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문제 정의
- 본 연구에서는 고속철도 궤도의 유지보수에서 중요하게 부각되는 뜬침목 문제를 분석할 수 있는 차량 및 궤도의 상호작용해석 기법을 개6발하고 검증하였다.
- 본 연구에서는 초기 레일이 처짐이 없는 경우의 레일 레벨과 도상자갈간의 높이차 즉, 침목 들뜸량이 주어질 경우 궤광자중에 의하여 발생한 레일처짐(궤도틀림)과 처진 침목과 자갈도상간의 침목 들뜸량을 계산할 수 있는 해석기법을 통하여 궤도틀림과 침목 들뜸량을 동시에 고려할 수 있는 차량과 궤도의 해석기법을 개발하였다. 본 해석 기법은 양신추[12,16]에 의해 개발된 수직방향 차량/궤도 상호작용 해석 기법의 알고리듬을 대부분 동일하게 적용하되 뜬 침목구간의 비선형 접촉스프링을 고려할 수 있도록 해석기법을 수정 보완하였다.
가설 설정
- (i)초기에 궤광이 직선을 유지한다고(소성처짐이 발생하지 않았다고) 가정하고 초기 노반침하량을 침목들뜸량으로 보아 뜬침목의 강성력을 고려하지 않고 궤광의 자중에 의한 처짐량을 구한다. (ii) 자중에 의하여 처진 궤광의 변위와 초기 노반침하량과 비교하여 침목의 부상여부를 판단한다.
- 이들 대부분의 연구에서는 차륜과 레일의 접촉스프링은 비선형적으로 거동하고 궤도구성품은 선형적으로 거동한다고 가정하여 해석을 수행하였다[1-7]. 그러나 뜬침목 구간에서 차량과 궤도의 상호작용을 정확하게 해석하기 위해서는 차륜과 레일간의 비선형 접촉특성은 물론 침목이 자갈도상과 분리 또는 접촉하게 됨으로서 변화되는 침목과 자갈도상간에 비선형 접촉특성을 고려하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.
- 이 밖에 보다 정교한 차량 및 궤도의 해석모델(차량 1량을 3차원으로 모델링하고, 궤도를 레일, 침목, 그리고 도상자갈로 구성된 3층 모델)을 사용하여 뜬 침목구간에서의 궤도의 동적거동 특성에 대한 연구실적[9,10]이 보고된 바 있다. 이들 연구에서는 단순히 침목과 자갈도상의 침목 들뜸량(침목과 자갈도상과의 높이차)을 가정하여 차량과 궤도의 상호작용을 해석한 것으로서 뜬침목이 발생할 경우 궤광자중에 의하여 발생하는 궤도틀림은 고려되지 않았다. 한편 Ono 등[11]은 뜬 침목에 따른 궤도틀림과 침목 들뜸량을 동시에 고려할 수 있는 차량과 궤도의 상호작용 해석기법을 개발하였으며, 개발된 해석기법을 사용하여 뜬 침목구간의 궤도틀림의 진전예측을 수행하였다.
- 1은 뜬 침목구간에서의 차량과 궤도의 상호작용해석 모델을 나타낸다. 차량모델은 차체(Car body)와 2개의 대차(Bogie), 그리고 4개의 윤축(wheelset)으로 구성되며, 이들은 각각 강체운동을 하는 것으로 가정하여 질점(lumped mass)으로 모델링하였다. 또한 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠 요소(damping element)로 모델링하였다.
- 또한 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠 요소(damping element)로 모델링하였다. 차량은 수직운동만 하는 것으로 가정하여 10개의 자유도 시스템으로 나타낸다. 이 경우 차량 시스템의 강성, 감쇠, 그리고 질량 행렬은 문헌[13,14]에서 제시한 것과 같은 방법으로 구성할 수 있다.
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