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문제 정의
- 본 연구는 차량의 원활한 운행을 보장하기 위하여 승강장 내의 다른 구조물 등과 간섭이 발생하지 않도록 정해진 차량한계를 바탕으로 하였으며, 이러한 차량한계를 결정하는데 큰 요인이 되는 동적 거동을 해석하기 위하여 여러 가지 인자들의 상관관계를 분석하고 이를 바탕으로 차량한계와 건축한계가 적절한지와 기존 역사 선로 가까이에 구조물 설치시 안전성에 문제가 없는지를 확인하기 위한 해석방법을 제시하고자 한다. 기존 도시철도차량의 운행에 따른 역사구조물과의 간섭을 확인하기 위해서는 장비를 활용한 측정시험이 어려우므로 동적 거동을 확인하기 위해 다물체 동역학해석 프로그램인 DAFUL[5]을 이용해 해석을 수행하였으며, 동적 거동 해석을 위한 도시철도차량 해석 모델을 개발하기 위해 Fig.
제안 방법
- 곡선반경 400R을 기준으로 하여 KS60과 KS50N을 가지고 동적차량한계에 대해서 해석을 수행하였다. 곡선반경 400R은 도시철도건설규칙에서 정하는 승강장 내에서의 부득이한 경우에 있어서 최소 400R을 정하고 있어 이를 기준으로 해석을 수행하였고, 추가적으로 450R과 350R에 대한 해석을 진행하였다.
- 곡선반경 400R을 기준으로 하여 KS60과 KS50N을 가지고 동적차량한계에 대해서 해석을 수행하였다. 곡선반경 400R은 도시철도건설규칙에서 정하는 승강장 내에서의 부득이한 경우에 있어서 최소 400R을 정하고 있어 이를 기준으로 해석을 수행하였고, 추가적으로 450R과 350R에 대한 해석을 진행하였다.
- 규정에 의거한 곡선반경 400R의 Cant량은 운행 속도가 45km/h라 했을 때에 약 60mm 이지만 실제 곡선 승강장에서는 그 최대가 30mm로 해석을 수행하였고 추가적으로 0mm, 15mm에 대해 해석을 수행하였다. Cant에 의한 동적거동은 Cant가 커지면서 더 커지는 것을 확인 할 수가 있었다.
- 본 연구는 차량의 원활한 운행을 보장하기 위하여 승강장 내의 다른 구조물 등과 간섭이 발생하지 않도록 정해진 차량한계를 바탕으로 하였으며, 이러한 차량한계를 결정하는데 큰 요인이 되는 동적 거동을 해석하기 위하여 여러 가지 인자들의 상관관계를 분석하고 이를 바탕으로 차량한계와 건축한계가 적절한지와 기존 역사 선로 가까이에 구조물 설치시 안전성에 문제가 없는지를 확인하기 위한 해석방법을 제시하고자 한다. 기존 도시철도차량의 운행에 따른 역사구조물과의 간섭을 확인하기 위해서는 장비를 활용한 측정시험이 어려우므로 동적 거동을 확인하기 위해 다물체 동역학해석 프로그램인 DAFUL[5]을 이용해 해석을 수행하였으며, 동적 거동 해석을 위한 도시철도차량 해석 모델을 개발하기 위해 Fig. 1에 정의된 흐름도에 따라 연구를 진행하였다. 또한 해석에 사용한 DAFUL의 검증을 위해 기존에 사용되고 있는 IDEAS 프로그램과 검증을 하였으며, 차량의 대차모델 해석을 통해 비교 분석한 결과 기존 해석프로그램인 IDEAS에 대한 상대오차가 3.
- 도시철도차량 동적차량한계 해석모델의 영향인자인 속도, 질량 등의 인자는 차량의 동적 거동에 영향을 미치는 것으로 판단되지만 이와 같은 결과는 본 연구의 목적에 부합은 하나 그 결과가 불충분하다고 판단되며 충분한 결과를 얻기 위해서 좀 더 구체적이고 세밀한 모델을 통한 영향 분석이 필요하다고 판단되어 Table 5에서와 같은 모델을 통하여 각 인자들의 구체적인 영향를 분석을 위해 해석을 수행하였으며, 승객하중(30ton), 차량속도(45km/h), Cant(30mm), 곡선반경(400m), 휠마모(0mm)를 기준으로 하여 각각의 인자별로 Table 5의 값을 적용하여 해석을 수행하였다.
- 도시철도차량의 동적 거동에 대한 영향인자 분석을 위해 기본적인 차량 운행조건 차량의 속도, 선로의 종류, 차량의 종류, 차량의 type에 대한 동적차량한계 해석을 통해 해석모델을 선정하였다.
- 도시철도차량의 동적 거동에 영향을 미치는 여러 가지 인자들에 대해 동적차량한계 해석을 수행하였으며, 각각의 인자에 따른 영향도 분석을 하였다. 그 결과가 현재 운행하고 있는 도시철도차량의 차량한계와 건축한계 사이에 간섭이 발생하지 않는 것으로 나타나 현재의 상황을 잘 반영하고 있다.
- 또한, 본 논문에서는 여러 가지 인자를 고려한 동적차량 Envelope 해석방법을 제시 하였고 각각의 인자에 대한 영향도를 분석하였다. 이는 기존의 건축물에 안전 또는 운영상 필요한 설비를 추가로 설치하거나 신설 노선을 계획할 때 차량한계와 건축한계의 최적조건을 선정하는데 본 논문에서 제시한 방법이 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 선로의 해석 모델은 Fig. 5과 같이 clothoid curve 식을 이용해 완화곡선과 곡률 반경을 구현하였으며, 캔트는 생성된 좌우 선로의 수직 방향 값을 변경하고, 슬래그는 곡선 부위의 안쪽 선로만 곡면 안쪽으로 더 벌려주어 직선구간, 완화구간, 곡선구간이 있으며, 캔트와 슬래그가 적용된 선로를 모델링하였다. 레일은 KS R9106 규격에 나와 있는 50kgN과 60kg 두 가지 레일로 모델링하였다.
- 도시철도차량이 곡선승강장을 통과할 때 정차하는 경우와 승강장 통과시 규정된 최대 속도로 무정차로 지나가는 경우 운영기관에서는 속도를 45km/h로 제한하고 있는 것을 고려하여 해석을 진행하였으며 그 결과 무정차로 지나갔을 때가 정차하였을 때 보다 더 큰 동적 거동을 보였다. 이는 속도에 영향을 받는다는 것을 알 수가 있었으며 차량이 곡선승강장 통과시 속도에 대한 영향을 자세히 분석하고자 차량 속도 35km/와 55km/h에 대해 해석을 진행하였다. 그 결과 규정된 속도에서는 차량운행에 안전한 것으로 판단된다.
- 마모는 도시철도차량이 운행하면서 마찰과 여러 가지 영향으로 인하여 휠 또는 레일이 손상이 가는 것을 말한다. 이처럼 마모에 의하여 휠 또는 레일의 높낮이가 달라지고 이는 도시철도차량이 곡선선로에 진입 시 회전 중심의 변화가 발생하며, 이로 인해 회전 중심의 위치가 바뀌면 차량의 동적 거동에도 영향이 미치는 것을 충분히 예상할 수 있으며 마모에 의한 도시철도차량의 동적 차량한계 해석을 수행하였다. Fig.
- 첫 번째로 기존 요인이었던 속도의 유무에 따른 동적차량 한계를 분석하였으며, 이는 PSD가 설치되어진 플랫폼 안에 도시철도차량이 진입 시 속도를 줄이지 않고 그냥 지나치는 경우(45km/h)와 멈추는 경우(45→0km/h)를 가정하였고, 두번째는 현재 선로가 KS50N에서 KS60으로 바뀌고 있는 중에 있기 때문에 이 두 선로의 차이가 차량한계에 미치는 영향을 분석하였으며, 세 번째는 차량의 종류에 의한 동적차량한계에 대해 분석하였는데 현재 도시철도에서 운행 중인 차량의 종류에는 도시철도차량 표준규격에 나와 있는 A, B type에 대한 분석을 수행하였고, 마지막으로 네 번째는 차량의 type별 구성 조건에 따른 동적차량한계를 분석한 것으로 2량 1편성 기준으로 하였을 때 T_Car-M_Car, M_CarM_Car, T_Car-T_Car의 구성으로 분석을 수행하였다.
- 도시철도차량은 최대 승객 30ton 까지 승차할 수 있으며, 최대 30ton의 승객하중을 고려하여 시뮬레이션을 한 결과 동적차량한계가 크게 나오는 것을 확인하였다. 하중의 영향도를 자세히 분석하고자 승객이 타지 않았을 경우(0ton)와 최대 승객하중의 절반 정도인 승객이 승차하였을 때(15ton)를 비교하여 승객하중에 대한 영향도를 분석하였다.
대상 데이터
- 첫 번째로 기존 요인이었던 속도의 유무에 따른 동적차량 한계를 분석하였으며, 이는 PSD가 설치되어진 플랫폼 안에 도시철도차량이 진입 시 속도를 줄이지 않고 그냥 지나치는 경우(45km/h)와 멈추는 경우(45→0km/h)를 가정하였고, 두번째는 현재 선로가 KS50N에서 KS60으로 바뀌고 있는 중에 있기 때문에 이 두 선로의 차이가 차량한계에 미치는 영향을 분석하였으며, 세 번째는 차량의 종류에 의한 동적차량한계에 대해 분석하였는데 현재 도시철도에서 운행 중인 차량의 종류에는 도시철도차량 표준규격에 나와 있는 A, B type에 대한 분석을 수행하였고, 마지막으로 네 번째는 차량의 type별 구성 조건에 따른 동적차량한계를 분석한 것으로 2량 1편성 기준으로 하였을 때 T_Car-M_Car, M_CarM_Car, T_Car-T_Car의 구성으로 분석을 수행하였다. 그 결과 영향인자 분석을 위한 해석 조건으로 차량한계에 크게 영향을 미치는 것으로 차량의 종류는 A type 전동차로 레일의 종류는 KS60으로 속도는 역사를 규정된 45km/h로 진행하고, 차량의 구성은 전동차의 선두차량 구성인 T_Car-M_Car로 선정하였다.
- 동역학 해석 모델은 도시철도차량 1량에 대해 7개의 강체로 모델링되었으며, 휠셋과 대차프레임 사이에는 1차 현수장치로 연결되고 대차와 구조체는 2차 현수장치로 연결된다. Fig.
- 5과 같이 clothoid curve 식을 이용해 완화곡선과 곡률 반경을 구현하였으며, 캔트는 생성된 좌우 선로의 수직 방향 값을 변경하고, 슬래그는 곡선 부위의 안쪽 선로만 곡면 안쪽으로 더 벌려주어 직선구간, 완화구간, 곡선구간이 있으며, 캔트와 슬래그가 적용된 선로를 모델링하였다. 레일은 KS R9106 규격에 나와 있는 50kgN과 60kg 두 가지 레일로 모델링하였다.
이론/모형
- 휠과 레일 사이의 접촉은 DAFUL에서 제공하는 접촉 요소를 사용하여 Fig. 4와 같이 정의하였고, DAFUL의 접촉 요소는 접촉 상수와 감쇠 계수를 이용하여 침투량을 허용하는 컴플라이언스 방법을 사용하여 접촉력을 계산하며, 마찰은 쿨롱 마찰을 정의하도록 하였다. 또한 비선형적인 형상을 그대로 살려서 모델링을 하였고, 휠 접촉 부분에 대한 복원력과 감쇠력은 식 (1)과 같이 구할 수 있으며, 이를 통해 접촉면에서의 수직하중을 (2)와 같이 구한다.
성능/효과
- 이는 속도에 영향을 받는다는 것을 알 수가 있었으며 차량이 곡선승강장 통과시 속도에 대한 영향을 자세히 분석하고자 차량 속도 35km/와 55km/h에 대해 해석을 진행하였다. 그 결과 규정된 속도에서는 차량운행에 안전한 것으로 판단된다. Fig.
- 도시철도차량은 최대 승객 30ton 까지 승차할 수 있으며, 최대 30ton의 승객하중을 고려하여 시뮬레이션을 한 결과 동적차량한계가 크게 나오는 것을 확인하였다. 하중의 영향도를 자세히 분석하고자 승객이 타지 않았을 경우(0ton)와 최대 승객하중의 절반 정도인 승객이 승차하였을 때(15ton)를 비교하여 승객하중에 대한 영향도를 분석하였다.
- 도시철도차량이 곡선승강장을 통과할 때 정차하는 경우와 승강장 통과시 규정된 최대 속도로 무정차로 지나가는 경우 운영기관에서는 속도를 45km/h로 제한하고 있는 것을 고려하여 해석을 진행하였으며 그 결과 무정차로 지나갔을 때가 정차하였을 때 보다 더 큰 동적 거동을 보였다. 이는 속도에 영향을 받는다는 것을 알 수가 있었으며 차량이 곡선승강장 통과시 속도에 대한 영향을 자세히 분석하고자 차량 속도 35km/와 55km/h에 대해 해석을 진행하였다.
- 1에 정의된 흐름도에 따라 연구를 진행하였다. 또한 해석에 사용한 DAFUL의 검증을 위해 기존에 사용되고 있는 IDEAS 프로그램과 검증을 하였으며, 차량의 대차모델 해석을 통해 비교 분석한 결과 기존 해석프로그램인 IDEAS에 대한 상대오차가 3.22%정도인 것으로 나타났다[6].
- 시뮬레이션 결과 레일의 곡선반경에 의한 차량의 진입 각도가 달라지면서 후미 부분에 있어서 더 많은 동적 거동이 확인되었지만 전체적인 영향도에 있어서 T_Car의 경우에는 곡선반경이 작아지면 훨씬 큰 동적 거동이 보이지만(반대로 곡선반경이 커지면 이는 직선과 가까워지는 것이므로 동적 거동이 작아진다). M_Car의 경우 일정한 패턴이 나타나지 않았다.
- 해석 결과를 보면 각 영향 인자별 가장 큰 변위를 나타낸 것은 T-Car의 경우 운행 속도에서 약 128.0mm의 변위를 보였고, M-Car에서는 휠 Side 마모에서 약 113.5mm의 변위를 보이고 있는데 이는 PSD와 차량한계사이의 최소한의 거리 210mm(도시철도차량의 상부) 이내에 들어오는 수치로 현재의 PSD 설치 기준은 매우 안전한 수치임을 알 수가 있다.
후속연구
- 또한, 본 논문에서는 여러 가지 인자를 고려한 동적차량 Envelope 해석방법을 제시 하였고 각각의 인자에 대한 영향도를 분석하였다. 이는 기존의 건축물에 안전 또는 운영상 필요한 설비를 추가로 설치하거나 신설 노선을 계획할 때 차량한계와 건축한계의 최적조건을 선정하는데 본 논문에서 제시한 방법이 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 추가적으로 도시철도 노선의 특성과 노선별 차량을 대상으로 해석결과와 시험결과 비교를 통해 보다 더 정밀한 해석결과 값을 가질 수 있도록 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
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