[국내논문]종곡선과 완화곡선 경합시 차량주행안전성 및 승차감에 대한 해석적 연구 An Analytical Study on Running Safety and Ride Comfort in Case of Superimposition of Vertical and Transition Curves원문보기
현행 철도건설기준에서 종곡선과 완화곡선의 경합은 궤도형식에 관계없이 허용하고 있지 않다. 그러나 이러한 기준은 주로 자갈도상궤도의 유지보수의 어려움 때문에 정립된 것이다. 콘크리트궤도는 자갈도상궤도에 비해 유지보수 및 구조안전성 측면에서 장점을 가지고 있다. 따라서 콘크리트 궤도의 경우, 열차의 주행안전성 및 승차감 기준을 만족하는 범위내에서 어느 정도의 선로경합은 완화할 필요성이 있다. 본 연구에서는 종곡선과 완화곡선의 경합여부에 따라 도상종별 열차의 주행안전성 및 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석하였으며, 그 결과 경합된 경우도 주행안전, 승차감 및 궤도작용력 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 비록 자갈도상궤도에서의 선로경합은 많은 유지보수를 필요로 하기 때문에 적용될 수는 없다 할지라도, 콘크리트궤도에서는 유지보수 및 구조적 장점을 고려할 때 종곡선과 완화곡선의 경합이 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
현행 철도건설기준에서 종곡선과 완화곡선의 경합은 궤도형식에 관계없이 허용하고 있지 않다. 그러나 이러한 기준은 주로 자갈도상궤도의 유지보수의 어려움 때문에 정립된 것이다. 콘크리트궤도는 자갈도상궤도에 비해 유지보수 및 구조안전성 측면에서 장점을 가지고 있다. 따라서 콘크리트 궤도의 경우, 열차의 주행안전성 및 승차감 기준을 만족하는 범위내에서 어느 정도의 선로경합은 완화할 필요성이 있다. 본 연구에서는 종곡선과 완화곡선의 경합여부에 따라 도상종별 열차의 주행안전성 및 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석하였으며, 그 결과 경합된 경우도 주행안전, 승차감 및 궤도작용력 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 비록 자갈도상궤도에서의 선로경합은 많은 유지보수를 필요로 하기 때문에 적용될 수는 없다 할지라도, 콘크리트궤도에서는 유지보수 및 구조적 장점을 고려할 때 종곡선과 완화곡선의 경합이 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
Superimposition of vertical and transition curves is not allowed for all types of tracks in Korean regulation of railway construction. However, this criterion has been established on the basis of difficulty of maintenance of the ballasted track. Comparing with the ballasted track, the concrete slab ...
Superimposition of vertical and transition curves is not allowed for all types of tracks in Korean regulation of railway construction. However, this criterion has been established on the basis of difficulty of maintenance of the ballasted track. Comparing with the ballasted track, the concrete slab track has the advantage of maintenance and structural, which allows the superimposition of vertical and transition curves when it satisfies the criteria of running safety and riding comfort. In this study, running safety, ride comforts and track acting forces were analyzed and compared by numerical analysis using VAMPIRE program when the vertical and transition curves are superimposed for the ballasted track as well as the concrete slab track. From the analysis results, it was found that running safety, riding comforts and track acting forces in case of superimposition of vertical and transition curves for the both tracks meet all of the criteria. Therefore, although superimposition of vertical and transition curves for the ballasted track is not allowed because of a lot of maintenance works, it can be applied to the concrete slab track considering the advantage of maintenance and structural safety.
Superimposition of vertical and transition curves is not allowed for all types of tracks in Korean regulation of railway construction. However, this criterion has been established on the basis of difficulty of maintenance of the ballasted track. Comparing with the ballasted track, the concrete slab track has the advantage of maintenance and structural, which allows the superimposition of vertical and transition curves when it satisfies the criteria of running safety and riding comfort. In this study, running safety, ride comforts and track acting forces were analyzed and compared by numerical analysis using VAMPIRE program when the vertical and transition curves are superimposed for the ballasted track as well as the concrete slab track. From the analysis results, it was found that running safety, riding comforts and track acting forces in case of superimposition of vertical and transition curves for the both tracks meet all of the criteria. Therefore, although superimposition of vertical and transition curves for the ballasted track is not allowed because of a lot of maintenance works, it can be applied to the concrete slab track considering the advantage of maintenance and structural safety.
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문제 정의
스웨덴의 Kufver(1997)는 곡선부 승차감에 미치는 중요한 선형요소인 완화곡선부 전용 승차감 평가방법으로 CEN(1995)에서 제안한 PCT(Passenger Comfort) 방법이 가장 합리적인 방법이라고 제안하였으며, 현재에는 BSI(BS EN 2009)에서 완화곡선부 승차감 평가방법으로 제안하고 있다[7,8]. 따라서 본 연구에서도 PCT방법을 적용하여 경합구간의 승차감을 평가하고자 한다.
본 논문의 주요 목적은 향후 콘크리트궤도에서 경합허용 가능성에 대한 기초연구를 수행하기 위한 것으로서, 자갈도상과 콘크리트 도상에 대해 종곡선과 완화곡선의 경합조건별로 차량/궤도선형 상호작용 해석을 수행하여 차량의 주행안전성과 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석 하여 완화곡선상 종곡선과의 경합에 대한 영향을 해석적으로 검토하였다. 그 결과 완화곡선과 종곡선이 경합되었을 때, 승차감은 경합인 경우가 평면선형만 있는 경우에 비해 1.
제안 방법
도상종별 경합유무에 따른 차량의 주행안전성 및 승차감을 검토하고자 한국형 고속열차모델을 이용해 차량의 동역학적 거동을 분석 하였다. 해석에 사용된 프로그램은 범용프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 해석을 수행하였다[10].
종곡선과 평면선형의 완화곡선 경합에 따른 궤도형식별 영향을 해석적으로 검토하기 위해 현행 국내에서 적용하고 있는 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 하여 Table 5에서 보는 바와 같이 가장 불리한 조건을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다[2]. 또한 종곡선의 형태별, 즉 볼록(convex)/오목(concave)곡선에 대해서도 비교검토를 수행하였다.
따라서 자갈도상궤도에 비해 유지보수가 거의 필요 없으며, 구조적 안전성이 뛰어난 콘트리트 궤도의 경우 열차의 주행안정성 및 승차감기준을 만족하는 범위 내에서 어느 정도의 선로경합은 완화할 필요성이 있으며, 이에 대한 체계적인 연구가 수반되어야 한다. 본 연구에서는 종곡선과 완화곡선의 경합여부에 따라 차량/궤도선형 상호작용 해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 도상종별 열차의 주행안정성 및 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석하였다.
열차속도에 따른 영향을 분석하기 위해, 해석 시 열차속도는 현재 국내 고속선의 운행속도와 향후 속도향상을 고려하여 300km/h, 350km/h, 400km/h에 대해 검토를 수행하였다. 해석시 사용한 필터링은 UIC518 및 Kufver의 방법을 바탕으로, Table 4와 같이 적용하였으며, 각 평가항목에 대해 최대값을 채택하였다[4,6].
여기서 해석에 사용된 선형조건을 보면 현행 철도건설기준규정(2008)에서 가장 불리한 조건임을 알 수 있으며, 평면선형의 경우 콘크리트 도상궤도의 선형기준임을 알 수 있다. 이는 동일한 선형조건으로 도상종별 차량의 거동을 비교분석하기 위해서이며, 또한 더욱 보수적인 조건으로 해석하기 위해 콘크리트 궤도의 선형기준을 적용하였다. Fig.
종곡선과 평면선형의 완화곡선 경합에 따른 궤도형식별 영향을 해석적으로 검토하기 위해 현행 국내에서 적용하고 있는 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 하여 Table 5에서 보는 바와 같이 가장 불리한 조건을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다[2]. 또한 종곡선의 형태별, 즉 볼록(convex)/오목(concave)곡선에 대해서도 비교검토를 수행하였다.
대상 데이터
선형매개변수 해석을 위한 궤도구조모델은 자갈도상의 경우는 VAMPIRE상의 기본모델을 활용하였으며, 콘크리트 도상에 대해서는 일부 실험값을 적용하였다. 그리고 레일은 UIC60레일을 적용하였다.
해석에 사용된 차량모델은 한국철도기술연구원에서 개발한 한국형고속열차모델을 이용하였다. 해석차량은 총 7량으로 구성되어 있으며, 10개의 보기와 20개의 윤축을 가지고 있다.
해석에 사용된 차량모델은 한국철도기술연구원에서 개발한 한국형고속열차모델을 이용하였다. 해석차량은 총 7량으로 구성되어 있으며, 10개의 보기와 20개의 윤축을 가지고 있다.
데이터처리
도상종별 경합유무에 따른 차량의 주행안전성 및 승차감을 검토하고자 한국형 고속열차모델을 이용해 차량의 동역학적 거동을 분석 하였다. 해석에 사용된 프로그램은 범용프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 해석을 수행하였다[10].
이론/모형
경합 시 차량의 주행안전성 및 승차감을 분석하기 위해 현재 국내의 철도건설기준규정(2008)에서 가장 불리한 선형조건을 적용하여 경합조건별 해석을 수행하였다[2]. Fig.
선형매개변수 해석을 위한 궤도구조모델은 자갈도상의 경우는 VAMPIRE상의 기본모델을 활용하였으며, 콘크리트 도상에 대해서는 일부 실험값을 적용하였다. 그리고 레일은 UIC60레일을 적용하였다.
열차속도에 따른 영향을 분석하기 위해, 해석 시 열차속도는 현재 국내 고속선의 운행속도와 향후 속도향상을 고려하여 300km/h, 350km/h, 400km/h에 대해 검토를 수행하였다. 해석시 사용한 필터링은 UIC518 및 Kufver의 방법을 바탕으로, Table 4와 같이 적용하였으며, 각 평가항목에 대해 최대값을 채택하였다[4,6].
성능/효과
본 논문의 주요 목적은 향후 콘크리트궤도에서 경합허용 가능성에 대한 기초연구를 수행하기 위한 것으로서, 자갈도상과 콘크리트 도상에 대해 종곡선과 완화곡선의 경합조건별로 차량/궤도선형 상호작용 해석을 수행하여 차량의 주행안전성과 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석 하여 완화곡선상 종곡선과의 경합에 대한 영향을 해석적으로 검토하였다. 그 결과 완화곡선과 종곡선이 경합되었을 때, 승차감은 경합인 경우가 평면선형만 있는 경우에 비해 1.0~1.2배 정도로서 거의 유사하게 나타났으며, 궤도작용력에 대해서는 윤중이 최대 144kN, 횡압이 최대 33.3kN으로 나타나 기준과 비교해 안전함을 알 수 있었다. 그리고 탈선계수는 평면선형만 있는 경우에 비해 약 1.
14에서 알 수 있듯이 자갈도상과 콘크리트도상, 그리고 경합과 경합되지 않은 경우에 대해 큰 차이 없이 유사한 결과가 나타남을 알 수 있다. 그러나 그림에서 보듯이 미소한 차이긴 하지만 열차속도 350km/h 이하에서는 오목 종곡선에서 다소 승차감 지수가 크게 나타나 승차감이 좋지 않은 것으로 나타났으며, 400km/h에서는 볼록 종곡선에서 승차감 지수가 크게 나타남을 알 수 있었다. 이는 완화곡선과 같은 곡률변화구간에서 종곡선과의 경합으로 차량의 거동이 다소 불규칙 하게 나타나기 때문으로 판단되며, 속도가 증가할수록 상향가속도 성분이 증가하여 볼록종곡선의 승차감 지수가 크게 나타나는 것으로 판단된다.
Table 5에서는 해석에 사용된 선형조건을 나타내고 있다. 여기서 해석에 사용된 선형조건을 보면 현행 철도건설기준규정(2008)에서 가장 불리한 조건임을 알 수 있으며, 평면선형의 경우 콘크리트 도상궤도의 선형기준임을 알 수 있다. 이는 동일한 선형조건으로 도상종별 차량의 거동을 비교분석하기 위해서이며, 또한 더욱 보수적인 조건으로 해석하기 위해 콘크리트 궤도의 선형기준을 적용하였다.
이상의 결과로부터, 도상종별로 종곡선과 완화곡선 경합 시에도 차량의 주행안전성 및 궤도에 미치는 작용력이 Table 1의 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
탈선계수는 경합여부 및 도상종별에 관계없이 최대값의 차이가 0.062이하로 아주 미소한 차이가 발생하였으며, 오목종곡선의 경우가 전반적으로 크게 나타났다. 횡압과 탈선계수도 일반적(평면원곡선과 종곡선경합)으로는 볼록종곡선의 경우가 크게 나타나지만, 앞서 언급하였듯이 곡률이 변화하는 완화곡선상에서의 경합으로 인해 차량의 거동이 다소 불규칙하게 나타나기 때문으로 판단된다.
해석결과, 그림에서 알 수 있듯이 도상종류에 상관없이 대부분 속도가 높을수록 승차감은 나쁜 것으로 나타났으며, 주행안전성 및 궤도에 미치는 힘들이 크게 나타남을 알 수 있었다.
후속연구
따라서 본 해석적 연구결과로는 경합인 경우에도 승차감 및 주행안전성, 그리고 궤도작용력 측면에서는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타나, 향후 콘크리트궤도에 대해서도 필요하다면 종곡선과 완화곡선의 경합도 가능할 것으로 판단된다. 그리고 본 연구를 바탕으로 향후에도 경합의 다양한 조건에 대해서 추가적으로 충분한 해석적인 검토를 통한 검증이 이루어져야 할 것으로 판단되며, 이와 동시에 설계 및 시공방안에 대한 검토도 충분히 수행되어야 할 것으로 사료된다.
8에는 훨씬 못 미치는 것으로 나타났다. 따라서 본 해석적 연구결과로는 경합인 경우에도 승차감 및 주행안전성, 그리고 궤도작용력 측면에서는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타나, 향후 콘크리트궤도에 대해서도 필요하다면 종곡선과 완화곡선의 경합도 가능할 것으로 판단된다. 그리고 본 연구를 바탕으로 향후에도 경합의 다양한 조건에 대해서 추가적으로 충분한 해석적인 검토를 통한 검증이 이루어져야 할 것으로 판단되며, 이와 동시에 설계 및 시공방안에 대한 검토도 충분히 수행되어야 할 것으로 사료된다.
따라서 자갈도상궤도에 비해 유지보수가 거의 필요 없으며, 구조적 안전성이 뛰어난 콘트리트 궤도의 경우 열차의 주행안정성 및 승차감기준을 만족하는 범위 내에서 어느 정도의 선로경합은 완화할 필요성이 있으며, 이에 대한 체계적인 연구가 수반되어야 한다. 본 연구에서는 종곡선과 완화곡선의 경합여부에 따라 차량/궤도선형 상호작용 해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 도상종별 열차의 주행안정성 및 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현행 철도건설기준에서 종곡선과 완화곡선의 경합은 궤도형식에 관계없이 허용하고 있지 않는 이유는 무엇인가?
현행 철도건설기준에서 종곡선과 완화곡선의 경합은 궤도형식에 관계없이 허용하고 있지 않다. 그러나 이러한 기준은 주로 자갈도상궤도의 유지보수의 어려움 때문에 정립된 것이다. 콘크리트궤도는 자갈도상궤도에 비해 유지보수 및 구조안전성 측면에서 장점을 가지고 있다.
현행 철도건설기준에서 종곡선과 완화곡선의 경합은 무엇과 관계없이 허용하고 있지 않은가?
현행 철도건설기준에서 종곡선과 완화곡선의 경합은 궤도형식에 관계없이 허용하고 있지 않다. 그러나 이러한 기준은 주로 자갈도상궤도의 유지보수의 어려움 때문에 정립된 것이다.
콘크리트궤도의 장점은?
그러나 이러한 기준은 주로 자갈도상궤도의 유지보수의 어려움 때문에 정립된 것이다. 콘크리트궤도는 자갈도상궤도에 비해 유지보수 및 구조안전성 측면에서 장점을 가지고 있다. 따라서 콘크리트 궤도의 경우, 열차의 주행안전성 및 승차감 기준을 만족하는 범위내에서 어느 정도의 선로경합은 완화할 필요성이 있다.
참고문헌 (11)
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UIC Code 518-OR (2005) Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour- Safety-Track fatigue-Ride quality, 3rd edition, International Union of Railway.
Y.G. Kim, S.W. Kim, J.Y. Mok, K.H. Kim, et.al. (2004) Analysis and evaluation of ride comfort for high speed train using statistical method according to UIC 513R, Journal of the Korean Society for Railway, 7(4), pp 332-338.
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CEN, Railway applications(1995)-Ride comfort for passengers- Measurement and evaluation.
J.H. Um, S.C. Yang, E.K. Kim, I.Y. Choi, et.al (2010) A study on evaluation method of ride comfort considering superimposition of vertical and horizontal curve, Journal of the Korean Society for Railway, 13(3), pp. 309-316.
AEA Technology, VAMPIRE User Manual.
S.C. Yang, E. Kim, J.H. Lee, J.H. Um, et al. (2009) A study on determining the replacement cycle for rail fastening systems, KRRI report(in Korea).
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