[논문]차량-궤도 상호작용 해석을 통한 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도의 동적 안정성 검토

장동두; 김진호; 권세곤

doi:10.5762/kais.2017.18.3.562

[국내논문] 차량-궤도 상호작용 해석을 통한 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도의 동적 안정성 검토
Evaluation of Dynamic Stability of Precast Floating Slab Track with Vehicle-Track Interaction Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.3, 2017년, pp.562 - 568

장동두 (한국철도기술연구원 스마트역사연구팀) , 김진호 (한국철도기술연구원 스마트역사연구팀) , 권세곤 (한국철도공사)

초록
AI-Helper

기존 선하역사의 소음 및 진동 문제를 해결하기 위해 제안된 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도는 길이 5m 정도의 슬래브 패널을 공장에서 제작하고 방진장치를 설치하여 일체화한 궤도이다. 이를 통해 별도의 열차 운행 중단 없이 급속 시공이 가능하여 신설역사 뿐 아니라 기존 선하 역사에 적용이 가능한 장점이 있다. 그러나 패널 길이가 5m로 짧아 실제 시공 구간 길이에 따라 다수의 패널이 설치되어야 함에 따라 궤도의 불연속 구간이 많이 발생한다. 또한 플로팅 슬래브 궤도의 작동 원리 상 일반 궤도에 비해 차량 운행으로 인한 과도한 변위가 발생할 여지가 있고 기존 궤도와의 접속부에서의 지지강성 차이로 인해 동적 불안정성이 발생할 우려가 있다. 본 연구에서는 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도에 대해 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하여 윤중변동율, 차체가속도, 레일응력 및 상압력의 검토를 통해 동적 안정성을 확인하였다. 검토 결과 플로팅 궤도 구간 내에서의 동적 안정성은 확보하는 것으로 나타났지만 기존 궤도와의 접속부에서는 일부 기준을 초과하는 것으로 나타나 이를 해소하기 위한 방진장치 배치 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A precast floating slab track with a 5m slab panel and installed with isolators is proposed to solve the noise and vibration problem at existing elevated railway stations. Thus, the construction can be carried out rapidly without interrupting the train operation. However, dynamic instability problems may be caused by repeated discontinuities in track due to the short slab panel length and excessive rail displacement due to the inherent operation mechanism of a floating system in reducing the vibration. Furthermore, the difference of the supporting stiffness at the transition between the floating track and ballast track may raise problems. In this study, the assessment factors to evaluate the dynamic stability of the precast floating slab track are presented and assessed with the vehicle-track interaction analysis. Through the analysis, all values relevant to the stability at the floating track section are found to be acceptable, and the slab panels at the transition section are designed to satisfy the stability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 차량-궤도 상호작용 해석을 통해 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도의 열차 주행 중 동적 안정성을 검토하였다. 그리고 기존 자갈궤도와의 접속구간에서 발생할 수 있는 동적 불안정성을 해소하기 위한 방안을 마련하였다.
본 연구에서는 기존 선하역사의 소음 및 진동 문제를 해결하기 위해 제안된 사전제작형 플로팅 슬래브 궤도에 대해 열차 주행 중 동적 안정성을 검토하였다. 열차 주행 중을 고려하기 위해 차량과 궤도를 한꺼번에 고려한 상호작용 해석을 수행하였고 탈선계수 및 윤중감소율 검토를 통한 열차 주행 안정성, 차체 가속도를 통한 승차감, 레일 응력 및 레일 상향력을 통해 동적 안정성을 판단하였다.
본 연구에서는 차량-궤도 상호작용 해석을 통해 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도의 열차 주행 중 동적 안정성을 검토하였다. 그리고 기존 자갈궤도와의 접속구간에서 발생할 수 있는 동적 불안정성을 해소하기 위한 방안을 마련하였다.

가설 설정

사전 제작형 플로팅 슬래브를 주행하는 차량과 궤도의 동적 응답의 검토를 위해 차량-궤도 상호작용을 고려한 동적 해석을 수행하였다[12]. 거동은 차량 주행 방향 과 연직방향의 2차원 내에서 이루어지는 것으로 가정하였고 횡방향은 고려하지 않았다.
차량은 차체, 대차, 윤축에서 자유도를 갖는 것으로 가정하였고 대차와 윤축 사이에는 1차 현수장치로, 차체와 대차 사이에는 2차 현수장치로 연결되어 있는 것으로 하였다. 차체, 대차, 윤축은 탄성 변형이 없는 강체로 모델링하였고 각 현수 장치는 스프링과 댐퍼로 모델링하였다.

제안 방법

대상 차량은 5량 1편성의 새마을 열차와 10량 1편성의 KTX를 사용하였다. 궤도 모델은 기존 자갈궤도와 의 접속부에서의 응답을 보기 위해 플로팅 궤도 100m 구간 양 쪽에 각각 50m 구간의 자갈궤도 구간을 모델링하였다.
자갈궤도 구간은 마찬가지로 레일과 침목의 2중보로 모델링하였으며 하부는 자갈도상과 C형 매트로 지지하고 있다. 레일과 궤도 슬래브는 티모센코 보요소로 모델링하였으며 레일패드, 방진장치 및 자갈-방진매트는 스프링-댐퍼로 모사하였다. 해석에 사용한 궤도 물성치는 Table 2와 같다.
사전 제작형 플로팅 슬래브를 주행하는 차량과 궤도의 동적 응답의 검토를 위해 차량-궤도 상호작용을 고려한 동적 해석을 수행하였다[12]. 거동은 차량 주행 방향 과 연직방향의 2차원 내에서 이루어지는 것으로 가정하였고 횡방향은 고려하지 않았다.
사전제작형 플로팅 슬래브 궤도는 기존의 자갈도상 궤도 일부 구간을 대체하는 것으로 이를 고려하여 본 해석에서는 Fig. 2와 같이 자갈궤도 구간 사이에 플로팅 궤도 구간이 위치하도록 고려하였다. 플로팅 궤도 구간의 길이는 100m이고 자갈궤도 구간의 길이는 앞 뒤로 각각 50m를 모델링하였다.
이를 방지하기 위해 레일 상향력을 레일 체결장치의 초기 체결력 이하로 제한할 필요가 있는데, 통상적인 레일 체결장치의 초기 체결력은 20 kN 내외이다[11]. 여기에 궤도 틀림과의 경합 및 안전율을 고려하여 70% 수준[9]인 14kN을 레일 상향력의 한계치로 하였다.
본 연구에서는 기존 선하역사의 소음 및 진동 문제를 해결하기 위해 제안된 사전제작형 플로팅 슬래브 궤도에 대해 열차 주행 중 동적 안정성을 검토하였다. 열차 주행 중을 고려하기 위해 차량과 궤도를 한꺼번에 고려한 상호작용 해석을 수행하였고 탈선계수 및 윤중감소율 검토를 통한 열차 주행 안정성, 차체 가속도를 통한 승차감, 레일 응력 및 레일 상향력을 통해 동적 안정성을 판단하였다. 대상 차량은 5량 1편성의 새마을 열차와 10량 1편성의 KTX를 사용하였다.
지지강성 불균일을 완화하기 위해서는 플로팅 궤도의 지지강성을 높여야 하는데 이를 위해서는 접속구간에서의 플로팅 궤도 방진장치의 강성을 높이거나 방진장치의 개수를 늘리는 방법이 있다. 이에 따라 접속구간 플로팅 궤도 시스템의 2개 패널에 대해 방진장치의 강성을 Table 3과 같이 조정하여 동적 안정성을 검토하였다. Case0은 별다른 조정을 하지 않은 경우이고 Case1은 개수는 동일하게 두고 강성만을 키운 경우, Case2는 강성은 동일하게 두면서 설치 개수를 늘린 경우이다.
차량은 차체, 대차, 윤축에서 자유도를 갖는 것으로 가정하였고 대차와 윤축 사이에는 1차 현수장치로, 차체와 대차 사이에는 2차 현수장치로 연결되어 있는 것으로 하였다. 차체, 대차, 윤축은 탄성 변형이 없는 강체로 모델링하였고 각 현수 장치는 스프링과 댐퍼로 모델링하였다. 차륜과 레일의 접촉은 비선형 스프링인 Hertzian 스프링 요소를 사용하였다(Fig.

대상 데이터

차량 모델은 KTX 고속열차와 새마을 열차를 사용하였다. KTX 차량은 10량(동력차-동력객차-객차 6량-동력객차-동력차) 1편성을 고려하였고 새마을 차량은 5량(동력차-객차 3량-동력차) 1편성을 고려하였고 열차의 운행 속도는 각각 300km/h, 150km/h이다. 해석에 사용한 각 차량의 물성치는 Table 1과 같다[13, 14].
열차 주행 중을 고려하기 위해 차량과 궤도를 한꺼번에 고려한 상호작용 해석을 수행하였고 탈선계수 및 윤중감소율 검토를 통한 열차 주행 안정성, 차체 가속도를 통한 승차감, 레일 응력 및 레일 상향력을 통해 동적 안정성을 판단하였다. 대상 차량은 5량 1편성의 새마을 열차와 10량 1편성의 KTX를 사용하였다. 궤도 모델은 기존 자갈궤도와 의 접속부에서의 응답을 보기 위해 플로팅 궤도 100m 구간 양 쪽에 각각 50m 구간의 자갈궤도 구간을 모델링하였다.
본 해석에서는 궤도틀림을 고려하지 않기 때문에 실제로는 궤도틀림의 영향으로 레일응력이 증가할 여지가 있다. 이를 고려하여 레일 응력의 한계치는 130MPa의 70% 정도[9]인 90MPa로 하였다.
차량 모델은 KTX 고속열차와 새마을 열차를 사용하였다. KTX 차량은 10량(동력차-동력객차-객차 6량-동력객차-동력차) 1편성을 고려하였고 새마을 차량은 5량(동력차-객차 3량-동력차) 1편성을 고려하였고 열차의 운행 속도는 각각 300km/h, 150km/h이다.
2와 같이 자갈궤도 구간 사이에 플로팅 궤도 구간이 위치하도록 고려하였다. 플로팅 궤도 구간의 길이는 100m이고 자갈궤도 구간의 길이는 앞 뒤로 각각 50m를 모델링하였다. 플로팅 궤도 구간의 모델은 레일과 궤도 슬래브의 2중보로 모델링하였으며 레일과 슬래브 사이에는 체결장치의 레일패드가, 슬래브 하부는 방진장치가 지지하고 있다.

성능/효과

7~9과 같이 정리하였다. 검토 결과 지지 강성을 높이기 위한 Case1과 2, 두 경우 모두 관련 기준을 만족시키는 것으로 나타났다. 이에 따라 Case1과 2 중 어느 방안을 선택하더라도 동적 안정성은 만족하지만, 수치 상으로는 Case2가 더 낮은 결과를 보이고 있어 보다 안전할 것으로 판단된다.
모든 항목에서 플로팅 궤도 구간 내에서 는 기준치 이내에 존재하고 있어 주행 안정성 및 승차감, 구조 안정성에서 문제가 없는 것으로 판단된다. 그러나 플로팅 궤도와 자갈궤도와의 접속부에서는 새마을 열차의 경우 레일 응력 항목에서 KTX 차량의 경우 윤중변동율이 기준치에 근접한 결과를 보이고 있고 레일 상향력의 경우 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.
그러나 기존 자갈궤도와의 접속부에서는 기준치에 근접하거나 일부 항목에서 기준치를 초과하는 것으로 나타나 조치가 필요한 것으로 나 타났다. 이는 플로팅 궤도와 자갈궤도의 지지강성 차이 때문으로 판단되는 바 접속 구간 플로팅 슬래브 패널의 지지강성을 높임으로써 해결할 수 있을 것으로 보이고, 방진장치 설치 개수를 늘림으로써 동적 안정성을 확보함을 확인하였다.

후속연구

이에 따라 Case1과 2 중 어느 방안을 선택하더라도 동적 안정성은 만족하지만, 수치 상으로는 Case2가 더 낮은 결과를 보이고 있어 보다 안전할 것으로 판단된다. 또한 방진장치를 강성이 다른 2종류로 하는 것보다는 동일한 강성을 갖도록 설계를 하는 것이 제작 및 사후 관리 측면에서 보다 유리할 것으로 판단된다. 이에 따라 Case2를 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도의 접속부 설계 방안으로 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플로팅 슬래브 궤도는 무엇을 해결하기 위해 제안되었는가?	기존 선하역사의 소음 및 진동 문제를 해결하기 위해 제안된 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도는 길이 5m 정도의 슬래브 패널을 공장에서 제작하고 방진장치를 설치하여 일체화한 궤도이다. 이를 통해 별도의 열차 운행 중단 없이 급속 시공이 가능하여 신설역사 뿐 아니라 기존 선하 역사에 적용이 가능한 장점이 있다.
	사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도란 무엇인가?	기존 선하역사의 소음 및 진동 문제를 해결하기 위해 제안된 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도는 길이 5m 정도의 슬래브 패널을 공장에서 제작하고 방진장치를 설치하여 일체화한 궤도이다. 이를 통해 별도의 열차 운행 중단 없이 급속 시공이 가능하여 신설역사 뿐 아니라 기존 선하 역사에 적용이 가능한 장점이 있다.
	플로팅 슬래브 궤도의 장점은 무엇인가?	기존 선하역사의 소음 및 진동 문제를 해결하기 위해 제안된 사전 제작형 플로팅 슬래브 궤도는 길이 5m 정도의 슬래브 패널을 공장에서 제작하고 방진장치를 설치하여 일체화한 궤도이다. 이를 통해 별도의 열차 운행 중단 없이 급속 시공이 가능하여 신설역사 뿐 아니라 기존 선하 역사에 적용이 가능한 장점이 있다. 그러나 패널 길이가 5m로 짧아 실제 시공 구간 길이에 따라 다수의 패널이 설치되어야 함에 따라 궤도의 불연속 구간이 많이 발생한다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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