본 연구에서는 서울메트로 2 호선 상왕십리역에서 발생한 전동열차 충돌사고에 대하여 사고재현 시뮬레이션을 수행하고 사고 발생 시 피해를 최소화할 수 있는 개선방안을 제시한다. 사고재현을 위해 상용 충돌해석 소프트웨어인 LS-DYNA를 사용하여 1 차원 및 3 차원 시뮬레이션을 수행하였다. 1 차원 시뮬레이션을 통해 각 차량 연결기의 하중, 변위, 충격흡수 에너지 및 차량의 가속도를 분석하여 사고 시 충돌안전도를 평가하였으며, 3 차원 시뮬레이션을 통해 차량의 변형 및 타고오름 현상을 분석하였다. 또한 사고 전동차의 충돌안전도 향상을 위한 개선방안들을 제시하고, 그 중 선두차량에 고용량 완충장치를 적용하는 방안에 대하여 1 차원 시뮬레이션을 통해 충돌안전도의 개선 여부를 확인하였다.
본 연구에서는 서울메트로 2 호선 상왕십리역에서 발생한 전동열차 충돌사고에 대하여 사고재현 시뮬레이션을 수행하고 사고 발생 시 피해를 최소화할 수 있는 개선방안을 제시한다. 사고재현을 위해 상용 충돌해석 소프트웨어인 LS-DYNA를 사용하여 1 차원 및 3 차원 시뮬레이션을 수행하였다. 1 차원 시뮬레이션을 통해 각 차량 연결기의 하중, 변위, 충격흡수 에너지 및 차량의 가속도를 분석하여 사고 시 충돌안전도를 평가하였으며, 3 차원 시뮬레이션을 통해 차량의 변형 및 타고오름 현상을 분석하였다. 또한 사고 전동차의 충돌안전도 향상을 위한 개선방안들을 제시하고, 그 중 선두차량에 고용량 완충장치를 적용하는 방안에 대하여 1 차원 시뮬레이션을 통해 충돌안전도의 개선 여부를 확인하였다.
In this study, we simulate the railway crash accident that occurred at the Sangwangsimni station on the Seoul Metro Line #2, and we propose a solution to minimize the damage. We use LS-DYNA, which is the commercial software employed for collision analysis to perform 1-D and 3-D simulations for the r...
In this study, we simulate the railway crash accident that occurred at the Sangwangsimni station on the Seoul Metro Line #2, and we propose a solution to minimize the damage. We use LS-DYNA, which is the commercial software employed for collision analysis to perform 1-D and 3-D simulations for the recurrence of accidents. By performing 1-D simulations, we analyze the load, displacement, absorbed energy of the couplers, and acceleration of vehicles, and we evaluate the safety in accidental collisions. By performing 3-D simulations, we analyze the deformation of the car and over-ridding. We propose methods to improve the safety in collisions involving railway vehicles, and we perform collision accident simulations to determine improvements when applying a high-performance energy absorber to the front car.
In this study, we simulate the railway crash accident that occurred at the Sangwangsimni station on the Seoul Metro Line #2, and we propose a solution to minimize the damage. We use LS-DYNA, which is the commercial software employed for collision analysis to perform 1-D and 3-D simulations for the recurrence of accidents. By performing 1-D simulations, we analyze the load, displacement, absorbed energy of the couplers, and acceleration of vehicles, and we evaluate the safety in accidental collisions. By performing 3-D simulations, we analyze the deformation of the car and over-ridding. We propose methods to improve the safety in collisions involving railway vehicles, and we perform collision accident simulations to determine improvements when applying a high-performance energy absorber to the front car.
본 연구에서는 지난 2014년 5월 2일 서울메트로 2호선 상왕십리역에서 발생한 열차 충돌사고를 대상으로 충돌사고 시뮬레이션을 통해 사고상황을 분석하고 충돌안전도 개선 방안을 도출하고자 한다. 상왕십리역 전동열차 충돌사고 상황 재현을 위해서 사고 상황 및 사고 열차의 파손상태를 분석하여 충돌사고 시뮬레이션 시나리오를 설정하였으며, 1차원 시뮬레이션을 통해 충돌 사고 시 각 차량 별 가속도와 연결기의 충격하중, 변위 및 완충기가 흡수하는 에너지 등을 분석하였다.
제안 방법
상왕십리역 전동열차 충돌사고 상황 재현을 위해서 사고 상황 및 사고 열차의 파손상태를 분석하여 충돌사고 시뮬레이션 시나리오를 설정하였으며, 1차원 시뮬레이션을 통해 충돌 사고 시 각 차량 별 가속도와 연결기의 충격하중, 변위 및 완충기가 흡수하는 에너지 등을 분석하였다. 또한, 1 차원 시뮬레이션 모델을 기반으로 1,2 번째 차량 및 3번째 차량 단부를 3차원으로 모델링 한 3차원 충돌사고 시뮬레이션을 통해 충돌사고 시 차체 구조의 거동을 살펴보았다. 최종적으로 1 차원 및 3 차원 시뮬레이션 결과를 바탕으로 전동열차 충돌안전도 향상을 위한 개선방안을 제시하였다.
본 연구에서는 지난 2014년 5월 2일 서울메트로 2호선 상왕십리역에서 발생한 열차 충돌사고를 대상으로 충돌사고 시뮬레이션을 통해 사고상황을 분석하고 충돌안전도 개선 방안을 도출하고자 한다. 상왕십리역 전동열차 충돌사고 상황 재현을 위해서 사고 상황 및 사고 열차의 파손상태를 분석하여 충돌사고 시뮬레이션 시나리오를 설정하였으며, 1차원 시뮬레이션을 통해 충돌 사고 시 각 차량 별 가속도와 연결기의 충격하중, 변위 및 완충기가 흡수하는 에너지 등을 분석하였다. 또한, 1 차원 시뮬레이션 모델을 기반으로 1,2 번째 차량 및 3번째 차량 단부를 3차원으로 모델링 한 3차원 충돌사고 시뮬레이션을 통해 충돌사고 시 차체 구조의 거동을 살펴보았다.
또한, 1 차원 시뮬레이션 모델을 기반으로 1,2 번째 차량 및 3번째 차량 단부를 3차원으로 모델링 한 3차원 충돌사고 시뮬레이션을 통해 충돌사고 시 차체 구조의 거동을 살펴보았다. 최종적으로 1 차원 및 3 차원 시뮬레이션 결과를 바탕으로 전동열차 충돌안전도 향상을 위한 개선방안을 제시하였다.
이론/모형
1 차원 시뮬레이션 방법은 한국철도기술연구원에서 개발한 1 차원 충돌해석 시뮬레이션 기법(8) 및 전용 Pre/Post 소프트웨어를 활용하여 각 차량의 질량, 연결기 특성, 편성 정보 등으로부터 충돌시뮬레이션을 위한 입력파일을 생성하고, LS- DYNA V971 Solver 로 해석 후 연결기 충격하중, 변위, 완충기 흡수 에너지, 가속도 등의 결과값을 도출하였다.
성능/효과
(1) 충돌사고 시 선행열차 및 후행열차 모두 대부분의 완충기에 최대완충용량 이상의 에너지가 전달되었으며 이로 인해 후행열차 7량 및 선행열차 5량의 차량간 접촉 및 변형 발생하였다. 이는 사고열차들에 장착된 고무완충기의 완충 용량이 부족한데서 기인한 것으로 보이며 이를 보완하기 위해서는 완충기 완충 용량을 상향시킬 필요가 있다.
(2) 충돌사고 시 직접 부딪힌 선행열차와 후행 열차가 선두차량의 센터실 연결기 장착부에서 변형과 손상이 많이 발생하였다. 사고열차의 센터실 압축강도는 490kN으로 완충기의 완충용량을 최대한 활용하기에도 부족한 것으로 보인다.
(3) 차량간 타고오름 현상이 발생하여 차량간 접촉이 발생하면서 차량간 통로문이 변형되고 고착되는 현상이 발생하였다. 통로문의 변형 및 고착 현상은 사고 발생 시 인접차량을 통한 대피를 어렵게 하여 사고의 피해를 키울 수 있다.
후속연구
(1) 충돌사고 시 선행열차 및 후행열차 모두 대부분의 완충기에 최대완충용량 이상의 에너지가 전달되었으며 이로 인해 후행열차 7량 및 선행열차 5량의 차량간 접촉 및 변형 발생하였다. 이는 사고열차들에 장착된 고무완충기의 완충 용량이 부족한데서 기인한 것으로 보이며 이를 보완하기 위해서는 완충기 완충 용량을 상향시킬 필요가 있다. 특히, 선두연결기의 경우에는 중간연결기보다 높은 용량의 완충기를 사용하는 것이 사고 발생 시 피해를 줄일 수 있을 것이다.
선두연결기에 센터실 압축강도 이상의 충격하중이 발생하면 센터실 연결기 장착부가 변형되면서 타고오름 현상을 유발하기도 한다. 최근에는 충돌사고 시 타고오름을 방지하기 위해 선두연결기와 차체 센터실 사이에 기계적 퓨즈 장치(전단볼트, 인장볼트 등)가 장착되기도 하는데, 이러한 장치를 설치하면 저속의 충돌 사고에서 차체의 손상을 최소화할 수 있을 것이다.
이는 사고열차들에 장착된 고무완충기의 완충 용량이 부족한데서 기인한 것으로 보이며 이를 보완하기 위해서는 완충기 완충 용량을 상향시킬 필요가 있다. 특히, 선두연결기의 경우에는 중간연결기보다 높은 용량의 완충기를 사용하는 것이 사고 발생 시 피해를 줄일 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열차 사고의 특징은 무엇인가?
열차 사고는 다른 운송수단 사고에 비해 발생빈도는 낮지만, 사고 발생 시 물적·인적 자원의 피해가 크고, 공공 교통수단이라는 점을 감안하면 사회적 문제로 크게 확대될 수 있으므로 철도차량 운행에 있어 안전은 매우 중요한 요소이다. 철도 차량의 사고는 크게 탈선, 충돌, 화재사고로 분류될 수 있으며, 2005 년에서 2013 년도까지 국내 철도사고 통계자료에 따르면 탈선, 충돌, 화재 순으로 발생빈도가 높은 것으로 나타났다(1) .
충돌안전기준을 만족시키는 철도차량 설계에 대한 연구는 무엇이 있었는가?
최근에는 열차 충돌사고 시 인적 및 물적 피해를 최소화하기 위해 철도차량에 대한 충돌 안전설 계를 요구하는 법령 및 규격(2,3) 등이 전세계적으로 도입되는 추세이며, 국내에서도 충돌안전기준을 만족시키는 철도차량 설계에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 맹희영 등(4)은 철도차량 연결기 시스템의 1 차원 충돌 시뮬레이션 기법을 연구하여 차체 안전설계에 대한 방향을 제시하였으며, 이현철 등(5)은 철도안전법과 도시철도안전법을 적용하여 자기부상열차 모델에 대해 3 차원 유한요소 해석을 통해 충돌안전도를 평가하였다. 김거영 등(6)은 열차의 타고오름 현상의 재현을 위한 2 차원 충돌동역학 모델링 기법을 연구하여 3 차원 유연체 차체 모델링 기법을 사용한 가상시험모델과 비교하였다. 그러나 실제 열차 충돌사고를 대상으로 사고재현 시뮬레이션, 사고 상황 분석, 충돌안전도 개선 방안 도출 등을 수행한 국내 연구사례는 부족한 실정이다.
철도 차량의 사고는 어떻게 분류되며 빈도는 어떤가?
열차 사고는 다른 운송수단 사고에 비해 발생빈도는 낮지만, 사고 발생 시 물적·인적 자원의 피해가 크고, 공공 교통수단이라는 점을 감안하면 사회적 문제로 크게 확대될 수 있으므로 철도차량 운행에 있어 안전은 매우 중요한 요소이다. 철도 차량의 사고는 크게 탈선, 충돌, 화재사고로 분류될 수 있으며, 2005 년에서 2013 년도까지 국내 철도사고 통계자료에 따르면 탈선, 충돌, 화재 순으로 발생빈도가 높은 것으로 나타났다(1) . 그 중에서 열차 충돌사고는 주로 여객열차를 중심으로 발생하여 열차 사고 중에서도 인적 피해가 비교적 높은 것으로 알려져 있다.
참고문헌 (8)
Achieved at araib.molit.go.kr
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2007, "Rolling Stock Safety Regulation," Notification No. 2007-278 of the MLTM
European Committee for Standardization, 2010, "The European Standard EN15227 : Railway Applications-Crashworthiness Requirement for Railway Vehicle Bodies,"
Maeng, H.Y., Kim, J.S. and Park, Y.I., 2013, "Collision Simulation for the Coupler System of Rolling Stock," Journal of the Korean Society for Manufacturing Technology Engineers, Vol. 22, No. 3-1, pp. 566-572.
Lee, H.C. and Koo, J.S., 2009, "Crashworthiness Analysis of the Urban Maglev Vehicle According to Korean Railway Safety Law and Urban Transit Safety Law," Trans. Korean Soc. Auto. Eng., Vol. 17, No. 5, pp. 115-126.
Kim, G.Y., Koo, J.S. and Kwon, T.S., 2011, "Study on a 2-Dimensional Dynamic Modeling Technique to Analyze the Overriding Phenomena of Rolling Stock," Journal of Korean Soc. Railway, Vol. 14, No. 1, pp. 11-18.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014, Report of Seoul Metro 2nd line EMU Crash Accident, Report No. ARAIB/R 2014-8.
Jung, H. S., Kwon, T.S. and Koo, J.S., 2006, "A Study on Rolling Stock Shunting Impact Analysis Using LS-DYNA," The Korean Society of Railway spring conference, pp. 25-30.
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