전세계적으로 널리 사용되고 있는 장대레일 궤도는 유지 보수 비용을 절감시키고, 궤도구성요소들의 수명이 길어진다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 혹서기에 레일의 높은 온도 상승으로 인해 장대레일 궤도에는 매우 큰 압축력이 작용하게 되고, 이는 장대레일 궤도의 장출(좌굴)을 발생시켜 열차의 탈선으로 인한 사고로 이어진다. 본 연구에서는 장대레일 궤도의 좌굴에 많은 영향을 주는 궤도의 구성요소들 중에서 레일의 단면적과 단면2차모멘트 그리고 체결구의 파손과 병진 및 회전방향의 강성이 장대레일 궤도의 좌굴에 미치는 민감도를 파악하였다.
전세계적으로 널리 사용되고 있는 장대레일 궤도는 유지 보수 비용을 절감시키고, 궤도구성요소들의 수명이 길어진다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 혹서기에 레일의 높은 온도 상승으로 인해 장대레일 궤도에는 매우 큰 압축력이 작용하게 되고, 이는 장대레일 궤도의 장출(좌굴)을 발생시켜 열차의 탈선으로 인한 사고로 이어진다. 본 연구에서는 장대레일 궤도의 좌굴에 많은 영향을 주는 궤도의 구성요소들 중에서 레일의 단면적과 단면2차모멘트 그리고 체결구의 파손과 병진 및 회전방향의 강성이 장대레일 궤도의 좌굴에 미치는 민감도를 파악하였다.
The use of CWR track not only reduces the track maintenance cost, but increase the life cycle of track components. Therefore, the use of the CWR track has increased consistently in the worldwide. As the use of CWR increases in track structures, derailing disasters associating with track buckling als...
The use of CWR track not only reduces the track maintenance cost, but increase the life cycle of track components. Therefore, the use of the CWR track has increased consistently in the worldwide. As the use of CWR increases in track structures, derailing disasters associating with track buckling also increase in great numbers due to high compressive thermal stress in the summer. Among many CWR parameters, the influence of the sectional properties of the rail was investigated on the stability of CWR track in this study. Also, the sensitivity of the broken fastener and the stiffness of the fastener system such as the translational and rotational stiffness was investigated.
The use of CWR track not only reduces the track maintenance cost, but increase the life cycle of track components. Therefore, the use of the CWR track has increased consistently in the worldwide. As the use of CWR increases in track structures, derailing disasters associating with track buckling also increase in great numbers due to high compressive thermal stress in the summer. Among many CWR parameters, the influence of the sectional properties of the rail was investigated on the stability of CWR track in this study. Also, the sensitivity of the broken fastener and the stiffness of the fastener system such as the translational and rotational stiffness was investigated.
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문제 정의
이러한 장대레일의 단면 성질 중 궤도의 좌굴에 지배적인 영향을 미치는 요소는 온도하중과 직접적인 연관이 있는 레일의 단면적(A)과 좌굴 발생 시 궤도의 횡방향 휨거동에 지배적인 역할을 하는 레일의 약축에 대한 단면2차모멘트(Iy)이다. 따라서 레일의 단면적과 약축에 대한 단면2차모멘트의 변화에 따른 상한 및 하한 좌굴온도의 변화양상을 분석하여 민감도를 평가하도록 한다. 해석 모델에 사용된 레일 단면의 좌표계는 그림 7과 같이 정의하였다.
본 논문에서는 기하 및 재료비선형성을 고려한 3차원 궤도해석 프로그램을 이용하여 장대레일 궤도를 구성하는 각종 인자들 중, 레일의 단면적과 약축에 대한 단면2차모멘트 그리고 체결구의 손상 정도와 병진 및 회전방향 강성이 장대레일 궤도의 좌굴에 대한 민감도를 평가하였다.
제안 방법
이러한 체결구의 병진 및 회전에 대한 강성은 레일과 침목의 상대변위를 제어하게 되고, 이는 곧 궤도의 좌굴에 직접적인 영향을 미치게 된다. 각 방향 강성 값은 표 1의 값을 기준으로 하였으며, 체결구의 파손 정도와 강성 변화에 따라 좌굴 온도에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 그림 12에 나타나 있듯이 체결구의 강성(AAR, 1982)은 HTS(Horizontal Translational Stiffness), LTS(Longitudinal Translational Stiffness), VTS(Vertical Translational Stiffness), HRS(Horizontal Rotational Stiffness), LRS(Longitudinal Rotational Stiffness), VRS(Vertical Rotational Stiffness)의 6방향 강성으로 구분된다.
따라서 장대레일의 안정성 평가를 위한 해석은 200m 이상의 궤도를 통해서 수행되어야 함을 알 수 있다. 그러나 200m 해석 모델의 경우도 많은 해석 시간이 필요하기 때문에 무한한 길이의 궤도와 같은 효과를 구현할 수 있는 무한 경계요소(Infinite Boundary Element, IBE)를 적용하여 그림 5와 같이 해석 대상 모델을 결정하였다.
장대레일의 길이는 수 킬로미터 이상이므로 비선형성을 고려한 해석 시 상당히 많은 해석시간을 요구한다. 그러므로, 장대레일 궤도의 좌굴거동 분석을 위한 합리적인 해석 모델의 길이를 산정하기 위하여 장대레일 길이에 따른 해석을 수행하였다. 그림 4에서 보이는 바와 같이 상한 좌굴온도의 경우 일정한 반면 하한 좌굴온도는 약 200m 이상에서 일정한 값으로 수렴해 감을 알 수 있다.
침목 그리고 E-clip 체결구로 구성되어 있다. 기하 및 재료 비선형 해석을 수행하기 위하여 사용된 초기결함은 반파장 sine곡선을 사용하였으며, 각각의 물성치는 표 1과 같다.
이때 궤도는 체결구의 파손된 구간에서 레일만이 좌굴에 저항하게 되므로 궤도의 안정성에 심각한 영향을 줄 수 있다고 판단된다. 따라서 체결구의 파손 개수에 대한 장대레일 궤도의 좌굴거동을 분석하였다.
레일의 단면2차모멘트들 중 궤도의 횡방향 좌굴거동에 지배적인 역할을 하는 약축(Iy)에 대한 단면2차모멘트의 변화가 궤도의 좌굴 온도에 미치는 영향을 평가하였다. 이때 레일의 단면적은 77.
본 논문에서는 Lim 등(2003, 2004)에 의해 개발된 궤도의 3차원 비선형 모델과 전용 해석프로그램을 사용하여 궤광의 강성이 장대레일 궤도의 좌굴에 미치는 민감도를 상한 및 하한 좌굴온도를 통하여 분석하였다. 고려된 인자는 레일의 단면적(Area)과 단면2차모멘트(Moment of Inertia)그리고 레일과 침목(Tie)을 연결하는 체결구의 6방향에 대한 각각의 강성들 중 장대레일 궤도의 좌굴에 가장 영향이 큰 종방향 병진강성(Horizontal Translation Stiffness), 횡방향 병진강성(Lateral Translation Stiffness) 그리고 연직방향 회전강성(Vertical Rotational Stiffness)이다.
그림 12에 나타나 있듯이 체결구의 강성(AAR, 1982)은 HTS(Horizontal Translational Stiffness), LTS(Longitudinal Translational Stiffness), VTS(Vertical Translational Stiffness), HRS(Horizontal Rotational Stiffness), LRS(Longitudinal Rotational Stiffness), VRS(Vertical Rotational Stiffness)의 6방향 강성으로 구분된다. 이러한 강성들 중 궤도의 횡방향 좌굴에 직접적으로 영향을 주는 것으로 판단되는 LTS, HTS, VRS의 강성 변화에 대한 매개변수해석을 수행하였다.
대상 데이터
궤도구성요소들의 장대레일 궤도 좌굴에 대한 민감도를 분석하기 위한 해석 대상 모델은 60K 레일과 고속철도 P.C. 침목 그리고 E-clip 체결구로 구성되어 있다. 기하 및 재료 비선형 해석을 수행하기 위하여 사용된 초기결함은 반파장 sine곡선을 사용하였으며, 각각의 물성치는 표 1과 같다.
성능/효과
1. 레일의 단면적이 증가함에 따라서 궤도의 상한 및 하한 좌굴온도가 비선형적으로 감소하였다. 레일 단면적의 증가는 레일에 가해지는 온도하중의 증가를 초래하여 좌굴온도가 감소하는 것임을 알 수 있다.
레일과 침목을 연결하는 체결구의 파손은 상한 및 하한 좌굴온도에 큰 영향을 미치고, 하한 좌굴온도 보다는 상한 좌굴온도에 더 민감하다. 1개의 체결구 파손 개수당 상한 좌굴온도는 약 10%가 감소하고, 하한 좌굴온도는 약 5%가 감소하였다. 체결구의 횡방향 병진 강성(HTS)의 증가는 상한 좌굴온도에 매우 민감하지만, 하한 좌굴온도에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 평가된다.
2. 레일과 침목을 연결하는 체결구의 파손은 상한 및 하한 좌굴온도에 큰 영향을 미치고, 하한 좌굴온도 보다는 상한 좌굴온도에 더 민감하다. 1개의 체결구 파손 개수당 상한 좌굴온도는 약 10%가 감소하고, 하한 좌굴온도는 약 5%가 감소하였다.
그림 6은 무한경계요소(1 cm)를 적용한 궤도 모델(50m-IBE)의 해석 결과와 무한경계요소를 적용하지 않은 200m 궤도 모델의 해석 결과를 비교한 것이다. 두 가지 모델의 상한온도와 하한온도가 거의 일치하고 있으며, 레일의 횡방향 거동도 유사한 양상을 보이고 있음을 알 수 있다. 그러므로 민감도 분석을 위한 궤도의 해석 모델 길이는 50m로 정하였으며 무한경계요소를 양 궤도 끝단에 사용한다.
그림 13과 14에서 보듯이 체결구의 파손은 궤도의 상한 및 하한 좌굴온도에 큰 영향을 미치며 상한 좌굴온도의 경우 체결구의 파손에 따라서 개당 약 10%의 좌굴 온도가 감소하고, 하한 좌굴온도의 경우 약 5% 가량의 좌굴 온도가 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 체결수의 파손은 하한 좌굴온도보다 상한 좌굴온도에 더 민감한 것으로 평가되었다.
체결구의 횡방향 병진 강성(HTS)의 증가는 상한 좌굴온도에 매우 민감하지만, 하한 좌굴온도에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 평가된다. 종방향 병진 강성(LTS)은 상한 좌굴온도의 변화는 없고, 하한 좌굴온도에만 약간의 영향이 있는 것으로 평가되었다. 또한 수직 방향 회전강성(VRS)이 106 Ncm/rad 이상에서 상한 및 하한 좌굴온도가 매우 민감하게 반응하였다.
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