궤도 안전을 위한 핵심 용품인 레일체결장치의 구성품 중 레일패드 또는 베이스플레이트 패드의 정적 수직강성은 궤도 전체의 강성 결정 시 중요 인자이며, 패드 제품의 제조과정에서 품질관리 기준이 된다. 패드의 정적 수직강성 확인은 시험을 통해 가능하며, 시험방법으로는 철도분야에 널리 사용되고 있는 EN 13146-9 및 이를 부합화한 KRSTR 0014 규격이 있다. 본 논문에서는 상기 규격의 정적 수직강성 시험방법 중 예비하중 단계, 하중 제거 수준 및 하중 유지시간 관련 문제점 개선을 위해, 패드 관련 국내외 시험규격을 분석한 후 시험방법 안을 제시하였고, 철도현장에 사용되고 있는 패드 4종을 이용하여 시험방법 안을 적용한 정적 수직강성 시험을 수행하였다. 또한 시험방법 안의 적합성을 판단하기 위하여 시험결과에 대한 유효성 평가를 수행하였다.
궤도 안전을 위한 핵심 용품인 레일체결장치의 구성품 중 레일패드 또는 베이스플레이트 패드의 정적 수직강성은 궤도 전체의 강성 결정 시 중요 인자이며, 패드 제품의 제조과정에서 품질관리 기준이 된다. 패드의 정적 수직강성 확인은 시험을 통해 가능하며, 시험방법으로는 철도분야에 널리 사용되고 있는 EN 13146-9 및 이를 부합화한 KRS TR 0014 규격이 있다. 본 논문에서는 상기 규격의 정적 수직강성 시험방법 중 예비하중 단계, 하중 제거 수준 및 하중 유지시간 관련 문제점 개선을 위해, 패드 관련 국내외 시험규격을 분석한 후 시험방법 안을 제시하였고, 철도현장에 사용되고 있는 패드 4종을 이용하여 시험방법 안을 적용한 정적 수직강성 시험을 수행하였다. 또한 시험방법 안의 적합성을 판단하기 위하여 시험결과에 대한 유효성 평가를 수행하였다.
The vertical static stiffness of rail pads or baseplate pads, which are important components in rail fastening systems for track safety, is a key factor to determine the total track stiffness and a guideline of quality control in the manufacturing process. The vertical static stiffness can be checke...
The vertical static stiffness of rail pads or baseplate pads, which are important components in rail fastening systems for track safety, is a key factor to determine the total track stiffness and a guideline of quality control in the manufacturing process. The vertical static stiffness can be checked by laboratory testing: test methods are EN 13146-9 and KRS TR 0014, which are widely used in the railway field. In this paper, to correct some problems, namely the preloading step, the unloading level, and the holding time in the loading program in the vertical static stiffness test of EN 13146-9 and KRS TR 0014, domestic and foreign test standards of pads were analyzed and then certain schemes for a vertical static stiffness test were proposed. To assess the reliability of the proposed schemes, the vertical static stiffness tests were performed with 4 pads and the validity of the test results was estimated.
The vertical static stiffness of rail pads or baseplate pads, which are important components in rail fastening systems for track safety, is a key factor to determine the total track stiffness and a guideline of quality control in the manufacturing process. The vertical static stiffness can be checked by laboratory testing: test methods are EN 13146-9 and KRS TR 0014, which are widely used in the railway field. In this paper, to correct some problems, namely the preloading step, the unloading level, and the holding time in the loading program in the vertical static stiffness test of EN 13146-9 and KRS TR 0014, domestic and foreign test standards of pads were analyzed and then certain schemes for a vertical static stiffness test were proposed. To assess the reliability of the proposed schemes, the vertical static stiffness tests were performed with 4 pads and the validity of the test results was estimated.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 패드 정적 수직강성 시험방법 관련 국내외 시험규격을 분석한 후 이를 바탕으로 정적 수직강성 시험방법 안을 제시하고자 한다. 제시된 시험방법을 철도 현장에 사용되고 있는 레일패드 및 베이스 플레이트 패드에 적용하여 시험을 수행한 뒤, 결과 분석 및 시험방법에 대한 유효성 평가를 실시하여 제시된 정적 수직강성 시험방법의 적합성을평가하고자 한다.
제안 방법
2는 하중을 0kN까지 제거하되 ASTM D575-91과 같이 최대(FSP,max) 및 최소하중에서 유지시간을 두지 않고 바로 하중의 증감이 이루어질 수 있도록 하였다. Method No.3은 Method No.2에서 최대 및 최소하중 시점에 10초간의 유지시간을 설정하였으며, 이를 통해 다소 짧은 유지시간이 히스테리시스 발생 경향 및 정적 수직강성에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하고자 하였다. Method No.
레일패드의 정적 수직강성 시험방법 중 철도분야에서 널리 사용되고 있는 EN 13146-9와 KRS TR 0014 규격의 문제점을 개선하기 위해, 국내외 패드 관련 시험규격을 분석하고 시험방법 안을 제시하였다. 제시된 시험방법을 적용하여 철도현장에 적용되고 있는 패드 4종에 대한 정적 수직강성 시험을 실시하였으며, 시험결과의 유효성을 검토하였다.
앞서 제시된 4종류의 정적 수직강성 시험방법에 대한 적합성을 평가하기 위하여, Fig. 4와 같이 국내에 적용되고 있는 레일패드 3종 및 베이스플레이트 패드 1종을 이용한 정적 수직강성 시험을 실시하되, 시험방법별 정적 수직강성 결과의 반복성 확인을 위해 패드 종류별로 3개씩의 패드를 시험에 사용하였다. 우레탄 재질(PUR)의 베이스플레이트 패드는 탄성패드의 일종으로 고속 및 일반철도의 콘크리트 도상용 선로에 사용되고 있다.
4종의 패드 정적 수직강성 시험방법에 대한 적합성을 평가하기 위하여 시험 결과에 대한 유효성 검토가 필요하다. 유효성 검토는 표준시편 활용, 측정불확도 추정 및 기준값 대비 시험값 비교 등이 있으며, 본 논문에서는 기준값 대비 시험값을 비교하였다. 베이스플레이트 패드의 정적 수직강성 기준값은 국내 및 유럽의 고속철도 및 일반철도 콘크리트 도상에 적용되고 있는 정적 수직강성 값인 22.
레일패드의 정적 수직강성 시험방법 중 철도분야에서 널리 사용되고 있는 EN 13146-9와 KRS TR 0014 규격의 문제점을 개선하기 위해, 국내외 패드 관련 시험규격을 분석하고 시험방법 안을 제시하였다. 제시된 시험방법을 적용하여 철도현장에 적용되고 있는 패드 4종에 대한 정적 수직강성 시험을 실시하였으며, 시험결과의 유효성을 검토하였다. 본 연구를 통해도출된 결론은 다음과 같다.
따라서 본 논문에서는 패드 정적 수직강성 시험방법 관련 국내외 시험규격을 분석한 후 이를 바탕으로 정적 수직강성 시험방법 안을 제시하고자 한다. 제시된 시험방법을 철도 현장에 사용되고 있는 레일패드 및 베이스 플레이트 패드에 적용하여 시험을 수행한 뒤, 결과 분석 및 시험방법에 대한 유효성 평가를 실시하여 제시된 정적 수직강성 시험방법의 적합성을평가하고자 한다.
제품에서 채취된 시편 또는 사전 제작된 제품과 동일한 물성의 시편에 (12±3)mm/min의 속도로 목표 변위에 도달할 때까지 하중을 가한 후 즉각 제거하는 과정을 연속적으로 총 3회에 걸쳐 반복한다.
패드 정적 수직강성을 합리적으로 평가할 수 있는 시험방법 도출을 위해 Fig. 3과 같이 Method No.1 ~ Method No.3 시험 프로그램을 계획하였으며, 결과 비교를 위해 EN 13146-9 및 KRS TR 0014의 시험방법인 Method No.4를 추가하였다. 이들 방법은 공통적으로 1~2회차의 예비하중 단계를 포함하고 있으며, 하중제어 기반으로 가력속도는 120kN/min이 적용되었다.
대상 데이터
유효성 검토는 표준시편 활용, 측정불확도 추정 및 기준값 대비 시험값 비교 등이 있으며, 본 논문에서는 기준값 대비 시험값을 비교하였다. 베이스플레이트 패드의 정적 수직강성 기준값은 국내 및 유럽의 고속철도 및 일반철도 콘크리트 도상에 적용되고 있는 정적 수직강성 값인 22.5kN/mm를 사용하였으며, e-clip 패드의 경우 일반철도 자갈도상 궤도 설계 시 사용되는 200kN/mm을 정적 수직강성 기준값으로 채택하였다. SFC 패드의 경우 경부고속철도 2단계 건설 당시 SNCF에서 수행되었던 시험 및 2011년 국내 공인시험기관에서 수행되었던 시험 결과에 대해 현재 기준하중(FSP1=18kN, FSP2=68kN)을 적용하여 정적 수직강성을 재계산 하였고, 그 결과가 29.
시험 하중은 EN 13481 시리즈[7-8] 및 KRS TR 0014의 체결장치 형식분류 중 C(일반철도) 및 D(고속철도)형식에 해당하는 하중(FSP,max=85kN, FSP2=0.8×FSP,max=68kN, FSP1=18kN)을 적용하였다.
이론/모형
KS M 6604 및 ASTM D575-91과는 달리 EN 13146-9(또는 KRS TR 0014) 규격에서 정의된 시험체 설치방법은 여러 종류의 레일체결장치가 실제로 체결되었을 때를 최대한 모사하는데 초점이 맞추어져 있다. 따라서 EN 13146-9에 의거하여 정적 수직강성 시험용 시험체를 설치하였으며, 설치 상세는 Fig. 5와 같다.
방진 또는 완충을 목적으로 사용되는 방진고무의 정적 수직강성 시험에 대한 사항이 규정된 KS 규격은 KS M 6604:2011(방진 고무 시험방법)[4]이다. 이 규격에서는 하중 가력방향과 방법, 시험 하중의 상·하한(P2 및 P1)이 언급되어 있다.
성능/효과
(2) 정적 수직강성 시험 시 하중 유지시간에 관계없이 하중을 0kN까지 감소시켰을 경우 하중 주기별 정적 수직강성 차이가 4종 패드 모두 1회차 대비 3회차 수직강성 최대 변화율이 10% 미만이었으나, 이론적인 초기 체결력(FSP1=18kN)까지만 감소시켰을 경우 베이스플레이트 패드를 제외한 3종의 비탄성패드는 히스테리시스 특성 때문에 1회차 대비 3회차 수직강성 최대 변화율이 50% 이상이었다. 따라서 정적 수직강성 시험 시 패드의 히스테리시스 특성을 최소화하여 패드 수직강성의 왜곡이 발생하지 않도록 하중을 0kN까지 제거하는 것이 타당하다고 판단된다.
(3) 정적 수직강성 시험 시 하중을 0kN까지 감소시키되 유지시간을 0, 10초, 3분~5분을 부여한 경우 및 최대하중 유지시간을 0, 10초를 부여한 경우, 베이스플레이트 패드, SFC 패드 및 Fast-clip 패드의 정적 수직강성 차이는 거의 없었으며, eclip 패드는 시험방법 간 차이가 최대 14.8%였다. 따라서 패드 시험 시 최대 및 최소하중 시점에서의 유지시간을 설정하는 것보다 하중을 0kN까지 제거하는 것이 바람직하며, 다만 패드의 정적 수직강성의 합리적인 산정을 위해서는 하중 제거 후 압축된 패드의 회복을 위한 유지시간이 설정될 필요가 있다고 판단된다.
(4) 4가지 시험방법 안에 대한 유효성 검토를 실시하였으며, 이때 기준강성은 베이스플레이트 패드의 경우 22.5kN/mm, SFC 패드의 경우 29.5kN/mm, e-clip 패드의 경우 200kN/mm, Fast-clip 패드의 경우 60kN/mm로 설정하였으며, 각 패드별 유효성 범위는 기준강성 대비 ±10%로 설정하였다.
3에서 최대/최소 하중 도달 후 유지시간을 부여했는지 여부의 영향을 살펴보면, 패드별 정적 수직강성 차이가 거의 없었다. Method No.1과 Method No.2에서 하중을 0kN까지 감소한 후 충분한 유지시간 부여 여부는 e-clip 패드를 제외하고 정적 수직강성 차이가 거의 없었으며, e-clip 패드는 두 방법간 정적 수직강성 차이가 최대 14.8%였다. 따라서 패드의 정적 수직강성 시험 시 최대/최소하중 도달 후의 유지시간보다는 하중을 0kN까지 제거하는지 여부가 중요하다고 판단된다.
Method No.1과 Method No.3에서 0kN까지 하중을 감소시킨 후 유지시간을 3분에서 5분 사이를 부여한 경우와 최대/최소하중에서 10초 유지한 경우 e-clip 패드를 제외하고 정적 수직강성 차이가 거의 없었으며, e-clip 패드는 두 방법간 정적수직강성 차이가 최대 13.5%였다. 또한 Method No.
3은 베이스플레이트 패드 및 SFC 패드의 경우 하중 주기별 정적 수직강성의 차이가 5% 미만이었고, e-clip 패드 및 Fast-clip 패드의 경우 하중 주기별 정적 수직강성의 차이가 10% 미만이었다. 그러나 초기 체결력까지만 하중을 감소시킨 Method No.4의 경우 베이스플레이트 패드를 제외한 3종의 레일패드의 경우 패드의 히스테리시스 특성 때문에 1회차 대비 2회차 수직강성이 급격히 증가하였고, 1회차 대비 3회차 수직강성 최대 변화율은 SFC 패드 55.05%, e-clip 패드 51.27%, Fast-clip 패드 89.57%였다.
=18kN)까지만 감소시켰을 경우 베이스플레이트 패드를 제외한 3종의 비탄성패드는 히스테리시스 특성 때문에 1회차 대비 3회차 수직강성 최대 변화율이 50% 이상이었다. 따라서 정적 수직강성 시험 시 패드의 히스테리시스 특성을 최소화하여 패드 수직강성의 왜곡이 발생하지 않도록 하중을 0kN까지 제거하는 것이 타당하다고 판단된다.
후속연구
(5) EN 13146-9 및 KRS TR 0014 규격의 패드 정적 수직강성 시험방법을 적용할 경우 비탄성 패드의 정적 수직강성이 과다 산정될 수 있다. 따라서 본 논문에서 제시된 시험 프로그램과 같이 예비하중 가력 단계를 명확하게 정의하고, 0kN까지 하중을 제거한 후 10초 이상 5분 이내 범위에서 일정 시간 유지될 수 있도록 정적 수직강성 시험방법 관련 EN 및 KRS규격이 개정되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레일체결장치 구성품 종류는?
레일체결장치는 레일을 침목이나 슬래브 등의 지지체에 고정하여 궤간을 유지하고, 차량 주행에 따른 수직 및 수평하중, 레일 신축 및 차량 시제동에 의한 종방향 하중 등을 저항하며, 이들 하중을 침목 및 도상으로 분산 또는 완충하여 전달하는 궤도의 안전을 위한 핵심 용품이다. 레일체결장치 구성품 종류로는 클립 또는 클램프, 베이스 플레이트, 절연블록, 레일 패드 또는 베이스 플레이트 패드, 가이드 플레이트, 앵커볼트 등이 있으며, 특히 레일패드 및 베이스 플레이트 패드의 수직강성은 궤도 전체의 강성 결정 시 중요 인자임과 동시에 패드 제품의 품질관리 시 중요 관리기준이 되고 있다.
레일체결장치는 무엇인가
레일체결장치는 레일을 침목이나 슬래브 등의 지지체에 고정하여 궤간을 유지하고, 차량 주행에 따른 수직 및 수평하중, 레일 신축 및 차량 시제동에 의한 종방향 하중 등을 저항하며, 이들 하중을 침목 및 도상으로 분산 또는 완충하여 전달하는 궤도의 안전을 위한 핵심 용품이다. 레일체결장치 구성품 종류로는 클립 또는 클램프, 베이스 플레이트, 절연블록, 레일 패드 또는 베이스 플레이트 패드, 가이드 플레이트, 앵커볼트 등이 있으며, 특히 레일패드 및 베이스 플레이트 패드의 수직강성은 궤도 전체의 강성 결정 시 중요 인자임과 동시에 패드 제품의 품질관리 시 중요 관리기준이 되고 있다.
패드의 정적 수직강성 시험을 위한 시험방법 중 철도분야에는 무엇이 사용되나
패드의 정적 수직강성 시험을 위한 시험방법은 유럽표준(EN), 국내의 철도표준규격(KRS) 및 한국산업규격(KS) 등에 정의되어 있으며, 하중 가력속도 및 방법, 특정 하중에서의 유지시간, 시험 시 최대 및 최소하중 수준 등은 시험규격에 따라 상이하다. 철도분야에 널리 사용되고 있는 패드의 정적 수직강성 시험방법으로는 EN 13146-9 및 이를 부합화한 KRS TR0014 규격이 있다. 이들 규격은 총 가력횟수 대비 예비하중 가력 단계가 불분명하여 패드의 정적 수직강성 결과 산정 시 특정 하중 주기의 강성을 채택해야 하는지 모든 하중 주기에 대한 강성의 평균값을 채택해야 하는지가 모호하다.
참고문헌 (8)
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Y.H. Bae, M.C. Kim (2013) Analysis of vertical static stiffness test methods for rail pads and proposition of test method, Proceeding of the 2013 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Daegu, pp. 899-904.
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European Committee for Standardization (2012) Railway applications-Track-Performance requirements for fastening systems-Part 5: Fastening systems for slab track with rail on the surface or rail embedded in a channel, EN 13481-5:2012, Brussels, Belgium.
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