본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도장대레일에 대한 실내피로시험을 수행하였고, 장대레일 잔존수명을 표현한 파괴확률 50% 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 콘크리트궤도 장대레일의 잔존수명을 평가하였다. 레일 피로수명 평가결과, 레일 피로수명이 기준치에 비해 약 2억톤이상 높았다. 또한, 자갈궤도에 비해 콘크리트궤도 레일의 피로수명이 약 3억톤이상 높은 것으로 분석되었다. 따라서 도시철도에서 레일교체기준을 자갈궤도와 콘크리트궤도로 구분할 필요가 있으며, 레일연마를 통한 레일관리가 이루어진다면 기준치가 아닌 목표치로 관리할 수 있을 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도 장대레일에 대한 실내피로시험을 수행하였고, 장대레일 잔존수명을 표현한 파괴확률 50% 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 콘크리트궤도 장대레일의 잔존수명을 평가하였다. 레일 피로수명 평가결과, 레일 피로수명이 기준치에 비해 약 2억톤이상 높았다. 또한, 자갈궤도에 비해 콘크리트궤도 레일의 피로수명이 약 3억톤이상 높은 것으로 분석되었다. 따라서 도시철도에서 레일교체기준을 자갈궤도와 콘크리트궤도로 구분할 필요가 있으며, 레일연마를 통한 레일관리가 이루어진다면 기준치가 아닌 목표치로 관리할 수 있을 것으로 판단되었다.
In this study, fatigue tests on existing continuous welded rail (CWR) on a concrete track were carried out. Based on the test results, a S-N curve expressing the remaining life of the CWR at a fracture probability of 50% was obtained using weighted probit analysis suitable for small-sample fatigue d...
In this study, fatigue tests on existing continuous welded rail (CWR) on a concrete track were carried out. Based on the test results, a S-N curve expressing the remaining life of the CWR at a fracture probability of 50% was obtained using weighted probit analysis suitable for small-sample fatigue data sets. As rails had different histories in terms of accumulated passing tonnage, the test data were corrected to average out the accumulated passing tonnage. The remaining service life for the CWR on the concrete track in an urban railway was estimated using the prediction equation for the bending stress of rail developed in the past to estimate rail base bending stress and taking the surface irregularities into consideration. Estimating the remaining service life of the CWR in an urban railway showed that the rail replacement period could be extended over 200MGT. In addition, comparing the concrete track to the ballast track, the fatigue life of rail was analyzed as approximately 300MGT higher than. Therefore, the rail replacement criteria needs to distinguish between the ballast track and the concrete track, and not the criteria needs to be changed as a target for the maintenance, although it is necessary to remove longitudinal rail surface irregularities at welds by grinding.
In this study, fatigue tests on existing continuous welded rail (CWR) on a concrete track were carried out. Based on the test results, a S-N curve expressing the remaining life of the CWR at a fracture probability of 50% was obtained using weighted probit analysis suitable for small-sample fatigue data sets. As rails had different histories in terms of accumulated passing tonnage, the test data were corrected to average out the accumulated passing tonnage. The remaining service life for the CWR on the concrete track in an urban railway was estimated using the prediction equation for the bending stress of rail developed in the past to estimate rail base bending stress and taking the surface irregularities into consideration. Estimating the remaining service life of the CWR in an urban railway showed that the rail replacement period could be extended over 200MGT. In addition, comparing the concrete track to the ballast track, the fatigue life of rail was analyzed as approximately 300MGT higher than. Therefore, the rail replacement criteria needs to distinguish between the ballast track and the concrete track, and not the criteria needs to be changed as a target for the maintenance, although it is necessary to remove longitudinal rail surface irregularities at welds by grinding.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도에서 사용하던 누적통과톤수 8억톤 이상의 장기 사용레일에 대한 피로 시험을 수행하였으며, 피로해석을 통해 콘크리트궤도 장대레일의 피로수명을 평가하고자 하였다.
1 장기 사용레일 S-N선도 보정서로 다른 누적통과톤수를 가진 시험편에 대한 S-N선도는 동일한 수준의 통과톤수에 대한 파단횟수를 적용해야 하기 때문에 보정이 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같은 방법으로 피로시험결과(파단횟수)를 보정하고자 하였다. Table 3은 S-N선도 보정 전 50%파괴확률에 대한 잔존수명 평가 결과이며, Table 4는 보정된 파단횟수 산정결과를 나타낸다.
본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도 장대레일 피로시험 및 파괴확률에 따른 S-N선도를 도출하였고, 피로해석을 통해 도시철도 콘크리트궤도 장대레일 피로수명을 평가하고자 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
가설 설정
레일 피로시험의 하중조건에서 적용하게 되는 최소응력은본 시험이 인장반복하중시험으로 설정되었기 때문이며, 온도응력 등의 축응력을 전단면에 동일하게 작용시켜 피로강도특성에서 평균응력으로써 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 인장 응력이 작용한다고 가정함으로써 레일 휨강도시험 시 최소 응력 30MPa이 레일저부에 휨응력으로써 발생하도록 하중조건을 설정하였다[2]. 잔류응력에 대해서는 용접 시에 도입되는 것으로 본 연구에서 수행한 실물 레일 휨 피로시험의 시험편이 이미 이것을 포함하고 있기 때문에 실제 잔류응력의 편차를 적절하게 반영하고 있다고 판단된다.
제안 방법
Ishida(1990)[2]이 제시한 요철지수 7, 열차속도 100km/h 에 대한 응력확률밀도함수 산정방법과 동일하게 콘크리트궤도 장대레일 휨응력예측식[9]를 콘크리트궤도 장대레일 SN선도에 적용함으로써 선형누적피로손상법칙에 의한 콘크리트궤도 장대레일 잔존 피로수명을 산정하였고, 이를 기존 문헌[10]과 비교하였다. Table 6, Fig.
Ishida(1990)[2]는 장대레일 교체주기를 산정하는데 있어요철지수 7에 대한 응력확률밀도함수를 적용하였으며, 국내 도시철도에서는 요철지수 7, 열차속도 100km/h에 대한 피로수명 평가를 통해 레일교체주기(안)을 정한바 있다[5,6]. 따라서 본 연구에서는 Table 1에서 제시한 응력확률밀도함수를 적용하여 레일 피로수명을 평가하고자 하였으며, 요철지수 7, 열차속도 100km/h에 대한 응력확률밀도함수는 Fig. 3과 같다.
2억톤을 받은 콘크리트궤도 50kgN 테르밋용접레일 8개이며, 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.
피로시험을 위한 하중파형은 싸인파(sine wave)로 일정한 응력이 반복 되어 작용하도록 하였으며, 하중재하속도는 2~4Hz, 인장반복하중(응력비 R>0)으로 하였다. 실물 레일용접부 휨 파괴 강도시험을 통해 50kgN 레일용접부의 항복강도는 약 690MPa이었으며[8], 본 연구에서는 레일용접부가 항복하지 않는 범위에서 하중을 재하하도록 하였다.
피로시험을 위한 하중파형은 싸인파(sine wave)로 일정한 응력이 반복 되어 작용하도록 하였으며, 하중재하속도는 2~4Hz, 인장반복하중(응력비 R>0)으로 하였다.
대상 데이터
레일의 피로수명을 평가하기 위해서는 피로시험을 통해 파괴 시까지의 반복횟수와 응력사이의 관계를 규명하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도에서 사용한 장기 사용레일에 대한 실물 휨피로시험을 수행하였으며, 본 연구에서 수행한 실물 레일 휨 피로시험은 2,500kN 피로시험기(Saginomya, 일본)를 이용하였고, 4점 휨 피로시험방법을 사용하였다. 시험편 길이는 지점거리 1,300mm를 고려하여 1,500mm로 하였고, 용접부가 중앙에 위치하도록 제작하였다[7].
본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도에서 사용한 장기 사용레일에 대한 실물 휨피로시험을 수행하였으며, 본 연구에서 수행한 실물 레일 휨 피로시험은 2,500kN 피로시험기(Saginomya, 일본)를 이용하였고, 4점 휨 피로시험방법을 사용하였다. 시험편 길이는 지점거리 1,300mm를 고려하여 1,500mm로 하였고, 용접부가 중앙에 위치하도록 제작하였다[7].
성능/효과
도시철도 궤도형식별 장기 사용레일에 대한 피로수명을 파괴확률에 따라 분석한 결과, 파괴확률 0.1%에 대한 잔존수명은 자갈궤도의 경우 약 2.5억톤, 콘크리트궤도의 경우 약 5.1억톤인 것으로 분석되었으며, 전체 피로수명은 자갈궤도의 경우 약 10.3억톤, 콘크리트궤도의 경우 약 14.1억톤인 것으로 분석되어 자갈궤도 장대레일에 비해 콘크리트궤도 장대레일 피로수명이 약 3억톤 이상 높은 것으로 분석되었다. 즉, 자갈궤도와 콘크리트궤도 레일의 교체주기를 다르게 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
또한, 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 분석되었다.
84억톤)으로 평가되어 현 도시철도 레일교체주기(50kg/m레일: 8억톤, 목표치)[5]를 상회하는 것으로 분석되었다. 또한, 자갈궤도에 비해 콘크리트궤도에서 사용되는 레일의 경우 약 3억톤 이상 레일피로수명이 증가하는 것으로 분석되었다.
본 연구에서 도출된 S-N선도식은 총 데이터수 8개(파단 데이터 6개, 미파단 데이터 2개)이며, 결정계수가 0.85이상으로 매우 높은 신뢰도를 보이고 있다. 콘크리트궤도에서 사용한 장기 사용레일의 피로한도는 자갈궤도에서 사용한 SN선도 피로한도[10]에 비해 높은 것으로 분석되었으며, 이는 동일한 동적윤중이 레일에 발생할 경우 콘크리트궤도에서 레일 피로수명이 증가함을 의미한다.
시험편 #7, #8에 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 8.9~9.2억톤을 받은 콘크리트궤도 50kgN 테르밋용접레일 8개이며, 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.
85이상으로 매우 높은 신뢰도를 보이고 있다. 콘크리트궤도에서 사용한 장기 사용레일의 피로한도는 자갈궤도에서 사용한 SN선도 피로한도[10]에 비해 높은 것으로 분석되었으며, 이는 동일한 동적윤중이 레일에 발생할 경우 콘크리트궤도에서 레일 피로수명이 증가함을 의미한다. 또한, 실제 철도현장에서 발생하는 레일 휨응력이 자갈궤도에 비해 콘크리트 궤도가 약 10~20%정도 작기 때문에 콘크리트궤도 레일의 피로수명은 자갈궤도에 비해 더 크게 증가할 수 있다.
파괴확률 0.01~50%에 대한 장기 사용레일의 피로수명을 평가한 결과, 콘크리트궤도에서 누적통과톤수 약 9.0억톤을 받은 장기 사용레일의 경우 파괴확률 0.01%에 대하여 잔존 피로수명이 약 3.84억톤(total 14.16억톤), 파괴확률 0.1%에 대하여 잔존 피로수명이 약 5.16억톤(total 12.84억톤)으로 평가되어 현 도시철도 레일교체주기(50kg/m레일: 8억톤, 목표치)[5]를 상회하는 것으로 분석되었다. 또한, 자갈궤도에 비해 콘크리트궤도에서 사용되는 레일의 경우 약 3억톤 이상 레일피로수명이 증가하는 것으로 분석되었다.
시험편 #1~6은 콘크리트궤도 장대레일(TW) S-N선도를 도출하기 위해 피로한도 이상의 응력범위를 적용하였다. 피로 시험 결과 200만회 미파단 시험편을 제외한 모든 시험편에서 하중재하점사이에서 발생한 휨피로파단이 발생하였고, 전단피로파단은 발생하지 않았다. 휨피로파단은 전단력을 받지 않고 휨모멘트만 받아 하중재하점 사이 용접부 열영향부에서 파단이 시작한 것을 말한다.
후속연구
즉, 자갈궤도와 콘크리트궤도 레일의 교체주기를 다르게 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 현재 도시철도에서 시행하고 있는 레일연마를 통한 레일요철관리를 통해 동적윤중 증가를 억제한다면 현 도시철도 50kg/m레일교체주기(안)인 8억톤[5]을 상회하여 사용할 수 있을 것으로 판단 된다. 단, 운영자 측면에서 결정되는 파괴확률에 따라 사용 가능 통과톤수가 달라진다는 점을 고려한다면 누적통과톤수에 의한 레일교체주기(안)을 유지관리를 위한 목표치로써 관리하는 것이 적정하다고 판단된다.
1억톤인 것으로 분석되어 자갈궤도 장대레일에 비해 콘크리트궤도 장대레일 피로수명이 약 3억톤 이상 높은 것으로 분석되었다. 즉, 자갈궤도와 콘크리트궤도 레일의 교체주기를 다르게 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 현재 도시철도에서 시행하고 있는 레일연마를 통한 레일요철관리를 통해 동적윤중 증가를 억제한다면 현 도시철도 50kg/m레일교체주기(안)인 8억톤[5]을 상회하여 사용할 수 있을 것으로 판단 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레일의 피로수명를 단축시키는 원인은?
차륜이 레일용접부를 연속적으로 통과하면서 비정상적인 충격하중 및 용접부의 물리적 취약성으로 인해 레일표면에 요철이 발생하게 되고, 이러한 레일표면요철의 성장은 동적 윤중을 증가시켜 레일 저부의 휨응력을 증가시키는 요인으로 작용하게 되어 레일의 피로수명을 크게 단축시킨다. 즉, 누적통과톤수에 의한 레일교체주기는 동적 윤중에 의한 레일용접부의 휨 피로수명에 의해 결정된다[2].
누적통과톤수에 의한 레일교체주기는 무엇에 의해 결정되는가?
차륜이 레일용접부를 연속적으로 통과하면서 비정상적인 충격하중 및 용접부의 물리적 취약성으로 인해 레일표면에 요철이 발생하게 되고, 이러한 레일표면요철의 성장은 동적 윤중을 증가시켜 레일 저부의 휨응력을 증가시키는 요인으로 작용하게 되어 레일의 피로수명을 크게 단축시킨다. 즉, 누적통과톤수에 의한 레일교체주기는 동적 윤중에 의한 레일용접부의 휨 피로수명에 의해 결정된다[2]. 특히, 고속화, 고밀화 철도운영과 전세계적으로 증가하고 있는 콘크리트궤도의 사용 등 새로운 철도환경의 적용과 레일표면요철의 발생 및 진전, 궤도지지강성의 변화, 운행속도의 증가 등에 따른 레일 피로수명 예측을 통해 주행안전성을 확보할 필요가 있다.
대형구조물의 불규칙적인 외부 하중하에 발생응력이 불규칙할 경우 어떻게 피로파괴 발생수명을 예측할 수 있는가?
실제 대부분의 대형구조물은 불규칙적인 외부 하중하에서 거동하기 때문에 발생응력이 불규칙적이다. 이러한 경우에 S-N선도에 그대로 적용하기는 어렵기 때문에 PalmgrenMiner의 법칙을 적용하여 피로파괴 발생수명을 예측할 수 있다. 그러나 피로손상도가 크게 되면 ∆σi가 일정 진폭응력하에서의 피로한계이하여도 피로손상의 진행에 기여한다.
참고문헌 (12)
S. Kumar (2006) A study of the rail degradation process to predict rail breaks, PhD Thesis, Lulea University of Technology
M. Ishida (1990) Relationship between rail surface irregularity and bending fatigue of welded part in long rails, RTRI report, 4(7), pp. 8-15.
M. Ishida, T. Moto, A. Kono, Y. Jin (1999) Influence of loose sleeper on track dynamics and bending fatigue of rail welds, QR of RTRI, 40(2), pp. 80-85.
Y.G. Park, D.Y. Sung, H.K. Park, S.Y. Kong (2008) Bending Fatigue Life Assessment of Aged CWR using the Field Test, Journal of the Korean Society for Railway, 11(3), pp.317-325.
D.Y. Sung, Y.G. Park, D.C. Go, S.Y. Lee, R.K. Min (2010) The Bending Fatigue Behavior Analysis of Rail by Bending Fatigue Test, Journal of the Korean Society for Railway, 13(2), pp. 160-166.
D.Y. Sung (2010) The Fatigue Life Evaluation of Rail by Analysis of the Vehicle/Track Interaction, PhD Thesis, Seoul National University of Science and Technology.
Y.G. Park, D.Y. Sung, et al. (2012) The Fatigue Test and Fatigue Life Evaluation for the Aged Continuous Welded Rail on the Urban Railway, Seoulmetro.
S.Y. Kong, D.Y. Sung, Y.G. Park (2013) The Fatigue Life Evaluation of Aged Continuous Welded Rail on the Urban Railway, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 33(2), pp. 821-831.
S.C. Yang, M.C. Kim, J.S. Kim (2000) Prediction of Bending Fatigue Lifes of Rail Welded Parts, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 20(1-D), pp. 97-105.
M.C. Kim, J.S. Kim (2001) Prediction of Bending Fatigue Life under Welding Line of Rail with the Slab Track, Journal of the Korean Society for Railway, 4(4), pp. 62-70.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.