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문제 정의
- 이러한 연구들은 다양한 실험과 방대한 데이터의 축적으로 지속적으로 장기적인 연구가 필요한 분야로써, 이미 국·내외에서 아스팔트 콘크리트 노반을 적용하고 있는 현 시점에서는 보다 실질적인 효용가치를 가지고 있는 연구가 필요한 시점이다. 따라서 본 연구에서는 궤도노반의 설계에 사용하는 실제 설계두께와 아스팔트의 특성을 고려하여 3D 동적수치해석을 실시함으로써 그 적용성에 대한 분석결과를 바탕으로 궤도 노반 설계를 효과적으로 실행할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
- 본 연구는 최근 개발된 아스팔트 궤도구조의 동적거동에 대한 3차원 유한요소해석에 관한 연구로서 아스팔트콘크리트 도상층에 사용된 재료 물성치의 다양한 조건에 대하여 실제 시공두께를 고려하여 동적해석을 수행하였으며 본 해석을 통하여 나타난 응답에 대하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 동적해석에 적용된 유한요소 모델링의 경우, 정적해석을 통하여 3차원 동적해석의 모델 범위를 설정하였으며 정점하중재하에 의한 동적해석을 수행함에 있어서 해석대상 구조물 경계조건에서 발생 가능한 동적응답 교란효과 감소를 위하여 ABAQUS/Standard에 탑재된 무한요소를 적용하였다.
- 본 연구에서는 아스팔트 궤도에 대한 실내 실험에서 반복하중을 재하하는 정점하중재하(Fixed Point Excitation) 상태의 동적해석을 수행함으로써 아스팔트 층의 거동을 살펴보고자 한다. 해석대상 궤도 구조물의 3차원 모델링에 있어서 해석 및 분석의 효율성을 높이기 위해 전체 궤도 구조물의 대칭단면을 기준으로 1/2만 모델링 하였다.
- 기존의 연구에서는 궤도구조에 대한 수치해석을 실시함에 있어 재료의 물성치가 불확실하고 해석비용을 줄이고자 모든 노반 재료를 등방탄성체로 간주한다[9]. 하지만 본 연구에서는 아스팔트 노반재료를 좀 더 실제와 같은 점탄성 재료모델을 적용함으로써 기존의 수치해석방법으로 도출된 결과와의 차이점을 분석하고자 한다.
가설 설정
- 아스팔트콘크리트 도상의 전체 두께를 실제 적용두께인 30cm로 고정하고 아스팔트콘크리트 층별 물성치를 탄성거동으로 가정하여 단일 집중하중이 이동하는 경우에 대한 준정적해석을 수행하였다. 이는 하중재하 위치에 따른 영향을 알아보고, 동적해석 적용 시 고려할 수치해석 모델링의 최적단면을 결정하고자 수행한 연구로써 하중위치에 따른 레일과 침목하부의 거동 분석을 위하여 총 100개의 침목구간(65.
제안 방법
- 가진주파수가 증가할수록 반비례하게 적분시간간격이 감소되도록 만들기 위하여 적분시간간격을 가진주파수에 종속적인 Δt = 0.02/f초로 설정하였다.
- 정점하중재하에 의한 동적해석의 수행에 있어서 비례감쇠행렬인 Rayleigh 감쇠행렬의 구성에 필요한 상수들을 결정하기 위하여 Block Lanzos Solve를 이용하여 고유치해석을 수행하였다. 고유치해석에서는 동적해석에 적용할 수치모델링과 동일하게 32개의 침목구간인 선로방향의 20.8m를 유한요소로 모델링 하였으며, 그 이상의 무한지반은 무한요소를 사용하여 모델링 하였다. 고유치해석을 수행한 결과를 Table 3에 정리하였다.
- 5m를 이동시켜 가면서 준정적해석을 수행하였다. 그리고 로울러(Roller) 경계조건으로 선로 길이방향의 경계부를 구속하였다. 준정적해석을 수행 후 해석모델의 결과를 분석함에 있어 중앙부 레일과 침목중심위치의 변위와 응력을 주요 대상지점으로 분석하여 하중의 위치에 따라 그 영향거리를 결정하고자 하였다.
- 동적해석에 적용된 유한요소 모델링의 경우, 정적해석을 통하여 3차원 동적해석의 모델 범위를 설정하였으며 정점하중재하에 의한 동적해석을 수행함에 있어서 해석대상 구조물 경계조건에서 발생 가능한 동적응답 교란효과 감소를 위하여 ABAQUS/Standard에 탑재된 무한요소를 적용하였다. 그리고 아스팔트 궤도구조에서 아스팔트콘크리트의 물성치 특성에 따른 거동차이를 동적응답과 그에 따른 동적증폭계수를 통하여 알아보았다.
- 본 연구는 최근 개발된 아스팔트 궤도구조의 동적거동에 대한 3차원 유한요소해석에 관한 연구로서 아스팔트콘크리트 도상층에 사용된 재료 물성치의 다양한 조건에 대하여 실제 시공두께를 고려하여 동적해석을 수행하였으며 본 해석을 통하여 나타난 응답에 대하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 동적해석에 적용된 유한요소 모델링의 경우, 정적해석을 통하여 3차원 동적해석의 모델 범위를 설정하였으며 정점하중재하에 의한 동적해석을 수행함에 있어서 해석대상 구조물 경계조건에서 발생 가능한 동적응답 교란효과 감소를 위하여 ABAQUS/Standard에 탑재된 무한요소를 적용하였다. 그리고 아스팔트 궤도구조에서 아스팔트콘크리트의 물성치 특성에 따른 거동차이를 동적응답과 그에 따른 동적증폭계수를 통하여 알아보았다.
- 이상의 하중재하 위치에 따른 변위 및 응력분포결과를 분석한 결과, 동적해석 모델링의 경우 처짐 및 응력을 분석하고자 하는 지점으로부터 양쪽 방향으로 최대 10m를 수치모델링 하는 것이 타당성 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 동적해석 시에는 선로방향 길이 약 20m를 모델링하였으며 그 이후에는 무한지반의 경계조건을 표현하기 위해 무한요소를 사용한다.
- 하지만 기존 연구자들의 경우 도상강화층의 탄성거동 특성을 고려하여 일반적으로 탄성재료모델을 이용한 간편해석을 수행하고 있는데 아스팔트콘크리트 재료의 경우 정적거동이 아닌 동적거동에서 아스팔트 재료 물성치를 등가의 탄성계수로 동일하게 부여한 방법과 아스팔트 재료만의 특성을 부여할 수 있는 점탄성 재료모델을 사용한 방법으로 나누어 각각 그 결과를 분석해 볼 필요가 있다. 따라서 첫 번째 해석은 등가의 탄성계수를 적용한 방법, 두 번째는 아스팔트콘크리트 도상층 설계두께에 따라 각각의 동탄성계수를 적용한 방법, 세 번째는 아스팔트콘크리트 도상층에 각각의 점탄성 재료물성치를 적용한 방법으로 나누어 해석을 실시하였다.
- 따라서 이러한 반무한 형태의 연속체를 유한요소 수치해석에 적용하기 위해서, 동적해석을 실시할 때 반무한의 지반은 ABAQUS/Standard에서 제공하는 무한요소를 사용하여 모델링 하였다. 또한 동적 해석의 해석비용을 줄이기 위해 레일방향의 구간 길이를 정적해석을 통한 영향거리 분석 결과를 바탕으로 결정하였다.
- 해석대상 궤도 구조물의 3차원 모델링에 있어서 해석 및 분석의 효율성을 높이기 위해 전체 궤도 구조물의 대칭단면을 기준으로 1/2만 모델링 하였다. 레일은 보요소(Beam element)로, 레일과 침목사이의 체결장치는 스프링과 감쇠장치로 모델링 하였다. 침목, 아스팔트, 강화노반, 노상 등은 8절점 입체요소(Solid element)를 사용하여 3차원 모델링을 하였다.
- 해석대상 모델은 1/2단면에 대해서 실시하였으므로 대칭면은 롤러 경계조건으로 대칭경계조건을 형상화 하였으며, 그 외의 유한요소를 둘러싸고 있는 네 면(상부면과 대칭면을 제외한)을 무한요소로 형상화 하였다. 레일의 길이방향(Z방향)으로 양 측면의 무한요소 길이는 각각 유한요소의 전체 길이방향의 1/2길이로 두었으며, 폭(X방향)과 깊이방향(Y방향)의 길이는 유한요소 전체의 폭과 깊이의 길이와 같이 무한요소 길이로 두었다. Fig.
- 0으로 두고 산정하였다. 세 번째 해석경우에 사용되는 아스팔트의 점탄성 재료는 ABAQUS에서 제공하는 Prony 시리즈 상수를 적용하여 시간 의존성을 나타낼 수 있도록 하였다. 전단 및 체적 완화계수(shear and bulk relaxation modulus)는 Prony 시리즈 형태로 다음 식과 같이 표현 될 수 있다.
- 동적해석을 수행하기 위해 일반적으로 널리 사용되는 상용 구조해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였다. 아스팔트 층의 높이 0.35m, 강화노반과 노상은 각각 0.4m, 9.0m로 설정하였으며, 침목간 중심간격은 0.65m이다. 궤도구조의 상세 단면 형상은 Fig.
- 앞의 절에서 기술한 바와 같이 영향거리 분석을 통해 결정된 침목 32개의 구간길이에 대해서 수치모델링 하였으며 3차원 해석으로 ABAQUS에서 제공하는 부재요소를 사용하여, 레일은 B31, 아스팔트콘크리트 층을 포함한 노상 및 노반은 C3D8R과 C3D6 요소를 사용하였으며, 유한요소 모델링 대상 구간 이상은 무한요소로 경계조건 처리가 되도록 하였다. 해석대상 모델은 1/2단면에 대해서 실시하였으므로 대칭면은 롤러 경계조건으로 대칭경계조건을 형상화 하였으며, 그 외의 유한요소를 둘러싸고 있는 네 면(상부면과 대칭면을 제외한)을 무한요소로 형상화 하였다.
- 9는 레일의 체결장치가 위치하고 있는 침목 상부면의 변위응답이다. 여기서는 정적결과와 비교하기 위해, 가장 낮은 정적해석결과를 보여주었던 해석 case1에 대한 정적결과와 비교해 보았다. 레일의 응답과 마찬가지로 최대응답은 정적결과보다 크게 나타났으며, 정상상태의 거동을 보여주고 있다.
- 열차 주행속력에 따른 동적해석은 정점하중재하시험과 같이 해석모델의 중앙부 침목 위치의 레일 위에 시간에 따라 하중의 크기가 변화하는 하나의 집중하중을 가하였다. 이와 같은 집중하중은 Fang 등 [11]의 연구에서 수행된 사인함수를 참고하여 다음과 같은 식으로 주어졌다.
- 아스팔트콘크리트 도상의 전체 두께를 실제 적용두께인 30cm로 고정하고 아스팔트콘크리트 층별 물성치를 탄성거동으로 가정하여 단일 집중하중이 이동하는 경우에 대한 준정적해석을 수행하였다. 이는 하중재하 위치에 따른 영향을 알아보고, 동적해석 적용 시 고려할 수치해석 모델링의 최적단면을 결정하고자 수행한 연구로써 하중위치에 따른 레일과 침목하부의 거동 분석을 위하여 총 100개의 침목구간(65.0m)을 수치모델링 하였다.
- 사용된 유한요소 부재의 종류는 ABAQUS에서 제공하는 기본 요소를 사용하였으며, 레일은 보(Beam)요소로 B31, 아스팔트콘크리트 도상 및 노상은 입체(Solid)요소로 C3D8R과 C3D6요소를 사용하였다. 이동하중의 정적재하는 레일 위 83.4478kN의 단일 윤중이 해석모델 지간의 중앙에서 시작하여 0.00585초가 증가할 때 마다 0.1625m씩 이동시켰으며, 총 19.5m를 이동시켜 가면서 준정적해석을 수행하였다. 그리고 로울러(Roller) 경계조건으로 선로 길이방향의 경계부를 구속하였다.
- 정점하중재하 상태를 모사하기 위해 정적해석에서 사용한 것과 같은 윤중 83.4478kN을 Fmax인 최대값으로 하며, 이 같은 집중하중이 해석대상 구간의 선로방향 중앙부 레일위에 작용하여 열차 속도에 따라 주파수를 달리하도록 하였다. KTX열차 관절 대차의 대차중심 간격 d가 18.
- 정점하중재하에 의한 동적해석의 수행에 있어서 비례감쇠행렬인 Rayleigh 감쇠행렬의 구성에 필요한 상수들을 결정하기 위하여 Block Lanzos Solve를 이용하여 고유치해석을 수행하였다. 고유치해석에서는 동적해석에 적용할 수치모델링과 동일하게 32개의 침목구간인 선로방향의 20.
- 그리고 로울러(Roller) 경계조건으로 선로 길이방향의 경계부를 구속하였다. 준정적해석을 수행 후 해석모델의 결과를 분석함에 있어 중앙부 레일과 침목중심위치의 변위와 응력을 주요 대상지점으로 분석하여 하중의 위치에 따라 그 영향거리를 결정하고자 하였다.
- 레일은 보요소(Beam element)로, 레일과 침목사이의 체결장치는 스프링과 감쇠장치로 모델링 하였다. 침목, 아스팔트, 강화노반, 노상 등은 8절점 입체요소(Solid element)를 사용하여 3차원 모델링을 하였다. 동적해석을 수행하기 위해 일반적으로 널리 사용되는 상용 구조해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였다.
- 본 연구에서는 아스팔트 궤도에 대한 실내 실험에서 반복하중을 재하하는 정점하중재하(Fixed Point Excitation) 상태의 동적해석을 수행함으로써 아스팔트 층의 거동을 살펴보고자 한다. 해석대상 궤도 구조물의 3차원 모델링에 있어서 해석 및 분석의 효율성을 높이기 위해 전체 궤도 구조물의 대칭단면을 기준으로 1/2만 모델링 하였다. 레일은 보요소(Beam element)로, 레일과 침목사이의 체결장치는 스프링과 감쇠장치로 모델링 하였다.
- 앞의 절에서 기술한 바와 같이 영향거리 분석을 통해 결정된 침목 32개의 구간길이에 대해서 수치모델링 하였으며 3차원 해석으로 ABAQUS에서 제공하는 부재요소를 사용하여, 레일은 B31, 아스팔트콘크리트 층을 포함한 노상 및 노반은 C3D8R과 C3D6 요소를 사용하였으며, 유한요소 모델링 대상 구간 이상은 무한요소로 경계조건 처리가 되도록 하였다. 해석대상 모델은 1/2단면에 대해서 실시하였으므로 대칭면은 롤러 경계조건으로 대칭경계조건을 형상화 하였으며, 그 외의 유한요소를 둘러싸고 있는 네 면(상부면과 대칭면을 제외한)을 무한요소로 형상화 하였다. 레일의 길이방향(Z방향)으로 양 측면의 무한요소 길이는 각각 유한요소의 전체 길이방향의 1/2길이로 두었으며, 폭(X방향)과 깊이방향(Y방향)의 길이는 유한요소 전체의 폭과 깊이의 길이와 같이 무한요소 길이로 두었다.
대상 데이터
- 사용된 유한요소 부재의 종류는 ABAQUS에서 제공하는 기본 요소를 사용하였으며, 레일은 보(Beam)요소로 B31, 아스팔트콘크리트 도상 및 노상은 입체(Solid)요소로 C3D8R과 C3D6요소를 사용하였다. 이동하중의 정적재하는 레일 위 83.
데이터처리
- 총 해석시간은 4초간 수행되었지만 동일한 응답이 반복되므로 2초간의 응답결과만 표현하기로 한다. 정적결과와 비교하기 위해, 가장 낮은 정적해석결과를 보여주었던 해석 case2에 대한 결과와 비교해 보았다. 동적해석에서의 최대응답은 모두 정적결과보다 크게 나타났으며, 응답이 전체적으로 정상상태(steady state)에 가까운 거동을 보여주고 있다.
이론/모형
- 침목, 아스팔트, 강화노반, 노상 등은 8절점 입체요소(Solid element)를 사용하여 3차원 모델링을 하였다. 동적해석을 수행하기 위해 일반적으로 널리 사용되는 상용 구조해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였다. 아스팔트 층의 높이 0.
- 궤도구조는 독립된 하나의 구조물로만 이루어진 구조가 아니라 무한하다고 할 수 있는 연속된 구조물이며 특히, 궤도구조의 중요한 요소인 지반은 반무한의 연속된 구조체이다. 따라서 이러한 반무한 형태의 연속체를 유한요소 수치해석에 적용하기 위해서, 동적해석을 실시할 때 반무한의 지반은 ABAQUS/Standard에서 제공하는 무한요소를 사용하여 모델링 하였다. 또한 동적 해석의 해석비용을 줄이기 위해 레일방향의 구간 길이를 정적해석을 통한 영향거리 분석 결과를 바탕으로 결정하였다.
- 첫 번째 해석에 사용되는 등가탄성계수는 ‘철도설계지침 및 편람’의 콘크리트궤도 구조편[10]에서 제시하고 있는 Boussinesq 이론과 Odemarkd의 등가깊이 이론에 따라 노반의 스프링 정수를 구하는 식을 응용하여 산정하였다.
성능/효과
- 6은 지반의 항복기준에 큰 영향을 미치는 Mises 유효응력 분포를 하중재하 위치에 따라 나타내었다. 노상의 하면에서 작용하는 Mises 유효응력은 비교적 넓게 분포하지만 이 또한 하중재하 위치로부터 6m이상 떨어지게 되면 거의 무시할 정도로, 거의 영향이 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 동적증폭계수를 각 해석 case에 따라 비교 분석한 결과 거의 동일한 양상을 보이고 있으며, 동적증폭계수의 차이 또한 거의 없는 것으로 나타났다. 하지만 노반 및 도상의 응력응답에 대한 동적증폭계수 산정값 보다는 변위응답에 대한 동적증폭계수를 사용하는 것이 신뢰성 있는 설계를 반영할 수 있을 것으로 판단되었으며, 열차속도 400km/h에 대한 최대 동적증폭계수가 15% 정도인 것으로 나타나 향후 이를 반영한 설계가 필요할 것으로 판단되었다.
- 이러한 거동특성으로부터 정점하중재하 상태에서 동적해석 결과를 통하여 아스팔트의 최대 주응력 평가를 수행하는 경우에는 거의 정적인 하중재하를 반복하는 것과 동일한 평가결과를 가져올 수 있는 것으로 나타났다. 모든 결과에서 최대속도 발생 시 최대동적증폭계수는 노상의 처짐에서 산정되며, 해석 case1과 case2는 1.14로, 해석 case3에서는 1.15로 나타나 해석 case3의 동적증폭계수가 미소하게 더 크지만 거의 동일한 동적증폭계수를 가지는 것으로 볼 수 있다. 따라서 아스팔트콘크리트 도상을 가지고 있는 아스팔트 궤도구조에 대한 동적해석 시 재료의 물성치를 달리 주더라도 동적증폭계수의 변화 양상은 거의 동일할 것으로 예측되며, 이에 도출된 동적증폭계수를 설계에 사용한다면 응력에 대한 동적증폭계수보다 처짐에 대한 동적증폭계수를 사용하는 것이 설계의 신뢰성을 더 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 시간의존성을 가지고 있는 점탄성재료의 점성특성을 반영하는 결과로써 시간에 따른 반복하중으로 인해 영구변형에 따른 강성저하가 응력의 분산 및 저하를 야기시키는 것으로 판단된다. 본 연구에서 수행된 모든 해석결과에서 정적해석결과와 비교한다면 동적응답에 대한 증폭값은 거의 없는 것으로 나타났다.
- 레일의 처짐의 경우 각 해석경우에 따라 차이를 보이지 않은 반면 침목의 처짐은 아스팔트의 물성치에 따라 다소 다르게 나타났다. 아스팔트콘크리트 도상층 물성치를 층별로 각각의 동탄성계수를 달리 적용한 case2의 경우 침목의 최대 처짐이 가장 크게 나타났으며 등가탄성계수를 적용한 case1의 경우가 가장 작은 것으로 나타났다. 아스팔트콘크리트의 점탄성재료를 적용한 case3의 경우는 case2의 경우보다는 다소 최대 처짐이 작은 것으로 나타나 점탄성 재료의 특성을 잘 나타내고 있다.
- 처짐에 대한 동적증폭계수는 속도가 증가할수록 비교적 증가되는 것으로 산정되지만, 아스팔트 도상 및 강화노반의 응력에 대한 동적증폭계수는 상대적으로 미소하여 거의 1에 가까운 것으로 산정되었다. 이러한 거동특성으로부터 정점하중재하 상태에서 동적해석 결과를 통하여 아스팔트의 최대 주응력 평가를 수행하는 경우에는 거의 정적인 하중재하를 반복하는 것과 동일한 평가결과를 가져올 수 있는 것으로 나타났다. 모든 결과에서 최대속도 발생 시 최대동적증폭계수는 노상의 처짐에서 산정되며, 해석 case1과 case2는 1.
- 이상의 하중재하 위치에 따른 변위 및 응력분포결과를 분석한 결과, 동적해석 모델링의 경우 처짐 및 응력을 분석하고자 하는 지점으로부터 양쪽 방향으로 최대 10m를 수치모델링 하는 것이 타당성 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 동적해석 시에는 선로방향 길이 약 20m를 모델링하였으며 그 이후에는 무한지반의 경계조건을 표현하기 위해 무한요소를 사용한다.
- 이는 점탄성재료의 점성효과로 인하여 처짐의 분산효과가 반영된 것으로 보인다. 정적해석과의 동적응답의 결과 차이는 레일보다는 노상의 재료특성에 크게 영향을 받을 것으로 예상되는 침목의 변위응답에서 더 크게 발생하는 것으로 나타났다.
- 하지만 점탄성재료 물성치를 적용한 해석 case3의 경우 동적 최대응답변위는 비교적 작지만 최대응답 응력(주응력)은 다른 cases에 비하여 큰 것으로 나타났다. 차량속도에 대한 응답의 경우, 최대속력에서의 가진주파수와 동일한 정점하중을 재하하였으며 이때 발생되는 최대응답변위 및 응력은 점탄성재료의 효과로 인하여 아스팔트 궤도구조 안전성에 발생되는 문제는 없는 수준인 것으로 나타났으며 점탄성재료의 점성으로 인한 연성효과는 아스팔트가 궤도구조의 국부적인 파괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 다만 영구적인 장기처짐에 대한 점탄성재료의 보수 및 보강방안에 대해서는 향후 지속적으로 연구를 진행할 필요가 있을 것이다.
- 5에서 최대 주응력이 아스팔트콘크리트 도상층 전체의 상면과 하면에서 차이를 보이는 것으로 최대 주응력은 주로 휨 거동의 영향에 의해 궤도구조 자체가 지배되는 것으로 판단되었다. 처짐과 주응력의 결과에서는 모두 하중재하 위치로부터 2m이상 떨어진 위치에서 급격하게 감소하는 것으로 나타났으며, 다소 잔류응력이 남아있지만 6m 이상 떨어진 위치에서부터는 처짐과 주응력 모두가 미치는 영향이 거의 없는 것으로 보인다.
- 14에서 종합적으로 보여주고 있다. 처짐에 대한 동적증폭계수는 속도가 증가할수록 비교적 증가되는 것으로 산정되지만, 아스팔트 도상 및 강화노반의 응력에 대한 동적증폭계수는 상대적으로 미소하여 거의 1에 가까운 것으로 산정되었다. 이러한 거동특성으로부터 정점하중재하 상태에서 동적해석 결과를 통하여 아스팔트의 최대 주응력 평가를 수행하는 경우에는 거의 정적인 하중재하를 반복하는 것과 동일한 평가결과를 가져올 수 있는 것으로 나타났다.
- 해석 case3에 정점하중재하로 동적해석을 실시한 후 동적증폭계수(DAF)를 산정한 결과, 레일, 아스팔트 도상, 노상의 순서대로 증폭계수가 점진적으로 증가하였다. 이와 같은 결과는 해석 case1과 case2에서 나타나는데 반하여 아스팔트를 점탄성 재료 물성치로 사용한 해석 case3에서는 레일의 동적증폭계수보다 강화노반의 동적증폭계수가 더 큰 것으로 나타났다.
- 전과 동일하게 열차속도 400km/h에 상응하는 가진주파수에 대한 결과이며, 총 4초간 해석을 수행하였지만 2초 이후의 응답은 반복되므로 2초간의 응답결과만 나타내었다. 해석 결과 case1과 case2의 응답은 거의 동일한 반복적인 최대주응력 응답을 보여주고 있으며, 정적해석결과와도 동일한 값으로 반복되고 있음을 나타내고 있다. 하지만 case3의 경우, 첫 번째 최대응답 이후 반복하중이 지속될수록 최대응답 결과가 줄어드는 것으로 나타났다.
- 4에서 나타내었다. 해석결과에서 레일과 체결장치의 강성과 감쇠에 의해 레일의 처짐이 크게 발생되었으며 상대변위 또한 큰 것으로 나타났다. 레일의 처짐의 경우 각 해석경우에 따라 차이를 보이지 않은 반면 침목의 처짐은 아스팔트의 물성치에 따라 다소 다르게 나타났다.
후속연구
- 차량속도에 대한 응답의 경우, 최대속력에서의 가진주파수와 동일한 정점하중을 재하하였으며 이때 발생되는 최대응답변위 및 응력은 점탄성재료의 효과로 인하여 아스팔트 궤도구조 안전성에 발생되는 문제는 없는 수준인 것으로 나타났으며 점탄성재료의 점성으로 인한 연성효과는 아스팔트가 궤도구조의 국부적인 파괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 다만 영구적인 장기처짐에 대한 점탄성재료의 보수 및 보강방안에 대해서는 향후 지속적으로 연구를 진행할 필요가 있을 것이다.
- 15로 나타나 해석 case3의 동적증폭계수가 미소하게 더 크지만 거의 동일한 동적증폭계수를 가지는 것으로 볼 수 있다. 따라서 아스팔트콘크리트 도상을 가지고 있는 아스팔트 궤도구조에 대한 동적해석 시 재료의 물성치를 달리 주더라도 동적증폭계수의 변화 양상은 거의 동일할 것으로 예측되며, 이에 도출된 동적증폭계수를 설계에 사용한다면 응력에 대한 동적증폭계수보다 처짐에 대한 동적증폭계수를 사용하는 것이 설계의 신뢰성을 더 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 노반 및 도상의 응력응답에 대한 동적증폭계수 산정값 보다는 변위응답에 대한 동적증폭계수를 사용하는 것이 신뢰성 있는 설계를 반영할 수 있을 것으로 판단되었으며, 열차속도 400km/h에 대한 최대 동적증폭계수가 15% 정도인 것으로 나타나 향후 이를 반영한 설계가 필요할 것으로 판단되었다. 이와 같은 결과는 정점하중재하에 의한 동적해석 결과이므로 향후 마찰력까지 고려된 실제적인 이동하중 적용 시 발생되는 보다 정확한 동적거동 및 증폭계수 산정에 관한 연구가 지속적으로 필요할 것으로 보인다.
- 동적증폭계수를 각 해석 case에 따라 비교 분석한 결과 거의 동일한 양상을 보이고 있으며, 동적증폭계수의 차이 또한 거의 없는 것으로 나타났다. 하지만 노반 및 도상의 응력응답에 대한 동적증폭계수 산정값 보다는 변위응답에 대한 동적증폭계수를 사용하는 것이 신뢰성 있는 설계를 반영할 수 있을 것으로 판단되었으며, 열차속도 400km/h에 대한 최대 동적증폭계수가 15% 정도인 것으로 나타나 향후 이를 반영한 설계가 필요할 것으로 판단되었다. 이와 같은 결과는 정점하중재하에 의한 동적해석 결과이므로 향후 마찰력까지 고려된 실제적인 이동하중 적용 시 발생되는 보다 정확한 동적거동 및 증폭계수 산정에 관한 연구가 지속적으로 필요할 것으로 보인다.
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