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문제 정의
- 따라서 현재 한국철도기술연구원을 중심으로 가이드웨이 설계기준 수립, 성능해석을 위한 부상/추진 레일 최적설계 및 제작, 교량 상하부 구조 급속시공 연구, 열차/가이드웨이 상호작용 등의 연구가 진행되고 있다. 본고에서는 현재 개발되고 있는 한국형 자기부상열차 가이드웨이의 형식안을 소개하고, 개발된 실물 가이드웨이를 대상으로 정적 동적시험을 통한 성능검증 과정을 소개하고자 한다.
- 자기부상열차는 각종 전기적 기계적 부품들을 포함하므로 일반 철도와는 달리 고가구조물, 즉, 가이드웨이로 건설되는 것이 일반적이다. 본고에서는 현재 개발되고 있는 한국형 자기부상열차 가이드웨이의 형식을 소개하고, 개발된 실물 가이드웨이를 대상으로 정적 동적시험을 통한 성능검증 과정을 소개하였다. 현재 실물 가이드웨이 실험을 통해 부상제어와 연동되는 고유진동수 분석을 통해 가이드라인을 만족하였으며 정적인 성능도 만차 하중에서 충분히 우수한 것으로 나타났다.
제안 방법
- 가이드웨이 실험체의 처짐 및 단부꺾임각을 측정하기 위해 지간 중앙, 1/4지간, 3/4지간, 단부 등에 변위계를 와 같이 설치하였으며 내부변형률의 측정을 위해 지간중앙, 1/4지간, 3/4지간에 와 같이 거더의 상부, 하부 및 거더 깊이 방향으로 철근 표면에 변형률게이지를 설치하였다.
- 가이드웨이 실험체의 처짐 및 단부꺾임각을 측정하기 위해 지간 중앙, 1/4지간, 3/4지간, 단부 등에 변위계를 <그림 6(a)>와 같이 설치하였으며 내부변형률의 측정을 위해 지간중앙, 1/4지간, 3/4지간에 <그림 6(b)>와 같이 거더의 상부, 하부 및 거더 깊이 방향으로 철근 표면에 변형률게이지를 설치하였다.<그림 7>과 같이 실물 가이드웨이를 재하프레임에 거치한 후중앙부에서 1 m 떨어진 지점에 정적 하중을 가하여 재하실험 (4-point bending test)을 수행하였다. 재하실험은 초기균열이 발생하기 전까지는 하중조절 방식으로 진행되었으며, 육안으로 확인 가능한 균열이 확인되면 실험실의 안전을 고려하여 변위조절 방식으로 전환하여 수행하였다.
- 도시형 자기부상열차 실용화사업을 통해서 급속시공이 가능하고 구조적 미관적으로 우수한 새로운 자기부상열차 가이드웨이를 개발하고 있다. 급속시공을 위해 시공 중 교통에 미치는 영향을 최소화할 뿐만 아니라 시공현장의 안전성, 환경적 요인의 최소화, 시공성 향상 등을 기대할 수 있는 프리캐스트 공법을 채택하였다.
- <그림 6>은 제안 가이드웨이 실물 시험체의 제원과 센서배치도를 나타낸다. 기존의 동특성 실험에서 흔히 활용되는 충격해머에 의한 가진 이외에 가진기(vibration exciter)를 이용하여 가진 력을 변화시켜가며 동특성 분석을 수행하였다.
- 다양한 가이드웨이 제안단면의 성능검증을 위해 상용 프로그램(ABAQUS)6) 에서 제공하는 섬유보요소(fiber beam element)를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 섬유점에서의 콘크리트 거동은 Hognestad7) 곡선에 근거하여 제시된 일축 콘크리트 재료 모델(Ayoub)8) 을 채택하였다.
- 자기부상열차 개발 과정에서 최적의 부상제어 기능을 확보하기 위해서는 차량과 가이드웨이 간의 시스템 해석이 필요하며 다양한 시스템 분석을 위해서는 신뢰성 있는 유한요소해석 모델의 정립이 필요하다. 본 연구에서는 다양한 교량 유한요소 모델5) 중에서 가이드웨이 거더, 바닥판, 격벽 등은 쉘 요소를 이용하고 긴장재는 트러스 요소를 사용하여 시험체의 유한요소 모델을 구성하였다. 긴장재와 거더 하면은 rigid link로 연결하여 일체화하였다.
- 시험체공진실험에서는 실험모형의 첫 번째 휨 고유진동수에서 공진을 일으키기 위하여 가진기의 가진주파수(rpm)를 조정하여 가진주 파수를 변화시키며 동특성 시험을 수행하였다. 가진기의 최대 가진주파수는 10 Hz이며 가진력은 80 kN이다.
- 실용화 노선에 적용 가능한 다양한 가이드웨이 단면의 정적 성능을 평가하기 위해 앞서 언급한 유한요소 모델링 기법을 활용하여 비선형 해석을 수행하였다. <그림 14와 15>는 각각 경간길이 25 m와 30 m 가이드웨이의 하중-변위 곡선을 나타낸 것이다.
- 실험치와 비교 검증된 가이드웨이 유한요소 모델을 활용하여 실용화 노선에 적용 가능한 다양한 가이드웨이 단면을 대상으로 1차 고유진동수를 수치적으로 산정하였다. <표 1>은 제안 가이 드웨이의 지간 및 처짐한계에 따른 1차 휨 고유진동수 값을 나타낸 것이다.
- 5 mm에서 1 mm 이내로 엄격하게 제한하고 있으므로 시공 및 유지관리 시에 궤도시스템의 정밀조정이 가능하여야 한다. 이러한 조정 기능을 확보하기 위해 프리캐스트 궤도바닥판이 U 거더에 거치될 때 바닥판의 레벨조절 볼트를 이용하여 일차적으로 조정을 실시하고, 정밀조정을 위해 모노블럭 궤도에서 전후 상하 좌우로 미세 조정이 가능하게끔 궤도시스템을 구성하였다. 프리캐스트 바닥판은 기시공된 사례가 다수 있으며 국내에서도 충분한 기술력을 확보하고 있다.
- 또한 열차하중을 받는 교량의 동적 거동을 정확히 분석하기 위해 교량의 동적거동과 관련되는 특성치를 정확히 선정하고 해석모델에 입력하는 것도 중요하다. 이를 위해 실물 가이드웨이를 제작하고 고유진동수와 감쇠비 등의 동적물성치를 추출해 내기 위한 공진실험을 수행하였다. <그림 6>은 제안 가이드웨이 실물 시험체의 제원과 센서배치도를 나타낸다.
- 긴장재 및 철근의 재료모델은 다중선형직선 모델을 사용하였다. 재료모델은 프로그램에서 제공하는 사용자정의 재료모델을 이용하여 섬유보요소와 통합하여 상용프로그램의 비선형해석 알고리즘을 활용할 수 있게끔 구현하였다9) . 긴장재는 트러스 요소로 이상화하여 가이드웨이의 섬유보요소와 rigid link를 통해 연결된다.
- <그림 7>과 같이 실물 가이드웨이를 재하프레임에 거치한 후중앙부에서 1 m 떨어진 지점에 정적 하중을 가하여 재하실험 (4-point bending test)을 수행하였다. 재하실험은 초기균열이 발생하기 전까지는 하중조절 방식으로 진행되었으며, 육안으로 확인 가능한 균열이 확인되면 실험실의 안전을 고려하여 변위조절 방식으로 전환하여 수행하였다. 최종 재하하중은 시험장비의 용량과 시험실 안전을 고려하여 3,150 kN까지 재하하였다.
- 제안 가이드웨이의 성능 검증을 위해 길이 20 m의 실물 가이드웨이 시험체를 제작하고 동적 가진시험 및 정적 재하시험을 수행하여 동특성 분석 및 구조적 성능 검증을 수행하였다. 또한 궤도시스템을 포함한 시공성 시험을 실시하여 급속시공의 가능여부도 검토하고 있다.
대상 데이터
- 제안 가이드웨이는 프리캐스트 궤도바닥판과 U 거더의 합성 구조로 구성된다. 제안 가이드웨이의 단면은 <그림 2(b)>에 나타내었으며 개념도는 <그림 3>에 도시하였다.
이론/모형
- 이 모델은 압축 시에는 포물선 형태의 비선형 탄성 거동을 보이며 극한 압축강도에 도달한 후에는 직선으로 감소하는 모델이다. 긴장재 및 철근의 재료모델은 다중선형직선 모델을 사용하였다. 재료모델은 프로그램에서 제공하는 사용자정의 재료모델을 이용하여 섬유보요소와 통합하여 상용프로그램의 비선형해석 알고리즘을 활용할 수 있게끔 구현하였다9) .
- 에서 제공하는 섬유보요소(fiber beam element)를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 섬유점에서의 콘크리트 거동은 Hognestad7) 곡선에 근거하여 제시된 일축 콘크리트 재료 모델(Ayoub)8) 을 채택하였다. 이 모델은 압축 시에는 포물선 형태의 비선형 탄성 거동을 보이며 극한 압축강도에 도달한 후에는 직선으로 감소하는 모델이다.
성능/효과
- <그림 9>는 주요 가진주파수 대역에서의 진동가속도 응답을 시간이력으로 나타낸 것이다. 8.0 Hz 가진 시에 가이드웨이가 공진거동을 나타내고 있으며, 9.0 Hz 가진 시에는 가진주파수 증가와 감소 시 8.0 Hz 대에서 공진이 발생하는 현상을 확인할 수 있다. 또한 궤도바닥판 상면에 설치된 5개의 가속도계에서 각각 얻은 응답함수의 값을 중앙지점의 Amplitude로 정규화하여 도시하면 <그림 10>과 같이 전형적인 단순보에서의 1차 휨모드 형상을 나타남을 알 수 있으며, 이로부터 얻어진 진동수는 1차 진동수임을 확인할 수 있다.
- 또한 자기부상열차 1편성(600 kN)이 재하될 시에 각 가이드웨이의 처짐한계를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. <그림 15>는 경간 30 m 가이드웨이의 정적성능을 분석한 결과로 사용하중 범위에서 충분히 안전하며 처짐한계를 만족하는 것으로 나타났다.
- 긴장재와 거더 하면은 rigid link로 연결하여 일체화하였다. 대상 시험체 유한요소 모델의 고유치 해석 결과 고유진동수는 8.32 Hz로 시험 결과인 8.0 Hz와 약 4% 정도의 차이를 나타내었다.
- 또한 궤도바닥판 상면에 설치된 5개의 가속도계에서 각각 얻은 응답함수의 값을 중앙지점의 Amplitude로 정규화하여 도시하면 <그림 10>과 같이 전형적인 단순보에서의 1차 휨모드 형상을 나타남을 알 수 있으며, 이로부터 얻어진 진동수는 1차 진동수임을 확인할 수 있다. 또한 각각의 가속도계에서 Logarithmic Decrement 방법을 이용하여 감쇠비를 추정한 후 평균치를 구한 결과 약 1.35%의 감쇠비를 나타냈다.
- 또한 궤도바닥판 상면에 설치된 5개의 가속도계에서 각각 얻은 응답함수의 값을 중앙지점의 Amplitude로 정규화하여 도시하면 과 같이 전형적인 단순보에서의 1차 휨모드 형상을 나타남을 알 수 있으며, 이로부터 얻어진 진동수는 1차 진동수임을 확인할 수 있다.
- 5대의 자기부상열차가 재하될 시에 최초의 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 자기부상열차 1편성(600 kN)이 재하될 시에 각 가이드웨이의 처짐한계를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. <그림 15>는 경간 30 m 가이드웨이의 정적성능을 분석한 결과로 사용하중 범위에서 충분히 안전하며 처짐한계를 만족하는 것으로 나타났다.
- 현재 설계 중인 자기부상열차의 만차하중이 약 600 kN 임을 감안하면 제안 가이드웨이가 설계범위 내에서 우수한 정적 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다. <그림 13>은 최종 재하하중에서의 균열도를 나타낸 것으로 전형적인 휨 파괴 모드로 파괴가 진행됨을 확인할 수 있다.
- 이는 중앙 하면에서 균열이 발생하면서 인장력이 철근에 집중되기 때문이다. 현재 설계 중인 자기부상열차의 만차하중이 약 600 kN 임을 감안하면 제안 가이드웨이가 설계범위 내에서 우수한 정적 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다. <그림 13>은 최종 재하하중에서의 균열도를 나타낸 것으로 전형적인 휨 파괴 모드로 파괴가 진행됨을 확인할 수 있다.
- 본고에서는 현재 개발되고 있는 한국형 자기부상열차 가이드웨이의 형식을 소개하고, 개발된 실물 가이드웨이를 대상으로 정적 동적시험을 통한 성능검증 과정을 소개하였다. 현재 실물 가이드웨이 실험을 통해 부상제어와 연동되는 고유진동수 분석을 통해 가이드라인을 만족하였으며 정적인 성능도 만차 하중에서 충분히 우수한 것으로 나타났다.
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