선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 기존 공용 중인 고속철 교량의 구조적 거동을 현장 계측하고 차세대 고속철 교량의 거동을 고려한 수치모델의 개발과 해석을 통하여 교량받침의 내구성 평가기준과 국내환 경에 합당한 표준시험방법을 마련하기 위하여 아래와 같은 사항을 제안한다.
- 미래 고속철 주행속도를 대비한 고속철 PSC교량의 구조적 거동과 차량의 주행안정성을 해석하기 위한 수치모형을 개발 하였다. 특히 교량마찰받침의 내구성을 확보하기 위한 장기 마찰시험을 수행하여 관련 기준 및 인증항목과 비교하였다.
제안 방법
- 1) 기존 국내외 설계기준과 교량받침의 개발방향 및 인증기관의 평가항목을 바탕으로 현장계측을 위한 항목을 도출하고 국내 측정대상 교량을 선정한다.
- 4) CE 인증에서 요구하는 EN1337-1 마찰판의 장기마찰시험을 수행하여 PTFE 마찰판은 누적이동거리 10,000 m에서 파단 되었다.
- 해석모형에서는휨, 전단, 비틀림 모두를 파악할 수 있고 교량을 보요소가 강결 절점에 상호 연결된 것으로 모사화한 3차원 뼈대요소 모형을 개발하였다. KTX 동력차를 연직변위, 피칭, 롤링뿐만 아니라 횡변위, 종변위 및 요잉에 의한 운동효과도 동시에 고려할 수 있도록 동력차 하중을 차량, 대차, 윤축 3개의 질량으로 각각 연결하여 3차원 수치 모형화 하였다. KTX 동력차의 강체질량은 1개의 차체질량, 2개의 대차질량 및 4개의 윤축장치 질량으로 스프링과 댐퍼로 연결하여 총 38 자유도로 구성되었다.
- KTX 동력차의 강체질량은 1개의 차체질량, 2개의 대차질량 및 4개의 윤축장치 질량으로 스프링과 댐퍼로 연결하여 총 38 자유도로 구성되었다. Power Spectral Density(PSD) function을 이용한 궤도의 불규칙성 모형궤도의 형상은 좌우레일 사이의 수평거리인 궤간(gage), 레일간의 높이차이인 수평(cross level), 좌우레일의평균높이인 연직면(vertical profile), 그리고 레일간의 횡방향평균 중앙선인줄(alignment)로 구성되는 4개의 항목으로 제안된 6개의 모형을 고속철용으로 6개 추가 확대하여 정의하고 Hamid 등에 의해 개발되어 미국 FRA에 규정된 지수스펙트럼 밀도 함수식을 인용한 수치모형을 반영하였다. 수치해 석은 Newmark-β와 Runge-Kutta 방식을 적용하여 해석하고 비교하였으며, 문헌조사된 연구결과들을 분석하여 차량의 고진동 특성을 감안한 Runge-Kutta법을 선택하였다.
- 개발된 마찰시험장치를 이용하여 온도변화(-35°C~70°C)내 저속(0.4 mm/s)시험과 상온 고속(15 mm/s)시험을 32 일간 수행하여 마찰재 두께 3% 마모율과 0.7% 직경변화율을 나타내었으며, AASHTO 기준의 완제품 수치해석과 30,000 kN 압축전단시험기를 사용하여 받침 허용용량의 1.5 배를 재하하고 5 분간 유지하여 탄성변형율과 잔류영구변형율을 만족시켰다 (Oh et al., 2014(b); Lee et al., 2014).
- 경간 40 m 고속철 PSC 교량 전면에 170 m 일반 도상구간을 동일한 불규칙성 궤도모형을 반영하여 연결한 수치모형 구간을 주행속도별로 38 자유도 차량의 윤축에 작용하는 윤하중과 차량의 3방향 회전각을 교량통과시간을 기준한 상대시간 으로 분석하였다. 교량 구간에서 동력차의 윤축하중을 해석한 결과 자체의 중량을 제외하고 평균 26.
- 고속철 PSC 교량받침의 장기 마찰시험은 EN1337-2와 CUAP03.01/78기준을 기반으로 동일한 수직압력에 대한 온도 변수별 누적 마찰거리 25,000 m 장기마찰시험을 수행하였다. 기존의 PTFE판은 우수한 마찰계수 결과에도 불구하고 10,000m에서 손상되어 한계 내구성능을 나타내었고, 반면에 DP-Mate판은 일부 온도구간에서 한계 마찰계수를 상회하였으나 성공적으로 장기마찰시험을 만족시켰다.
- 국내 고속철 관련 현황은 300 km/h 주행속도의 KTX 상용 화와 수년간의 운영경험 및 경부와 호남고속철 전용선로와 다양한 고려가 반영된 설계기준을 보유하고 있으며 420 km/h 시험운행을 성공한 동력분산형 고속철 시스템을 확보한 독자 운영시스템과 설계능력을 구현 가능한 반면에 교량받침의 경우 내진설계를 제작사에서 수행하는 기형적인 환경에 놓여있다. 따라서 국내 고속철 교량에 적합한 증가될 고속철 주행 속도를 반영할 고유한 장기마찰시험법 및 인증을 위한 표준 안의 개발이 요구되며 이를 위하여 온도하중에 의한 낮은 속도의 마찰시험법에 치중된 EN1337-2 장기마찰시험법을 국내환경에 적합하도록 등가마찰속도를 적용하는 장기시험법을 위한 고유 스펙트럼을 적용한 동적특성을 반영한 누적이 동거리 시험법을 개발하였다. 또한 3차원 차량모형과 교량 그리고 궤도의 상호작용을 고려한 해석법의 개발과 현장 계측을 통한 받침의 거동특성을 고려한 최대 작용 하중과 허용 누적이동량를 주요 변수로 적용하였다.
- 따라서 국내 고속철 교량에 적합한 증가될 고속철 주행 속도를 반영할 고유한 장기마찰시험법 및 인증을 위한 표준 안의 개발이 요구되며 이를 위하여 온도하중에 의한 낮은 속도의 마찰시험법에 치중된 EN1337-2 장기마찰시험법을 국내환경에 적합하도록 등가마찰속도를 적용하는 장기시험법을 위한 고유 스펙트럼을 적용한 동적특성을 반영한 누적이 동거리 시험법을 개발하였다. 또한 3차원 차량모형과 교량 그리고 궤도의 상호작용을 고려한 해석법의 개발과 현장 계측을 통한 받침의 거동특성을 고려한 최대 작용 하중과 허용 누적이동량를 주요 변수로 적용하였다.
- 이러한 문제점을 개선하기 위하여 한국연구재단의 지원(2013년~2015년)으로 개선된 차량하중 모형과 고속철용 궤도 불규칙성, 그리고 차량과 교량의 상관관계를 고려한 동적해석기술을 적용하여 교량 상에서 동적 확대계수에 대한 임계주행속도 및 차량의 윤축 횡압과 탈선 계수 그리고 윤중감소율 및 윤축차이에 대한 연구와 교량과 일반도상간 차량회전각 변이에 대한 기초연구를 수행하였다. 또한 지식경제부지원사업(2013년~2014년)으로 교량받침 제작 업체와 산학공동연구로 차세대 고속철을 고려한 교량 받침 마찰판의 장기마찰시험을 수행하여 마찰시험장비구축과 25,000 m 마찰시험을 한국건설생활환경시험연구원의 공인성적을 획득하여 장기마찰시험법을 구축하였다.
- 또한 차량과 교량의 상호 작용력을 통합한 해석모델을 적용한 보다 현실적인 정밀 해석기술의 적용이 요구된다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 한국연구재단의 지원(2013년~2015년)으로 개선된 차량하중 모형과 고속철용 궤도 불규칙성, 그리고 차량과 교량의 상관관계를 고려한 동적해석기술을 적용하여 교량 상에서 동적 확대계수에 대한 임계주행속도 및 차량의 윤축 횡압과 탈선 계수 그리고 윤중감소율 및 윤축차이에 대한 연구와 교량과 일반도상간 차량회전각 변이에 대한 기초연구를 수행하였다. 또한 지식경제부지원사업(2013년~2014년)으로 교량받침 제작 업체와 산학공동연구로 차세대 고속철을 고려한 교량 받침 마찰판의 장기마찰시험을 수행하여 마찰시험장비구축과 25,000 m 마찰시험을 한국건설생활환경시험연구원의 공인성적을 획득하여 장기마찰시험법을 구축하였다.
- 2 mm/3 m 이내의 연직면 궤도 형상을 만족시켜야 한다. 증가될 주행속도에 대한 적용된 KTX 차량하중은 UIC 하중을 적용하고, 교량의 거동만을 제한한 기존의 구조설계기준과 차량의 주행안정성을 위한 차량의 연직처짐과 처짐가속도 그리고 교량의 단부회전각과 면틀림의 제한 조건과 비교하고 발표된 현장실험 결과와 개발된 정밀 3차원 차량모델을 적용한 수치해석 결과를 비교하였다.
- 미래 고속철 주행속도를 대비한 고속철 PSC교량의 구조적 거동과 차량의 주행안정성을 해석하기 위한 수치모형을 개발 하였다. 특히 교량마찰받침의 내구성을 확보하기 위한 장기 마찰시험을 수행하여 관련 기준 및 인증항목과 비교하였다.
- 해석대상인 최대 변위가 예상되는 경부고속철구간의 PSC 박스교량은 40 m 지간의 변단면 단순교로서 교량의 폭은 14 m 이고, 복선궤도를 가진 유도상 교량이다. 해석모형에서는휨, 전단, 비틀림 모두를 파악할 수 있고 교량을 보요소가 강결 절점에 상호 연결된 것으로 모사화한 3차원 뼈대요소 모형을 개발하였다. KTX 동력차를 연직변위, 피칭, 롤링뿐만 아니라 횡변위, 종변위 및 요잉에 의한 운동효과도 동시에 고려할 수 있도록 동력차 하중을 차량, 대차, 윤축 3개의 질량으로 각각 연결하여 3차원 수치 모형화 하였다.
대상 데이터
- KTX 동력차를 연직변위, 피칭, 롤링뿐만 아니라 횡변위, 종변위 및 요잉에 의한 운동효과도 동시에 고려할 수 있도록 동력차 하중을 차량, 대차, 윤축 3개의 질량으로 각각 연결하여 3차원 수치 모형화 하였다. KTX 동력차의 강체질량은 1개의 차체질량, 2개의 대차질량 및 4개의 윤축장치 질량으로 스프링과 댐퍼로 연결하여 총 38 자유도로 구성되었다. Power Spectral Density(PSD) function을 이용한 궤도의 불규칙성 모형궤도의 형상은 좌우레일 사이의 수평거리인 궤간(gage), 레일간의 높이차이인 수평(cross level), 좌우레일의평균높이인 연직면(vertical profile), 그리고 레일간의 횡방향평균 중앙선인줄(alignment)로 구성되는 4개의 항목으로 제안된 6개의 모형을 고속철용으로 6개 추가 확대하여 정의하고 Hamid 등에 의해 개발되어 미국 FRA에 규정된 지수스펙트럼 밀도 함수식을 인용한 수치모형을 반영하였다.
- 현재 공용 중인 고속철 PSC 박스 교량의 구조설계기준인 충격계수와 고유진동수 제한 외에 KTX 차량의 주행안정성을 확보하기 위한 방안과 관련된 중요한 결과를 도출하였다. 증가되는 주행속도를 적용한 설계기준을 평가하기 위하여 경부고속철구간에서 공용 중인 PSC 박스 교량에 대하여 동적응답이 최대로 발생하는 40 m 단경간 대상교량을 선정하였다. 주행안정성을 위한 설계기준을 적용하면 교량의 경간 중앙부에서 23.
- 해석대상인 최대 변위가 예상되는 경부고속철구간의 PSC 박스교량은 40 m 지간의 변단면 단순교로서 교량의 폭은 14 m 이고, 복선궤도를 가진 유도상 교량이다. 해석모형에서는휨, 전단, 비틀림 모두를 파악할 수 있고 교량을 보요소가 강결 절점에 상호 연결된 것으로 모사화한 3차원 뼈대요소 모형을 개발하였다.
이론/모형
- 수치해 석은 Newmark-β와 Runge-Kutta 방식을 적용하여 해석하고 비교하였으며, 문헌조사된 연구결과들을 분석하여 차량의 고진동 특성을 감안한 Runge-Kutta법을 선택하였다.
성능/효과
- 1) 40 m 단경간 PSC교량의 최대 동적확대계수는 주행속도 430 km/h에서 2.13이고 기존 설계기준이 요구하는 최대변위, 연직가속도, 단부회전각 및 면틀림은 모두 만족하였다.
- 2) 일반도상과 교량을 연결한 궤도구간에서 차량의 윤축하중과 중심회전각은 임계주행속도에서 허용탈선계수 및 윤중 감소율을 초과하였다.
- 2) 측정된 교량받침의 거동을 주행속도 및 온도변화에 대한 일반화와 각각의 특수성을 고려한 다양한 변수(하중별 실험속도, 지속기간, 허용마찰계수, 탄성변위 및 영구잔류변위)를 적용하여 표준시험방법을 개선하고 생산업체의 개발된 마찰판과 기존의 PTFE 마찰판의 차이를 규명한다.
- 3) 개선된 실험방법을 적용한 실험결과를 바탕으로 국내환경및 차세대 고속철교량받침에 적합한 내구성 평가기준을 수립한다.
- RungeKutta법을 적용한 해석결과는 발표된 연구결과와 현장실험 결과와 비교하여 적합한 결과인 반면에 Newmark-β법을 적용한 경우 최대변위 결과는 유사하였으나 조사된 임계 주행 속도와 차이를 나타내었다.
- 내구수명 평가의 주요 요소인 마찰받침의 누적이동거리는 온도하중과 활하중에 의한 거동을 포함하여 미국 AASHTO 기준에 의하면 연간 최대 1,000 m의 거동을 확보하고 몰리브덴 윤활제를 사용하는 경우 10년간의 내구성을 확보하여야 한다. 개선된 통합모형을 적용한 수치해석결과 경부고속철 40 m 단경간 PSC 박스교의 양방향 교량받침은 주행속도 430km/h에서 최대 3.0 mm 교축방향 거동이 발생하여 연간 최대 3,262 m의 누적이동거리가 추정되며 기존 내구성기준이 허용하는 10,000 m를 기반으로 내구수명이 3년 이상을 확보하기 어려운 것으로 판단된다. 또한 DIN EN 1337-2에 기반을 둔 장기 마찰시험을 통하여 PTFE판에 대한 실험결과 4,548 m 누적이동거리에서 마찰판의 파단이 발생하였다.
- 경간 40 m 고속철 PSC 교량 전면에 170 m 일반 도상구간을 동일한 불규칙성 궤도모형을 반영하여 연결한 수치모형 구간을 주행속도별로 38 자유도 차량의 윤축에 작용하는 윤하중과 차량의 3방향 회전각을 교량통과시간을 기준한 상대시간 으로 분석하였다. 교량 구간에서 동력차의 윤축하중을 해석한 결과 자체의 중량을 제외하고 평균 26.5 kN의 윤축하중이 작용하였고 360 km/h에서 68.5 kN까지 증폭되었고, 임계주행 속도에서 각 윤축의 차이가 교량구간에서 크게 발생하였다. 이러한 윤축하중의 불균형은 교량/차량의 공진현상과 교량의 동적 횡변위 거동이 영향을 미친다(Oh et al.
- 또한 DIN EN 1337-2에 기반을 둔 장기 마찰시험을 통하여 PTFE판에 대한 실험결과 4,548 m 누적이동거리에서 마찰판의 파단이 발생하였다. 두 연구결과를 종합하면 기존 고속철 교량받침은 차세대 고속철이 운행될 경우 내구수명은 1.5년을 넘지 못할 것으로 예상된다(Oh et al., 2013(b)).
- 일반도상과 교량상의 윤하중을 분석하면 윤하중의 최대값은 일반도상에서 상대적으로 크게 발생하나 윤축간의 하중차 이가 주행속도가 증가되어 교량의 동적거동이 확대되는 경우에 증폭되었다. 윤축 횡압의 경우도 윤하중차이의 경우와 일치하여 Fig.
- 1과 같이 적용된 주행속도 100 km/h~500 km/h에 대한 정적 최대변위는 중앙부에서 4mm 발생하였으며 동적 최대변위는 기존운행속도 범위에서는 주행속도 280 km/h에서 7 mm 증가된 속도구간에서는 430km/h에서 8 mm 이상 발생하였다. 최대 동적확대계수(D.A.F.) 는 2.13을 기록하였으나 기존 설계기준의 최대변위, 가속도, 단부회전각과 면틀림의 한계값은 모두 만족하였다. RungeKutta법을 적용한 해석결과는 발표된 연구결과와 현장실험 결과와 비교하여 적합한 결과인 반면에 Newmark-β법을 적용한 경우 최대변위 결과는 유사하였으나 조사된 임계 주행 속도와 차이를 나타내었다.
후속연구
- 3) 차량의 통과하중에 의한 교량받침의 누적이동거리가 임계 주행속도에서 최대 연간 3,262 m로 해석되어 안정된 내구 수명을 확보하기 위한 마찰판의 개발이 요구된다.
- 교량의 거동을 고려한 개선된 차량모델을 적용하고 교량-차량 상호작용을 반영한 교량받침의 변이 추이를 분석하므로서 관련 기준들의 문제점을 파악할 수 있으며, 특히 주행속도가 500 km/h로 증가될 경우 동적확대계수가 증폭되는 430 km/h 임계 공진발생 주행속도의 동적효과를 반영하는 실험법의 개발과 정량적인 마찰받침의 내구성 관련 기준을 마련하여 국내 실정에 적합한 설계기준이 수립되어야 하며또한 이러한 접근방법을 바탕으로 국제표준기준으로 발전시켜야 한다.
- 01-78 등). 또한 유럽에서 통용되는 EN-1337-2는 장기마찰실험 기준으로 온도변화와 활하중에 의한 누적이동거리에 대한 평가기준을 제안하고 있으나 이는 기존 고속철도의 주행속도로 350km/h 이하인 경우를 적용하고 있으므로 KTX와 HEMU-430X를 포함한 주행속도 450 km/h 이상의 차세대 고속철을 고려 한다면 차량중량과 관성운동 그리고 주행속도 증가에 대한 수치해석과 현재 고속철 교량받침에 대한 현장계측 결과를 바탕으로 보다 합리적인 평가기준의 수립이 요구된다.
- 국내 교량받침의 설계기준은 외형 치수에 한정된 국내 KS 기준만으로는 주행속도 증가에 따른 교량받침의 누적이동거리 증가 및 동적 거동으로 인한 손상에 대처하기 부족하므로 이에 대한 현실성 높은 정량적인 마찰판의 내구성 성능평가 방법의 개발이 요구 된다. 또한 장기마찰실험에 적용된 마찰판의 이동속도는 온도 하중에 의한 거동인 경우 저속 0.4 mm/s을, 활하중에 의한 거동인 경우 고속 15 mm/s를, EN 1337-2 기준과 CUAP 03.01-78 코드를 적용하여 실험하고 있으나 고속철 교량의 동적거동에 대한 수치해석 결과와 관련된 현장실측자료를 함께 고려한 국내 실정에 적합한 실험방법 개발이 요구된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.