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문제 정의
- 일리노이(Illinois) 대학교는 레일의 마모속도를 조사하고 레일 마모수명의 추정방법을 개발하기 위하여 몇몇의 미국철도 궤도에 관한 연구를 수행하고 있다. 다음의 수식은 연간 마멸되는 레일두부 마모면적(mm2/년)을 추정하기 위하여 이 대학의 연구자들이 제안하였다.
- 본고는 궤도의 분석과 설계에서 일반적으로 사용되는 광범위한 철도관련 설계코드와 최근의 기술연구 의견에 초점을 맞춘다. 또한, 현재의 궤도분석과 설계에서 고려할 필요가 있는 개선에 관한 고찰결과를 제시하고 논의한다.
- 본고의 고찰에서 얻어진 결과는 실험실과 현장시험에서 얻은 결과에 특별한 관심을 갖고 궤도의 단기와 장기 거동을 더욱 조사 연구하여 현재의 궤도설계방법의 추가 개발에 대한 필요성을 명확하게 나타낸다. 목적은 현재의 설계접근법에서 생략된 궤도 파라미터와 하중재하 상태를 포함하는 새로운 기준을 정하는 것이다.
- 본고는 궤도의 분석과 설계에서 일반적으로 사용되는 광범위한 철도관련 설계코드와 최근의 기술연구 의견에 초점을 맞춘다. 또한, 현재의 궤도분석과 설계에서 고려할 필요가 있는 개선에 관한 고찰결과를 제시하고 논의한다.
- 궤도시스템의 분석과 설계에 관한 현재의 실행은 모든 궤도 구성요소가 환경부하와 교통하중을 지탱하는데 충분한 강도를 확보하도록 따로따로 평가하는 하중지지 접근법에 전적으로 기반을 둔다. 본고에서는 여러 가지의 분석방법과 설계기준을 고찰하였다. 이용 가능한 철도 설계방법의 비교에 근거하여 몇 가지의 단점을 이 장에서 논의한다.
가설 설정
- 하중이 1 수직 대 1 수평의 하중 퍼짐 기울기 또는 2 수직 대 1 수평의 기울기로 수직으로 분포된다고 추정하는 단순화된 반(半)경험적 방법이 또한 사용된다. 또한, 이 방법에서는 표면 아래의 어떤 주어진 깊이에서 응력분포가 균일한 것으로 가정한다. 부시네스크(Boussinesq) 방법은 재하면 아래의 깊이에서 최대 수직압력을 계산하지만 이 방법은 깊이에서의 평균 수직압력만 계산한다.
- 게다가, 궤도지지는 여러 가지의 궤도지지층들이 명확히 구별되지 않고 한층의 구성요소로 간주된다. 마지막으로, 레일에 단단히 체결된 지지침목들이 그들의 회전강성(rotational stiffness)을 통해 레일 휨에 대해 저항할 것이라고 가정한다. 후자는 또 다른 영역의 윙클러 모델의 결점이다.
- 이 모델은 윙클러(Winkler)가 1867년에 처음으로 제안하였고 그 후 짐머만(Zimmerman)이 1888년에 개발하였다. 윙클러 모델의 기본적인 가정은 임의의 지점에서 레일의 처짐이 레일 아래의 지지압력에 비례하는 것이다([그림 2] 참조).
- 이 길이(면적)를 ‘유효길이(면적)’라 하며 문헌에서 일반적으로 ‘L(Ae)’로 나타낸다. 이 가정은 설계계산의 절차를 용이하게 한다. 그때 침목 아래 접촉압력의 크기를 알기 위해 수직방향의 정적평형이 적용된다.
- 침목과 도상 간의 제안된 접촉압력은 [표 4]에 나타내었다. 전 장에서 나타낸 것처럼 침목과 도상 간의 균일한 접촉압력분포가 가정된다. 이것은 현재의 설계기준이 도상-침목 압력분포패턴에 관한 도상재료 열화의 영향을 명확히 포함하지 않고 있는 것을 의미한다.
- 이 접근법은 궤도의 몇 가지 실제조건을 무시한다. 첫째, 레일 아래 연속지지의 가정은 횡침목이 제공하는 실제 단속(斷續, discrete)지지의 효과를 반영하지 않는다. 둘째, 이 모델은 지지재료들(즉, 도상, 보조도상 및 노반재료) 간의 상호작용을 포함하지 않으며 단순히 레일처짐과 휨모멘트를 계산하는 베르누이 오일러 보 이론(Bernoulli-Euler beam theory)을 이용한다.
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