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풍압력을 받는 철도차량의 전복 안전에 관한 이론 해석
Theoretical Analysis on Overturn Safety of Train affected by Wind Pressure 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.6 = no.73, 2012년, pp.537 - 542  

남성원 (Korea Railroad Research Institute)

초록
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철도차량은 자연 강풍 뿐만 아니라 두 열차의 교행으로 인한 교행 풍압도 동시에 받는 경우가 종종 발생하며, 이러한 풍압에 의하여 철도차량의 주행 안정성이 저해될 뿐만아니라 전복의 원인이 되기도 한다. 또한, 해외에서는 강력한 돌풍에 의하여 철도차량이 전복되는 실제 사고 사례가 종종 보고되기도 한다. 따라서, 대부분의 국가에서는 풍속에 대한 차량 운전 규제를 통하여 안전성을 확보하고 있다. 본 연구에서는 다물체 모델에 기초한 철도차량의 전복안전성 이론식을 개발하였으며, 이를 강체모델의 결과와 비교하였다. 후자에서는 대차 및 차체를 별도의 자유도를 가진 것으로 간주하였다. 다물체 모델은 윤중 감소율을 평가하는데 사용 되어온 상용 프로그램을 이용한 기존의 방법을 대체하여 해석할 수 있음을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Rolling stocks are often subjected to the effects of natural strong wind or wind pressure caused by the crossing train. These wind pressure cause the falling-off in running stability and overturn safety. It is sometimes reported that trains are blown over by a gust of wind. So, many countries enact ...

주제어

#풍압   #전복   #안전성   #강체 모델   #다물체 모델  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 또한, 일본의 경우는 대부분의 사고가 표준궤보다 작은 협궤에서 발생하여 궤간의 크기가 열차 전복 안전에 주요한 요소중 하나임을 말해준다. 본 연구에서는 철도차량이 주행중 받는 자연 횡풍과 교행 열차풍에 의한 전복 안전성의 검토 요소중 하나인 윤중 감소율을 분석할 수 있는 다물체 모델식을 개발하였으며, 결과를 정량적으로 검토하였다. 또한, 열차 모델로서 차량을 단일 물체로 고려한 강체 모델과, 차체 및 대차를 각각 분리하여 고려한 다물체 모델을 이용하여 비교 분석하였다.
  • 본 연구에서는 철도차량이 주행중 받는 자연 횡풍과 교행 열차훙에 의하여 전복 안전성의 정량적 크기를 검토하였다. 열차 모델로서 차량을 단일 물체로 고려한 강체 모델과, 차체 및 대차를 각각 분리하여 고려한 다물체 모델식을 이용하여 비교 하였다.

가설 설정

  • Fig. 2에서 캔트가 있는 곡선을 주행중인 차량의 차체 측면으로 횡풍이 작용한다고 가정한다. 풍압력을 YW, 주행중의 차체 진동에 의한 관성력을 YV라고 하면, 중력 및 원심력의 성분을 고려하여 차체 및 대차에 작용하는 레일면에 수평 및 수직인 힘, 그리고 차체 중심에 대한 모멘트는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
  • 열차 모델로서 차량을 단일 물체로 고려한 강체 모델과, 차체 및 대차를 각각 분리하여 고려한 다물체 모델식을 이용하여 비교 하였다. 강체 모델은 적용하기에 간편한 반면, 차량에 끼치는 모든 힘의 작용점을 동일한 차량 중심점에 작용한다고 가정하여 구성하였으며, 다물체 모델에서는 대차 차체를 분리하여 좀 더 현실적으로 수식을 구성하였으나, 각 파라메타에 대한 정확한 정보를 얻기 어려운 측면이 있다. 수식에 대한 적용 사례로서, 현재 우리나라에서 가장 고속으로 주행하고 있는 차량인 KTX-산천과 열차풍압 및 자연 횡풍의 영향을 많이 받을 것으로 예상되는 기관차 견인 공차 컨테이너 화물열차를 선택하여 해석을 하였다.
  • 앞 절에서 유도한 강체 모델에 대한 수식 (5)와 다물체 모델에 대한 수식 (12)을 비교하기 위하여 KTX-산천 열차끼리 교행할 경우와 8200대 전기기관차가 견인하는 컨테이너 화물 열차와 교행할 때를 가정하여 차량의 횡풍압에 대한 전복 안전성을 검토하였다. 계산 조건으로는, 선로 중심 간격 4.3m, 선로 곡선 반경 3000m, 최대 캔트 180mm, 자연 횡풍 속도 20m/s, KTX 차량 속도 250km/h, 컨테이너 화물열차의 속도 120km/h 로 가정하였다. KTX 동력차의 경우, 대차 프레임은 2.
  • 컨테이너 화차의 경우, 윤축 2셋을 포함한 대차 무게는 4.65톤, 대차 무게 중심 높이는 0.48m, 차체 무게는 9.2톤, 차체 무게 중심 높이는 0.845m이며, 컨테이너의 제원은(길이×폭×높이(12.031×2.348×2.695)m, 무게 3.94톤이며, 8200대 전기기관차의 차량 무게는 약 88톤, 대차 무게는 13.16톤, 차체 무게는 61.68톤이며, 대차의 무게 중심 높이는 0.6475m, 차체의 무게 중심 높이는 1.9m, 차체의 측면적은 61.18m2으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
강풍에 의한 열차 전복 사고는 어떤 선로 조건에서 많이 발생하는가? 표에서 알 수 있듯이, 강풍에 의한 열차 전복 사고는 해양 국가 뿐만아니라 내륙 국가에서도 발생하고 있으며, 차량 속도와 무관하게 발생하지만, 선로 조건의 경우, 절개지 이외의 교량 및 성토 구간에서 많이 발생한 것으로 나타났다. 이는 교량 및 성토 구간과 같이 바람의 영향을 열차가 직접 받는 선로 조건에서 위험성이 증가하며, 선로 좌우의 절개지는 일종의 방풍벽 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
철도차량이 선로상을 주행할 때 받는 외력을 계산할 때, 강체 차량 모델에 작용하는 힘은 무엇으로 구성되는가? 1과 같이 차량을 강체 모델로 가정하면 다음과 같다. 강체 차량 모델에 작용하는 힘은 곡선 통과시의 원심력에 의한 힘, 차량 중량에 의한 힘, 횡풍 및 교행 풍압에 의한 힘으로 구성된다. 차량에 작용하는 힘의 역학 관계로부터 다음 식을 유도할 수 있다.
횡풍압에 의한 차량 전복에 대한 조건을 구할 때 어떤 상황을 가정할 수 있는가? 횡풍압에 의한 차량 전복에 대한 조건은 다음 3가지 경우를 고려할 수 있다. ①외궤측 열차가 곡선 통과중에 내궤측으로부터의 횡풍과 내궤측 열차와의 교행으로 인한 열차풍을 받는 경우 ②평탄선로를 주행중 횡풍과 교행 열차풍을 받는 경우 ③곡선에 내궤측 열차가 정차한 상태에서 외궤측으로부터의 횡풍과 외궤측 열차와의 교행으로 인한 열차풍을 받는 경우이다. 위의 ①의 경우는, 횡풍, 내궤측 열차 교행풍 및 원심력이 모두 외궤측 방향으로 작용하며, ②의 경우는, 직선이므로 캔트가 0이며, 곡선 반경이 ∞로, ③의 경우는, 차량이 정지한 상태이므로 열차속도 V가 0이며, 횡풍의 작용 방향이 (–)로 작용한다.
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참고문헌 (6)

  1. S.W. Nam (2011) Theoretical Analysis on Turnover Safety of Train affected by Wind Pressure., Proc. of Korean Society for Railway in Spring ., pp. 1-6 (in Korean). 

  2. S.W. Nam (2009) Parametric Study of the Effects of Train Wind on Turnover Safety., Journal of the Korean Society for Railway., 6(12), pp. 961-966 (in Korean). 

  3. M. Kunieda (1972) Theoretical Study on the Mechanics of Overturn of Railway Rolling Stock, RTRI Report, 793, pp. 177-186 (in Japanese). 

  4. UIC Code 779-1 (1996) Effect of the slipstream of passing trains on structures adjacent to the track. 

  5. Development of Derail Safety Assessment and Prevention Technology, (2008), KRRI Report (in Korean). 

  6. Standard of Railroad Technology : Civil Engineering, (2002), Research Society for Civil Engineering and Technology (in Japanese). 

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