[논문]장대교량 신축부에서 침목간격 확대가 차량의 주행안전성 및 궤도의 구조안정성에 미치는 영향

양신추

doi:10.5050/ksnve.2015.25.9.620

Abstract ▼ AI-Helper

Long continuous bridge deck can become contracted considerably as temperature drops, which can lead to a large expansion of sleeper span at the end of it. Since this huge sleeper span then can cause problems both with safety of train operation and structural stability of tracks, it is necessary to t...

Long continuous bridge deck can become contracted considerably as temperature drops, which can lead to a large expansion of sleeper span at the end of it. Since this huge sleeper span then can cause problems both with safety of train operation and structural stability of tracks, it is necessary to take the issue into consideration systematically in the designing process of the bridge. In this paper, an evaluation process through the analysis of train-track interaction was presented which can basically review the effects of the expansion of sleeper span at the end of long continuous bridge deck on the safety of the train and the structural stability of the track. The analyses of the interaction between the light rail train and tracks were carried out targeting the sleeper span as a main parameter. The safety of train operation and structural stability of tracks in a light rail system due to the expansion of the sleeper span were evaluated by comparing the numerical results with the related criteria.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 논문에서는 차량-궤도 상호작용 해석을 통하여 침목간격의 확대가 차량 안전성 및 궤도에 구조안정성에 미치는 영향을 근본적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 경량전철시스템을 대상으로 하여 침목간격을 주요 파라미터로 하여 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하였다.

가설 설정

차량 1량의 서브모델(sub model)은 Fig. 2와 같이 차체와 2개의 대차, 그리고 4개의 윤축(wheel set)으로 구성되며, 이들은 각각 강체운동을 하는 것으로 가정하여 질점(lumped mass)으로 모델링된다. 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠(damping) 요소(element)로 모델링된다.
이러한 점을 고려할 때 침목확대구간에서 차량의 주행안전성 및 궤도의 구조안전성을 보다 안전한 측으로 검토하기 위해서는 교량단부가 차륜진동을 가장 크게 유발하게 하는 교량변형이 발생하는 순간을 고려하여 차량-궤도 상호작용해석을 수행할 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 교량상판 단부에서 꺽임각(angular rotation at the end of deck )이 최대로 발생한 것을 가정하여 차량-궤도 상호작용해석을 수행하였다.
차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠(damping) 요소(element)로 모델링된다. 차량은 수직운동만 하는 것으로 가정하여 10개의 자유도 시스템으로 나타낸다.
교량상판 꺽임각은 교량상판이 꺽임각 형상으로 사전 수직변위(prescribed vertical displacement)가 발생한 것으로 고려되었다. 철도구조물설계기준(7)에 의하면 열차속도 120 km/h 이하에서 경간장이 30 m 이상일 경우 단부꺽임각 한도를 9 ‰로 하고 있으므로 기준 허용한도까지 단부 꺽임을 발생할 때를 가정하여 궤도변위를 계산하였다. 교량 단부에 매우 큰 신축이 발생하는 경우 궤도에서는 통상적으로 신축이음매를 부설한다.

제안 방법

이 연구에서는 차량-궤도 상호작용 해석을 통하여 침목간격의 확대에 따른 차량의 주행안전성 및 궤도의 구조 안정성의 영향의 영향을 분석하였다. 경량전철시스템을 대상으로 하여 침목간격을 주요 파라메타로 하여 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하였다. 해석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 논문에서는 차량-궤도 상호작용 해석을 통하여 침목간격의 확대가 차량 안전성 및 궤도에 구조안정성에 미치는 영향을 근본적으로 분석하는 방법을 제시하였다. 경량전철시스템을 대상으로 하여 침목간격을 주요 파라미터로 하여 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하였다. 해석결과와 관련 기준과의 비교를 통해서 경량전철 시스템에서 장대 연속교량 끝단에서 침목간격 확대에 따른 차량 주행안전성 및 궤도에 구조안정성을 평가하였다.
다른 한편 궤도의 구조 안정성 검토를 위해서는 침목의 이산지지 간격은 물론 레일 및 체결구의 동적 거동특성이 고려되어야 할 것이다. 이 연구에서는 이러한 요구조건들을 고려할 수 있는 차량-궤도 상호작용 해석프로그램을 사용하였다. 이 프로그램은 저자에 의하여 개발되어 그 타당성이 입증된 바 있는데(5,6), 해석모델을 간략하게 소개하면 다음과 같다.
이 연구에서는 차량-궤도 상호작용 해석을 통하여 침목간격의 확대에 따른 차량의 주행안전성 및 궤도의 구조 안정성의 영향의 영향을 분석하였다. 경량전철시스템을 대상으로 하여 침목간격을 주요 파라메타로 하여 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하였다.
경량전철시스템을 대상으로 하여 침목간격을 주요 파라미터로 하여 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하였다. 해석결과와 관련 기준과의 비교를 통해서 경량전철 시스템에서 장대 연속교량 끝단에서 침목간격 확대에 따른 차량 주행안전성 및 궤도에 구조안정성을 평가하였다.

이론/모형

따라서 차량과 궤도의 상호작용해석에 교량단부 꺽임에 의한 궤도변위를 고려하기 위하여 궤도변위를 산정하였다. 궤도 변위 산정 시 궤도모델은 체결구가 KS50kg 레일을 지지하는 1차 보 모델을 적용하였다. 따라서 레일은 보요소로 모델링하였으며, 체결구는 수직스프링으로 모델링하였다.

성능/효과

(1) 침목간격의 확대 폭이 커짐에 따라 윤중감소율, 레일응력, 그리고 레일패드 응력 등이 커져 열차의 주행안전성 및 궤도의 구조안정성이 저하됨을 알 수 있었다. (2) 그러나 축중이 가볍고 속도가 저속인 경량전철에서는 침목간격이 680 mm에서 레일의 신축이음매가 최대로 허용할 수 있는 스트로크(stroke) 350 mm까지 더 확대되더라도 열차의 주행 안전성 및 궤도의 구조 안정성의 기준은 충분히 만족되는 것을 알 수 있었다.
(1) 침목간격의 확대 폭이 커짐에 따라 윤중감소율, 레일응력, 그리고 레일패드 응력 등이 커져 열차의 주행안전성 및 궤도의 구조안정성이 저하됨을 알 수 있었다. (2) 그러나 축중이 가볍고 속도가 저속인 경량전철에서는 침목간격이 680 mm에서 레일의 신축이음매가 최대로 허용할 수 있는 스트로크(stroke) 350 mm까지 더 확대되더라도 열차의 주행 안전성 및 궤도의 구조 안정성의 기준은 충분히 만족되는 것을 알 수 있었다. 따라서 경량전철에서는 침목간격이 350 mm까지 추가적으로 확대되더라도 별도의 대책을 수립할 필요가 없는 것을 알 수 있었다.
따라서 경량전철에서는 침목간격이 350 mm까지 추가적으로 확대되더라도 별도의 대책을 수립할 필요가 없는 것을 알 수 있었다. (3) 경량전철 콘크리트궤도에서 교량단부 꺽임각을 9 ‰까지 허용할 경우 차량의 주행안정성을 확보될 수 있으나 상판 꺽임에 의하여 매우 큰 레일 휨응력이 발생하므로 교량 설계 시 상판 꺽임각을 엄격히 제한할 필요가 있음을 알 수 있었다.
(2) 그러나 축중이 가볍고 속도가 저속인 경량전철에서는 침목간격이 680 mm에서 레일의 신축이음매가 최대로 허용할 수 있는 스트로크(stroke) 350 mm까지 더 확대되더라도 열차의 주행 안전성 및 궤도의 구조 안정성의 기준은 충분히 만족되는 것을 알 수 있었다. 따라서 경량전철에서는 침목간격이 350 mm까지 추가적으로 확대되더라도 별도의 대책을 수립할 필요가 없는 것을 알 수 있었다. (3) 경량전철 콘크리트궤도에서 교량단부 꺽임각을 9 ‰까지 허용할 경우 차량의 주행안정성을 확보될 수 있으나 상판 꺽임에 의하여 매우 큰 레일 휨응력이 발생하므로 교량 설계 시 상판 꺽임각을 엄격히 제한할 필요가 있음을 알 수 있었다.
이상의 결론은 경량전철 한하여 도출된 것이며, 축중이 무겁고 속도가 빠른 기존철도 또는 고속철도에서는 침목간격이 확대됨에 따라 차량의 주행안전성 및 궤도의 구조안정성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 차량, 궤도, 그리고 교량 조건이 이 연구에서 검토한 조건과 다른 경우에는 근본적으로 재평가가 요구되며, 이 연구에서의 제시한 평가방법은 검토 시 유용하게 적용될 것으로 기대된다.

후속연구

이상의 결론은 경량전철 한하여 도출된 것이며, 축중이 무겁고 속도가 빠른 기존철도 또는 고속철도에서는 침목간격이 확대됨에 따라 차량의 주행안전성 및 궤도의 구조안정성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 차량, 궤도, 그리고 교량 조건이 이 연구에서 검토한 조건과 다른 경우에는 근본적으로 재평가가 요구되며, 이 연구에서의 제시한 평가방법은 검토 시 유용하게 적용될 것으로 기대된다.
차체의 수직가속도는 근사적으로 윤중감소율과 거의 같기 때문에(9) 차량 주행안전을 위한 교량의 설계 요건으로서 목표 윤중감소율을 정하고 있다. 이와 같이 교량구간에서 차량 주행안전에 대한 요건이 도출되는 기본 개념을 고려할 때 교량단부의 침목 간격이 확대되는 짧은 구간에서 차량의 주행안전에 대한 요건도 교량구간과 동일하게 적용되어야 할 것이다.

참고문헌 (9)

UIC Code 774-3-R, 2001, Track/Bridge Interaction, Recommendations for Calculations, Union International des Chemins de Fer (UIC), Paris France.
EN 1991-2, 2003, Eurocode 1: Actions on Structures, Part 2: General Actions, Traffic Loads on Bridges, European Committee for Standardization (CEN), Brussels.
Ernesto, G. V., JoséA. T., Gorka, G. Z. and Carlos, A. D., 1998, Effect of Sleeper Distance on Rail Corrugation, WEAR, Vol. 217, No. 1, pp. 140~146.

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Jin, X., Xiao, X., Wen, Z. and Zhou, Z., 2008, Effect of Sleeper Pitch on Rail Corrugation at a Tangent Track in Vehicle Hunting, WEAR, Vol. 265, No. 9-10, pp. 1163~1175.

상세보기
Yang, S. C., 2009, Enhancement of the Finite-element Method for the Analysis of Vertical Train-track Interactions, Proc. IMechE Part F: J. Rail and Rapid Transit, Vol. 223, No. 6, pp. 609~620.

상세보기
Yang, S. C. and Kim, E., 2012, Effect on Vehicle and Track Interaction of Installation Faults in the Concrete Bearing Surface of a Direct-fixation Track, Journal of Sound and Vibration, Vol. 331, No. 1, pp. 192~212.

상세보기
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2011, Railway Design Standard(structure), Korea Rail Network Authority.
RTRI(Railway Technical Research Institute), 2006, Design Standard for Railway Structures and Commentary - Displacement Limits, Japan.
Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, 2002, Technical Standard in Railway(Civil), Japan, Department of Railway.

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