이터 값에 대하여단일 시간대에서 적용된 데이터이지만 천이해석의 경우 전 시간에 압력 데이터의 누적으로 일반적으로 값이 크게 도출됨이라 사료된다.
- (3) 열차의 통과 및 정차 시에 발생되는 변위는 두 경우에 대해 큰 차이를 나타내지 않지만 응력은 열차가 통과할 때보다 정차 시에 비교적 크게 나타남을 확인하였으며, 이는 풍압 해석 결과와 같이 열차가 감속하지 않고 승강장을 통과할 때의 비교적 균일한 압력에 비하여 열차가 감속하여 정차 시 제동 시간에 따라 급격히 감소하는 압력이 발생하게 되므로 작용하는 하중은 급격히 줄어들게 되며 작용 압력이 짧은 시간에 변동함으로 응력이 상대적으로 크게 도출된 것이라 사료된다.
- 이유는 준 정적 해석의 경우 풍압해석에서 얻은 압력 데이터 값에 대하여단일 시간대에서 적용된 데이터이지만 천이해석의 경우 전 시간에 압력 데이터의 누적으로 일반적으로 값이 크게 도출됨이라 사료된다. (3)열차의 통과 및 정차 시에 발생되는 변위는 두 경우에 대해 큰 차이를 나타내지 않지만 응력은 열차가 통과할 때보다 정차 시에 비교적 크게 나타남을 확인하였다. 원인은 풍압 해석 결과에서 도출하였듯이 열차가 감속하지 않고 승강장을 통과할 때의 비교적 균일한 압력값에 비하여 열차가 감속하여 정차 시 제동 시간에 따라 급격히 감소하는 압력이 발생하게 된다.
- (4) 스크린 도어 시스템의 준정적 해석과 천이해석결과 변위 및 응력의 차이가 크지 않음을 확인하였으며, 이는 스크린도어의 설계 검증 시 천이해석을 이용하여 구조 안정성 평가를 수행할 수 있으나 빠른 구조안정성평가를 확인하기 위해서는 준정적 구조 해석을 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 있다. 또한 차량 운행에 의한 승객의 안전을 확보할 수 있으며 선로 추락을 미연에 방지하는 효과를 얻을 수 있다⑵.
- 만족하였다. 해석결과를 통해 출구위치에 의한 역풍효과가 터널 내부 유동에 많은 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 스크린 도어의 풍압해석에 있어 출구위치의 결정이 매우 중요하다는 것을 나타낸다. Fig.
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