[국내논문]설계다이어그램을 이용한 KTX와 HEMU 차량 주행시 단경간 단순지지 교량의 동특성 분석 Dynamic Characteristics of Simply Supported Single Span Bridges for KTX and HEMU using Design Diagram원문보기
본 논문에서는 KTX와 HEMU 차량 주행시 단경간 단순지지교량의 간편한 동적 해석을 위한 ERRI 설계다이어그램을 제시하고, 이를 통해 교량의 동적응답특성과 설계시 고려사항을 분석하였다. 국내에서 많이 적용되는 25m, 30m, 35m, 40m 지간장을 갖는 단경간 단순지지 교량에 대해 KTX 및 HEMU 차량 주행시 설계다이어그램을 계산하였다. 이를 통해 선택된 4개 지간장 교량을 대상으로 각 열차하중에 대한 동특성을 분석하였다. 또한 공진시 가속도 응답을 만족하는 최소한의 단위길이당 질량을 지간길이, 차량유형, 감쇠비 등에 따라 제시하였고 설계시 고려사항을 분석하였다. 25m 교량은 HEMU와 KTX 차량 모두 공진시 응답이 증폭되므로 공진이 발생하지 않도록 설계하는 것이 경제적이다. 30m 교량은 HEMU 차량, 35m와 40m 교량은 KTX 차량이 주행할 때 응답이 증폭될 수 있으며 공진을 회피하거나 최소한의 단위길이당 질량을 배치하도록 설계해야 한다.
본 논문에서는 KTX와 HEMU 차량 주행시 단경간 단순지지교량의 간편한 동적 해석을 위한 ERRI 설계다이어그램을 제시하고, 이를 통해 교량의 동적응답특성과 설계시 고려사항을 분석하였다. 국내에서 많이 적용되는 25m, 30m, 35m, 40m 지간장을 갖는 단경간 단순지지 교량에 대해 KTX 및 HEMU 차량 주행시 설계다이어그램을 계산하였다. 이를 통해 선택된 4개 지간장 교량을 대상으로 각 열차하중에 대한 동특성을 분석하였다. 또한 공진시 가속도 응답을 만족하는 최소한의 단위길이당 질량을 지간길이, 차량유형, 감쇠비 등에 따라 제시하였고 설계시 고려사항을 분석하였다. 25m 교량은 HEMU와 KTX 차량 모두 공진시 응답이 증폭되므로 공진이 발생하지 않도록 설계하는 것이 경제적이다. 30m 교량은 HEMU 차량, 35m와 40m 교량은 KTX 차량이 주행할 때 응답이 증폭될 수 있으며 공진을 회피하거나 최소한의 단위길이당 질량을 배치하도록 설계해야 한다.
This paper presents the ERRI design diagrams of KTX and HEMU applicable to simply supported single span bridges, and analyzes the dynamic characteristics and design considerations of the bridges under KTX and HEMU using the diagrams. The design diagrams of KTX and HEMU are calculated for the bridges...
This paper presents the ERRI design diagrams of KTX and HEMU applicable to simply supported single span bridges, and analyzes the dynamic characteristics and design considerations of the bridges under KTX and HEMU using the diagrams. The design diagrams of KTX and HEMU are calculated for the bridges with 25m, 30m, 35m and 40m span lengths, which are widely used for simple bridge in Korea. From the design diagrams, the dynamic characteristics of the bridges with the selected span lengths are analyzed. In addition, the design consideration is discussed to satisfy the design requirement of acceleration. It is desirable for the bridge with 25m span length to avoid resonance both for KTX and HEMU. Since larger responses are expected for HEMU in the bridge with 30m span length, and for KTX in the bridge with 35m and 40m span length, the bridges should be planned to have enough mass satifying acceleration requirement at resonance, or to avoid the resonance.
This paper presents the ERRI design diagrams of KTX and HEMU applicable to simply supported single span bridges, and analyzes the dynamic characteristics and design considerations of the bridges under KTX and HEMU using the diagrams. The design diagrams of KTX and HEMU are calculated for the bridges with 25m, 30m, 35m and 40m span lengths, which are widely used for simple bridge in Korea. From the design diagrams, the dynamic characteristics of the bridges with the selected span lengths are analyzed. In addition, the design consideration is discussed to satisfy the design requirement of acceleration. It is desirable for the bridge with 25m span length to avoid resonance both for KTX and HEMU. Since larger responses are expected for HEMU in the bridge with 30m span length, and for KTX in the bridge with 35m and 40m span length, the bridges should be planned to have enough mass satifying acceleration requirement at resonance, or to avoid the resonance.
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문제 정의
본 논문에서는 KTX와 HEMU 차량 주행시 단경간 단순 지지교량의 간편한 동적 해석을 위한 ERRI 설계다이어그램을 제시하고, 이를 통해 교량의 동적응답특성과 설계시 고려사항을 분석하였다. 국내에서 많이 적용되는 25m, 30m, 35m, 40m 지간장을 갖는 단경간 단순지지 교량에 대해 KTX 및 HEMU 차량 주행시 설계다이어그램을 계산하였다.
이들 설계 다이어그램으로부터 속도별 최대변위, 최대 가속도, 동적응 답확대계수를 별도의 계산없이 구할 수 있다. 본 논문에서는 최대변위 및 최대가속도에 주안점을 두고 기술하도록 한다.
본 논문에서는 단경간 단순지지교량을 대상으로 KTX와 HEMU 차량 주행시 동적특성을 ERRI 설계다이어그램을 통해 분석하였다. 국내에서 많이 적용되는 25m, 30m, 35m, 40m 지간장을 갖는 단경간 단순지지 교량에 대해 KTX 및 HEMU 차량 주행시 설계다이어그램을 계산하였다.
제안 방법
본 논문에서는 KTX와 HEMU 차량 주행시 단경간 단순 지지교량의 간편한 동적 해석을 위한 ERRI 설계다이어그램을 제시하고, 이를 통해 교량의 동적응답특성과 설계시 고려사항을 분석하였다. 국내에서 많이 적용되는 25m, 30m, 35m, 40m 지간장을 갖는 단경간 단순지지 교량에 대해 KTX 및 HEMU 차량 주행시 설계다이어그램을 계산하였다. 이를 통해 선택된 4개 지간장 교량을 대상으로 각 열차하중에 대한 동특성을 분석하였다.
국내에서 많이 적용되는 25m, 30m, 35m, 40m 지간장을 갖는 단경간 단순지지 교량에 대해 KTX 및 HEMU 차량 주행시 설계다이어그램을 계산하였다. 이를 통해 선택된 4개 지간장 교량을 대상으로 각 열차하중에 대한 동특성을 분석하였다. 또한 공진시 가속도 응답을 만족하는 최소한의 단위길이당 질량을 지간길이, 차량유형, 감쇠비 등에 따라 제시하였고 설계시 고려사항을 분석하였다
이를 통해 선택된 4개 지간장 교량을 대상으로 각 열차하중에 대한 동특성을 분석하였다. 또한 공진시 가속도 응답을 만족하는 최소한의 단위길이당 질량을 지간길이, 차량유형, 감쇠비 등에 따라 제시하였고 설계시 고려사항을 분석하였다
이중 DER법과 RIL법은 공진시 응답을 근사적으로 예측할 수 있는 방법이다. 설계다 이어그램법에서는 ETR Y500, ICE 2, Eurostar Capital Sets, Double Thalys2 등 4종의 고속철도차량과 0.5%, 1%, 2%, 4% 등 4종의 감쇠비, 5m~40m에서 선택된 10종의 교량 길이에 대해 설계다이어그램을 제공한다. 설계다이어그램은 교량 길이에 따라 미리 설정된 질량과 고유진동수를 갖는 기준계를 사전 계산을 통해 최대 변위와 최대 가속도 응답을 차량 속도와 고유진동수의 비로 나타낸 것이다.
ERRI의 설계다이어그램법에서는 ETR Y500, ICE 2, Eurostar Capital Sets, Double Thalys2 등 4종의 고속철도차량과 0.5%, 1%, 2%, 4% 등 4종의 감쇠비, 지간장 5m~40m에서 선택된 10종의 교량 길이에 대상으로 최대변위, 최대가속도, 동적응 답확대계수에 대한 설계다이어그램을 제공한다. 이들 설계 다이어그램으로부터 속도별 최대변위, 최대 가속도, 동적응 답확대계수를 별도의 계산없이 구할 수 있다.
설계다이어그램은 교량의 속도별 최대동적응답을 간단하게 계산할 수 있을 뿐만 아니라 열차하중에 대한 교량의 동적응답특성을 분석하는데도 사용될 수 있다. 이 절에서는 KTX와 차세대 고속철 차량인 HEMU에 대해 국내에서 단순지지교량설계에 가장 많이 사용되는 4개 지간장에 대한 설계다이어그램을 제시하고 각 열차하중에 대한 교량의 동특성을 비교하였다.
해석방법은 모드해석법이며 10개의 모드를 사용하였다. 각각의 시간이력해석을 v/f1를 0.1m 간격으로 40m까지 변화시키면서 수행하였으며, 각각의 해석 결과로 부터 최대변위와 최대가속도값으로 다이어 그램을 계산하였다. 시간이력해석에서 총 해석 시간은 충분한 자유진동해석이 발생하도록 설정하였다.
1m 간격으로 40m까지 변화시키면서 수행하였으며, 각각의 해석 결과로 부터 최대변위와 최대가속도값으로 다이어 그램을 계산하였다. 시간이력해석에서 총 해석 시간은 충분한 자유진동해석이 발생하도록 설정하였다. 해석간격 ∆t은다음과 같이 결정하였다[17].
일반적으로 정적설계를 만족하는 교량은 가속도의 제한규정이 설계시 만족해야하는 중요한 제한조건이 된다. 따라서 여기에서 이전 절에서 제시한 설계다이어그램을 바탕으로 주어진 4개 교량에 대한 설계시 고려사항을 도출하기로 한다.
하지만 이 연구에서도출된 설계다이어그램은 교량의 초기 설계 단계에서 별도의 계산없이 속도별 응답을 산정하는 데 적용할 수 있기 때문에 실무에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 공진시 가속도 응답을 만족하는 최소한의 단위길이당 질량을 지간길이, 차량유형, 감쇠비 등에 따라 제시하였고 이를 통해 설계시 고려사항을 논의하였다. 25m 교량은 공진을 허용할 경우 가속도 응답을 만족하기 위해 KTX와 HEMU 차량 모두 다른 지간장에 비해 상대적으로 큰 단위길이당 질량을 필요로 하기 때문에 설계속도 대역내에서 공진이 발생하지 않도록 설계하는 것이 경제적이다.
대상 데이터
7m이다. HEMU는 시제차량의 경우 6량 편성(HEMU-6)이고, 향후 다양한 편성이 예상되므로 10량 편성(HEMU-10), 12량 편성(HEMU-12) 등을 추가로 고려하였다. HEMU의 축중은 KTX에 비해 가벼운 140kN이고, 유효타격간격은 24.
설계다이어그램으로는 국내에서 단순지지교량의 지간장으로 흔히 사용되는 25m, 30m, 35m, 40m등 4개의 지간장을 선택하였다. Table 2와 같이 각 지간장에 대해 기준계를 ERRI 보고서[17]를 참조하여 설정하였다.
Table 3은 열차종류과 궤도 유형에 따라 설계속도 대역내에 공진속도가 존재하는 경우 가속도설계조건을 만족시키는 최소한의 단위길이당 질량을 정리하여 나타낸 것이다. HEMU 차량은 10량 편성(HEMU-10)만을 고려하였다.
이론/모형
설계다이어그램 계산을 위해 지간당 20개의 보요소를 적용한 유한요소법을 사용하였다. 해석방법은 모드해석법이며 10개의 모드를 사용하였다.
설계다이어그램 계산을 위해 지간당 20개의 보요소를 적용한 유한요소법을 사용하였다. 해석방법은 모드해석법이며 10개의 모드를 사용하였다. 각각의 시간이력해석을 v/f1를 0.
후속연구
또한 교량 길이가 짧은 경우 궤도 구조를 따라 차량 하중이 종방향으로 분포되는 효과를 반영할 수 없기 때문에 응답을 과대평가할 수 있다. 하지만 이 연구에서도출된 설계다이어그램은 교량의 초기 설계 단계에서 별도의 계산없이 속도별 응답을 산정하는 데 적용할 수 있기 때문에 실무에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 공진시 가속도 응답을 만족하는 최소한의 단위길이당 질량을 지간길이, 차량유형, 감쇠비 등에 따라 제시하였고 이를 통해 설계시 고려사항을 논의하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
HEMU-430X 차량의 특징은 무엇인가?
HEMU-430X(Highspeed Electric Multiple Unit-430km/hr eXperiment, 이하 HEMU) 차량은 한국철도기술연구원 주도로 2015년 상용화를 목표로 개발중인 차기 고속철 차량으로, 설계최고속도 430km/hr, 영업운전속도 400km/hr이다. KTX 차량에 비해 축중이 가볍고, 10량 편성, 12량 편성 등 수요에 따른 편성이 가능한 장점을 지니고 있다[1].
소멸현상이 발생하는 원인은?
이들 연구 중에서 Yang등[7]은 단순지지된 보에 대해 공진과 소멸현상을 해석적으로 유도하였다. 소멸현상은 공진과 더불어 철도교량의 규칙적이고 반복적인 하중조건으로 인해 발생하는 현상이다. 물리적으로는 특정 조건하에서 개별 하중이 교량을 지나고 난 후 이로 인한 자유진동응답이 소거되는 현상을 의미한다.
KTX에 비해 HEMU-430X가 가지는 장점은 무엇인가?
HEMU-430X(Highspeed Electric Multiple Unit-430km/hr eXperiment, 이하 HEMU) 차량은 한국철도기술연구원 주도로 2015년 상용화를 목표로 개발중인 차기 고속철 차량으로, 설계최고속도 430km/hr, 영업운전속도 400km/hr이다. KTX 차량에 비해 축중이 가볍고, 10량 편성, 12량 편성 등 수요에 따른 편성이 가능한 장점을 지니고 있다[1]. 기존의 고속철 도교량은 KTX를 기준으로 설계되었기 때문에 HEMU 차량 주행시 교량의 동적응답특성을 분석할 필요가 있다.
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