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[국내논문] 차량/궤도 상호작용해석을 통한 고속철도 콘크리트궤도 레일의 피로수명 예측
The Fatigue Life Evaluation of Rail on the Concrete Track of High Speed Railway by Analysis of the Vehicle/Track Interaction 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, D. 교통공학, 도로공학, 시공관리, 정보기술, 지역 및 도시계획, 철도공학, 측량 및 지형공간정보공학, v.32 no.6D, 2012년, pp.663 - 671  

임형준 (서울과학기술대학교 철도전문대학원) ,  성덕룡 (대원대학교 철도건설과) ,  박용걸 (서울과학기술대학교 철도전문대학원)

초록
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철도노선에 콘크리트궤도가 본격적으로 적용되고, 승차감 향상 및 고속화와 궤도유지보수비용 저감을 위해 장대레일의 수요가 급증하고 있다. 그러나 국내의 콘크리트궤도 현장 적용년수가 길지 않아 실제 현장에서 반복적인 열차하중을 받아 장대레일이 파단된 사례가 현재까지 없기 때문에 실제 현장 데이터를 이용하여 장대레일의 수명을 예측하고 교체주기를 산정하는 것은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 차량/궤도 상호작용해석을 통해 레일에서 발생하는 응력을 검토하여 그 해석결과 값에 대해 중회귀분석을 수행하여 운행속도와 표면요철에 따른 레일 휨응력 예측식을 도출하였다. 최종적으로 산정된 예측식을 이용하여 콘크리트궤도 장대레일의 피로수명을 예측하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The demand of CWR is rapidly increasing because of the adaptation of concrete track, the need for rapid and comfortable ride, and the reduction of maintenance cost. Because of short applying period of the concrete track, there is not a case of CWR fracture in Korea caused by repeated load of the tra...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그림 8로부터 장대레일 피로수명 예측을 위한 차량/궤도 상호작용해석을 통해 도출된 레일휨응력 예측식의 적용범위(±4σ)안에 현장계측결과가 모두 포함됨을 알 수 있고, 충분한 안전치 해석이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구를 통해 도출된 레일휨응력 예측식을 콘크리트궤도 장대레일 피로수명을 평가하는데 적용하고자 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 국내 KTX차량 및 콘크리트궤도를 모델링하고, 레일표면요철, 궤도지지강성, 열차속도에 따른 차량/궤도 상호작용해석을 통해 콘크리트궤도 장대레일의 피로수명에 영향을 미치는 인자를 분석하여 콘크리트궤도 레일의 휨 피로수명을 평가하고자 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 국내 고속철도 UIC60레일 테르밋용접부 S-N선도(성덕룡, 2010)에 Haibach's rule을 적용하여 콘크리트궤도 장대레일의 피로수명을 평가하고자 하였다.
  • 이러한 레일처짐 곡선은 레일저부를 받치고 있는 패드강성에 따라 영향을 받을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트궤도 레일체결장치의 패드강성 변화가 레일 피로수명에 미치는 영향에 대해 검토하였고, 그 결과는 그림 11, 표 8과 같다.
  • 레일 두부 및 복부에서의 균열은 탐상차를 통해 검출이 가능하지만 레일저부의 균열은 검출이 어렵기 때문에 초음파 탐상기법의 이탐촉자법을 통해 레일용접부의 저부결함을 검출하는 것이 합리적이며, 이를 재료적인 융합을 실시해야하는 테르밋용접부에 적용시킴으로써 레일용접부의 손상빈도가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 이탐촉자법을 용접 직후 용접부의 결함을 예측하기 위한 탐상기법으로 제시하였다.
  • 김만철(2001) 등은 콘크리트궤도상의 레일용접부에 대해 차량/궤도 상호작용해석 프로그램을 이용하여 레일 저부에서 발생하는 응력을 산정하였고, 수정 마이너법칙을 적용하여 피로수명을 추정하였다. 또한, 레일의 초기 요철깊이, 요철진행량, 삭정주기, 삭정량이 레일용접부 피로수명에 미치는 영향을 검토하였다.
  • 본 연구에서는 레일 피로수명 예측을 위한 피로해석이론을 검토하였고, 실제 현장시험에서 구현할 수 없는 다양한 매개변수들에 대한 영향을 검토하기 위해 차량/궤도 상호작용해석을 수행하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 차량/궤도 상호작용해석을 통해 열차속도, 궤도지지강성, 레일표면요철 등 총 468개의 매개변수 조건에 대한 레일 휨응력을 정량적으로 예측하고, 레일 피로수명에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 본 연구에서 적용한 차량 및 궤도의 매개변수는 표 3과 같으며, 표 3에 제시된 궤도지지강성은 콘크리트궤도 레일체결장치 패드의 지지강성을 나타낸다.
  • 그림 4에 제시된 해석결과는 열차속도 400km/h일 때, 콘크리트궤도의 패드지지강성이 20kN/mm과 100kN/mm에 대한 동적윤중, 레일 처짐, 레일 휨응력 해석결과의 예시를 보여준다. 본 연구에서는 최대응력값들에 대한 확률밀도함수를 이용하는 방법(Ishida, 1990; Deshimaru et al., 2006)을 통해 레일 피로수명을 산정하고자 하였으며, 차량/궤도 상호작용해석을 통해 도출한 4개의 차륜에 의한 최대응력값들을 적용하는 것으로 하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서 적용한 차량 및 궤도의 매개변수는 표 3과 같으며, 표 3에 제시된 궤도지지강성은 콘크리트궤도 레일체결장치 패드의 지지강성을 나타낸다. 또한, 차량/궤도 상호작용해석 시 고속철도 속도향상을 고려하여 400km/h까지 해석을 수행하였고, 레일표면요철에 대한 해석조건은 Ishida(1999)를 참조하여 레일용접부에서 가장 많이 발생하는 요철파형인 V형 요철모델로 가정하였다. 해석상에서 레일표면요철에 따른 레일 휨응력의 변화를 정량적으로 예측하기 위해 임의의 요철량을 설정하여 cosine파형으로 모형화하였다.
  • 본 연구에서는 국내 고속철도에서 사용하고 있는 레일패드 지지강성과 유사한 콘크리트궤도 C-50에 대하여 최고 운행속도를 400km/h까지 고려하여 레일 피로수명을 예측하였으며, 예측결과는 그림 9, 표 6과 같다. 여기서 초기 레일표면요철은 0으로 가정하였다.
  • 표 9는 차량/궤도 상호작용해석을 통해 도출된 레일 휨응력 예측식(표 4 참조)을 레일 휨 피로강도시험을 통해 도출된 파괴확률에 따른 S-N선도(성덕룡, 2010)에 적용하여 예측된 결과이다. 이와 같은 레일 피로수명 예측을 위한 초기조건은 국내 고속철도 건설당시 초기상태로 가정하여 레일표면요철이 없고, 국내 고속철도 최고속도인 300km/h를 기준으로 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
레일으 피로파단 예방과 주행안전에 신뢰성을 확보하기 위하여 각 국에서는 어떤 조치를 취했는가? 이러한 레일의 갑작스런 피로파단을 예방하고 주행안전에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 각국에서는 누적통과톤수에 의한 레일교체주기를 설정하고 있으며, 레일교체기준에 의한 레일교체비용은 전체 궤도유지보수비용의 50%이상을 차지하고 있어 레일 피로수명에 대한 보다 정확한 분석 및 예측이 필요한 실정이다.
작용응력이 불규칙한 대형구조물의 경우, 피로파괴 발생수명을 어떻게 예측해야 하는가? 실제 대부분의 대형구조물은 불규칙적인 외부 하중하에서 거동하기 때문에 작용응력이 불규칙적이다. 이러한 경우에 S-N곡선에 그대로 적용하기는 어렵기 때문에 Palmgren-Miner의 법칙을 적용하여 피로파괴 발생수명을 예측할 수 있다. 그러나 피로손상도가 크게 되면 ∆σi가 일정 진폭응력 하에서의 피로한계이하여도 피로손상의 진행에 기여한다.
실제 현장 데이터를 이용하여 장대레일의 수명을 예측하고 교체주기를 산정하는 것이 어려운 이유는 무엇인가? 철도노선에 콘크리트궤도가 본격적으로 적용되고, 승차감 향상 및 고속화와 궤도유지보수비용 저감을 위해 장대레일의 수요가 급증하고 있다. 그러나 국내의 콘크리트궤도 현장 적용년수가 길지 않아 실제 현장에서 반복적인 열차하중을 받아 장대레일이 파단된 사례가 현재까지 없기 때문에 실제 현장 데이터를 이용하여 장대레일의 수명을 예측하고 교체주기를 산정하는 것은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 차량/궤도 상호작용해석을 통해 레일에서 발생하는 응력을 검토하여 그 해석결과 값에 대해 중회귀분석을 수행하여 운행속도와 표면요철에 따른 레일 휨응력 예측식을 도출하였다.
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참고문헌 (15)

  1. 박용걸, 성덕룡 외 2인(2008) 현장측정을 통한 노후레일의 휨 피로수명 평가, 한국철도학회 논문집, 한국철도학회, 제11권 제3호, pp.317-325. 

  2. 성덕룡, 박용걸 외 2인(2010) 실물 휨 피로시험을 통한 철도레일의 휨 피로거동 분석, 한국철도학회 논문집, 한국철도학회, 제13권 제2호, pp. 160-166. 

  3. 성덕룡(2010) 차량/궤도 상호작용의 해석을 통한 레일 피로수명 예측, 박사학위논문, 서울과학기술대학교 철도전문대학원. 

  4. 양신추, 김만철, 김진성(2000) 레일용접부 피로수명 예측, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제20권 제1D호, pp. 97-105. 

  5. 김만철, 최은수(2010) 경부고속선의 레일연마에 따른 레일 피로수명 평가, 한국철도학회논문집, 한국철도학회, 제13권 제6호, pp. 577-582. 

  6. 김만철, 김진성, 한상철 (2001) 슬래브궤도상의 레일용접부 피로수명 예측, 한국철도학회지, 한국철도학회, 제4권 제4호, pp. 62-70. 

  7. Aiken, Leona S. et al. (1996) Multiple regression: Testing and interpreting interactions, Sage Publications. 

  8. Bryman, Alan, Cramer, Duncan (2005) Quantitative data analysis with SPSS 12 and 13, Taylor & Francis. 

  9. Deshimaru, T., Kataoka, H. (2006) Estimation of Service Life of Aged Continuous Welded Rail, QR of RTRI, Vol. 47, No. 4. 

  10. Kataoka, H. et al. (2002) Evaluation of Service Life of Jointed Rails, QR of RTRI, Vol. 43, No. 3. 

  11. Ishida, M. (1990) Relationship between rail surface irregularity and bending fatigue of welded part in long rails, RTRI report, Vol. 4, No. 7. 

  12. Ishida, M. (1997) Estimation of Service Life of Rail Welding Joint concerning Thermal Stresses, Vol. B Proc of WCRR'97, Florence, pp. 331-337. 

  13. Ishida, M. (1999) Influence of loose sleeper on track dynamics and bending fatigue of rail welds, QR of RTRI, Vol. 40, No. 2. 

  14. Kumar, S. (2006) A study of the rail degradation process to predict rail breaks, PhDThesis, Lulea University of Technology, Sweden. 

  15. Yang, S.C. (2010) Enhancement of the finite-element method for the analysis of vertical train-track interactions, Proc. IMechE, Vol. 223 PartF. 

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