최근 연구결과 레일연마 및 장대레일화를 통해 누적통과톤수에 의한 레일교체기준의 연장이 가능한 것으로 보고되었다. 본 연구에서는 장기 사용레일에 대한 실내피로시험을 수행하였고, 파괴확률 50%에서의 장기 사용레일의 잔존수명을 표현한 S-N 선도는 적은 실험데이터에 대한 가중치 확률 해석기법을 사용하여 도출하였다. 여기서 피로시험에 사용된 레일들이 누적통과톤수가 서로 다르기 때문에 누적통과톤수를 평균하여 반복횟수를 수정하였다. 또한, 레일표면요철 및 열차속도를 고려한 레일 저부 휨응력은 기존 연구결과 도출된 레일휨응력 예측식을 사용하여 장기 사용레일의 잔존수명을 평가하였다. 따라서 본 연구를 통해 도시철도에서 레일연마를 통한 레일관리가 이루어진다면 누적통과톤수에 의한 레일교체기준(약 8억톤)보다 약 2억톤이상 연장 사용이 가능하며, 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로시험결과를 바탕으로 레일의 피로수명을 평가하기 위해서는 수정마이너법칙보다는 피로한도 이상에서의 S-N선도 기울기의 1/2인 하이바크법칙을 적용하는 것이 합리적이라 판단되었다.
최근 연구결과 레일연마 및 장대레일화를 통해 누적통과톤수에 의한 레일교체기준의 연장이 가능한 것으로 보고되었다. 본 연구에서는 장기 사용레일에 대한 실내피로시험을 수행하였고, 파괴확률 50%에서의 장기 사용레일의 잔존수명을 표현한 S-N 선도는 적은 실험데이터에 대한 가중치 확률 해석기법을 사용하여 도출하였다. 여기서 피로시험에 사용된 레일들이 누적통과톤수가 서로 다르기 때문에 누적통과톤수를 평균하여 반복횟수를 수정하였다. 또한, 레일표면요철 및 열차속도를 고려한 레일 저부 휨응력은 기존 연구결과 도출된 레일휨응력 예측식을 사용하여 장기 사용레일의 잔존수명을 평가하였다. 따라서 본 연구를 통해 도시철도에서 레일연마를 통한 레일관리가 이루어진다면 누적통과톤수에 의한 레일교체기준(약 8억톤)보다 약 2억톤이상 연장 사용이 가능하며, 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로시험결과를 바탕으로 레일의 피로수명을 평가하기 위해서는 수정마이너법칙보다는 피로한도 이상에서의 S-N선도 기울기의 1/2인 하이바크법칙을 적용하는 것이 합리적이라 판단되었다.
As a result of recent research, it is reported that the periodic replacements criterion of rails is able to extend as grinding rail surface and using the continuous welded rail (CWR). In this study, we carried out fatigue tests on existing laid rails. Based on the test results, an S-N curve expressi...
As a result of recent research, it is reported that the periodic replacements criterion of rails is able to extend as grinding rail surface and using the continuous welded rail (CWR). In this study, we carried out fatigue tests on existing laid rails. Based on the test results, an S-N curve expressing the remaining life of laid rails at a fracture probability of 50% was obtained using weighted probit analysis suitable for small-sample fatigue data sets. As rails used for testing had different histories in terms of accumulated tonnage, the test data were corrected to average out the accumulated tonnage. We estimated the remaining service lives for laid rails on the urban railway using equations developed in the past to estimate rail base bending stress and that surface irregularities into consideration. Therefore, estimating the remaining service life of laid rails showed that the rail replacement period could be extended over 200 MGT, although it is necessary to remove longitudinal rail surface irregularities at welds by grinding. Also, the fatigue test results under fatigue limit, Haibach's rule appling half slope of S-N curve under the fatigue limit was considered more reasonable than modified Miner's rule for estimating rail fatigue life.
As a result of recent research, it is reported that the periodic replacements criterion of rails is able to extend as grinding rail surface and using the continuous welded rail (CWR). In this study, we carried out fatigue tests on existing laid rails. Based on the test results, an S-N curve expressing the remaining life of laid rails at a fracture probability of 50% was obtained using weighted probit analysis suitable for small-sample fatigue data sets. As rails used for testing had different histories in terms of accumulated tonnage, the test data were corrected to average out the accumulated tonnage. We estimated the remaining service lives for laid rails on the urban railway using equations developed in the past to estimate rail base bending stress and that surface irregularities into consideration. Therefore, estimating the remaining service life of laid rails showed that the rail replacement period could be extended over 200 MGT, although it is necessary to remove longitudinal rail surface irregularities at welds by grinding. Also, the fatigue test results under fatigue limit, Haibach's rule appling half slope of S-N curve under the fatigue limit was considered more reasonable than modified Miner's rule for estimating rail fatigue life.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 누적통과톤수 8억톤 이상의 도시철도장기 사용레일에 대한 피로시험을 수행하였으며, 잔존피로수명을 평가하고자 하였다. 또한, 피로한도 이하에 대한 피로시험을 통해 피로한도 이하 피로해석기법의 적정성을 평가하고자 하였다.
이러한 파단유형은 실제 현장에서 파단된 유형들과 유사한 것으로 분석되었다. 또한, 본 연구에서는 피로하중을 받은 레일의 파단면을 검토하여 피로하중에 의한 초기 균열 발생위치를 파악하고자 하였다. 초기균열 발생위치를 분석한 결과는 Figure 9와 같다.
따라서 본 연구에서는 누적통과톤수 8억톤 이상의 도시철도장기 사용레일에 대한 피로시험을 수행하였으며, 잔존피로수명을 평가하고자 하였다. 또한, 피로한도 이하에 대한 피로시험을 통해 피로한도 이하 피로해석기법의 적정성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 장기 사용레일의 피로수명을 평가하기 위해 레일 피로시험을 3가지 목적(S-N선도 도출, 동적증폭효과 고려, 피로한도 이하 피로해석기법 선정)에 대해 수행하였고, 파괴확률에 따른 S-N선도를 분석하여 장기 사용레일에 대한 피로수명을 평가하고자 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
하지만 피로시험편에 대한 다양한 변수들이 존재하기 때문에 안전측 레일 피로수명을 평가하기 위해서는 파괴확률을 1%이하로 평가하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 파괴확률 1%이하에 대한 장기 사용레일의 잔존수명을 평가하고자 하였다.
가설 설정
레일 피로시험의 하중조건에서 적용하게 되는 최소응력은 본 시험이 인장반복하중시험으로 설정되었기 때문이며, 온도응력 등의 축응력을 전단면에 동일하게 작용시켜 피로강도특성에서 평균 응력으로써 고려할 필요가 있기 때문이다. 온도응력은 지역에 따라서 다른 사계의 변화에 의해 변동하는 온도응력분포가 고려되는데, 평균적인 효과를 고려해 1년 중 발생하는 인장응력의 1/4을 고려하여 100MPa의 인장응력이 작용한다고 가정함으로써 레일 휨강도시험 시 최소응력 30MPa이 레일저부에 휨응력으로써 발생하도록 하중조건을 설정하였다(Ishida, 1990).
제안 방법
Ishida(1990)이 제시한 요철지수 7, 열차속도 100km/h에 대한 응력확률밀도함수를 장기 사용레일 피로시험을 통해 보정된 S-N선도에 적용함으로써 선형누적피로손상법칙에 의한 장기 사용레일의 잔존 피로수명을 산정하였다. Table 7과 같이 파괴확률에 따른 장기 사용레일의 잔존 피로수명과 전체 피로수명이 평가되었다.
Ishida(1990)는 장대레일 교체주기를 산정하는데 있어 요철지수 7에 대한 응력확률밀도함수를 적용하였으며, 국내에서도 요철지수 7, 열차속도 100km/h에 대한 피로수명 평가를 통해 레일교체주기(안)을 정한바 있다(서울메트로, 2009). 따라서 본 연구에서는 Table 1에서 제시한 응력확률밀도함수를 적용하여 레일 피로수명을 평가하고자 하였으며, 요철지수 7, 열차속도 100km/h에 대한 응력확률밀도함수는 Figure 3과 같다.
6억톤을 받은 자갈도상 50kgN 테르밋용접레일 12개이며, 실내 피로시험 전에 초음파탐상 및 자분탐상을 통한 균열이 존재하지 않음을 확인하였다. 또한, 모든 시험편은 주기적인 레일연마를 통해 레일관리가 이루어져 왔고, 시험편 발췌전에 레일연마를 실시하여 동일한 표면상태를 가지도록 하였다.
시험편 #1～#4, #7～#11은 장기 사용 테르밋용접레일 S-N선도를 도출하고, 장기 사용레일의 잔존 피로수명을 피로해석이론에 기초하여 산정하기 위해 피로한도 이상의 응력범위를 적용하였다. 시험편 #5, #6, #12은 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로해석기법(Modified Miner's rule 또는 Haibach's rule)을 선정하는데 근거자료가 필요하다고 판단되어 피로한도 이하의 응력범위에 대하여 700만회 또는 1000만회까지 피로시험을 진행하였다.
시험편 #5, #6, #12은 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로해석기법(Modified Miner's rule 또는 Haibach's rule)을 선정하는데 근거자료가 필요하다고 판단되어 피로한도 이하의 응력범위에 대하여 700만회 또는 1000만회까지 피로시험을 진행하였다.
피로시험을 위한 하중파형은 Figure 5와 같다. 실물 레일용접부 휨 파괴강도시험을 통해 50kgN 레일용접부의 항복강도는 약 690MPa이었으며(Sung, 2010), 본 연구에서는 레일용접부가 항복하지 않는 범위에서 하중을 재하하도록 하였다.
또한, 발생 응력범위가 피로한도 이하일 경우, 실제하중을 실제 피로수명동안 시험하는 것은 오랜 시간과 엄청난 비용이 소요되므로 비경제적이다. 실제 레일에 단순 반복하중을 가하여 얻은 수명데이터(S-N선도)로부터 피로해석을 수행하여 수명을 예측하거나, 노치(Notch)가 있는 CT 시험편 시험으로부터 얻은 데이터로부터 레일의 수명을 예측한다. 하지만 CT시험편 시험으로부터 피로수명을 예측하는 방법은 하중 효과, 치수효과, 표면처리효과 등 여러 가지 사항에 대하여 고려해주어야 하며, 이상화된 시험편을 이용하기 때문에 실제 피로수명과는 다르게 평가될 수 있다.
피로시험을 위한 하중파형은 싸인파(sine wave)로 일정한 응력이 반복되어 작용하도록 하였으며, 하중재하속도는 2～4Hz, 인장반복하중(응력비 R>0)으로 하였다.
대상 데이터
파단된 장기 사용레일 시험편에 대한 파단유형은 Figure 7과 같다. 시험편 총 12개에서 미파단 시험편을 제외하고 모든 시험편이 하중재하점사이에서 파단되었다. 이러한 경향은 신품레일용접부에 대한 피로시험결과(Sung, 2010)와 동일한 결과이며, 실제 현장에서 발생하는 레일용접부 파단경향(KRRI, 1998)과도 동일하다 할 수 있다.
이에 도시철도 장기 사용레일에 대한 실물 휨피로시험을 수행하였으며, 본 연구에서 수행한 실물 레일 휨 피로시험은 2,500kN 피로시험기(Saginomya, 일본)에 Figure 4와 같은 지그를 이용하였고, 4점 휨 피로시험방법을 사용하였다. 시험편은 지점거리 1,300mm를 고려하여 1,500mm로 하였고, 용접부가 중앙에 위치하도록 제작하였다.
피로시험의 특성상 하나의 시험편에 대하여 오랜 시간동안 하중을 반복해서 재하해야 하고, 시험편보다 먼저 피로파괴가 발생하는 것을 예방하기 위해 시험지그는 충분한 강도를 지니고 있어야 한다. 이에 도시철도 장기 사용레일에 대한 실물 휨피로시험을 수행하였으며, 본 연구에서 수행한 실물 레일 휨 피로시험은 2,500kN 피로시험기(Saginomya, 일본)에 Figure 4와 같은 지그를 이용하였고, 4점 휨 피로시험방법을 사용하였다. 시험편은 지점거리 1,300mm를 고려하여 1,500mm로 하였고, 용접부가 중앙에 위치하도록 제작하였다.
이론/모형
Modified Miner's rule과 Haibach's rule 중 어느 것을 적용하느냐는 철도운영자 또는 연구자에 따라 다를 수 있으며, 피로수명을 고려한 레일 교체주기를 산정한 일본에서는 Haibach's rule을 적용하였다(Ishida, 1990).
성능/효과
(1) 장기 사용레일(누적통과톤수 약 8억톤)에 대한 피로시험결과, 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로수명을 평가하는데 있어 Modified miner's rule에 의한 피로수명 평가치보다 실제 피로 수명이 높은 것으로 평가되어 레일 피로수명 산정 시 Modified miner's rule을 적용할 경우 과도한 안전측 결과가 발생할수 있으며, Miner's rule에 의한 피로수명 평가의 경우 무한수명으로 평가되기 때문에 장대레일에 대한 안전관리 목표치를 제시할 수 없으므로 Haibach's rule에 의한 피로수명을 평가하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다.
(2) 장기 사용레일에 대한 피로수명을 파괴확률에 따라 평가한 결과, 파괴확률 0.1%에 대한 잔존수명은 약 2.5억톤인 것으로 분석되었으며, 전체 피로수명은 약 10.3억톤인 것으로 분석되 었다. 이러한 결과는 자갈궤도 50kg/m레일의 교체주기(안)인 8억톤을 상회하는 것이며, 운영자 측면에서 결정되는 파괴확률에 따라 사용가능 통과톤수가 달라진다는 점을 고려한다면 누적통과톤수에 의한 레일교체주기(안)을 유지관리를 위한 목표치로써 관리하는 것은 적정하다고 판단된다.
따라서 레일탐상차로는 반복적인 하중에 의한 레일피로로 인해 레일저부에서 발생하는 초기균열을 검출하는데 한계가 있는 것으로 분석되었으며, 레일저부 중앙을 벗어난 균열을 검출할 수 있는 기법이 필요한 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 누적통과톤수에 의한 레일교체주기 설정이 타당함을 입증하는 자료라 할 수 있다.
01～50%에 대한 장기 사용레일의 피로수명을 평가한 결과, 레일교체주기(자갈궤도 50kg/m레일 : 8억톤, 목표치) (Seoulmetro, 2009)를 상회하는 것으로 분석되었다. 또한, 누적통과톤수 약 8.6억톤을 받은 장기 사용레일의 경우 파괴확률 0.01%에 대하여 잔존 피로수명이 약 1.73억톤, 파괴확률 0.1%에 대하여 잔존 피로수명이 약 2.54억톤으로 평가되었다.
(1) 장기 사용레일(누적통과톤수 약 8억톤)에 대한 피로시험결과, 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로수명을 평가하는데 있어 Modified miner's rule에 의한 피로수명 평가치보다 실제 피로 수명이 높은 것으로 평가되어 레일 피로수명 산정 시 Modified miner's rule을 적용할 경우 과도한 안전측 결과가 발생할수 있으며, Miner's rule에 의한 피로수명 평가의 경우 무한수명으로 평가되기 때문에 장대레일에 대한 안전관리 목표치를 제시할 수 없으므로 Haibach's rule에 의한 피로수명을 평가하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 또한, 실 열차하중의 동적증폭효과를 고려한 응력을 적용한 경우 1천만회까지 미파단되었으며, 이러한 결과는 도시철도 열차하중(축중) 적용 시약 1.6억톤(총 9.6억톤)까지 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 표본 장기 사용레일이 이와 같은 결과를 대표하기에는 시험편 수가 다소 부족하고, 실제 현장에서는 레일표면요철로 인한 레일휨응력 증가현상이 발생할 수 있기 때문에 계속적으로 표본 장기 사용레일에 대하여 실 열차하중과 동적증폭효과를 고려한 피로시험이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
레일저부 중앙을 벗어난 저면 및 레일저부 윗면의 경우에는 레일탐상차를 통해 검출이 불가능한 유형이며, 휴대용 초음파탐상기를 이용하여 2탐촉자법에 의해 검출이 가능하다. 레일 피로시험 결과, 초기균열 발생위치는 레일저부 중앙과 중앙을 벗어난 저면에서 5개(약 55.6%), 레일저부 윗면에서 4개(약 44.4%) 발생하였다.
본 연구에서 도출된 S-N선도식은 총 데이터수 12개(파단 데이터 9개, 미파단 데이터 3개)이며, 결정계수가 0.85이상으로 매우 높은 신뢰도를 보이고 있다.
시험편 #5, #6, #12에 대한 피로시험결과를 통해 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로수명을 평가하는데 있어 Modified miner's rule에 의한 피로수명 평가치보다 실제 피로수명이 높은 것으로 평가되었다.
실내 피로시험을 하기 위한 시험편은 누적통과톤수 약 8.6억톤을 받은 자갈도상 50kgN 테르밋용접레일 12개이며, 실내 피로시험 전에 초음파탐상 및 자분탐상을 통한 균열이 존재하지 않음을 확인하였다. 또한, 모든 시험편은 주기적인 레일연마를 통해 레일관리가 이루어져 왔고, 시험편 발췌전에 레일연마를 실시하여 동일한 표면상태를 가지도록 하였다.
즉, 도시철도실 열차하중에 동적증폭효과를 고려한 응력범위 96MPa(최대하중 120kN : 정적하중 60kN+동적증폭효과40kN)의 경우 1천만회까지 미파단되었다. 이러한 결과는 도시철도 열차하중(축중) 160kN 에 대하여 통과톤수로 환산 시 1.6억톤에 해당하기 때문에 표본 장기 사용레일에 대한 피로시험결과 약 1.6억톤까지는 추가 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 실제 현장에서는 차륜과 레일의 마찰로 인해 레일표면에 요철이 발생하게 되고, 이는 레일저부 휨응력을 증가시켜 레일 피로수명을 감소시키기 때문에 이에 대한 결과를 그대로 적용하기에는 무리가 있다.
파괴확률 0.01～50%에 대한 장기 사용레일의 피로수명을 평가한 결과, 레일교체주기(자갈궤도 50kg/m레일 : 8억톤, 목표치) (Seoulmetro, 2009)를 상회하는 것으로 분석되었다. 또한, 누적통과톤수 약 8.
실내 피로시험 후 파단유형을 분석한 결과는 Figure 8과 같다. 파단유형 분석 결과, 총 12개 시험편 중 200만회 미파단 3개, 휨피로파단 9개가 발생하였다. 이러한 파단유형은 실제 현장에서 파단된 유형들과 유사한 것으로 분석되었다.
Figure 13에서와 같이 Haibach's rule적용 시 파괴확률 5%이하의 경우에는 피로한도 이하의 응력범위에 대한 피로시험 데이터를 포함할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 피로시험편에 대한 다양한 변수들이 존재하기 때문에 안전측 레일 피로수명을 평가하기 위해서는 파괴확률을 1%이하로 평가하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 파괴확률 1%이하에 대한 장기 사용레일의 잔존수명을 평가하고자 하였다.
후속연구
(3) 본 연구에서 평가된 장기 사용레일의 피로수명은 실제 철도운영조건에 비해 열차속도 100km/h, 요철지수 7에 대한 응력확률밀도함수와 S-N선도의 파괴확률 0.1% 등 충분한 안전율이 적용된 결과값이기 때문에 레일용접부 결함관리와 주기적인 레일연마를 통한 레일표면요철 및 손상관리, 레일마모에 의한 단면적 감소에 대한 관리가 이루어진다면 계속적인 사용이 가능할 것으로 판단된다.
6억톤)까지 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 표본 장기 사용레일이 이와 같은 결과를 대표하기에는 시험편 수가 다소 부족하고, 실제 현장에서는 레일표면요철로 인한 레일휨응력 증가현상이 발생할 수 있기 때문에 계속적으로 표본 장기 사용레일에 대하여 실 열차하중과 동적증폭효과를 고려한 피로시험이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고속화, 고밀화 열차운행을 가능케 하기 위해 무엇이 동반되어야 하는가?
고속화, 고밀화 열차운행을 가능하게 하기 위해서는 안정적인 선로구축 및 과학적이고 체계적인 궤도유지보수가 동반되어야 한다. 특히, 도시철도 레일은 대량의 여객을 수송하기 위한 수단으로 매우 가치가 높은 궤도구성품 중 하나이며, 열차의 주행안정성 및 탈선방지를 위해 레일 피로파단에 대한 신뢰성 확보가 엄격히 요구되고 있다.
레일탐상차로는 반복적인 하중에 의한 레일피로로 인해 레일저부에서 발생하는 초기균열을 검출하는데 한계가 있는 이유는?
레일저부 중앙을 벗어난 저면 및 레일저부 윗면의 경우에는 레일탐상차를 통해 검출이 불가능한 유형이며, 휴대용 초음파탐상기를 이용하여 2탐촉자법에 의해 검출이 가능하다. 레일 피로시험 결과, 초기균열 발생위치는 레일저부 중앙과 중앙을 벗어난 저면에서 5개(약 55.6%), 레일저부 윗면에서 4개(약 44.4%) 발생하였다.
최근 무엇을 통해 누적통과톤수에 의한 레일교체기준의 연장이 가능한 것으로 보고되었는가?
최근 연구결과 레일연마 및 장대레일화를 통해 누적통과톤수에 의한 레일교체기준의 연장이 가능한 것으로 보고되었다. 본 연구에서는 장기 사용레일에 대한 실내피로시험을 수행하였고, 파괴확률 50%에서의 장기 사용레일의 잔존수명을 표현한 S-N 선도는 적은 실험데이터에 대한 가중치 확률 해석기법을 사용하여 도출하였다.
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