국내에서 운행중인 프랑스 알스톰에서 도입된 고속철도차량인 KTX의 승강문 접이식 발판이 유럽 표준 규격인 EN14752를 따르고 있으나 접이식 스텝 동작 시 발판 형성 폭이 200mm가 되어 국내 20세에서 60세의 발평균 사이즈인 253mm에 미치지 못하고 있다. 신체구조 상 신체 하중은 발 뒤축에 대부분 걸리므로 현재의 발판은 승하차 시 전도나 미끄러짐이 발생 할 수 있는 위험이 존재하고 있으며, 실제 발생을 하고 있다. 이에 기존 차량 조건 내에서 발판의 폭을 확대하여 스텝 개념설계(안)의 구조해석을 수행하고 이의 안전성을 검토하였다.
국내에서 운행중인 프랑스 알스톰에서 도입된 고속철도차량인 KTX의 승강문 접이식 발판이 유럽 표준 규격인 EN14752를 따르고 있으나 접이식 스텝 동작 시 발판 형성 폭이 200mm가 되어 국내 20세에서 60세의 발평균 사이즈인 253mm에 미치지 못하고 있다. 신체구조 상 신체 하중은 발 뒤축에 대부분 걸리므로 현재의 발판은 승하차 시 전도나 미끄러짐이 발생 할 수 있는 위험이 존재하고 있으며, 실제 발생을 하고 있다. 이에 기존 차량 조건 내에서 발판의 폭을 확대하여 스텝 개념설계(안)의 구조해석을 수행하고 이의 안전성을 검토하였다.
The KTX, running in Korea but imported from Alstom Co. in France, has folding type staircases complying with European standard EN 4752. However, when operating, the step size is only 200mm, while the Korean standard step size is 253mm, a standard reflecting the average value of persons aged 20~60. F...
The KTX, running in Korea but imported from Alstom Co. in France, has folding type staircases complying with European standard EN 4752. However, when operating, the step size is only 200mm, while the Korean standard step size is 253mm, a standard reflecting the average value of persons aged 20~60. From the aspect of kinesiology, the current step size can cause falls or slips during embarking and disembarking of passengers because body load is mostly focused on the heel and the current step is much more narrow than the standard size. Thus, we have performed an analytical study to check the safety of folding type staircases on the KTX after re-design.
The KTX, running in Korea but imported from Alstom Co. in France, has folding type staircases complying with European standard EN 4752. However, when operating, the step size is only 200mm, while the Korean standard step size is 253mm, a standard reflecting the average value of persons aged 20~60. From the aspect of kinesiology, the current step size can cause falls or slips during embarking and disembarking of passengers because body load is mostly focused on the heel and the current step is much more narrow than the standard size. Thus, we have performed an analytical study to check the safety of folding type staircases on the KTX after re-design.
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문제 정의
탑승객이 많을 때나 급히 탑승을 할 때에는 전도나 미끄러짐의 위험이 있으며, 특히 비나 눈이 내려 발판이 젖어 있을 때에는 위험도는 더욱 높아지게 된다. KTX 승강문 발판에 대한 강도 해석을 최근 신정훈 등[3]이 수행하였고 본 논문에서는 기존 차량 조건 내에서 발판의 폭을 확대한 스텝 개념설계(안)의 구조해석을 수행하고 이의 안전성을 검토하였다.
3’과 같이 발판의 폭이 200mm, 첫 번째 고정 발판과의 각도는 42°이므로 EN14752 설계 규정을 만족함을 알 수 있다. 따라서 발판의 폭을 확대 할 때에는 발판이 펼쳐진 상태에서는 운행을 할 수 없도록 닫힘 감지 장치 등의 안전장치가 구비되어야 하며, 본 본문에서는 최대 돌출 가능한 폭과 강도에 대해 검토하고자 한다.
가설 설정
9’에서 규정하고 있는 구조적 안전성 판단기준은 최초 하중 인가 시의 변형은 고려하지 않으며, 변형이 없어야 한다고만 규정되어 있어 본 해석에서는 안전율을 2이상으로 정하였다[4].
제안 방법
개념설계(안)를 수행하기 위해서 국내외의 승강문 스텝 기준을 검토하였다. 검토 결과 ‘Table 1’과 같이 국내에서는 전동차용 공기식 도어시스템과 전기식 도어시스템 시험방법만 있으며, 일본에도 출입문에 대한 규격 및 설계 기준은 있지만 공기식 도어엔진과 도어 시스템에 대한 설계 가이드라인만 존재한다.
시험 기준에 따라 Case 1은 승객의 승하차 시 하중을 가장 많이 받는 스텝의 중앙부 100mm×200mm 면적에 2kN의 집중 하중을 적용하였으며, Case 2는 발판 길이가 1,000mm이므로 4kN의 분포하중을 적용하였다.
용하여 강도 해석을 수행하였다. 해석은 규격에 따라 스텝의 중앙부 100mm×200mm 면적에 2kN의 집중하중과 길이 방향에 4kN의 분포 하중을 적용하여 Full model로 수행하였으며, 해석결과를 Foot-step, Round tube, Frame&shaft로 재가공하였다.
해석은 Full model로 수행을 하였으며, 해석결과를 Foot-step, Round tube, Frame&shaft로 재가공하였다.
해석은 규격에 따라 스텝의 중앙부 100mm×200mm 면적에 2kN의 집중하중과 길이 방향에 4kN의 분포 하중을 적용하여 Full model로 수행하였으며, 해석결과를 Foot-step, Round tube, Frame&shaft로 재가공하였다.
대상 데이터
유한요소모델에 사용된 요소타입과 옵션은 Solid 186, 187번 요소이다. 해석에 사용된 요소의 개수는 199,093개이며, 노드의 개수는 432,737개이다. Solid 186번은 Mesh 생성 시 육면체의 형태로 각 모서리와 중앙에 노드를 생성시켜 20개의 Node가 생성되며, 옵션으로 Tetrahedral,Pyramid, Prism 이 있다.
이론/모형
본 논문에서 모델링 및 시물레이션은 EN14752의 스텝 규정을 기준으로 3D 모델링 Tool인 CATIA V5를 이용하였으며, 모델링은 Mechanical design의 Assembly design을 시물레이션은 Digital mockup을 이용하였다. 현재의 차량 조립구조 및 취부 조건은 변경 없이 돌출 가능하여야 하므로 최대 폭을 모델링 및 시물레이션을 수행한 결과 현재의 200mm 돌출에서 ‘Fig.
스텝에 대한 검증 방법은 유한요소법(FEM)에 기반한 ANSYS WORKBENCH(ver.14.5)를 사용하였으며, 구조해석을 통하여 최대응력과 각 물성데이터의 항복강도기준으로 안정성을 평가하였다. 유한요소법은 계의 무한개의 절점과 무한개의 자유도 정보를 유한개의 절점과 유한개의 자유도 정보로 전환하고, 이를 선형 연립방정식으로 구성하여 계를 근사적으로 해석하는 방법을 말한다.
성능/효과
(1) 집중하중 일 경우 Von-mises 응력이 Full model일 때 118.81MPa로 가장 높게 나왔다. Full model에서 Von-mises응력 값이 가장 높게 나온 곳은 Foot-step을 고정하는 지지부의 코너에서 발생하였으며, 지지부의 재질은 Foot-step과동일한 A6061-T6이다.
(2) 분포하중 일 경우 Von-mises 응력이 Full model일 때 231.64MPa로 가장 높게 나왔다. Full model에서 Von-mises응력 값이 가장 높게 나온 곳은 Foot-step 지지부를 연결하는 Shaft에서 발생하였으며, Shaft의 재질은 S45C-H이다.
개념설계에 대한 강도 해석 시 분포하중에서 Shaft에 다소 높은 응력이 발생하였으나 2.1정도의 안전율을 확보할 수 있었다. 이는 개념설계상 스텝이 안전함을 확인하였다.
후속연구
이는 개념설계상 스텝이 안전함을 확인하였다. 반복하중에 의한 피로강도에 대해서는 상세 설계 시 추가적으로해석적인 검토를 통한 검증이 이루어져야 할 것으로 판단되며, 더 높은 안전계수가 요구되어 진다면 다소 높은 응력이 발생된 Shaft에 대하여 보강 설계를 필요로 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 승강장의 높이 규정은 어떠한가?
국내 승강장의 높이에 대한 규정은 도시철도건설규칙 및 철도건설규칙에 따라 레일 상면으로부터 고상 승강장은1,135mm, 저상 승강장은 500mm이다.[1]
KTX에 적용되어 있는 접이식 발판의 폭이 성인 평균 발 크기보다 작아서 생기는 문제점은?
KTX에 적용되어 있는 접이식 발판은 승강문 시스템의 유럽 규격인 EN14752에 따라 제작이 되어 있으나 차량 외부로 돌출되는 발판의 폭이 200mm여서 국내 20세에서 60세 성인 남성의 평균 발 크기인 253mm[2]에 미치지 못하고 있다. 걸을 때 신체 하중은 대부분 발 뒤축에 걸리므로 탑승 시 발판에 안전하게 신체 하중을 실을 수가 없다. 탑승객이 많을 때나 급히 탑승을 할 때에는 전도나 미끄러짐의 위험이 있으며, 특히 비나 눈이 내려 발판이 젖어 있을 때에는 위험도는 더욱 높아지게 된다. KTX 승강문 발판에 대한 강도 해석을 최근 신정훈 등[3]이 수행하였고 본 논문에서는 기존 차량 조건 내에서 발판의 폭을 확대한 스텝 개념설계(안)의 구조해석을 수행하고 이의 안전성을 검토하였다.
KTX의 승강문 스텝은 어떻게 구성되어 있는가?
KTX의 승강문 스텝은 ‘Fig. 1’과 같이 저상 승강장에서 차량의 바닥면까지 3개의 발판을 이용하여 탑승을 하며, 차량 내부에 고정되어 있는 2개의 발판과 차량 외부로 개폐되는 1개의 접이식 발판으로 구성되어 있다.
참고문헌 (4)
H.S. Chang, J.W. Jung, W.H. Choi (2012) The basic study About Height of Platform and Train Step System, Journal of the Korean Society for Railway, 12(5), pp. 833-837.
http://sizekorea.kats.go.kr
J.H. Shin, N.K. Kim, T.Y. Nam, B.O. Choi (2012) A simulation study on the safety design of a linkage type foot-step in railway application, Journal of Mechanical Science and Technology, 12(11), pp. 1997-2000.
N.W. Baek, S.J. Lee (2007) Railroad Dictionary, Golden Bell, Seoul, pp. 439.
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