[논문]기후변화에 대비한 장대레일 온도특성 연구

최진유; 이규세; 배현웅; 박범호; 임남형

[국내논문] 기후변화에 대비한 장대레일 온도특성 연구
Investigation on the Temperature Characteristics of CWR for the Climate Change 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.13 no.2 = no.57, 2010년, pp.179 - 185

최진유 (한국철도기술연구원 차륜궤도연구실) , 이규세 (선문대학교 토목공학과) , 배현웅 (충남대학교 토목공학과) , 박범호 (충남대학교 토목공학과) , 임남형 (충남대학교 토목공학과)

초록
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장대레일 좌굴과 파단에 대한 안정성을 확보하고 효율적인 유지관리를 위해서는 레일온도의 특징을 파악하는 것이 매우 중요하다. 최근 들어, 기후변화에 의해 여름철 최고 대기온도는 상승하고 겨울철 최저 대기온도는 점점 하강하고 있다. 이러한 현상은 연간 레일온도의 변화량에 영향을 미치게 되고 설정온도와 관리온도의 변화를 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 기후 및 온도 측정시스템을 구축하여 기후요소를 포함한 레일온도를 실측하였다. 실측자료의 심층적인 분석을 통하여, 기존 레일온도 추정식은 특정한 조건(기후요소들의 특정 조합) 에서만 적용이 가능함을 알 수 있었다. 현장의 실제 기후요소를 고려한 레일온도를 확률론적 접근으로 예측하는 것이 더욱 합리적일 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to secure safety for the buckling and fracture of continuous welded rail and improve the efficiency of maintenance work, it is very important that grasp the characteristics of rail temperature. Recently, the maximum air temperature in summer season rises gradually and the minimum air temperature in winter season is decreasing gradually due to the climate change. Therefore, these phenomenon influences in the change amount of yearly rail temperature and can cause change of laying and maintenance temperature. In this study, actual measurement of rail temperature including climatic factors is carried out by constructing the temperature and climate measurement system as realistic as possible. Through the intensive investigation of actual data, it is founded that the existing prediction formulas for rail temperature may be used only in certain climatic conditions (certain combination of climatic factors). It may be more reasonable that the rail temperature considering actual climatic factors in site is predicted on probabilistic approach.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국내 기후변화에 대비한 혹서기 장대레일 궤도의 안정성을 합리적으로 평가하기위한 평가기법개발의 기초연구로써 궤도의 안정성 향상 및 신뢰성 확보에 기여하고자 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 내렸다.
불확실성이 높은 궤도의 안정성을 합리적으로 평가하기위해서는 확률론적 접근이 필수적이므로, 혹서기 궤도 환경의 중요 매개변수 중 하나인 레일온도의 확률분포를 실측 데이터를 바탕으로 하여 제안하려고 한다. 일반적으로 자연계 현상에 대한 확률분포는 정규분포의 형태를 가지는데, 레일온도는 자연계 현상에 대한 확률분포로 정규분포일 가능성이 높으므로 정규분포로 가정하여 적합도 검정을 시행하였다.

가설 설정

이와 같은 통계적인 확률분포 검정을 통해, 궤도를 구성하는 인자들의 불확실성 및 임의성을 보다 합리적으로 고려하기 위한 확률론적 안정성 평가기법 적용시 레일온도의 확률분포를 정규분포로 가정하여 적용하여도 문제가 없음을 제안한다.
불확실성이 높은 궤도의 안정성을 합리적으로 평가하기위해서는 확률론적 접근이 필수적이므로, 혹서기 궤도 환경의 중요 매개변수 중 하나인 레일온도의 확률분포를 실측 데이터를 바탕으로 하여 제안하려고 한다. 일반적으로 자연계 현상에 대한 확률분포는 정규분포의 형태를 가지는데, 레일온도는 자연계 현상에 대한 확률분포로 정규분포일 가능성이 높으므로 정규분포로 가정하여 적합도 검정을 시행하였다. 레일온도의 확률분포를 검정하기 위한 데이터의 표본으로, 1년간 측정된 기후요소 및 레일온도의 데이터에서 대기온도 28℃ 이상, 상대습도 60% 이하 조건의 레일온도(두부중앙)를 추출했다.

제안 방법

1년간 취득한 데이터에서 대표적인 맑은날과 흐린날의 레일온도와 이에 영향을 주는 각 기후요소의 상관분석을 실시하였다. 상관분석에는 통계프로그램 ‘PASW Statistics 17.
궤도 좌굴과 파단에 직접적 영향을 미치는 레일온도는 현장에서 직접 레일온도를 측정하지 않는 경우, 현재 지역의 대표 대기온도에 따른 추정된 레일온도로 사용하여왔다. 기존 국내에서 장대레일 보수관리에 참고 되어 온 대기온도에 따른 레일온도 관계 [9]와 비교하기 위해 레일온도의 특성을 분석하였다. 기존 대기온도-레일온도의 관계는 20℃까지는 정비례, 25℃부터는 레일온도가 높아져 대기온도 40℃에서의 레일온도는 60℃로 추정되고 있다.
기후효과에 따른 레일온도 추이를 측정하기 위하여 레일 온도에 영향을 미치는 기후효과 영향인자에 대하여 문헌적 연구를 수행하였으며, 이를 통하여 대표적인 기후요소로써 대기온도, 습도, 일사량, 풍속을 산정하였다. 이에 대하여 Table 1과 같은 측정성능사양을 갖는 기후측정시스템을 구축하여 현장 레일온도 추이를 측정하였다.
또한 궤도 좌굴에 영향을 미치는 시간대로 판단되는 12시~17시까지의 데이터만 포함시켰으며, 흐린날의 레일온도 또한 제외하기 위해 일사량 700 W/m2 이상의 조건으로 추출하였다.
레일온도 측정위치는 Thermal couple TType을 사용하여 두부표면, 두부중앙, 복부중앙, 저부표면에서의 레일온도를 측정하였다. 레일 1정당 4개 부분, 총 3정의 레일을 1SET로 구성하여 레일온도 측정실험(1분 단위 측정)을 수행하였다. 또한 현장에서의 실측 기후정보와 대표 기후정보를 비교하기 위하여 측정 장소와 가까운 지점에 위치한 기상청에서 제공하는 기후정보를 고려하였다.
레일종별은 KS60 레일을 사용하였으며 콘크리트 블록 위에 놓고 깬 자갈 등을 사용하여 최대한 현장과 유사한 조건으로 구축하였다. 레일온도 측정위치는 Thermal couple TType을 사용하여 두부표면, 두부중앙, 복부중앙, 저부표면에서의 레일온도를 측정하였다. 레일 1정당 4개 부분, 총 3정의 레일을 1SET로 구성하여 레일온도 측정실험(1분 단위 측정)을 수행하였다.
일반적으로 자연계 현상에 대한 확률분포는 정규분포의 형태를 가지는데, 레일온도는 자연계 현상에 대한 확률분포로 정규분포일 가능성이 높으므로 정규분포로 가정하여 적합도 검정을 시행하였다. 레일온도의 확률분포를 검정하기 위한 데이터의 표본으로, 1년간 측정된 기후요소 및 레일온도의 데이터에서 대기온도 28℃ 이상, 상대습도 60% 이하 조건의 레일온도(두부중앙)를 추출했다. 또한 궤도 좌굴에 영향을 미치는 시간대로 판단되는 12시~17시까지의 데이터만 포함시켰으며, 흐린날의 레일온도 또한 제외하기 위해 일사량 700 W/m² 이상의 조건으로 추출하였다.
본 논문에서는 기후 및 레일온도 측정시스템을 통해 2008년 10월부터 2009년 9월까지(1년)의 데이터를 분석하였으며 단면적이 제일 큰 두부중앙에서의 레일온도를 기준으로 하였다.
기후효과에 따른 레일온도 추이를 측정하기 위하여 레일 온도에 영향을 미치는 기후효과 영향인자에 대하여 문헌적 연구를 수행하였으며, 이를 통하여 대표적인 기후요소로써 대기온도, 습도, 일사량, 풍속을 산정하였다. 이에 대하여 Table 1과 같은 측정성능사양을 갖는 기후측정시스템을 구축하여 현장 레일온도 추이를 측정하였다.

대상 데이터

레일종별은 KS60 레일을 사용하였으며 콘크리트 블록 위에 놓고 깬 자갈 등을 사용하여 최대한 현장과 유사한 조건으로 구축하였다. 레일온도 측정위치는 Thermal couple TType을 사용하여 두부표면, 두부중앙, 복부중앙, 저부표면에서의 레일온도를 측정하였다.
기상청에서는 하늘을 덮고 있는 구름 양의 비율을 나타내는 전운량(1/10)이 0~2일 때를 맑은날, 3~5일 때 구름 조금, 6~8일 때 구름 많음, 9~10일 때를 흐린날로 구분하고 있다. 측정 실험장소와 가까운 지점(이격거리 약 2.45 km)에 위치한 기상청에서 측정된 전운량으로 맑은날과 흐린날을 구분하였다.

데이터처리

적합도 검정은 통계프로그램 ‘PASW Statistics 17.0’ [7]을 이용하여 비모수 검정에 쓰이는 Kolmogorov-Smirnov Test로 검정을 하였다.

성능/효과

1) 1년간의 실험 계측결과, 레일온도와 대기온도의 차가 계절별로 평균 7.10~12.81℃, 최대 15.18~18.78℃로, 장대레일 보수관리에 참고 되고 있는 기존의 대기온도에 따른 레일온도 관계는 과소평가되고 있다.
2) 레일온도에 대기온도가 높은 상관관계를 갖고 있으나 최고 대기온도일 때 반드시 최고 레일온도가 되는 것은 아니다. 일반적으로 대기온도와 일사량은 높을수록 습도는 낮을수록 최고 레일온도 형성을 위한 조건이 되지만, 이러한 일반적인 사항들이 특정 기후조건에 따라서 바뀔 수 있다.
3) 여러 상황조건에 의한 변동이 심하고 정량화하기 힘든 기후요소에 따라서 레일온도를 추정한다는 것은 상당히 난해할 뿐만 아니라, 동일한 대기온도에 대한 레일온도의 편차가 매우 크기 때문에 현재 레일온도 추정모델은 특정한 기후조건에만 적용될 수 있다.
4) 따라서, 기후조건에 따른 레일온도 추정식을 개발하기 보다는 실제 현장 기후조건을 고려하여 레일온도를 확률적으로 예측하는 방법으로 접근하는 것이 합리적일 수 있다. 이를 위해서는 실제 현장 계측을 통한 기후요소와 레일온도의 지속적인 데이터를 구축해야만 한다.
5) 레일온도에 기후효과를 고려하여 확률분포로써 반영할 때, 레일온도는 자연계의 변동 현상으로 정규분포로 적용할 수 있다.
0’ [7]을 이용하여 비모수 검정에 쓰이는 Kolmogorov-Smirnov Test로 검정을 하였다. 검정 결과 유의확률이 0.267로 0.05보다 크므로 귀무가설을 기각하지 못하여 정규분포를 따르고 있음을 확인할 수 있었다(귀무가설: 데이터의 확률분포가 이론 확률분포를 따른다) [8]. 즉, 궤도 좌굴을 유발시키는 아주 높은 레일온도 형성조건하의 레일온도는 정규분포를 따르고 있다는 것을 알 수 있다.
이는 대기온도에 따라 추정되는 레일 온도가 주관심사인 레일온도 상승시가 아닌 하강시의 온도 추이를 따라가고 있어 과소평가되고 있음을 알 수 있다. 기존의 온도관계에서 대기온도 25℃까지는 레일온도와 거의 차이가 없이 보고 있지만, 1년간의 데이터를 분석해본 결과 이는 새벽 및 야간 또는 흐린날에만 적용되는 사항임을 알 수 있었다.
05보다 작을 때 귀무가설(歸無假說)을 기각하므로 구해진 상관계수가 유의함을 알 수 있다(귀무가설: 변수간의 선형관계가 없다) [8]. 산점도로 살펴본바와 같이 대기온도와 일사량은 양의 선형관계, 습도는 음의 선형관계가 나타났으며, 대기온도, 일사량, 습도 순으로 상관관계가 높다.
8인 흐린날일 때의 산점도이고, 편 상관계수를 Table 3에 나타내었다. 이 날 또한 대기온도, 일사량은 양의 선형관계, 습도는 음의 선형관계를 나타냈지만 맑은날과 달리 대기온도보다 일사량의 상관관계가 높았다.
이 밖에도 여러 기후조건의 레일온도와 기후요소들의 상관관계가 특정 기후조건에 따라서 그 특성이 변동됨을 확인할 수 있었다.
05보다 크므로 귀무가설을 기각하지 못하여 정규분포를 따르고 있음을 확인할 수 있었다(귀무가설: 데이터의 확률분포가 이론 확률분포를 따른다) [8]. 즉, 궤도 좌굴을 유발시키는 아주 높은 레일온도 형성조건하의 레일온도는 정규분포를 따르고 있다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장대레일이란 무엇인가?	장대레일은 기존 레일을 연속적으로 용접하여 이음매를 제거한 레일로, 신축이음을 용접함으로써 이음부에서 발생하는 소음 및 진동, 궤도재료의 손상, 승차감 불량, 잦은 궤도 보수주기 등의 문제점을 원천적으로 해소할 수 있는 장점을 가지고 있지만 레일의 길이변화에 따른 구조적인 문제점을 갖게 된다. 종방향 길이가 긴 레일은 체결장치에 의해 도상, 침목 등에 이중 탄성 체결되는 특성으로 인하여 레일양단 약 100 m 이후의 구간에서 온도변동에 따른 신축의 영향을 받지 않는 부동구간이 발생하게 된다.
	장대레일의 장점은 무엇인가?	장대레일은 기존 레일을 연속적으로 용접하여 이음매를 제거한 레일로, 신축이음을 용접함으로써 이음부에서 발생하는 소음 및 진동, 궤도재료의 손상, 승차감 불량, 잦은 궤도 보수주기 등의 문제점을 원천적으로 해소할 수 있는 장점을 가지고 있지만 레일의 길이변화에 따른 구조적인 문제점을 갖게 된다. 종방향 길이가 긴 레일은 체결장치에 의해 도상, 침목 등에 이중 탄성 체결되는 특성으로 인하여 레일양단 약 100 m 이후의 구간에서 온도변동에 따른 신축의 영향을 받지 않는 부동구간이 발생하게 된다.
	장대레일의 길이변화에 따른 구조적인 문제점은 무엇인가?	장대레일은 기존 레일을 연속적으로 용접하여 이음매를 제거한 레일로, 신축이음을 용접함으로써 이음부에서 발생하는 소음 및 진동, 궤도재료의 손상, 승차감 불량, 잦은 궤도 보수주기 등의 문제점을 원천적으로 해소할 수 있는 장점을 가지고 있지만 레일의 길이변화에 따른 구조적인 문제점을 갖게 된다. 종방향 길이가 긴 레일은 체결장치에 의해 도상, 침목 등에 이중 탄성 체결되는 특성으로 인하여 레일양단 약 100 m 이후의 구간에서 온도변동에 따른 신축의 영향을 받지 않는 부동구간이 발생하게 된다. 부동구간에서는 온도변동 시 레일의 자유팽창 및 수축이 구속되므로 레일의 길이방향으로 과도한 축력이 발생하는 문제를 갖게 된다. 이 과도한 축력은 혹서기에 궤도의 좌굴 그리고 혹한기에는 레일파단의 문제를 유발시켜 주행하는 열차의 안전을 위협할 수 있다. 이러한 장대레일 궤도는 레일온도, 중립온도, 도상저항력, 궤도틀림 등 불확실성이 매우 높은 궤도 매개변수들의 영향이 복합적으로 반영된다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
L. Chapman, J. E. Thornes, Y. Huang, X. Cai et al. (2008) Modelling of rail surface temperatures: a preliminary study, Theor. Appl. Climatol., 92, pp. 121-131.

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K. Dobney, C. J. Baker, A. D. Quinn, and L. Chapman (2008) Quantifying the effects of high summer temperatures due to climate change on buckling and rail related delays in south-east United Kingdom, Meteorol. Appl., 16, pp. 245-251.
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G. A. Hunt (1994) An analysis of track buckling risk, British Railways Internal Report RRTM013, p. 31.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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