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문제 정의
- 본 연구에서는 국내, 외 스프링강성 시험기준을 참조하여 자갈궤도용 침목방진패드의 성능시험을 위한 평가기법 및 침목방진패드의 성능요구조건에 따른 시험결과를 제시하였다.
- 이에 본 연구에서는 자갈궤도용 침목방진패드의 스프링강성 시험을 수행함에 있어서 국외에서 적용중인 침목방진패드 스프링강성 평가기법을 참고하여 국내실정에 맞는 평가기법을 제시하였다. 또한 본 연구에서 제시한 스프링강성 평가 기법을 적용하여 자갈도상을 모사하기 위한 Standard ballast plate(SBP)를 도입하여 국제철도연맹(UIC, International Union of Railways) 및 EN 기준에 근거한 침목방진패드의 정, 동적 스프링강성 평가기법을 제시하였다.
제안 방법
- 1) 본 연구에서 개발한 자갈궤도용 침목방진패드의 정, 동적 스프링강성 평가기법의 적정성을 입증하기 위해 현장여건과 유사한 SBP 가력지그를 적용하였으며, 국외 선행연구 결과와 유사한 경향의 실험결과를 도출하였다.
- FSP(Flat steel plate)의 경우 평탄면의 스틸 플레이트를 적용하였으며, GBP(Geometric ballast plate)의 경우 금속을 이용하여 표면에 대칭적인 요철 형상을 가력지그로 제작하였다. NBP(Normal ballast plate)의 경우 도상자갈을 형상화 하였으며 자갈의 돌출부를 제거하기 위해 표면처리하여 가공하였다. TUM-P의 경우 뮌헨공대에서 개발한 자갈도상 가력지그로써 자갈 표면의 돌출부를 유지하여 실제 자갈도상과 침목방진패드가 접촉하는 조건에 가장 유사하게 제작하였다.
- . UIC의 경우 쇼어경도, 정, 동적 스프링강성 및 피로시험을 적용하고 있으며, 본 연구에서는 국내외 기준을 검토하여 침목방진패드의 성능요구조건에 대한 목표치를 Table 1과 같이 설정하였다2,4).
- 동적 스프링강성 시험은 선행 연구결과와의 비교를 위해 동일한 하중조건인 시험하중 0.01~0.1 N/mm2에서의 침목방진패드의 스프링강성을 산출하여 상호 비교하였다. 시험체별 동적 스프링강성 산출결과는 Table 5와 같다1).
- 또한 동적 가진주파수의 경우 국내에서 적용되는 열차들의 공진이 발생되는 가진주파수에 대한 영향을 고려하기 위해 4±1 Hz의 가진 주파수의 범위를 산정하였다.
- 이에 본 연구에서는 자갈궤도용 침목방진패드의 스프링강성 시험을 수행함에 있어서 국외에서 적용중인 침목방진패드 스프링강성 평가기법을 참고하여 국내실정에 맞는 평가기법을 제시하였다. 또한 본 연구에서 제시한 스프링강성 평가 기법을 적용하여 자갈도상을 모사하기 위한 Standard ballast plate(SBP)를 도입하여 국제철도연맹(UIC, International Union of Railways) 및 EN 기준에 근거한 침목방진패드의 정, 동적 스프링강성 평가기법을 제시하였다.
- . 또한 정적 및 동적 스프링강성의 경우 국,내외 요구조건을 검토하여 선행연구와의 비교, 분석을 위해 UIC 요구조건을 목표치로 설정하였다. 본 연구에서는 Table 1에서 제시된 성능요구조건 중 침목방진패드의 기능과 성능유지 및 평가에 가장 중요한 항목인 스프링강성 측면에서의 분석을 수행하였으며, 이에 스프링강성 평가기법에 따른 침목방진패드의 정, 동적 스프링강성 시험을 수행하여 시험기법에 따른 스프링강성 차이를 분석하였다.
- 본 실내시험의 경우 침목방진패드의 경도별 2가지 유형으로 각각 3개의 시험체를 적용하여 평균값을 산출하였으며, 동적하중 재하 시 침목방진패드의 하중변위 결과 및 가력지그 형식에 따른 동적 스프링강성 산출결과는 Fig. 9와 같다.
- 본 실내시험의 경우 침목방진패드의 경도별 2가지 유형으로 각각 3개의 시험체를 적용하여 평균값을 산출하였으며, 정적하중 재하 시 침목방진패드의 하중변위 결과 및 가력지그 형식에 따른 정적 스프링강성 시험결과는 Fig. 7과 같다.
- 본 연구에서 개발한 자갈궤도용 침목방진패드는 천연고무(Natural rubber, NR) 소재로서 도상자갈과 닿는 면에는 Geotextile로 표면처리가 되었으며, 시험체의 경도를 2가지로 구분하고 각각 3개의 시험체를 제작하여 실내시험을 수행하였다. 시험체의 제원과 전경은 각각 Table 2 및 Fig.
- 또한 정적 및 동적 스프링강성의 경우 국,내외 요구조건을 검토하여 선행연구와의 비교, 분석을 위해 UIC 요구조건을 목표치로 설정하였다. 본 연구에서는 Table 1에서 제시된 성능요구조건 중 침목방진패드의 기능과 성능유지 및 평가에 가장 중요한 항목인 스프링강성 측면에서의 분석을 수행하였으며, 이에 스프링강성 평가기법에 따른 침목방진패드의 정, 동적 스프링강성 시험을 수행하여 시험기법에 따른 스프링강성 차이를 분석하였다.
- 본 연구에서는 경도별 2가지 유형의 침목방진패드를 제작하여 시험을 수행하였으며, 가력지그별(FSP, SBP) 정, 동적 스프링강성 시험결과는 Fig. 10과 같다.
- 본 연구에서는 정, 동적 시험결과를 바탕으로 정적대비 동적 스프링강성비를 산출하였다. 선행 연구결과를 준용한 가력지그별 정, 동적 스프링강성비는 Fig.
- 침목방진패드의 성능 요구조건 설정 시 가장 중요한 변수는 실제 현장에서 발생되는 침목 직하부 발생 압력(침목과 도상자갈의 접촉 압력)이며 접촉 압력의 작용 범위 산정에 있다. 이에 본 연구에서는 식 1과 같이 침목과 도상자갈 사이에 발생되는 평균 접촉 압력을 침목방진패드가 부담하여야 할 부담력으로 설정하고 침목방진패드의 목표 스프링강성(요구조건)으로 설정하였다. 침목방진패드의 설계 시 침목과 도상자갈의 접촉 압력은 일반적으로 균등분포된 하중조건으로 단순화하여 식 1과 같이 산출될 수 있다3)
- 자갈도상 PC침목용 침목패드의 경우 3개의 시험편을 제작하여 정적 스프링강성 시험을 수행하였다. 시험방법은 국내기준인 KRCS A010 03의 시험방법을 준용하여 시험하중의 하한값(P1)은 0.
- 정적 스프링강성 시험결과, 선행 연구결과와의 성능 비교를 위해 시험하중 0.1 N/mm2에서의 침목방진패드의 스프링강성 결과 값을 비교하였다1). 각각 시험체별 정적 스프링강성 결과 값은 Table 4와 같다.
- 평탄면의 스틸 플레이트(FSP) 및 선행 연구에서 적용한 NBP와 실제 자갈도상의 불규칙 요철 현상을 모사한 TUM-P에 준하는 시험조건을 설정하고자 별도의SBP(Proposed standard ballast plate)를 제작하였으며, 실제 자갈의 형상과 재질이 상이한 GBP의 경우 시험조건에서 배제하였다.
대상 데이터
- 또한 EVA(Ethylene vinyl acetate) 소재로서 두께 10 mm로 표면처리가 되지 않은 시험체(Paul Müller)를 비교 대상으로 선정하였다1).
- 선행 연구결과와의 비교 분석을 위한 대상 시험체의 종류는 Table 2와 같이 3가지를 적용하였다. 폴리우레탄(Polyurethane, PUR) 소재의 두께 10 mm로 Geotextile을 이용하여 표면처리를 사용한 시험체(G04 V05)와 두께 12 mm로 Plastic layer로 표면처리를 사용한 시험체(G04 V03)를 각각 적용하였다. 또한 EVA(Ethylene vinyl acetate) 소재로서 두께 10 mm로 표면처리가 되지 않은 시험체(Paul Müller)를 비교 대상으로 선정하였다1).
이론/모형
- 시험방법은 국내기준인 KRCS A010 03의 시험방법을 준용하여 시험하중의 하한값(P1)은 0.01 N/mm2, 상한값(P2)은 0.15 N/mm2으로 하고 시험편의 크기는 200×200×15 mm로 하였다.
- 정, 동적 스프링강성 시험방법은 침목방진패드의 국외 선행 연구결과를 준용하였으며2), 경도별 2가지 유형(Type A, Type B)의 시험체를 적용하였다.
- 침목방진패드의 성능요구조건에서 쇼어경도(Shore A)와 피로시험 전, 후 스프링강성 변화율은 국내 기준이 없어 UIC 기준을 준용하였으며, 압축영구줄음율과 전기저항 시험의 경우 국내기준(KRCS A010 03, Korea Railroad Corporation Standard)을 적용하였다4). 또한 정적 및 동적 스프링강성의 경우 국,내외 요구조건을 검토하여 선행연구와의 비교, 분석을 위해 UIC 요구조건을 목표치로 설정하였다.
성능/효과
- 2) 정, 동적 스프링강성 시험결과, 경도에 따른 시험체별(Type A, Type B) 스프링강성의 차이는 미소한 것으로 나타났다. 또한 가력지그 형상에 따라 FSP의 경우 실제 자갈도상을 모사한 SBP보다 약 80% 스프링강성이 크게 나타났으며, 이는 접촉면적이 넓은 FSP의 경우 상대적으로 스프링강성이 과대평가 될 소지가 있는 것으로 분석되었다.
- 3) 따라서 본 연구에서는 현행 국내 스프링강성 시험기법에 적용되는 가력지그(FSP)는 동일한 재료의 침목방진패드 평가 시 실제 현장조건 대비 침목방진패드의 스프링강성을 과대평가 할 수 있는 소지가 있으며, 이를 위해 자갈궤도용 침목방진패드의 경우 실제 현장 조건을 모사하기 위한 적절한 스프링강성 평가기법 적용이 필요한 것으로 분석되었다.
- 분석결과, 경도에 따른 시험체별 스프링강성의 차이는 미비하였다. 국내 침목방진패드의 스프링강성 시험 시 적용되는 FSP의 경우, 실제 자갈도상을 모사한 SBP가력지그 보다 약 80% 정, 동적 스프링강성이 크게 나타났다. 이는 접촉면적이 넓은 FSP의 경우 실내시험을 통한 스프링강성 평가 시 상대적으로 스프링강성이 과대평가 될 수 있으며, 따라서 자갈도상에 적용하는 침목방진패드의 경우 보다 현장조건을 반영한 스프링강성 평가기법이 필요한 것으로 분석되었다.
- 2) 정, 동적 스프링강성 시험결과, 경도에 따른 시험체별(Type A, Type B) 스프링강성의 차이는 미소한 것으로 나타났다. 또한 가력지그 형상에 따라 FSP의 경우 실제 자갈도상을 모사한 SBP보다 약 80% 스프링강성이 크게 나타났으며, 이는 접촉면적이 넓은 FSP의 경우 상대적으로 스프링강성이 과대평가 될 소지가 있는 것으로 분석되었다.
- FSP의 경우 선행 연구결과와 유사하게 나타났으며, 본 연구에서 제안한 SBP의 경우 자갈의 돌출부를 제거한 NBP와 실제 자갈을 모사한 TUM-P의 결과 값의 범위 내에 측정되었다. 또한 본 연구에서 수행한 경도에 따른 시험체별 동적 스프링강성 시험결과의 차이는 미소하였으며, 동일한 경도의 시험체에서 가력지그별 동적 스프링강성은 FSP 대비 SBP 적용 시 약 5배 동적 스프링강성이 작게 나타났다.
- FSP의 경우 선행 연구결과와 유사하게 나타났으며, 자갈도상을 모사한 SBP의 경우 자갈의 돌출부를 제거한 NBP와 실제 자갈을 모사한 TUM-P의 결과 값의 범위 내에 측정되었다. 또한 본 연구에서 수행한 경도에 따른 시험체별 정적 스프링강성 시험결과의 차이는 미소하였으며, 동일한 경도의 시험체에서 가력지그별 정적 스프링강성은 FSP 대비 SBP 적용 시 약 4.7배 정적 스프링강성이 작게 나타났다.
- 분석결과, 경도에 따른 시험체별 정⋅동적 스프링강 성비의 차이는 미소하였으며, 가력지그에 따른 연구결과가 선행 연구결과와 유사하게 나타났다. 또한 본 연구에서 적용한 침목방진패드 시험체의 경우 정적대비 동적하중 재하 시 약 35% 스프링강성이 증가하는 것으로 평가되었다.
- 또한 초기하중 0.1 N/mm2 재하 시 SBP의 경우 FSP보다 약 4.7배 작게 나타났으며, SBP의 경우 시험하중 0.5 N/mm2 적용 시 에도 요구조건 0.3 N/mm3을 하회하는 것으로 나타났다.
- 분석결과, 경도에 따른 시험체별 스프링강성의 차이는 미비하였다. 국내 침목방진패드의 스프링강성 시험 시 적용되는 FSP의 경우, 실제 자갈도상을 모사한 SBP가력지그 보다 약 80% 정, 동적 스프링강성이 크게 나타났다.
- 분석결과, 경도에 따른 시험체별 정⋅동적 스프링강 성비의 차이는 미소하였으며, 가력지그에 따른 연구결과가 선행 연구결과와 유사하게 나타났다.
- 하중 증가 시 가력지그 형상에 따른 정적 스프링강성은 선형적인 증가를 나타냈다. 초기하중 0.1 N/mm2에서 최대하중 0.5 N/mm2까지 하중 재하 시 정적 스프링강성은 FSP의 경우 약 2.8배, SBP는 약 3.4배 수직 스프링 강성의 증가가 나타났다. 또한 초기하중 0.
후속연구
- 현행 국내에서 적용되고 있는 침목방진패드의 스프링강성 평가 방법(KRCS A010 03)은 콘크리트 궤도 중 침목 플로팅궤도인 Stedef 궤도 또는 LVT 궤도 등과 같이 콘크리트 침목과 방진상자 사이인 정해진 공간에 삽입되어 면압력(Surface pressure)을 받는 방진패드의 스프링강성을 평가하기에는 적정할 수 있으나, 본 연구의 대상 시스템인 자갈궤도용 침목방진패드와 같이 침목 직하부에 설치되어 개방된 상태에서 도상자갈과 불균일한 접촉 압력을 부담하는 실제 현장조건(사용조건)에서의 침목방진패드의 성능을 평가하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 이에 국외에서는 실제 자갈의 형상을 모사한 다양한 가력지그를 개발하여 침목방진패드의 스프링강성을 평가하고 있다1).
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