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열차하중으로 인한 궤도-지반의 3D 진동평가 및 저감방법에 관한 연구
A Study on 3D Evaluation and Reduction Method for Vibration of Track-Roadbed due to Railway Load 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.14 no.1 = no.62, 2011년, pp.39 - 48  

강보순 (배재대학교)

초록
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본 논문에서는 열차가 주행할 때 궤도를 통해 전달되는 진동크기가 구조물의 안전성뿐 만아니라 선로 인근주민, 가축 및 건물에게 미치는 영향을 최소화하기 위해 규정된 진동한계범위에 도달하는 가를 다양한 지반과 궤도구조물의 상호작용에 의한 3D 수치해석을 통해 정확히 예측하고 다양한 지반에 적절한 진동저감을 가져오는 궤도의 단면 및 형태를 결정하는 방법에도 이결과를 사전에 활용할 수 있도록 하였다. 예로서 열차운행으로 인해 발생되는 터널, 성토 및 교량 3종류의 서로 다른 시설물의 진동을 지반-구조물의 상호작용에 의한 3D수치해석을 통해 Spec과 비교분석하여 평가하였으며 주변 환경에 적합한 토층의 변화를 통해 진동저감방법의 한예를 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The paper describes four practical cases of railway structure concerning a three-dimensional numerical approach to analyse dynamic soil-structure interaction(SSI)of railway tracks on layered soil under transient load in the time domain. The SSI-Model has been implemented in TDAPIII accounting for no...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 특히 연약지반위를 열차가 주행할 때 설치된 궤도를 통해 전달되는 진동크기는 얼마나 되며 구조물의 안전성뿐 만아니라 선로 인근주민 및 가축에게 미치는 영향을 최소화하기 위해 규정된 진동한계범위에 도달하는 가를 지반과 궤도의 상호작용해석을 통해 정확한 예측을 하는 한편 또한 지반주변에 진동저감을 가져오는 궤도의 형태를 결정하는 방법에도 이결과가 중요하게 활용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열차운행으로 인해 발생되는 다양한 시설물진동을 지반-궤도의 상호작용에 의한 좀 더 합리적인 3D수치해석을 통해 정확한 진동평가를 수행했고, 지층두께에 따른 진동경감효과의 한 예도 보여주었다.
  • 본 연구에서는 철도진동의 영향을 저감시키기 위한 방법으로 표토층의 두께를 조정하여 해석을 반복하여 실시하였다. 그 결과 Table 8에서 보여 진 것처럼 표토층의 두께가 두꺼워질수록 Y방향의 응답가속도는 커지는 경향을 나타내었으며, 이때의 Y방향의 응답변위도는 Table 10에서 나타난 것처럼 표토의 높이가 커질수록 응답변위는 늘어나는 것을 확인인 할 수가 있었다.

가설 설정

  • 이때 절점수는 361절점이고 요소수는 321개이다. 그리고 좌우대칭이므로 반단면만 모델링하였으며 성토체 하부로 9.5m 측방으로 30m를 해석 대상에 포함시켰으며 지하수위는 지표면과 동일한 것으로 가정하였다. 그리고 좌우 측방의 경계는 전달경계로 하였으며 저면은 완전 고정으로 지정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
궤도진동은 무엇에 의해 발생하는가? 궤도진동은 지반과 연결된 궤도계 와 궤도 위에서 이동하는 열차계의 상호 작용에 의하여 이들의 접촉점에서 발생되는 힘에 의해 발생된다. 진동이 발생되는 원인은 크게 규칙적인 경우와 불규칙한 경우로 나눌 수 있는데 규칙적인 경우는 열차의 바퀴가 일정한 간격으로 배치되어 있기 때문에 각 바퀴가 레일의 특정점을 지날 때마다 반복적으로 발생되는 경우(Wheel Pass Frequency)이고, 불규칙한 경우는 바퀴의 마모 및 레일표면의 불균일성에 의하여 발생되는 경우이다.
진동이 발생되는 원인은 무엇으로 나뉘는가? 궤도진동은 지반과 연결된 궤도계 와 궤도 위에서 이동하는 열차계의 상호 작용에 의하여 이들의 접촉점에서 발생되는 힘에 의해 발생된다. 진동이 발생되는 원인은 크게 규칙적인 경우와 불규칙한 경우로 나눌 수 있는데 규칙적인 경우는 열차의 바퀴가 일정한 간격으로 배치되어 있기 때문에 각 바퀴가 레일의 특정점을 지날 때마다 반복적으로 발생되는 경우(Wheel Pass Frequency)이고, 불규칙한 경우는 바퀴의 마모 및 레일표면의 불균일성에 의하여 발생되는 경우이다. 열차 운행시 트랙에서 발생되어 지반을 통해 전달되는 지반 진동파는 크게 압축파(Compression Waves), 전단파 (Shear Waves) 및 표면파(Surface Waves : 일명 Rayleigh파) 로 구분되는데 이러한 파의 에너지는 거리가 멀어짐에 따라 분산 및 흡수로 인한 확산으로 감소된다.
해석적인 진동의 예측 방법 중 열차하중의 평가 방법은 무엇을 통해 해석할 수 있는가? 해석적인 진동의 예측 방법은 열차하중의 평가와 이를 이용한 지반에서의 진동전파해석으로 나눌 수 있다. 열차하중의 평가는 차량-궤도 상호 작용을 고려한 해석을 통해서 해석할 수 있으며 지반과 구조물에서의 진동전파해석은 원역 지반을 모형화 할 수 있는 방법을 이용한 지반-구조물 상호작용해석을 통해서 이루어질 수 있다. 대표적인 지반-구조물 상호작용해석에는 지반과 구조물 모두 유한요소법(FEM) 를 사용하는 해석방법과 반 무한한 지반은 경계요소(BEM) 를 사용하고 구조물은 유한요소(FEM)를 사용해 해석하는 방법이다.
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참고문헌 (12)

  1. R. Lee, and G. Schmid, Einfluss von Unterbau u. (1995) Untergrund auf Erschetterungen u. dereen Ausbreitung an Schienenwegente Tagungsband igi, Westheim, 9. 

  2. B.S. Kang (1998) Stahlfaserbeton und stahlfaserverstaerkter Stahlbeton unter Schwellbeanspruchung. Dissertataion, Ruhr-Universitaet Bochum, 2. 

  3. G. Oberweiler, and R. Osswald (1995) Die forschungsprojekte zur entwicklung der festen fahrbahn, ETR 41, H. 11. 

  4. G. Leykauf, and L. Mattner (1995) Prufung von festen fahrbahnen im labor, ETR 44, H. 9. 

  5. L. Fendrich (1995) Feste fahrbahn-stadtbahn berlin, ETR 44, H. 3. 

  6. S.T. Heineke and R. Katzenbach (2001) Gebrauchstauglichkeit-suntersuchungen zum Langzeitsetzungsverhalten der Festen fahrbahn im Modellversuch. Bauingenieur. 

  7. F. Krueger (2010) Erschuetterung- und Sekundaerschallungimmission-Bewertung und Minderungsmassnahmen, EIK. 

  8. B.S. Kang (2005) Soil and track Interaction under Railway Loads, Journal of the Korean Society for Railway 8(2). 

  9. Blast Noise (2002) Vibration Limits, Ministry Of Construction and Transportation. 

  10. Vibration Limits of ISO(International Standardization for Organization) 

  11. Limit of Traffic Noise and Vibration, Article 37 of the Noise and Vibration Control. 

  12. DIN 4150, part-3. 

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