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문제 정의
- 레일의 종류는 기존 분기기의 경우 KS50 레일, 개량 분기기의 경우 KS60 레일을 사용하였으며, 침목의 종류는 기존 분기기의 경우 목 침목으로 목침목 규격 중 150mmx240mmx3, 100mm을 사용하였다. 개량 분기기의 경우 PC 침목이며 침목저면의 면적은 노반압력에 큰 영향을 미치는 요소로 본 연구는 기존 및 개량 분기기 형식변화에 따른 각각의 충격계수를 산정하고, 노반에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적이므로 침목 크기에 의한 영향을 배제하고자 목침목과 동일한 규격에 대하여 고려하였다. 침목 간격은 0.
- 본 연구는 기존(50kg 탄성분기기, 목침목형, 고정 망간크로싱, 연결방식: 이음매판) 및 개량(60kg 탄성분기기, PC 침목형, 고정 망간크로싱, 연결방식: 테르밋용접) 분기기 충격계수산정에 따른 노반의 지지력을 평가하는 것으로 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 그러나 최근 기존선의 고속화, 고밀화 추세에 따라 선로의 조건도 이에 적합하게 개선되어야 할 필요가 있다. 개량 분 기기에서는 기존 분기기에서 사용되던 50kg 레일을 60kg 레일로 변경하였으며, 노즈부 접촉각을 3배 이상 감소시킴으로써 차륜과 윙 레일 및 노즈레일의 접촉면을 적게 하였다. 또한, 기존 분 기기에서는 목침목을 사용하였지만 개량 분기기에서는 공장 조립이 가능하며 현장 시공성을 확보할 수 있는 분절형 PC 침목을 사용하였으며, 기존선 고속화에 따른 궤도의 충격 및 승차감 저하를 방지하고 유지보수비용 절감을 위해 크로싱부 연결방식을 레일이음매판을 이용한 연결방식에서 테르밋 용접을 이용한 방식으로 변경하였다[3].
- 측정결과를 바탕으로 수행하였다. 그리고 여객전용 열차인 무궁화호 객차의 정적윤중을 정확히 산정하기에는 현실적으로 불가능한 실정이며 분석결과의 신뢰성을 확보하기에 어려움이 있으므로 정적윤중 및 동적윤중 측정 데이터는 동력차에 해당하는 부분만을 고려하여 분석하였다.
- 기존 및 개량 분기기에 대하여 앞으로 투입될 틸팅 차량과 기존 운행차량인 새마을호가 운행될 경우 발생하는 노반의 응력을 수치해석을 통하여 검토하였다
- 동적윤중의 측정은 크로싱부 장대유무 영향을 확인할 수 있는 크로싱부 후단의 레일이음부에서 측정되었다.
- 1(b)와 같이 윤중 측정시점의 차륜의 위치가 윤중게이지 직상이 아닌 경우가 발생하게 된다. 따라서, 동적윤중현장계측 데이터를 회귀분석을 통하여 차륜이 윤중 게이지직상인 경우의 값을 추정하였다. Fig.
- 개량 분 기기에서는 기존 분기기에서 사용되던 50kg 레일을 60kg 레일로 변경하였으며, 노즈부 접촉각을 3배 이상 감소시킴으로써 차륜과 윙 레일 및 노즈레일의 접촉면을 적게 하였다. 또한, 기존 분 기기에서는 목침목을 사용하였지만 개량 분기기에서는 공장 조립이 가능하며 현장 시공성을 확보할 수 있는 분절형 PC 침목을 사용하였으며, 기존선 고속화에 따른 궤도의 충격 및 승차감 저하를 방지하고 유지보수비용 절감을 위해 크로싱부 연결방식을 레일이음매판을 이용한 연결방식에서 테르밋 용접을 이용한 방식으로 변경하였다[3].
- 본 연구에서는 기존 및 개량 분기기 크로싱부 동적윤중 현장 계측 데이터를 이용하여 기존 및 개량 분기기 크로싱부 충격계수를 산정하였으며, 상용 유한차분해석 프로그램인 FLAC213 를 이용해 기존 및 개량 분기기 하부 노반의 응력을 검토하여 분기기 개선으로 인한 노반응력 저감 효과를 분석하였으며, 허용지지력과 비교하여 노반의 안정성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 노반압력으로 모사된 틸팅차량 하중을 정현파를 이용해 노반면에 재하 하였다. 시간에 대한 정현파를 이용한 하중재하는 Fig.
- 본 연구에서는 새마을호와 틸팅차량의 하중을 노반압력으로 모사하여 노반면에 재하 하였다. 동적윤중과 레일압력, 침목 하면 압력을 구하는 과정은 식 (3)~(8)과 같으며 노반압력은 도상내 압력의 분포도를 이용하였다[5].
-
3.1 동적윤중 현장계측 데이터 분석
분기기 크로싱부 구조성능 평가를 위하여 개량 분기기(#10) 가 부설된 구미역과 기존 분기기 중 번수(#10)가 같고 같은 종류의 차량이 통과하는 왜관역을 대상으로 레일 및 침목변위, 크로싱부 발생응려 진동가속도 동적윤중에 대한 현장 계측이 수행되었으며[3], 그 중 본 연구에서는 동적윤증 현장계측 데이터를 이용하여 기존 및 개량 분기기 크로싱부 충격계수를 산정하였다. 동적윤중의 측정은 크로싱부 장대유무 영향을 확인할 수 있는 크로싱부 후단의 레일이음부에서 측정되었다.
- 개량 분기기의 경우 PC 침목이며 침목저면의 면적은 노반압력에 큰 영향을 미치는 요소로 본 연구는 기존 및 개량 분기기 형식변화에 따른 각각의 충격계수를 산정하고, 노반에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적이므로 침목 크기에 의한 영향을 배제하고자 목침목과 동일한 규격에 대하여 고려하였다. 침목 간격은 0.6m, 도상 깊이는 0.3m에 대하여 고려하였으며, 레일패드 수직 스프링계수는 4, 750t/m, 목침목 압축스프링 계수는 10, 000t/m, 도상 수직 스프링계수는 20, 000t/m, 노반의 초기 지반반력계수는 7, 200t/m3을 사용하였다.
- 틸팅차량의 경우 30~ 180km/h까지 30km/h씩 증가시켰으며, 새마을호의 경우 20~ 140km/h까지 20km/h씩 증가시켜 노반의 응력을 검토하였다. Fig.
- 현장측정 대상구간을 통과하는 열차는 크게 무궁화호, PMC 새마을호 화물열차로 구분되며, 동적윤중 측정을 통한 충격력의 영향분석은 비교적 열차 편성이 일률적인 무궁화호에 대한 측정결과를 바탕으로 수행하였다. 그리고 여객전용 열차인 무궁화호 객차의 정적윤중을 정확히 산정하기에는 현실적으로 불가능한 실정이며 분석결과의 신뢰성을 확보하기에 어려움이 있으므로 정적윤중 및 동적윤중 측정 데이터는 동력차에 해당하는 부분만을 고려하여 분석하였다.
대상 데이터
- 각각 140km/h 및 180knVh이다. 레일의 종류는 기존 분기기의 경우 KS50 레일, 개량 분기기의 경우 KS60 레일을 사용하였으며, 침목의 종류는 기존 분기기의 경우 목 침목으로 목침목 규격 중 150mmx240mmx3, 100mm을 사용하였다. 개량 분기기의 경우 PC 침목이며 침목저면의 면적은 노반압력에 큰 영향을 미치는 요소로 본 연구는 기존 및 개량 분기기 형식변화에 따른 각각의 충격계수를 산정하고, 노반에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적이므로 침목 크기에 의한 영향을 배제하고자 목침목과 동일한 규격에 대하여 고려하였다.
- 5m 성토된 경우에 대하여 모델링하였다. 모델링의 범위는 상부 노반의 폭이 7.2m, 노반의 경사는 1:1.8로 하였고 원지반의 크기는 파의 반사에 의한 영향을 고려하여 깊이 72m, 폭 180m로 하였다. Fig.
- 수치해석에 사용된 단면은 상부노반이 L5m, 하부노반이 1.5m 성토된 경우에 대하여 모델링하였다. 모델링의 범위는 상부 노반의 폭이 7.
이론/모형
- 수치해석 시 경계조건의 경우 바닥면에 대해서는 수직 방향을 구속하였고 양쪽 수직면에 대해서는 파를 흡수하는 경계조건인 free-field boundary condition [6]을 사'용하였다. 재료 감쇠비는 일반적으로 사용되는 2%를 사용하였으며, 해석에 사용된 지반물성은 Table 3에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 기존 및 개량 분기기 크로싱부의 충격계수는 각각 i= 1 + 0.008 및 i= 1 + 0.0057로 산정되었다.
- (2) 분기기 개선에 따른 노반의 응력저감 효과는 최대 약 30% 정도이며, 이는 레일의 중량화와 크로싱 연결방식의 변화 등으로 인한 충격력의 감소 효과로 판단된다.
- (3) 틸팅차량이 투입될 경우 새마을호에 비해 약 30%의 노반 응력 저감 효과가 기대되며, 이는 틸팅차량의 축중이 새마을호의 축중보다 가벼운 점에 기인한 것으로 판단된다.
- (4) 틸팅차량의 최대운행속도 180km/h에서 노반의 최 대응력은 기존 분기기에서 0.38kg/cm2, 개량 분기기에서 0.26kg/cm2 로 노반의 허용지지력인 2.4kg/cm2이하인 것으로 나타나 기존 및 개량 분기기에서 틸팅차량이 최대운행속도로 운행될 경우 노반의 지지력 측면에서 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- Table 5 및 Table 6과 Fig. 9에서 틸팅차량과 새마을호 각각 의 최대운행속도에서의 노반응력을 보면, 틸팅차량과 새마을호 각각 개량 분기기에서 최대응력이 0.26kg/cm2 및 0.33 kg/cm2로 기존 분기기에서의 최대응력 0.38kg/cm2 및 0.47kg/cm2 에 비해 31.6% 및 29.8%의 노반응력 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 이는 기존 분기기의 크로싱에서 사용되는 KS50 레일을 개량 분기기에서는 KS60 레일로 교체함으로써 레일중량화 및 단면적 증가로 인한 궤도부담력의 감소 효과와 기존 분 기기에서의 크로싱 연결방식인 레일이음매판을 이용한 형식에서 개량 분기기에서는 테르밋 용접을 이용한 연결방식의 변화에 의한 연결부 충격의 감소 효과로 판단된다.
- 또한, 틸팅차량의 최대운행속도 180km/h에서 노반의 최 대응력은 기존 분기기에서 0.38kg/cm2, 개량 분기기에서 0.26kg/cm2 로 보통 상태의 노반의 허용지지력 2.4kg/cm2 이하이므로 기존 및 개량 분기기에서 틸팅차량이 최대운행속도로 운행될 경우 노반의 지지력 측면에서 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서 충격계수 산정시 사용된 동적윤중 현장 계측데이터의 경우 열차속도가 30~50km/h의 범위로 편중되어있으므로 향후 지속적인 연구를 통하여 다양한 속도 대역의 데이터를 이용한 신뢰성 높은 충격계수 산정이 필요할 것으로 판단된다.
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