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동적영향변수를 통한 자기부상열차용 철도교의 해석적 연구
Analytical Study of Railroad Bridge for Maglev Propulsion Train with Dynamical Influence Variable 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.4, 2018년, pp.532 - 542  

유이슬 (서울시립대학교 토목공학과) ,  박원찬 (대한전기협회) ,  임성순 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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자기부상열차는 비접촉자기부상과 안내 및 추진 시스템을 이용하므로 안전한 고속주행이 가능할 뿐만 아니라 진동이 적으므로 주행안정성에도 탁월하다. 최근 우리나라도 자기부상열차개발을 국가성장산업으로 지정하면서 자기부상열차의 시범제작과 시범운행을 시도하였으며 이에 대한 연구와 투자가 진행되고 있다. 본 연구는 고속주행으로 발생하는 각 모듈의 동적 응답의 상호관계를 분석하는 것이 연구목적이므로 주행속도, 노면조도, 현가장치의 물성치, 교량거더의 강성비 등 동적효과에 영향을 주는 주요변수들의 변화에 따라 동적응답들의 상호관계를 연구범위로 선택하였다. 따라서 콘크리트 박스거더교를 교량모델로 선택하였고 국내 생산중인 부상열차와 레일형식을 각각 이동열차하중과 가이드웨이 해석모델로 선택하였다. 해석결과 처짐 제한을 2000분의 L로 제시한 단면을 가진 자기부상열차용 교량의 고유진동수는 일반교량에 비해 높다는 것을 알 수 있다. 일반교량구조에서와 같이 자기부상열차용 철도교도 이동속도에 따른 거더의 동적응답은 속도에 비례하여 크게 증가함을 알 수 있다. 설계기준은 이동속도와 관계없이 10%의 충격계수로 동적효과를 나타내므로 설계기준의 값과 적용범위는 검증이 요구된다. 거더의 동적응답은 시속 240km/h에서 극대 값을 가지며 이후 속도증가에 따라 비례하여 증가함을 알 수 있다. 본 연구의 해석결과들은 자기부상열차용 철도교 설계에 적용할 수 있으며 설계기준을 확인하거나 검증할 때 기본 자료를 제공해 줄 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Because maglev trains have a propulsion and absorption force without contact with the rails, they can drive safely at high-speed with little oscillation. Recently, test model of a maglev propulsion train was produced and operated, and has since been chosen as a national growth industry in South Kore...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구는 고속으로 주행하는 자기부상열차와철도교의 상호관계에 의한 진동을 분석하는 것이 연구목적이다. 이를 위하여 자기부상열차를 이동열차하중으로모사하고 진동발생 원인이 되는 주행속도와 같은 동적영향변수 변화에 따른 동적응답을 중점적으로 분석하였다.
  • 본 연구는 고속의 자기부상열차의 안전한 주행을 위한 전용철도교량의 구조안정성을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 자기부상열차는 주행 중 속도의 변화에 따른 가이드웨이의 처짐 변화, 조도 및 풍하중등의 영향으로 부상간극의 변화로 발생되는 부상력의 변동으로 인해 교량과 마그네틱 현가장치의 상호작용을 고려하여 해석되어야한다. 본 연구는 이러한 자기부상열차의 특성을 고려한 동적 상호작용 해석결과를 분석하기 위하여 부상력과 노면조도를 고려할 수 있도록 전산화하였다.

가설 설정

  • 자기부상열차의주행 동력은 부상력과 전혀 관계없이 독립적으로 작동하는 전자기력을 이용하고 있으며 추진력의 전자기력 제어를 통해 동일한 주행속도를 유지할 수 있다. 그러므로 본 연구는 동일한 속도를 가진 주행속도로 가정하고 부상간극의 한계치와 허용치내에서 제어되는 부상력을 열차하중으로 재하 하였다. 열차하중은 교량진동에 따른 부상간극 변화로 발생하는 부상력을 연직하중으로 가정한 일정 속도의 열차 이동하중으로 이상화하였다[13-16].
  • 1과 같이 레일, 침목,  거더는 박벽보요소, 자기부상열차는 전자기력에 의해 부상하는 강체모델로 이상화하였다. 해석모델은 단순교로거더의 양단 조건을 가정하였으며 레일은 장대레일로 가설하므로 고정단으로 가정하였다. 교량길이 30m, 25개 침목을 설치하였고 침목간 거리는 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기부상열차의주행 동력의 특징은? 자기부상열차는 비접촉식 부상과 주행을 위한 동력을 전달하는 전자기력 부분으로 구성된다. 자기부상열차의주행 동력은 부상력과 전혀 관계없이 독립적으로 작동하는 전자기력을 이용하고 있으며 추진력의 전자기력 제어를 통해 동일한 주행속도를 유지할 수 있다. 그러므로 본연구는 동일한 속도를 가진 주행속도로 가정하고 부상간극의 한계치와 허용치내에서 제어되는 부상력을 열차하중으로 재하 하였다.
자기부상열차의 장점은? 자기부상열차는 비접촉자기부상과 안내 및 추진 시스템을 이용하므로 안전한 고속주행이 가능할 뿐만 아니라 진동이 적으므로 주행안정성에도 탁월하다. 최근 우리나라도 자기부상열차개발을 국가성장산업으로 지정하면서 자기부상열차의 시범제작과 시범운행을 시도하였으며 이에 대한 연구와 투자가 진행되고 있다.
자기부상열차 운행 시 교량의 영향을 파악해야 하는 이유는? 기존연구들은 자기부상열차에 대한 전자기력과 열차차제의 기계적 힘의 전달관계에 대한제한적 연구가 주종을 이루고 있으며 최근까지 동적상호작용의 관점에서 직접적으로 교량의 영향을 고려한 연구는 전무하다. 고속의 자기부상열차는 교량구조의 매우큰 진동응답을 야기하므로 주행안정성뿐만 아니라 철도교의 구조안정성 분석도 설계기술력확보에 중요한 설계요인으로 평가되고 있음에도 불구하고, 대부분의 연구가차량의 관점에서 교량의 영향을 부분적으로 고려하거나 교량진동과의 상호관계를 전혀 고려하지 않았다[2,4].
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참고문헌 (16)

  1. H. J. Cho, Performance Test of the Urban Transit Maglev Vehicle (UTM-01) in Korea, Journal of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, vol. 1998, no. 6, pp. 102-107, 1998. 

  2. Korea Institute of Machinery and Materials, Development of Test and Performance Evaluation Te chnology for the Urban Transit Maglev System, pp. 1-225, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 1999. 

  3. H. J. Cho, M. H. Yoo, J. M. Lee, Status of Maglev Development in Korea, Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 2001, no. 4, pp. 362-365, 2001. 

  4. H. J. Cho, Development of Key Technologies of the Urban Transit Maglev Train, Korea Institute of Machinery and Materials, pp. 1-1867, 2003. 

  5. A. R. Wheeler, Aspects of the Design and Constructi on of D.C. Magnetic Suspension Systems, Ph. D. thesis, University of Sussex., 1975. 

  6. B. V. Jayawant, et. al., Development of 1-ton Magnetically Suspended Vehicle using Controlled D.C. Electromagnets, Proc. IEE, 123, pp. 941-948, 1976. DOI: https://doi.org/10.1049/piee.1976.0203 

  7. D. G. Aylwin, The Design of Controlled D.C. Magnetic Suspension Systems., M. Phil thesis, University of Sussex, 1977. 

  8. J. P.Bullock, Analysis and Design of an Electromagn etic Suspension System, Internal Report, University of Warwick, 1985. 

  9. P. K. Sinha, Electromagnetic Suspension Dynamics & Control, Peter Peregrinus Ltd., London, United Kingdom, 1987. 

  10. C. F. Zhao, and Zhai, W. M., Maglev Vehicle/ Guideway vertical random response and ride quality, Vehicle System Dynamics, vol. 38, no. 3, pp. 185-210, 2002. 

  11. S. D. Kwon, Bridge-Vehicle interaction Analysis of Suspension Bridges Considering the Effects of the Shear Deformation, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, vol. 8, no. 6, pp. 1-11, 2004. DOI: https://doi.org/10.5000/EESK.2004.8.6.001 

  12. J. S. Lee, Dynamic Interaction Analysis between Actively Controled Maglev and Guideway, Ph. D. thesis, Sungkyunkwan University, 2008. 

  13. M. S. Kong, S. S. Yhim, Dynamic Analysis of Structures under Moving Loads in Time and Frequency Domain, Journal of The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 11, no. 3, pp. 87-94, 2007. 

  14. S. D. Kwon, Effectiveness of TMDs for Control of Traffic Induced Bridge Vibrations, KSCE Journal of Civil Engineering, vol. 18, no. 1-4, pp. 457-467, 1998. 

  15. S. C. Yang, Evaluation of Dynamic Force Subjected to Substructure Considering Train and Track Interaction, vol. 17, no. 1-4, pp. 79-88, 1997. 

  16. Y. N. Hong, Won-Seok Chung, In-Ho Yeo, Analysis of Dynamic Responses of Urban Maglev Guideway, International journal of railway, vol. 12, no. 1, pp. 115-121, 2009. 

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