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기존선 철도차량을 이용한 철도교의 상호작용해석
Vehicle-Bridge Interaction Analysis of Railway Bridges by Using Conventional Trains 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.29 no.1A, 2009년, pp.31 - 43  

조은상 (인하대학교 토목공학과) ,  김희주 (인하대학교 토목공학과) ,  황원섭 (인하대학교 토목공학과)

초록
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본 논문에서는 다양한 차종의 영향을 반영할 수 있고, 차량과 교량의 연성 운동방정식을 구성하여 시간 단계별 직접해를 산정할 수 있는 수치해석기법을 제시하였다. 운동방정식의 해는 직접적분법인 Newmark ${\beta}$을 이용하여 해석 단계별로 구성된 유효강성행렬과 유효하중벡터를 바탕으로 정적평형방정식의 해를 구하는 원리와 동일하게 산정하였다. 또한 해석의 효율성을 증진시키기 위하여 유효강성행렬은 Skyline 법에 의해 재구성하였으며, Cholesky의 행렬 분해기법을 동시에 적용하여 직접적인 역행렬 계산에서 야기되는 오차의 발생을 최소화 하였다. 또한 기존선 철도차량인 새마을 PMC 열차와 디젤 견인 무궁화 열차에 대한 3차원 정밀수치해석 모델을 개발하였고, 각 차량은 차체와 전 후방 대차에 각각 6자유도씩 고려하여 총 18자유도로 수치모델을 작성하였다. 교량은 3차원 공간뼈대 요소를 이용하여 모델링하였고, 차륜과 레일 접촉면의 불규칙성은 미국의 FRA에서 규정하고 있는 연직방향 및 횡방향틀림에 대한 PSD 함수를 이용하여 궤도틀림을 수치적으로 구현하였다. 제시된 수치해석 기법은 12 m, 18 m형 판형교의 실측결과를 이용하여 타당성을 검증하였으며, 실측 및 수치해석결과는 교량의 1차 휨 고유진동수의 2.0배를 기준으로 Low pass filtering 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the numerical method is presented, which can consider the various train types and can solve the equations of motion for a vehicle-bridge interaction analysis by non-iteration procedure through formulating the coupled equations of motion. The coupled equations of motion for the vehicle...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 차량과 교량의 연성운동방정식을 구성하여 시간 단계별 직접해를 산정할 수 있는 수치해석 기법을 제시하였고, 기존선 증속주행에 대비하여 다양한 차량에 의한 기존선 교량의 동적응답 특성 분석을 위하여 새마을 PMC 열차와 디젤 견인 무궁화 열차에 대한 3차원 정밀수치모델을 개발하였다.
  • 본 연구는 차량과 교량의 연성운동방정식을 구성하여 시간 단계별 직접해를 산정할 수 있는 수치해석 기법을 제시하고, 기존선 증속주행에 대비하여 다양한 차량에 의한 기존선 교량의 동적응답 특성 분석을 위하여 새마을 PMC 열차와 디젤 견인 무궁화 열차에 대한 3차원 정밀수치모델을 제시한 것이다. 이 연구로 얻은 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 8량 1조의 연속된 2개의 조합으로 최대 16량 편성으로 확장하여 운행이 가능하다. 본 연구에서는 8량 1조에 대해서만 고려하는 것으로 하였다.

가설 설정

  • 각 차량의 차체와 전·후방 대차는 각각 6자유도를 고려하여 총 18자유도로 수치모델을 작성하였다. 1차 및 2차 현가장치는 스프링과 댐퍼요소를 이용하여 구성하였으며 모든 변위는 각 구성 질량의 질량중심에서만 발생하는 것으로 가정하였다. 차체 및 전·후방 대차의 질량 및 자유도, 1·2차 현가장치의 기호는 다음과 같다.
  • 기존선 판형교는 도상이 없는 무도상 교량으로 레일이 주형에 직결되어 있다. 3차원 공간뼈대 요소를 이용하여 거더, 레일 및 침목을 모델링 하였으며, 레일 및 침목은 거더에 강결되어 있는 것으로 가정하였다.
  • 여기서, α, β는 비례상수로 감쇠행렬이 고유치해석을 통한 고유벡터에 대한 직교성을 만족하며 고유벡터가 질량에 대한 직교성을 이용하여 정규화 되었다는 가정을 바탕으로 i, j번째 모드를 고려하면 다음의 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 표 3에 나타낸 휨 1, 2차 모드에 대응되는 고유진동수 값을 적용하였으며, 각각의 모드별 감쇠비는 2%로 일정한 것으로 가정하였다.
  • 감쇠행렬은 교량의 강성과 질량에 일정한 비율로 선형비례하는 조합으로 표현하였다. 이와 같은 비례상수는 각 모드별 감쇠비가 일정한 것으로 가정하여 휨 1, 2차 모드에 대응하는 고유치를 이용하여 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
차량-교량 상호작용 해석에 최근 많이 이용되는 방법은 무엇인가? 그러나 기존의 이동하중 해석기법과 이동질량 해석기법은 교량상을 통과하는 차량의 동특성을 반영할 수 없으며, 노면과 레일의 불규칙성을 고려 할 수 없어 실제적인 물리현상을 명확히 구현할 수 없는 문제가 있었다. 또한 최근에 그 적용성이 확대되어진 차량-교량 상호작용 해석에서는 차량과 교량을 서로 분리하여 개별적인 운동방정식을 구성하는 방법이 가장 많이 적용 되고 있다(Mulcahy 1983, Fafard 1993, Yau 1999, Sun 2002, 김성일 2000, 최성락 2001, Xia 2001, Lei 2002, Majka 2007). 그러나 이와 같이 차량 시스템과 교량 시스템을 분리하여 운동방정식을 구성하게 되면 해석 단계별로 교량관련 행렬과 차량관련 행렬 요소들이 변하지 않는 장점이 있으나 현 해석 단계에서 가정된 변위를 바탕으로 반복적으로 해를 수렴시키게 되어 정식화 과정이 다소 복잡해지는 경향이 있다.
기존의 이동하중 해석기법과 이동질량 해석기법은 어떠한 문제점이 존재하는가? 또한 최근 컴퓨터 용량의 비약적 발전을 토대로 정밀 차량모델에 의한 교량의 동적응답을 추정 할 수 있는 기법이 개발 되었다. 그러나 기존의 이동하중 해석기법과 이동질량 해석기법은 교량상을 통과하는 차량의 동특성을 반영할 수 없으며, 노면과 레일의 불규칙성을 고려 할 수 없어 실제적인 물리현상을 명확히 구현할 수 없는 문제가 있었다. 또한 최근에 그 적용성이 확대되어진 차량-교량 상호작용 해석에서는 차량과 교량을 서로 분리하여 개별적인 운동방정식을 구성하는 방법이 가장 많이 적용 되고 있다(Mulcahy 1983, Fafard 1993, Yau 1999, Sun 2002, 김성일 2000, 최성락 2001, Xia 2001, Lei 2002, Majka 2007).
차량과 교량을 서로 분리하여 개별적인 운동방정식을 구성하는 방법은 어떠한 장단점이 존재하는가? 또한 최근에 그 적용성이 확대되어진 차량-교량 상호작용 해석에서는 차량과 교량을 서로 분리하여 개별적인 운동방정식을 구성하는 방법이 가장 많이 적용 되고 있다(Mulcahy 1983, Fafard 1993, Yau 1999, Sun 2002, 김성일 2000, 최성락 2001, Xia 2001, Lei 2002, Majka 2007). 그러나 이와 같이 차량 시스템과 교량 시스템을 분리하여 운동방정식을 구성하게 되면 해석 단계별로 교량관련 행렬과 차량관련 행렬 요소들이 변하지 않는 장점이 있으나 현 해석 단계에서 가정된 변위를 바탕으로 반복적으로 해를 수렴시키게 되어 정식화 과정이 다소 복잡해지는 경향이 있다.
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참고문헌 (26)

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  8. 조은상(2008) 철도교의 차량-교량 상호작용해석을 위한 coupled 정식화, 박사학위논문, 인하대학교. 

  9. 최성락(2001) 고속철도차량의 모형화기법에 따른 철도교량의 동적응답 분석, 석사학위논문, 연세대학교. 

  10. 최창근(2002) 유한요소법, 테크노 프레. 

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  26. Yau, J.-D., Yang, Y.-B., and Kuo, S.-R. (1999) Impact response of high speed rail bridges and riding confort of rail cars, Engineering Structures, pp. 836-844. 

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