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문제 정의
- 더욱이 최근 콘크리트궤도 구조는 점차 다양해지고 있으며 실 운행선 궤도의 동적거동은 설계시 고려한 동적영향과는 많은 차이를 나타낼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 자갈궤도(도상 상태양호 및 불량개소)와 콘크리트궤도(일반적인 침목매입식 궤도, 레일플로팅 궤도, 침목플로팅궤도)에서의 현장측정을 수행하였으며 측정된 동적 윤중 데이터를 이용한 궤도충격계수와 궤도설계 시 적용되는 궤도충격계수 기준과의 비교를 통해 현장여건이 반영된 운행선 궤도의 충격의 수준을 평가하고자 하였다.
가설 설정
- 따라서 첫차 운행부터 막차 운행까지는 계측을 통한 공차하중 및 혼잡시간대(Rush-Hour)에 발생하는 전체 윤중변동을 측정하였다. 승객하중은 1인당 62kg을 기준으로 하였으며, 승차인원은 비교적 승객이 많은 구간, 보통 구간, 승객이 적은 구간 등 3개 구간으로 나누어 승차인원을 가정하였다. Table 3에서는 승차인원에 따른 차량의 정적 윤중을 나타냈고, Table 4는 측정구간을 주행하는 차량의 공차중량을 바탕으로 승차인원을 승객정원의 60%로 적용하고 각 측정 구간별 차량의 윤축 개수를 고려하여 정리한 정적 윤중을 나타낸다.
제안 방법
- 6~Fig. 9와 같이 전체적인 속도별 동적 윤중 데이터의 분포도에서 속도대역이 비교적 일정한 대역으로 작게 나타났으며, 궤도구조 Elastic Fastening (E Type), Rail Floating 궤도의 경우 시험선에서의 측정으로 속도대역을 5~80km/h까지 20km/h씩 변화시켜가며 열차 주행속도에 따른 동적 윤중의 변화를 측정하였다. Fig.
- 전단변형은 역시 윤중과 비례하여 발생하므로 데이터 수집장비를 통하여 얻은 변형률을 실제 작용하는 윤중의 절대량으로 환산하기 위하여 윤중 검정(Calibration)을 수행하고 이때 얻어진 정적 윤중 데이터를 이용하여 선형회귀분석 (Linear Regression)을 통해 환산 윤중을 도출함으로써 동적 윤중값(kN)을 구하였다. Fig. 2와 같이 윤중게이지를 레일에 부착하고, 유압잭을 이용하여 Fig. 3과 같이 0kN에서 40~50kN까지 정적 하중을 단계적으로 가압하여 이때 발생한 계측값을 기록하였다. 이때 오차발생과 선형회귀식의 신뢰성을 고려하여 3회 이상 동일한 실험을 반복하였다.
- 대상 구간에서 실운행 차량 통과 시 궤도에 작용하는 동적 윤중의 특성을 파악하고자 침목간 레일 중앙부 레일복부에 2축 스트레인게이지를 설치하여 윤중측정을 수행하였으며 측정신호를 MGC - Plus (Data Acquisition System)에 저장한 후, 오리진TM 프로그램을 이용하여 분석하였다. 현장에서 측정되어지는 동적 윤중은 운행열차의 윤중 및 횡압을 상호간섭 없이 안정적으로 측정하기 위해 Wheatstone bridge를 구성하는 회로도를 이용하여 Fig.
- 측정 대상선로 중 자갈도상 궤도의 경우 도상자갈의 상태에 따라 궤도의 동적응답의 수준이 상이하게 나타나므로 도상자갈의 상태평가가 궤도의 충격계수 평가에 앞서 시행되어야 할 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 해당 선로에서 채취한 도상자갈에 대한 입도분석 및 내마모 강도 약화 정도를 파악하기 위한 마모시험을 통해 상태평가를 실시하였으며 그 결과를 바탕으로 불량과 양호로 구분하였다. 자갈도상의 상태평가를 위한 시험은 체가름 시험과 마모시험을 실시하였으며 이는 철도용품 표준규격 도상자갈규정(철도 5610-1058 가)에 근거하여 KS F 250에 의한 방법으로 각 시료당 3 회의 각 체별 통과중량을 평균하여 결과를 산출하였다.
- 또한 정적 윤중의 측정은 승객 탑승으로 인한 자중증가를 고려하기 위하여 열차의 운행시간에 실시되었으므로, 정확한 승객의 수와 각 열차의 정적 하중을 산정하기는 현실적으로 어렵다. 따라서 첫차 운행부터 막차 운행까지는 계측을 통한 공차하중 및 혼잡시간대(Rush-Hour)에 발생하는 전체 윤중변동을 측정하였다. 승객하중은 1인당 62kg을 기준으로 하였으며, 승차인원은 비교적 승객이 많은 구간, 보통 구간, 승객이 적은 구간 등 3개 구간으로 나누어 승차인원을 가정하였다.
- 본 연구에서는 지하철(도시철도)의 최고 운행속도 80km/h를 기준으로 하는 식 (2)를 궤도충격계수 검토 시 비교 수치로 적용하였다.
- 윤중게이지는 내·외측 레일(2개소)에 스트레인게이지를 부착하여 측정하였다. 현장계측 시 주행 열차하중에 의해 발생한 윤중을 왜곡하거나 데이터의 손실이 발생되지 않도록 1kHz 이상의 충분한 수집율(Sampling Rate)을 설정하였다.
- 현장에서 측정되어지는 동적 윤중은 운행열차의 윤중 및 횡압을 상호간섭 없이 안정적으로 측정하기 위해 Wheatstone bridge를 구성하는 회로도를 이용하여 Fig. 2와 같이 침목간 중심 에서 각각 100mm 떨어진 위치에 레일복부의 중립축에 45º의 각도를 가지고 8방향으로 결선된 윤중게이지를 부착하여 측정하였다.
- 현재 국내 도시철도구간에 부설되어 있는 다양한 형식의 궤도구조별 궤도충격계수를 평가하고자 운행선에서 실 주행 차량을 이용한 현장측정을 수행하였으며 측정된 동적 윤중 데이터를 이용한 궤도충격계수와 궤도설계 시 적용되는 궤도충격계수 기준과의 비료를 통해 현장여건이 반영된 운행선 궤도의 충격의 수준을 평가하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 5에 나타내었으며 측정구간별 측정데이터의 개수 및 열차 주행속도는 Table 2와 같다. 계측 시 측정구간을 주행한 모든 열차에 대한 측정응답 중 측정상의 오류나 이상신호가 계측된 경우를 제외하고 가급적 많은 데이터를 동적 윤중 분석에 사용하였다.
- 본 연구의 대상선로는 현재 지하철 차량이 운행중인 자갈 궤도 2개소(도상상태 양호 및 불량구간)와 콘크리트궤도가 부설된 5개소로써 총 7개소를 선정하였으며 콘크리트궤도는 궤도 시스템별로 구분하여 일반궤도 구간, 레일 플로팅, 침목 플로팅구간을 측정하여 비교하였다. 측정구간은 모두 60kg 장대레일을 사용하는 직선 선로이며 해당궤도의 탄성 수준을 파악하기 위해 설계 도서를 참조하여 설계당시에 고려된 궤도의 종합스프링계수를 정리하여 Table 1에 나타내었다.
- 윤중게이지는 내·외측 레일(2개소)에 스트레인게이지를 부착하여 측정하였다.
데이터처리
- 여기서 얻은 발생 변형률과 작용하중과의 관계에 대한 선형관계식은 선형회귀분석법(Linear Regression)을 이용하여 도출하였다. Fig.
- 레일에 부착한 스트레인게이지를 통하여 직접 측정한 값은 변형률 데이터로써 레일의 전단변형과 비례하여 발생한다. 전단변형은 역시 윤중과 비례하여 발생하므로 데이터 수집장비를 통하여 얻은 변형률을 실제 작용하는 윤중의 절대량으로 환산하기 위하여 윤중 검정(Calibration)을 수행하고 이때 얻어진 정적 윤중 데이터를 이용하여 선형회귀분석 (Linear Regression)을 통해 환산 윤중을 도출함으로써 동적 윤중값(kN)을 구하였다. Fig.
이론/모형
- 자갈도상의 상태평가를 위한 시험은 체가름 시험과 마모시험을 실시하였으며 이는 철도용품 표준규격 도상자갈규정(철도 5610-1058 가)에 근거하여 KS F 250에 의한 방법으로 각 시료당 3 회의 각 체별 통과중량을 평균하여 결과를 산출하였다. 마모시험은 KS F 2508 기준에 따라 LA 마모시험기로 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 해당 선로에서 채취한 도상자갈에 대한 입도분석 및 내마모 강도 약화 정도를 파악하기 위한 마모시험을 통해 상태평가를 실시하였으며 그 결과를 바탕으로 불량과 양호로 구분하였다. 자갈도상의 상태평가를 위한 시험은 체가름 시험과 마모시험을 실시하였으며 이는 철도용품 표준규격 도상자갈규정(철도 5610-1058 가)에 근거하여 KS F 250에 의한 방법으로 각 시료당 3 회의 각 체별 통과중량을 평균하여 결과를 산출하였다. 마모시험은 KS F 2508 기준에 따라 LA 마모시험기로 수행하였다.
성능/효과
- (1) 동적 윤중 측정결과를 이용하여 궤도충격계수를 산출한 결과, 자갈궤도의 경우 도상상태가 불량한 구간에서는 국내 궤도설계 시 고려되는 충격계수 기준(AREA)을 크게 상회하는 것으로 나타났으며 이는 도상자갈의 노후화에 따른 동적 하중증폭 효과에서 기인한 것으로 판단되었다. 또한 도상자갈의 상태가 양호한 구간의 경우 불량한 개소보다 궤도 충격의 수준이 약 25% 낮게 나타나 도상자갈의 상태가 자갈궤도의 궤도충격에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- (2) 또한 콘크리트궤도의 경우에는 전반적으로 모두 국내 궤도설계 시 고려되는 충격계수 기준(AREA)과 유사하거나 크게 하회하는 수준으로 나타났다. 그러나 이러한 분석결과는 모두 측정 윤중 데이터의 동적 윤중변동율 표준편차의 2σ를 적용하였을 경우이며, 실제 발생되는 동적 윤중변동에 따른 충격의 효과는 자갈궤도를 제외하고 콘크리트궤도의 경우 전반적으로 AREA의 기준을 약 2배 이상 크게 하회하는 수준인 것으로 나타났다.
- (3) 따라서 현장측정결과를 바탕으로 분석한 운행선 궤도에서 발생하는 동적 윤중 증폭에 따른 궤도충격의 효과는 궤도설계 시 고려되는 충격효과 보다 매우 작은 수준인 것으로 분석되었으며 측정구간이 현재 공용상태인 점을 감안하고 안전율을 고려하여 측정 동적 윤중변동율의 2 배를 적용하더라도 콘크리트궤도의 경우에는 모두 설계 시 고려되는 충격계수의 수준을 크게 하회하는 것으로 나타나 콘크리트궤도의 경우 설계 충격계수가 다소 과다한 것으로 판단되었다. 또한 콘크리트궤도의 경우 궤도 종합 스프링계수가 클수록 궤도충격계수가 커지는 경향이 나타나 궤도의 탄성수준이 궤도충격의 효과에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 513V/100)을 사용하고 있다[2]. AREA에서 제안한 충격계수식은 속도범위 100km/h에 대해 동적 하중의 영향을 약 1.5배 할증시키는 개념에서 현재 국내 궤도설계 시 자갈 및 콘크리트 궤도 모두 동일하게 적용되고 있으며 이러한 단일수치로서의 충격계수는 다양한 궤도구조의 역학적 거동특성을 반영하기에는 어려움이 있을 것으로 판단되었다. 더욱이 최근 콘크리트궤도 구조는 점차 다양해지고 있으며 실 운행선 궤도의 동적거동은 설계시 고려한 동적영향과는 많은 차이를 나타낼 수 있다.
- 그러나 이러한 분석결과는 모두 측정 윤중 데이터의 동적 윤중변동율 표준편차의 2σ를 적용하였을 경우이며 실제 발생되는 동적 윤중변동에 따른 충격의 효과(1σ)는 Fig. 16(a)와 같이 도상상태가 불량한 자갈궤도를 제외하고 콘크리트궤도의 경우 국내 궤도설계 충격계수(AREA) 및 CER, JR(Joint Rail), KR(Diesel)을 약 2배 이상 크게 하회하는 수준인 것으로 나타났다.
- 그러나 이러한 분석결과는 모두 측정 윤중 데이터의 동적 윤중변동율 표준편차의 2σ를 적용하였을 경우이며, 실제 발생되는 동적 윤중변동에 따른 충격의 효과는 자갈궤도를 제외하고 콘크리트궤도의 경우 전반적으로 AREA의 기준을 약 2배 이상 크게 하회하는 수준인 것으로 나타났다.
- 따라서 현장계측결과를 바탕으로 분석한 운행선 궤도에서 발생하는 동적 윤중 증폭에 따른 충격의 효과(1σ)는 국내 궤도설계 시 고려되는 충격효과 (AREA) 보다 전반적으로 매우 낮은 수준인 것으로 분석되었다.
- (1) 동적 윤중 측정결과를 이용하여 궤도충격계수를 산출한 결과, 자갈궤도의 경우 도상상태가 불량한 구간에서는 국내 궤도설계 시 고려되는 충격계수 기준(AREA)을 크게 상회하는 것으로 나타났으며 이는 도상자갈의 노후화에 따른 동적 하중증폭 효과에서 기인한 것으로 판단되었다. 또한 도상자갈의 상태가 양호한 구간의 경우 불량한 개소보다 궤도 충격의 수준이 약 25% 낮게 나타나 도상자갈의 상태가 자갈궤도의 궤도충격에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 16(a)와 같이 도상상태가 불량한 자갈궤도를 제외하고 콘크리트궤도의 경우 국내 궤도설계 충격계수(AREA) 및 CER, JR(Joint Rail), KR(Diesel)을 약 2배 이상 크게 하회하는 수준인 것으로 나타났다. 또한 도상자갈의 상태가 좋지 않은 자갈궤도의 경우에도 AREA의 기준과 거의 유사한 것으로 나타났으며 도상상태가 양호한 개소는 AREA기준 보다 약 26%정도 낮게 나타났다.
- 또한 측정선로가 현재공용상태인 점을 감안하고 레일 및 차륜의 요철 등과 같은 궤도충격요인을 고려하여 측정 동적 윤중변동율의 2배(2σ)를 적용하더라도 콘크리트 궤도의 경우에는 모두 설계 시 고려되는 충격계수의 수준을 크게 하회하는 것으로 나타나 콘크리트궤도의 경우 설계 충격계수가 다소 과다한 수준인 것으로 판단되었다.
- (3) 따라서 현장측정결과를 바탕으로 분석한 운행선 궤도에서 발생하는 동적 윤중 증폭에 따른 궤도충격의 효과는 궤도설계 시 고려되는 충격효과 보다 매우 작은 수준인 것으로 분석되었으며 측정구간이 현재 공용상태인 점을 감안하고 안전율을 고려하여 측정 동적 윤중변동율의 2 배를 적용하더라도 콘크리트궤도의 경우에는 모두 설계 시 고려되는 충격계수의 수준을 크게 하회하는 것으로 나타나 콘크리트궤도의 경우 설계 충격계수가 다소 과다한 것으로 판단되었다. 또한 콘크리트궤도의 경우 궤도 종합 스프링계수가 클수록 궤도충격계수가 커지는 경향이 나타나 궤도의 탄성수준이 궤도충격의 효과에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 또한 측정선로가 현재공용상태인 점을 감안하고 레일 및 차륜의 요철 등과 같은 궤도충격요인을 고려하여 측정 동적 윤중변동율의 2배(2σ)를 적용하더라도 콘크리트 궤도의 경우에는 모두 설계 시 고려되는 충격계수의 수준을 크게 하회하는 것으로 나타나 콘크리트궤도의 경우 설계 충격계수가 다소 과다한 수준인 것으로 판단되었다. 또한 콘크리트궤도의 경우 궤도 종합 스프링계수가 클수록 충격계수가 다소 크게 나타나 궤도의 탄성수준이 궤도충격의 효과에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 11은 체가름 시험결과를 바탕으로 분석한 구간별 입도분포 곡선을 표준 입도분포곡선과 비교하여 나타내었다. 체가름 시험 결과, 측정구간의 시료 모두 22.4mm이하의 잔골재를 28~33%이상 포함하고 있었으며, 31.5mm, 40mm이하의 골재 또한 기준치를 상회하는 수준으로 포함되어 있어 현재 세립화가 어느 정도 진행되고 있는 것으로 분석되었다. 반면 마모시험 결과 Table 6과 같이 전체 시료 모두 기준치를 만족하는 것으로 나타나 현 궤도상태에서의 대상구간 도상자갈의 내마모 강도 약화 수준은 심각한 수준이 아닌 것으로 분석되었다.
- 측정구간별 현장측정을 통해 산출한 궤도충격계수는 Fig. 16 및 Table 7과 같이 자갈궤도에서는 모두 국내 궤도 설계 충격계수(AREA) 및 CER, JR(Joint Rail), KR (Diesel)을 상회하였으나 콘크리트궤도의 경우는 국내 궤도설계 충격계수(AREA) 기준을 모두 하회하는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 분석결과는 모두 측정 윤중 데이터의 동적 윤중변동율 표준편차의 2σ를 적용하였을 경우이며 실제 발생되는 동적 윤중변동에 따른 충격의 효과(1σ)는 Fig.
- 침목 플로팅 궤도의 궤도충격계수 검토결과 Fig. 15와 같이 L Type의 경우 0.46V/80로 충격계수가 산출되어 국내 궤도 설계 충격계수(AREA)기준을 초과하였으며, P Type의 경우 0.36V/80의 충격계수가 산출되어 국내 궤도 설계 충격계수(AREA)로 사용하고 있는 0.410V/80를 하회하는 것으로 나타났다.
- 그래프의 실선은 표준 입도분포기준을 나타낸다. 현장측정결과를 이용한 현 궤도상태에서의 궤도충격계수 검토 결과 Fig. 12와 같이 도상상태가 비교적 불량한 자갈궤도의 경우 0.8V/80이며, 도상상태가 양호한 자갈궤도의 경우 0.6V/80정도의 충격계수가 산출되었다. 이는 현재 국내 궤도 설계 충격계수로 사용하고 있는 0.
후속연구
- (4) 다양한 구조적 특성 및 궤도탄성의 범위로 개발되어 적용되고 있는 콘크리트궤도의 경우, 자갈궤도와 동일한 설계 궤도충격계수를 적용하는 것은 궤도 설계하중의 증가를 유발하여 콘크리트궤도 설계 시 도상 슬래브 단면 및 침목 형상 등에 대해 다소 과다설계를 초래할 소지가 있을 것으로 판단된다. 따라서 콘크리트궤도의 경우, 궤도설계 시 다양한 콘크리트궤도의 구조적 특성 및 탄성수준을 감안하여 적정수준의 설계 충격계수를 적용하는 것이 보다 합리적일 것으로 판단되며 실제 측정데이터를 이용한 이에 대한 추가적인 연구가 지속되어야 할 것으로 사료된다.
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