[논문]주행 안전을 고려한 고속철도 자갈궤도 및 콘크리트궤도 레일패드의 강성 상한 결정

양신추; 장승엽; 김은

doi:10.7782/jksr.2011.14.6.526

주행 안전을 고려한 고속철도 자갈궤도 및 콘크리트궤도 레일패드의 강성 상한 결정
Determination of Upper Limit of Rail Pad Stiffness for Ballasted and Concrete Track of High-Speed Railway Considering Running Safety 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.14 no.6 = no.67, 2011년, pp.526 - 534

양신추 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 장승엽 (한국철도기술연구원 신교통연구본부) , 김은 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부)

초록
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본 연구에서는 고속철도의 자갈궤도와 콘크리트궤도에서 열차 주행 안전 측면에서 관리해야 할 레일패드 강성의 상한값을 차량 및 궤도의 동특성과 운영환경을 고려하여 결정하는 방법을 제시하였다. 차량-궤도의 상호작용해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림과 관련하여 프랑스 및 독일에서 제시한 고저틀림 PSD(파워 스펙트럼 밀도)와 경부고속철도 1단계 구간 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 계측한 고저틀림 자료를 통하여 얻은 PSD를 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도와 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다. 제시된 PSD 기준 모델을 사용하여 시간 영역에서의 고저틀림 입력을 난수 생성(random number generation)을 통하여 구한 후 차량-궤도 상호작용 해석기법을 사용하여 레일패드 강성에 따른 윤중 감소율을 산정하였다. 산정된 윤중 감소율에 대하여 국내 철도차량 안전기준에 관한 규칙의 탈선계수 규정을 적용하여 주행 안전 측면에서 허용할 수 있는 레일패드 강성의 상한값을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, proposed is the methodology to determine the upper limit for stiffness of rail pad for the ballasted and concrete track in high-speed railway in the viewpoint of running safety, considering the dynamic characteristics of train and track and the operation environment. For the track irregularity, one of the most important input parameters for traintrack interaction analysis, the reference vertical track irregularity PSDs(power spectral densities) for the ballasted and concrete track in a wide range of frequencies were proposed based on those presented in France and Germany and that obtained from the measured data at Kyeong-Bu 1st phase high-speed railway line. Using these reference PSD models, the input data for the vertical track irregularity data were regenerated by random generation process, and then, the wheel load reduction rates according to the stiffness of the rail pads have been calculated by the train-track interaction analysis technique. Finally, by comparing the wheel load reduction rates calculated with the derailment criteria prescribed in the Korean standards for railway vehicle safety criteria, the upper limits for the stiffness of rail pad have been proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 경부고속철도의 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 열차주행안전측면에서 관리해야 할 레일패드 강성의 상한값을 차량 및 궤도의 동특성과 운영환경을 고려하여 결정하는 방법을 제시하였다. 차량과 궤도의 상호작용의 해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림을 고려하기 위하여 프랑스 및 독일에서 제시한 고저틀림 PSD(power spectral density)와 경부고속철도 1단계 구간 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 계측한 고저틀림 자료로부터 얻은 PSD를 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도 및 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다.
본 연구에서는 경부고속철도의 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 열차주행안전측면에서 관리해야 할 레일패드 강성의 상한값을 차량 및 궤도의 동특성과 운영환경을 고려하여 결정하는 방법을 제시하였다. 차량과 궤도의 상호작용의 해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림을 고려하기 위하여 프랑스 및 독일에서 제시한 고저틀림 PSD(power spectral density)와 경부고속철도 1단계 구간 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 계측한 고저틀림 자료로부터 얻은 PSD를 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도 및 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다.
본 연구에서는 열차 주행 안전성 측면에서 자갈궤도와 콘 크리트 궤도에서 레일패드 강성에 따른 동적 윤중 감소율이 누적빈도를 고려한 동적 윤중 감소율의 허용한도기준 만족여부를 판단하였다. 이를 위해 자갈궤도의 경우 앞서 제시한 기준(reference) 고저틀림의 120% 모델을, 콘크리트 궤도의 경우 80% 모델을 적용하여 해석을 수행하였다.

가설 설정

1은 차량과 궤도의 수직방향 상호작용 해석모델을 나타낸다. 차량 서브모델(Sub-model)은 차체와 2개의 대차, 그리고 4개의 윤축(wheelset)으로 구성되며, 이들은 각각 강체운동을 하는 것으로 가정하여 질점(lumped mass)으로 모델링된다. 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠(damping) 요소(element)로 모델링된다.
차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠(damping) 요소(element)로 모델링된다. 차량은 수직운동만 하는 것으로 가정하여 10개의 자유도 시스템으로 나타낸다.

제안 방법

궤도 서브모델은 자갈궤도의 레일, 체결장치, 침목, 도상자갈(ballast), 그리고 노반 등이 다층(multi layers)으로 배열된 것으로 하고 콘크리트궤도의 경우는 레일 체결장치가 강성노반 위에 놓인 것으로 하여 각각 탄성보로 모형화하였다. 최상부층을 구성하는 레일은 Timoshenko 연속보로 나타낸다.
따라서 이러한 파장성분을 포함할 수 있는 궤도검측이 필요하다. 그러나 국내 검측 시스템으로서는 이러한 광대역의 파장을 측정하기 어렵기 때문에 프랑스, 독일에서 구축한 고저틀림 PSD를 기초로 하되 국내 궤도 검측 시스템으로 측정 가능한 파장대역(3m~50m)의 고저틀림을 반영하여 그 크기를 조정하였다.
본 연구에서는 경부고속철도의 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 열차 주행 안전 측면에서 관리해야 할 레일패드강성의 상한값을 차량 및 궤도의 동특성과 운영환경을 고려하여 결정하는 방법을 제시하였다. 먼저 차량과 궤도의 상호작용의 해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림 PSD(power spectral density)를 고려하기 위해 프랑스, 독일 고속철도와 경부 1단계구간에서 계측한 자료들을 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도 및 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다. 제시된 PSD 기준 모델을 입력자료로 하고 레일패드 강성을 주 파라메타로 하여 차량궤도 상호작용해석을 수행한 후 국내 철도차량 안전기준에 관한 규칙에서 정하고 있는 윤중 감소율에 대한 기준을 만족하는 레일패드 강성의 상한값을 제시하였다.
제시된 PSD 기준모델을 사용하여 시간 영역에서의 고저틀림 입력을 난수 생성(random number generation)을 통하여 구한 후 개발된 차량-궤도 상호작용해석 기법을 사용하여 레일패드에 따른 윤중 감소율을 산정하였다. 산정된 윤중 감소율에 대하여 국내 철도안전법의 철도차량 안전기준에 관한 규칙[8]에서 정하고 있는 탈선계수 기준을 적용하여 주행 안전 측면에서 허용할 수 있는 레일패드 강성의 상한값을 제시하였다.
본 연구에서는 열차 주행 안전성 측면에서 자갈궤도와 콘 크리트 궤도에서 레일패드 강성에 따른 동적 윤중 감소율이 누적빈도를 고려한 동적 윤중 감소율의 허용한도기준 만족여부를 판단하였다. 이를 위해 자갈궤도의 경우 앞서 제시한 기준(reference) 고저틀림의 120% 모델을, 콘크리트 궤도의 경우 80% 모델을 적용하여 해석을 수행하였다. 자갈궤도의 경우 레일패드 강성범위를 100~700kN/mm, 콘크리트 궤도에서는 100~150kN/mm 범위에서 파라메타 해석을 수행하였다.
자갈궤도의 경우 레일패드 강성범위를 100~700kN/mm, 콘크리트 궤도에서는 100~150kN/mm 범위에서 파라메타 해석을 수행하였다. 자갈궤도 및 콘크리트궤도 모두 고저틀림 PSD에서 4회 난수 생성(random number generation)을 통해 고저틀림을 생성한 후 각각을 입력하여 해석을 수행하였다.
이를 위해 자갈궤도의 경우 앞서 제시한 기준(reference) 고저틀림의 120% 모델을, 콘크리트 궤도의 경우 80% 모델을 적용하여 해석을 수행하였다. 자갈궤도의 경우 레일패드 강성범위를 100~700kN/mm, 콘크리트 궤도에서는 100~150kN/mm 범위에서 파라메타 해석을 수행하였다. 자갈궤도 및 콘크리트궤도 모두 고저틀림 PSD에서 4회 난수 생성(random number generation)을 통해 고저틀림을 생성한 후 각각을 입력하여 해석을 수행하였다.
먼저 차량과 궤도의 상호작용의 해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림 PSD(power spectral density)를 고려하기 위해 프랑스, 독일 고속철도와 경부 1단계구간에서 계측한 자료들을 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도 및 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다. 제시된 PSD 기준 모델을 입력자료로 하고 레일패드 강성을 주 파라메타로 하여 차량궤도 상호작용해석을 수행한 후 국내 철도차량 안전기준에 관한 규칙에서 정하고 있는 윤중 감소율에 대한 기준을 만족하는 레일패드 강성의 상한값을 제시하였다.
차량과 궤도의 상호작용의 해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림을 고려하기 위하여 프랑스 및 독일에서 제시한 고저틀림 PSD(power spectral density)와 경부고속철도 1단계 구간 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 계측한 고저틀림 자료로부터 얻은 PSD를 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도 및 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다. 제시된 PSD 기준모델을 사용하여 시간 영역에서의 고저틀림 입력을 난수 생성(random number generation)을 통하여 구한 후 개발된 차량-궤도 상호작용해석 기법을 사용하여 레일패드에 따른 윤중 감소율을 산정하였다. 산정된 윤중 감소율에 대하여 국내 철도안전법의 철도차량 안전기준에 관한 규칙[8]에서 정하고 있는 탈선계수 기준을 적용하여 주행 안전 측면에서 허용할 수 있는 레일패드 강성의 상한값을 제시하였다.
본 연구에서는 경부고속철도의 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 열차주행안전측면에서 관리해야 할 레일패드 강성의 상한값을 차량 및 궤도의 동특성과 운영환경을 고려하여 결정하는 방법을 제시하였다. 차량과 궤도의 상호작용의 해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림을 고려하기 위하여 프랑스 및 독일에서 제시한 고저틀림 PSD(power spectral density)와 경부고속철도 1단계 구간 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 계측한 고저틀림 자료로부터 얻은 PSD를 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도 및 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다. 제시된 PSD 기준모델을 사용하여 시간 영역에서의 고저틀림 입력을 난수 생성(random number generation)을 통하여 구한 후 개발된 차량-궤도 상호작용해석 기법을 사용하여 레일패드에 따른 윤중 감소율을 산정하였다.
2는 프랑스 국철에서 양호한 궤도 관리 구간과 보통의 궤도 관리 구간에서 측정한 장파장(2~40m) 고저틀림의 PSD[10], 독일 고속철도 구간에서 측정한 단파장(7m이하) 고저틀림 PSD[10], ISO에서 규정한 차량의 소음성능을 측정하기 위해서 궤도가 관리되어야 하는 단파장 고저틀림 PSD한도[11], 통상의 일반철도 궤도의 PSD[12] 등을 나타낸 것이다. 해석의 기준이 되는 PSD, 즉 Reference PSD(전 주파수대역의 고저틀림 PSD)를 장파장에 대해서는 프랑스의 양호한 고저틀림 PSD를 취하고 단파장에 대해서는 독일 고속철도 PSD를 취함으로써 Fig. 2의 원형마크와 같이 구축하였다.

데이터처리

4와 같다(샘플링 구간의 길이는 개소당 1km, 샘플링 구간 수는 교량, 터널, 토공 각 5개소). 궤도틀림에 대한 해석을 용이하게 하기 위하여 고저틀림 PSD들을 회귀 분석하여 PSD 함수로 나타내었다. 적용된 회귀 분석식은 프랑스 SNCF에서 제시한 고저틀림 PSD 함수[10]와 동일하며 식 (1)과 같이 나타내진다.

이론/모형

하부의 체결장치 및 패드는 질점, 선형스프링(linear spring) 및 댐퍼(damper)로, 침목은 질점(mass)으로만 나타낸다. 도상자갈은 상층자갈-하층자갈 피라미드모형이 사용된다. 따라서 상부의 자갈층과 하부의 자갈층은 질점, 선형스프링, 그리고 감쇠로 나타낸다.

성능/효과

8의 결과로부터 고속철도에서 콘크리트궤도의 레일패드 강성이 130kN/mm 이상이 될 경우 윤중 감소율 기준을 만족하지 못함을 알 수 있다. 따라서 기준을 만족하는 120kN/mm를 레일패드 강성의 상한값으로 정하는 것이 타당하다고 판단된다.
5의 결과로부터 경부고속철도 1단계 토공구간 자갈궤도의 고저틀림은 기준 고저틀림의 96% 정도이며, 교량구간에서는 126% 수준임을 알 수 있다. 따라서 이들 결과를 바탕으로 해석의 입력으로 사용될 자갈궤도의 고저틀림은 터널구간보다는 크고 교량구간의 고저틀림보다는 약간 작은 정도로 보아 Fig. 2에서 제시한 기준 고저틀림의 120%로 설정하는 것이 타당할 것으로 판단된다(Fig. 6 참조). 한편 Fig.
연구 결과로부터 자갈궤도에서는 레일패드 강성이 700kN/mm까지 윤중 감소율이 철도차량 안전기준에 관한 규칙에서 정하고 있는 주행 안전 기준을 만족하므로 주행 안전 측면에서 레일패드 강성의 상한값을 정할 필요가 없는 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트궤도에서는 레일패드 강성이 130kN/mm 이상이 될 경우 윤중 감소율이 주행 안전 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타나 120kN/mm를 레일패드강성의 상한값으로 정하는 것이 타당하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레일패드 강성의 상한값을 설정하여 체결장치를 유지관리하는 것은 중요한 과제가 되는 배경은?	레일체결장치는 궤간 및 레일경사의 유지, 하부로 전달하는 충격하중의 완충, 레일에 작용하는 윤중 및 횡압의 분산, 레일의 종방향 변위 억제, 레일과 침목 사이의 전기절연 등 열차의 주행안정성 및 가용성(availability)을 확보하고 하부의 노반구조물을 보호하는 중요한 철도용품의 하나이다. 체결장치의 중요부품인 레일패드의 초기 강성이 매우 크거나 사용년수의 경과에 따라 레일패드 강성이 크게 증가될 경우 차량/궤도 상호작용에 따른 동적 윤중의 증가로 레일의 피로 및 마모와 궤도구성품의 손상이 발생할 뿐만 아니라 차륜의 들림에 의한 윤중의 감소로 열차의 주행안정성이 저하되게 된다. 따라서 체결장치 사용수명 동안 소정의 성능을 확보할 수 있는 레일패드 강성의 상한값을 설정하여 체결장치를 유지관리하는 것은 중요한 과제라 할 수 있다.
	레일체결장치는 무엇인가?	레일체결장치는 궤간 및 레일경사의 유지, 하부로 전달하는 충격하중의 완충, 레일에 작용하는 윤중 및 횡압의 분산, 레일의 종방향 변위 억제, 레일과 침목 사이의 전기절연 등 열차의 주행안정성 및 가용성(availability)을 확보하고 하부의 노반구조물을 보호하는 중요한 철도용품의 하나이다. 체결장치의 중요부품인 레일패드의 초기 강성이 매우 크거나 사용년수의 경과에 따라 레일패드 강성이 크게 증가될 경우 차량/궤도 상호작용에 따른 동적 윤중의 증가로 레일의 피로 및 마모와 궤도구성품의 손상이 발생할 뿐만 아니라 차륜의 들림에 의한 윤중의 감소로 열차의 주행안정성이 저하되게 된다.
	차량/궤도 상호작용의 가장 중요한 영향 요소는 무엇이라 할 수 있는가?	차량/궤도 상호작용에 있어서 가장 중요한 영향요소는 궤도틀림이라 할 수 있다. 따라서 궤도틀림을 현장조건과 유사하게 입력하는 것이 해석의 정확도를 높이는 척도라고 할 수 있다.

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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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