[논문]곡선부 선형개량 시 승차감을 고려한 최적평면선형 평가

엄주환; 최일윤; 이준석

doi:10.7782/jksr.2015.18.5.457

문제 정의

선행연구결과에서 제시한 R−L_t 결정기법과 승차감 지수 P_CT의 간략화 해석기법을 적용하여 간단히 최적선형범위를 설정할 수 있는 평가방법을 제안하였으며, 이를 이용하여 향후 초고속화에 대비해 현재 경부고속선 자갈도상구간을 대상으로 설계기준조건과 최소 부설곡선반경인 R7000/8000에 대해 허용개량범위를 검토하였다. 또한 다양한 선형 초기조건들이 허용개량범위에 미치는 영향을 파악하고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 기존선 속도향상을 위한 곡선부 개량 시 다양한 설계변수들을 고려하여 간단하고 효율적으로 최적평면선형범위를 결정할 수 있는 평가기법에 대해 논의하였다. 선행연구결과에서 제시한 R−L_t 결정기법과 승차감 지수 P_CT의 간략화 해석기법을 적용하여 간단히 최적선형범위를 설정할 수 있는 평가방법을 제안하였으며, 이를 이용하여 향후 초고속화에 대비해 현재 경부고속선 자갈도상구간을 대상으로 설계기준조건과 최소 부설곡선반경인 R7000/8000에 대해 허용개량범위를 검토하였다.
하지만 시행착오를 통해 이러한 변수들을 고려해 설계하기에는 많은 비용과 시간이 요구되어 지금까지는 설계요구사항을 만족하는 범위내에서 간단히 결정되어 왔다. 본 연구에서는 선행연구결과들을 이용해 다양한 설계변수들을 고려하면서 차량의 동적거동해석 등과 같은 시간이 오래 걸리고 복잡한 과정을 거치지 않고 간단하고 효율적으로 최적평면선형범위를 결정할 수 있는 평가기법을 제안하였다.
본 연구에서는 이러한 선행연구결과들을 바탕으로 기존선 속도향상을 위한 선형개량 시 좀 더 효율적인 설계를 위하여 승차감을 고려한 최적평면선형범위에 대한 평가방안을 제시하였으며, 이를 이용해 다양한 초기선형설계변수들이 허용개량범위와 최적선형범위에 미치는 영향을 분석하고자 매개변수해석을 수행하였다. 이와 더불어 향후 최고운행속도 400km/h이상의 초고속화에 대비해 현재 경부고속선 자갈도상구간의 최소 곡선조건인 R7000/R8000을 대상으로 허용개량범위를 검토하여 속도향상 가능성을 파악하고자 하였다.
본 장에서는 앞서 논의한 최적평면선형 평가방법을 이용해 국내 고속철도의 다양한 선형조건들을 대상으로 해석을 수행하고 최적선형 범위에 미치는 영향에 대해 논의하였다.
본 연구에서는 이러한 선행연구결과들을 바탕으로 기존선 속도향상을 위한 선형개량 시 좀 더 효율적인 설계를 위하여 승차감을 고려한 최적평면선형범위에 대한 평가방안을 제시하였으며, 이를 이용해 다양한 초기선형설계변수들이 허용개량범위와 최적선형범위에 미치는 영향을 분석하고자 매개변수해석을 수행하였다. 이와 더불어 향후 최고운행속도 400km/h이상의 초고속화에 대비해 현재 경부고속선 자갈도상구간의 최소 곡선조건인 R7000/R8000을 대상으로 허용개량범위를 검토하여 속도향상 가능성을 파악하고자 하였다.

가설 설정

여기서, P_CT: 승차감을 표현하는 승객들의 만족도로 나타낸 백분율(percentage) 단위(%)로서 낮을수록 승차감이 좋다는 것을 의미함, C_d: 캔트부족량(mm), C_d^*: 최적캔트부족량(mm), f_r: 유효롤계수(차량면횡가속도/궤도면횡가속도, 여기서는 1.2로 가정), C_eq:균형캔트(mm), L_t: 완화곡선), V: 열차속도(km/h).
1에서 지형조건과 주요구조물과 같은 고정점들이 있을 경우 개량 R−L_t 설계를 위한 기본 개념을 보여주고 있다. 여기서는 선행연구결과에 따라 허용범위에 가장 크게 영향을 미치는 원곡선 중앙부와 끝단직선부상에만 고정점이 있다고 가정하고 해석을 수행하였다.

제안 방법

Table 2에서 알 수 있듯이 곡선반경은 경부고속철도 건설당시를 기준으로설계기준 변경전·후에 대해 각각 R5000/R6100을 적용하였으며, 이와 더불어 가장 열악한 조건에 대한 검토를 위해 현재 부설중인 최소곡선반경 R7000/R8000의 경우를 고려하였다.
해석에 적용한 선형조건은 기본적으로 고속철도를 대상으로 가장 가혹하고 열악한 조건으로 크게 두 가지 방향으로 나누어 설정하였다. 가혹한 조건으로는 고속철도 설계기준을 적용하였으며, 가장 열악한 조건으로는 현재 운행선상에 부설된 선형 중 가장 작은 곡선반경을 가진 선형조건을 고려하여 평가를 수행하였다. 가혹한 조건인 설계기준의 경우 경부고속선 건설당시 적용한 변경전 설계기준도 함께 고려하였다.
Table 2에서 알 수 있듯이 곡선반경은 경부고속철도 건설당시를 기준으로설계기준 변경전·후에 대해 각각 R5000/R6100을 적용하였으며, 이와 더불어 가장 열악한 조건에 대한 검토를 위해 현재 부설중인 최소곡선반경 R7000/R8000의 경우를 고려하였다. 그리고 캔트변화에 따른 영향을 분석하기 위해 부설조건과 더불어 현행 최대설계기준을 고려해 해석을 수행하였으며, 이때 완화곡선 길이는 철도건설기준에 따라 다음 식 (5)에 의해 산출하였다[8]. 또한 평면선형의 중요한 초기설계조건인 교각(Intersection angle)의 크기에 따른 영향을 분석하고자 3가지 경우를 가정하여 고려하였으며, 열차속도는 향후 속도향상에 따른 개량여부를 분석하기 위해 300km/h, 350km/h, 400km/h의 경우를 고려하여 총 54개 경우에 대한 매개변수 해석을 수행하였다.
그리고 캔트변화에 따른 영향을 분석하기 위해 부설조건과 더불어 현행 최대설계기준을 고려해 해석을 수행하였으며, 이때 완화곡선 길이는 철도건설기준에 따라 다음 식 (5)에 의해 산출하였다[8]. 또한 평면선형의 중요한 초기설계조건인 교각(Intersection angle)의 크기에 따른 영향을 분석하고자 3가지 경우를 가정하여 고려하였으며, 열차속도는 향후 속도향상에 따른 개량여부를 분석하기 위해 300km/h, 350km/h, 400km/h의 경우를 고려하여 총 54개 경우에 대한 매개변수 해석을 수행하였다.
선행연구결과에서 제시한 R−Lt 결정기법과 승차감 지수 PCT의 간략화 해석기법을 적용하여 간단히 최적선형범위를 설정할 수 있는 평가방법을 제안하였으며, 이를 이용하여 향후 초고속화에 대비해 현재 경부고속선 자갈도상구간을 대상으로 설계기준조건과 최소 부설곡선반경인 R7000/8000에 대해 허용개량범위를 검토하였다.
해석에 적용한 선형조건은 기본적으로 고속철도를 대상으로 가장 가혹하고 열악한 조건으로 크게 두 가지 방향으로 나누어 설정하였다. 가혹한 조건으로는 고속철도 설계기준을 적용하였으며, 가장 열악한 조건으로는 현재 운행선상에 부설된 선형 중 가장 작은 곡선반경을 가진 선형조건을 고려하여 평가를 수행하였다.

대상 데이터

가혹한 조건인 설계기준의 경우 경부고속선 건설당시 적용한 변경전 설계기준도 함께 고려하였다. 그리고 도상형식은 개량이 쉽게 이뤄질 수 있는 자갈도상궤도를 대상으로 하였다.

이론/모형

곡선부 승차감 평가는 BS EN(2009)규정에서 제안하고 있는 P_CT방법이 가장 합리적이라고 평가받고 있다[2,6]. 따라서 본 연구에서는 승차감 평가방법으로 P_CT방법을 이용한 Kufver(1997)의 간략화 해석기법을 활용하였으며, 평가에는 가혹한 조건인 입석에 대해서 고려하였다.
평면선형 설계 시 중요한 변수인 곡선반경(R)-완화곡선길이(L_t) 결정은 엄주환 등(2009)이 제시한 방법을 적용하여 허용범위를 산정하였다[3]. Fig.

성능/효과

열차 속도에 따라서는 속도가 증가할수록 승차감이 나빠지는 것을 볼 수 있으며, 특히 400km/h에서는 급격히 나빠지는 것으로 나타났다. 그리고 곡선반경이 작은 case1~case18의 경우 교각이 클수록 승차감이 나빠짐과 동시에 최적 선형범위도 그림에서 알 수 있듯이 속도가 높을수록 좁혀지는 것으로 나타났다.
그리고 교각이 클수록 허용곡선반경은 다소 줄어드나 허용완화곡선 길이는 큰 폭으로 늘어나는 것으로 나타나, 전체적으로는 허용개량범위가 커지는 것으로 나타났다. 그리고 교각이 클수록 대부분 직선상 지장물에 의해 개량범위가 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
그림에서 알 수 있듯이 전반적으로 곡선반경이 클수록 허용개량범위는 큰 것으로 나타났다. 그리고 교각이 클수록 허용곡선반경은 다소 줄어드나 허용완화곡선 길이는 큰 폭으로 늘어나는 것으로 나타나, 전체적으로는 허용개량범위가 커지는 것으로 나타났다. 그리고 교각이 클수록 대부분 직선상 지장물에 의해 개량범위가 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
1배 정도 크게 나타나 개량의 폭이 넓어졌음을 알 수 있다. 그리고 속도향상을 대비해 캔트와 완화곡선 길이를 최대설계기준으로 변경했을 경우를 가정해 선형변화에 따른 효과를 비교한 결과, 변경 후가 허용개량범위가 다소 넓어졌으나 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
둘째, 곡선반경이 클수록 허용개량범위와 최적선형범위가 커짐을 정량적으로 알 수 있었으며, 또한 같은 곡선반경에서는 캔트가 높을수록 허용개량범위와 최적선형범위가 넓어짐을 알 수 있었다. 그리고 허용개량범위는 고정점 위치와 개수가 아주 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
넷째, 현재 경부고속선 부설 선형 중 가장 열악한 조건인 R7000, R8000의 경우에도 선형측면에서는 약간의 개량으로도 주행안정성을 만족하면서 속도향상이 가능함을 알 수 있었다.
둘째, 곡선반경이 클수록 허용개량범위와 최적선형범위가 커짐을 정량적으로 알 수 있었으며, 또한 같은 곡선반경에서는 캔트가 높을수록 허용개량범위와 최적선형범위가 넓어짐을 알 수 있었다. 그리고 허용개량범위는 고정점 위치와 개수가 아주 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
마지막으로 같은 곡선반경에서 캔트와 완화곡선 길이를 설계기준 값으로 높게 설정하였을 경우 부설선형조건에 비해 그 차이는 미소하지만 승차감이 좋은 것으로 나타나, 캔트와 완화곡선 길이의 변화가 최적 선형범위에도 다소 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다.
설계기준 변경전·후에 따라서는 최소곡선반경이 R5000에서 R6100으로 커짐에 따라 선형개량의 허용범위도 확대되어 선로개량시 더욱 유리한 방향이 되었음을 알 수 있었다.
셋째, 교각이 크고 곡선반경이 작을수록 최적선형범위의 폭이 대체적으로 줄어드는 것으로 나타났으며, 특히 곡선반경이 작은 경우에는 속도에 따라 최적선형범위가 급격히 감소한다는 것을 알 수 있었다.
1 정도 낮게 나타났으며, 승차감 지수 P_CT값들 중 30이하의 선형조합이 상당수 나타나 기준 변경에 따른 효과가 좋아졌음을 알 수 있었다. 열차 속도에 따라서는 속도가 증가할수록 승차감이 나빠지는 것을 볼 수 있으며, 특히 400km/h에서는 급격히 나빠지는 것으로 나타났다. 그리고 곡선반경이 작은 case1~case18의 경우 교각이 클수록 승차감이 나빠짐과 동시에 최적 선형범위도 그림에서 알 수 있듯이 속도가 높을수록 좁혀지는 것으로 나타났다.
4(c)에서 알 수 있듯이 곡선반경이 크게 변경된 최근기준(2013)이 승차감 지수도 전반적으로 낮아져 승차감이 좋아졌음을 알 수 있었다. 열차속도 400km/h에서는 변경전에 비해 승차감 지수 P_CT가 약4.4~12.1 정도 낮게 나타났으며, 승차감 지수 P_CT값들 중 30이하의 선형조합이 상당수 나타나 기준 변경에 따른 효과가 좋아졌음을 알 수 있었다. 열차 속도에 따라서는 속도가 증가할수록 승차감이 나빠지는 것을 볼 수 있으며, 특히 400km/h에서는 급격히 나빠지는 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터, 기존 곡선부 개량시 허용개량범위는 변경전 고정점의 위치와 개수가 가장 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
첫째, 전반적으로 곡선반경이 크고 속도가 낮을수록 승차감 지수가 낮게 나타나 승차감이 좋아지는 것을 알 수 있었다.

후속연구

가 40이하에서는 대부분 주행안전성도 만족하는 것으로 나타났다[4]. 따라서 향후 개량설계 시에는 본 평가기법에 의해 결정된 최적 선형범위 내에서 설계기준을 만족하는 몇몇 선형조합들에 대해서만 열차의 주행안전성 평가를 수행한다면 한층 더 효율적인 최적선형 결정이 가능할 것으로 판단된다.
마지막으로 본 연구에서 제시한 최적평면선형 설정기법은 고속철도뿐만 아니라 일반철도에도 적용이 가능하며, 선로개량시 설계자가 쉽고 빠르게 최적선형범위를 파악할 수 있어 설계에서 개량까지 경제적인 건설이 될 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선로선형이 철도에서 중요한 이유는?	철도에서 선로선형은 차량의 주행안정성 및 건설비에 직접적인 영향을 미치며 또한 최고속도를 결정하는 중요한 요소이다. 그러나 현실적으로 건설비용과 선로품질은 설계요구사항에서 상호 역비례관계에 있어 이들 두 가지 요소를 적절히 고려하여 결정하여야 한다.
	곡선부 승차감 평가는 무엇이 가장 합리적인가?	철도에서 곡선부 평면선형을 최적으로 설계하기 위해서는 차량의 주행안전성을 만족하는 범위 내에서 승차감이 최대가 되도록 설계하여야 한다. 곡선부 승차감 평가는 BS EN(2009) 규정에서 제안하고 있는 PCT방법이 가장 합리적이라고 평가받고 있다[2,6].따라서 본 연구에서는 승차감 평가방법으로 PCT방법을 이용한 Kufver(1997)의 간략화 해석기법을 활용하였으며, 평가에는 가혹한 조건인 입석에 대해서 고려하였다.
	중국, 일본, 한국의 초고속열차의 개발 현황은?	최근 세계적으로 철도속도향상 경쟁이 치열하며 이를 위한 기술개발이 활발히 이루어지고 있다. 중국과 일본은 600km/h이상의최고속도를 시험적으로 성공하였으며, 상업적인 운행속도향상에도 많은 노력을 기울이고 있다. 국내에서도 개발중인 차세대고속철도 HEMU차량의 시험속도가 420km/h이상을 주행하는데 성공하였으며 상용화를 위한 노력을 가속화하고 있다. 이러한 초고속열차의 개발에 따른 안전한 속도향상을 위해서는 초고속 조건에 맞는 새로운 선로설계 및 개량기술도 동시에 개발되어야 한다.

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