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문제 정의
- 따라서 본 연구는 열차의 동하중을 산정하고 열차하중에 의한 가스 배관의 동적거동 분석을 통하여 이러한 열차하중을 받는 지중 매설 가스 배관의 진동에 대한 평가와 진동 특성을 파악하는데 목적을 두고 있다. 이에 열차 하중을 받는 지중 매설 배관의 정해석과 동해 석을 통하여 동적증폭계수에 대하여 검토하고, 진동속도와 관련하여 응력과의 관계 평가를 통해 배관의 거동을 검토하도록 한다.
- 본 연구에서는 동해석을 통한 배관의 위험 단면에 대한 설계하중에서의 안정성 분석에 주안점을 두고, 각 배관의 매설 조건과 열차의 주행 조건에 따른 배관의 거동 특성을 분석하였다. 그러나 본 연구는 해석적인 연구로서 추후 실증 실험을 통하여 구체화하는 작업이 필요로 할 것으로 판단된다.
- 열차하중으로 인한 지중에 매설된 배관에 발생하는 응력 수준의 비교를 위하여 앞에서 수행한 해석을 바탕으로 매설깊이 변화에 대하여 응력 값들의 추이를 파악하고자 한다. 정해석과 동해석을 각각 실시하여 배관의 원주방향응력, 축응력, 유효응력의 동적증폭계수에 대해 검토하고 진동속도와 관련하여 응력과의 관계를 새롭게 평가한다.
- 앞서 두 경우에 대해 검토한 결과, 웅력과 진동속도 모두 그 허용치를 만족하는 것으로 나타났다. 이에 진동 속도를 해석적 방법을 통하여 정량적으로 평가하고 그에 따른 배관의 응력 거동과의 관계를 검토하여 진동속도의 영향 및 그 추세를 규명한다.
제안 방법
- 3. 주행 하중 변화, 즉 철도설계기준에 의거하여 일반열차와 고속열차로 구분하여 이에 따른 영향 평가 해석을 실시하였으며, 배관의 두께 및 지반의 종류, 배관의 방향을 모두 동일하게 하여 해석을 실시하였다. 그 결과, 전반적으로 일반열차에서보다 고속열차에서 더 큰 진동속도 감소폭을 보여 열차이동하중의 영향이 고속열차에서 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 6과 같이 결정하고, 배관의 두께 및 지반의 종류, 배관의 방향을 모두 동일하게 하여 해석을 실시하였다[61 바퀴 1개에 걸리는 동적 열차하중은 정하중과 열차 주행으로 발생하는 추가적인 동하중을 합산하여야 하며, 보수적 설계를 위하여 동적 열차하중의 진폭을 최대로 할 필요가 있다. 고속 열차 하중으로는 Fig. 2에서와 같이 350km/li의 HL-25 표준 활하중을 이동하중으로 재하하였으며, 일반 열차 경우 역시 매설깊이를 1, 1.5, 및 3m로 변화시켜가며, o=200km/h, t=14.3mm, 횡 방향의 나관에 대해 해석을 수행하였다[4丄
-
1. 고속열차
고속철도에서의 배관의 매설깊이에 따른 배관 발생 응력거동의 추이를 확인하기 위하여, 지표로부터 1, 1.5 및 3m에 위치한 배관에 대한 점탄성 경계를 포함하는 Fig. 2와 같은 솔리드 모델을 통하여 수치해석을 실시하였다[5
]. 배관의 두께는 t=14. - 기본 해석으로 먼저 진동원으로부터의 거리, 즉 배관의 매설깊이 1, 1.5, 3m에 대하여 응답 차이를 비교하였다. 또한 각 경우에 대한 응답은 배관 중앙 상부, 측부, 그리고 중앙 상부로부터 배관길이방향으로 1, 2, 3 및 4m의 거리에 대하여 검토함으로서 수진점의 위치 변화에 따른 응답 변화를 검토하였다.
- 다음은 해석으로부터 도출된 정해석 (자중+ 내압+열차하중)과 동해석 (자중+내압+열차 이동 하중)의 결과값을 비교하기 위하여 동적 증폭 계수를 사용하였다. 동적증폭계수는 최대 정적하중에 대한 최대동적하중의 응답 비(동적증폭계수 = 최대동적응답/최대정적응답)로 구한다.
- 5, 3m에 대하여 응답 차이를 비교하였다. 또한 각 경우에 대한 응답은 배관 중앙 상부, 측부, 그리고 중앙 상부로부터 배관길이방향으로 1, 2, 3 및 4m의 거리에 대하여 검토함으로서 수진점의 위치 변화에 따른 응답 변화를 검토하였다.
- 에자세한 지반과 강관의 물성값을 나타내었다 [[67] ]. 또한 이동 파의 중복 간섭효과를 최소화하기 위하여 점탄성 경계를 구성하여 해석을 수행하였다.
- 그 결과를 분석하였다. 또한 정확성을 기하기 위하여 직접적분법을 사용하였고, 고유치해석을 통해 1, 2차 고유주기를 계산하였다. 고유치 해석 결과를 바탕으로 시간에 따른 열차이동하중 데이터를 해당 절점들에 입력하여 열차 이동하중에 대한 동적 해석을 수행하였으며, 수치해석은 지반 전용 수치해석 프로그램인 MIDAS/GTS를 사용하였다.
- 매설 배관의 열차하중에 대한 동적 안정성 평가를 위하여 Fig. 2와 같은 사인파형태의 하중을 가진원으로 입력하였으며, 해석 대상구조물은 폭 15.5m, 길이 60m, 깊이 7m의 지반과 그 속에 매설된 배관에 대하여 매설깊이, 주행속도, 배관의 종류, 지반의 종류 등에 대하여 각각 모델링을 실시하였다. 열차 바퀴 사이의 거리는 표준 궤간(1.
- 본 연구에서는 구조물 피해 정도를 판단하기 위해 진동속도 최대값을 관찰하였으며 Table. 2에 나타내었다.
- 일반 열차와 고속열차는 철도건설규칙에서 설계 기준하중으로 각각 LS-22와 HL-25로 정의하고 있으며, 그 속도는 200km/h, 350km/h로 규정하고 있다[4]. 본 해석에서는 고속열차에서의 배관 응답과의 비교를 위해 일반열차에 대한 하중 모형을 Fig. 6과 같이 결정하고, 배관의 두께 및 지반의 종류, 배관의 방향을 모두 동일하게 하여 해석을 실시하였다[61 바퀴 1개에 걸리는 동적 열차하중은 정하중과 열차 주행으로 발생하는 추가적인 동하중을 합산하여야 하며, 보수적 설계를 위하여 동적 열차하중의 진폭을 최대로 할 필요가 있다. 고속 열차 하중으로는 Fig.
- 5m, 길이 60m, 깊이 7m의 지반과 그 속에 매설된 배관에 대하여 매설깊이, 주행속도, 배관의 종류, 지반의 종류 등에 대하여 각각 모델링을 실시하였다. 열차 바퀴 사이의 거리는 표준 궤간(1.43m)를 고려하여 1.5m로 모델링하였으며 이동 하중 및 정하중은 배관 폭 중심을 지나가도록 하였다. 해석모형은 지반은 Solid요소, 배관은 Plate 요소를 사용하여 Fig.
- 열차가 매설배관을 통과할 때 배관에 대한 동적 거동을 알아보기 위하여 시간 이력해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 또한 정확성을 기하기 위하여 직접적분법을 사용하였고, 고유치해석을 통해 1, 2차 고유주기를 계산하였다.
- 열차의 주행속도에 따른 응답을 알아보기 위하여, 열차의 주행속도를 50, 100, 200, 300 및 350krr血로 변화시키면서 배관의 진동 응답을 관찰하였다. 매설깊이는 lm로 통일시켰으며, 배관방향과 배관두께는 각각 횡방향, t= 14.
- 열차하중 적용시 열차가 350km/h로통과하면 약 0.6초 동안 구조물에 재하하게 되므로 재하 후의 응답을 고려하기 위해서 총 해석 시간을 3초로 하여 매설배관의 응답을 검토하였으며 구조물의 감쇠는 단단한 철도 포장층을감안하여 5%를 일정하게 적용하였다. 또한, 열차 진행 방향은 일반적인 횡 방향으로 구성 하였다.
- 이동 하중 모델을 적용하여 열차하중을 모사. 할 경우, Constant force system, Rolling mass system, 및 Spring mass system으로 구성할 수 있으며, 각 하중 모델에 따른 영향을 파악한 결과 3가지 모델로 각각 해석한 결과 값에는 큰 차이가 없었다.
- 파악하는데 목적을 두고 있다. 이에 열차 하중을 받는 지중 매설 배관의 정해석과 동해 석을 통하여 동적증폭계수에 대하여 검토하고, 진동속도와 관련하여 응력과의 관계 평가를 통해 배관의 거동을 검토하도록 한다.
-
42 일반열차
일반철도에서의 배관의 매설깊이에 따른 배관 발생 응력거동의 추이를 확인하기 위하여, 고속철도와 같은 조건으로 해석을 수행하였으며 수치해석 결과는 다음의 Fig. 13~15와 같다. 해석결과는 고속열차의 경향과 거의 동일하게 나타났으며 그 인과 역시 동일하다고 판단되 어진다.
- 정해석과 동해석을 각각 실시하여 배관의 원주방향응력, 축응력, 유효응력의 동적증폭계수에 대해 검토하고 진동속도와 관련하여 응력과의 관계를 새롭게 평가한다. Fig.
- 주행 하중 변화에 따른 영향 평가 해석에서는 일반열차와 고속열차로 구분하였다. 일반 열차와 고속열차는 철도건설규칙에서 설계 기준하중으로 각각 LS-22와 HL-25로 정의하고 있으며, 그 속도는 200km/h, 350km/h로 규정하고 있다[4].
- 5m로 모델링하였으며 이동 하중 및 정하중은 배관 폭 중심을 지나가도록 하였다. 해석모형은 지반은 Solid요소, 배관은 Plate 요소를 사용하여 Fig. 3과 같이 3차원으로 모델링하였다[5][이.
대상 데이터
- 1m), 풍화토(3m)로 총 4개의 충으로 구성하였으며, 입력물성은 지반공학 관련 문헌과 각종 설계 자료를 참고하였다. 강관의 입력 물성치는 한국가스공사의 배관 제원을 참고하였으며, API 5L X65, 두께 17.5mm에 직경 762mm의 강관을 사용하였다. Table 1.
- 열차가 통과할 경우 수진점의 위치는 배관 중앙 상부 절점과 측면 절점을 선택하였으며 열차의 진행속도는 고속철도 기준 350W1 으로 선정하였다. 열차하중 적용시 열차가 350km/h로통과하면 약 0.
- 지반은 지표면에서부터 도상(0.35m), 노반 (0.55m), 잔류토(3.1m), 풍화토(3m)로 총 4개의 충으로 구성하였으며, 입력물성은 지반공학 관련 문헌과 각종 설계 자료를 참고하였다. 강관의 입력 물성치는 한국가스공사의 배관 제원을 참고하였으며, API 5L X65, 두께 17.
데이터처리
- 또한 정확성을 기하기 위하여 직접적분법을 사용하였고, 고유치해석을 통해 1, 2차 고유주기를 계산하였다. 고유치 해석 결과를 바탕으로 시간에 따른 열차이동하중 데이터를 해당 절점들에 입력하여 열차 이동하중에 대한 동적 해석을 수행하였으며, 수치해석은 지반 전용 수치해석 프로그램인 MIDAS/GTS를 사용하였다.
이론/모형
- 할 경우, Constant force system, Rolling mass system, 및 Spring mass system으로 구성할 수 있으며, 각 하중 모델에 따른 영향을 파악한 결과 3가지 모델로 각각 해석한 결과 값에는 큰 차이가 없었다. 따라서 본 연구는 열차 하중을 중력에 상대적인 영향을 받는 이동식 질량으로 고려하여, 구조체의 질량에 비해 열차의 질량이 상대적으로 작은 값일 때 비교적 정확한 해를 얻을 수 있는 Constant force system 을 사용하였다. 이는 열차하중 모델 가운데 계산과정이 상대적으로 간단하고 단순해석에 일반적으로 사용 가능한 특징을 가지고 있다.
- 또한 철도건설규칙(2005)을 참조하여 국내 고속철도 설계기준인 HL-25 표준활하중을 식에 적용하여 열차하중을 산정하였으며, 하중 모형은 다음 Fig. 2와 같다[4].
- 본 연구에서는 이론 열차하중 산정에 관한 문헌 중 황선근(2004)이 제안한 간편하면서도 보수적인 방법을 활용하여 열차하중을 산정하였다[3]. 또한 철도건설규칙(2005)을 참조하여 국내 고속철도 설계기준인 HL-25 표준활하중을 식에 적용하여 열차하중을 산정하였으며, 하중 모형은 다음 Fig.
성능/효과
- 1. 열차진동으로 인한 배관 중앙상부와 측부의 진동속도 응답을 서로 비교해 본 결과, 상부에서의 진동속도 응답이 0.281cm/sec로 측부의 0.210cm /sec보다 약 33% 증가함을 볼 수 있는데 이는 상부에서 진동속도 웅답이 연직진동에 대해 가장 크게 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다. 또한 매설 심도가 증가할수록 지반의 하중 분산효과로 매설 배관에 전달되는 열차에 의한 이동하중은 감소하며, 따라서 열차를 위한 철로 시공 시에 설치하는 매우 단단한 기층들은 매우 넓은 각도로 상부의 하중을 효과적으로 분산시킨다.
- 2. 고속열차에서 주행 속도가 증가할수록 진동속도 역시 증가하였으며 이는 매설 심도에 비하여 재하 진동 하중이 상대적으로 크기 때문에 계속적으로 증가하는 결과를 보이고 있는 것으로 판단된다. 속도별 배관의 진동속도의 추세선은 열차 주행속도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하고 있음을 보여주고 있는데 이러한 결과에서 알 수 있듯이, 열차의 주행속도는 진동속도와 밀접한 관계가 있으며, 비례관계를 가진다고 할 수 있다.
- 4. 배관의 진동속도가 증가함에 따라 이에 상응하는 웅력 또한 증가하는 추세를 보여주고 있다. 그 중 축방향응력이 가장 큰 값을 가지는데, 이는 열차진동으로 인해 배관에 휨이 발생하는 것으로 열차진동이 축방향응력에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 2에 나타내었다. 관찰 결과, 매설깊이에 따라 고속열차와 일반열차 모두 0.4cm/sec의 진동속도 기준(한국가스공사기준)의 안전범위에 포함되는 것을 확인할 수 있었다⑻.
- 주행 하중 변화, 즉 철도설계기준에 의거하여 일반열차와 고속열차로 구분하여 이에 따른 영향 평가 해석을 실시하였으며, 배관의 두께 및 지반의 종류, 배관의 방향을 모두 동일하게 하여 해석을 실시하였다. 그 결과, 전반적으로 일반열차에서보다 고속열차에서 더 큰 진동속도 감소폭을 보여 열차이동하중의 영향이 고속열차에서 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 4는 매설 심도 및 진동원의 수진점으로부터의 거리에 대한 배관 진동속도를 나타내고 있다. 매설깊이가 커질수록 진동속도 응답 또한 줄어드는 결과를 확인할 수 있으며, 또한 중앙에서 배관 길이방향으로 멀어질수록 진동속도 응답은 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
- 고속열차에서 주행 속도가 증가할수록 진동속도 역시 증가하였으며 이는 매설 심도에 비하여 재하 진동 하중이 상대적으로 크기 때문에 계속적으로 증가하는 결과를 보이고 있는 것으로 판단된다. 속도별 배관의 진동속도의 추세선은 열차 주행속도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하고 있음을 보여주고 있는데 이러한 결과에서 알 수 있듯이, 열차의 주행속도는 진동속도와 밀접한 관계가 있으며, 비례관계를 가진다고 할 수 있다.
- 4는 고속열차와 일반 열차의 자중+내압+열차하중 해석과 자중+내압+열차 이동 하중 해석의 유효응력 값으로부터 구한 동적 증폭 계수이다. 위의 동적증폭계수들은 모두 1.0보다 약간 큰 값을 가짐을 알 수 있으며, 이는 정해석과 동해석의 차이가 미미하다는 것을 의미하며, 충격계수를 사용한 정해석 역시 응력 평가에서 상당한 정확성을 가지고 있다고 할 수 있다. 그러나 동적 거동을 파악하기 위해서는 전체계 동해석은 필수적인 평가 과정이다.
- 이로부터 알 수 있듯이, 속도별 배관의 진동속도 추세선은 열차 주행속도가 증가함에 따라 증가하고 있음을 보여주고 있는데, 진행속도 50kn血 인 경우를 제외하고는 거의 선형적으로 증가하고 있음을 나타낸다. 따라서, 열차의 주행속도는 진동속도와 비례관계를 가진다고 할 수 있다.
후속연구
- 그러나 본 연구는 해석적인 연구로서 추후 실증 실험을 통하여 구체화하는 작업이 필요로 할 것으로 판단된다.
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