[논문]종곡선/완화곡선 경합 해외사례 및 해석적 검토

엄주환

문제 정의

스웨덴의 Kufver(1997)는 곡선부 승차감에 미치는 중요한 선형요소인 완화곡선부 전용 승차감 평가방법으로 BSI(2009)에서 제안한(Passenger Comfort)방법이 가장 합리적인 방법이라고 제안하고 있다. 따라서 본 연구에서도 방법을 적용하여 경합구간의 승차감을 평가하고자 한다.
본 고에서는 종곡선과 완화곡선의 경합에 대한 해외사례 및 기준에 대해 간단히 기술하였으며, 이와 더불어 시뮬레이션을 통하여 완화곡선과 종곡선 경합 시 열차의 승차감 및 주행안전성과 궤도작용력에 대한 검토를 수행하여 콘크리트 궤도상 종곡선/완화곡선 경합 조건에 대한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
본 고에서는 철도선형에서 종곡선과 완화곡선의 다양한 경합조건에 대한 기초검토를 위해 국내외 관련기준과 해외사례에 대해 간략히 소개하였으며, 또한 자갈도상과 콘크리트 도상에 대해 종곡선과 완화곡선의 경합조건별로 차량/궤도선형 상호작용 해석을 수행하여 차량의 주행안전성과 승차감, 그리고 궤도작용력을 비교 분석 하여 완화 곡선상 종곡선과의 경합에 대한 영향을 해석적으로 살펴보고자 하였다.
본 장에서는 종곡선과 완화곡선의 경합여부에 따라 차량/궤도선형 상호작용 해석을 수행하여 도상종별 열차의 주행안정성, 승차감, 그리고 궤도작용력의 비교 분석결과에 대해 간단히 기술하였다.

제안 방법

는 완화곡선상에서 횡가속도, 횡저크, 롤속도를 고려하여 평가하는 시스템이며 평가기준은 백분율(%)로서, 이 값이 클수록 승차감이 나쁘다는 것을 의미한다. 그리고 본 연구에서는 불리한 조건을 고려하여 입석에 대해서만 평가를 수행하였다.
종곡선과 완화곡선 경합에 따른 궤도형식별 영향을 해석적으로 검토하기 위해 현행 국내에서 적용하고 있는 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 하여 표 4에서 보는 바와 같이 가장 불리한 조건을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다. 또한 종곡선의 형태별, 즉 볼록(convex)/오목(concave)곡선에 대해서도 비교검토를 수행하였다.
열차속도에 따른 영향을 분석하기 위해, 해석 시 열차속도는 현재 국내 고속선의 운행속도와 향후 속도향상을 고려하여 300km/h, 350km/h, 400km/h에 대해 검토를 수행하였다.
종곡선과 완화곡선 경합에 따른 궤도형식별 영향을 해석적으로 검토하기 위해 현행 국내에서 적용하고 있는 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 하여 표 4에서 보는 바와 같이 가장 불리한 조건을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다. 또한 종곡선의 형태별, 즉 볼록(convex)/오목(concave)곡선에 대해서도 비교검토를 수행하였다.

대상 데이터

해석에 사용된 프로그램은 상용프로그램인 VAMPIRE를 이용하였으며, 차량모델은 한국철도 기술연구원에서 개발한 한국형고속열차모델을 이용하였다. 해석차량은 총 7량으로 구성되어 있으며, 10개의 보기와 20개의 윤축을 가지고 있다. 다음 그림 2는 해석에 사용된 차량모델 현황을 보여주고 있으며, 표 2에서는 해석차량의 주요 제원을 나타내고 있다.

이론/모형

경합 시 차량의 주행안전성 및 승차감을 분석하기 위해 현재 국내의 철도건설기준규정(2008)에서 가장 불리한 선형조건을 적용하여 경합조건별 해석을 수행하였다. 그림 5∼그림 8에서 도상종별, 경합조건별 해석결과를 보여주고 있다.
선형매개변수 해석을 위한 궤도구조모델은 VAMPIRE 상의 기본모델을 활용하였으며, 레일은 UIC60레일을 적용하였다. 표 3에서 해석에 사용된 물성치를 보여주고 있다.
해석에 사용된 프로그램은 상용프로그램인 VAMPIRE를 이용하였으며, 차량모델은 한국철도 기술연구원에서 개발한 한국형고속열차모델을 이용하였다. 해석차량은 총 7량으로 구성되어 있으며, 10개의 보기와 20개의 윤축을 가지고 있다.

성능/효과

) 측면에서는 그림 5에서 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.
그리고 탈선계수는 평면선형만 있는 경우에 비해 약 1.2∼1.9배정도 크게 나타났으나, 기준치인 0.8에는 훨씬 못 미치는 것으로 나타났다.
8에는 훨씬 못 미치는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 해외사례에서도 알 수 있듯이 콘크리트궤도상 평면곡선(완화곡선 및 원곡선)과 종곡선과의 다양한 경합조건을 허용하고 있음을 알 수 있었으며, 해석결과에서도 경합인 경우에도 승차감 및 주행안전성, 그리고 궤도작용력 측면에서는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타나, 향후 콘크리트궤도에 대해서도 종곡선과 완화곡선의 경합도 가능할 것으로 판단된다. 그리고 본 연구를 바탕으로 향후에도 경합의 다양한 조건에 대한 충분한 해석적인 검토를 통해 구체적인 경합조건에 대한 설계 및 시공 방안에 대해서도 보완검토가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
이상의 결과로부터, 현행 국내기준상 가장 불리한 선형 조건으로 해석을 수행한 결과에서도 도상종별로 종곡선과 완화곡선 경합시 차량의 주행안전성 및 궤도에 미치는 작용력이 표 5의 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.
해석결과, 완화곡선과 종곡선이 경합되었을 때, 승차감은 경합인 경우가 평면선형만 있는 경우에 비해 1.0∼1.2배 정도로서 거의 유사하게 나타났으며, 궤도작용력에 대해서는 윤중이 최대144kN, 횡압이 최대 33.3kN으로 나타나 기준과 비교해 안전함을 알 수 있었다.

후속연구

이상의 결과로부터 해외사례에서도 알 수 있듯이 콘크리트궤도상 평면곡선(완화곡선 및 원곡선)과 종곡선과의 다양한 경합조건을 허용하고 있음을 알 수 있었으며, 해석결과에서도 경합인 경우에도 승차감 및 주행안전성, 그리고 궤도작용력 측면에서는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타나, 향후 콘크리트궤도에 대해서도 종곡선과 완화곡선의 경합도 가능할 것으로 판단된다. 그리고 본 연구를 바탕으로 향후에도 경합의 다양한 조건에 대한 충분한 해석적인 검토를 통해 구체적인 경합조건에 대한 설계 및 시공 방안에 대해서도 보완검토가 수행되어야 할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도노선 설계 시 중요한 요소는?	철도노선 설계 시 평면 및 종단선형의 적정설계는 매우 중요한 요소라고 할 수 있는데, 특히 이들 두 선형이 경합하는 경우에는 선로유지보수, 차량의 주행안전성과 승차감 등에 큰 영향을 끼친다. 그러므로 설계에서는 가급적 경합을 피하고 있으며, 이러한 선로경합을 피하기 위해서 설계상의 어려움과 더불어 많은 경제적 비용이 수반될 수 있다.
	철도건설규칙 및 건설기준 규정은 어떠한 도상에 적용되어온 기준인가?	실제로 국내 경부고속선의 경우 상당부분의 평면곡선이 종곡선과 경합되어 있는 것이 현실이다. 그러나 이러한 기준들은 지금까지 콘크리트궤도에 비해 상대적으로 궤도강성이 약하고 유지보수가 어려운 자갈도상 궤도에 주로 적용되어온 기준이다.
	선형이 경합하는 경우 생길 수 있는 영향은?	철도노선 설계 시 평면 및 종단선형의 적정설계는 매우 중요한 요소라고 할 수 있는데, 특히 이들 두 선형이 경합하는 경우에는 선로유지보수, 차량의 주행안전성과 승차감 등에 큰 영향을 끼친다. 그러므로 설계에서는 가급적 경합을 피하고 있으며, 이러한 선로경합을 피하기 위해서 설계상의 어려움과 더불어 많은 경제적 비용이 수반될 수 있다.

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