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.
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.
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...
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 Korea; there have been many studies and considerable investment in these fields. This study examined the dynamic responses due to bridge-maglev train interaction and basic material to design bridges for maglev trains travelling at high-speed. Depending on the major factors affecting the dynamic effects, the scope of this study was restricted to the relationship between dynamic responses. A concrete box girder was chosen as a bridge model and injured train and rail types in domestic production were selected as the moving train load and guideway analysis model, respectively. From the analysis results, the natural frequency of a bridge for a maglev train, which has a deflection limit L/2000, was higher than those of bridges for general trains. The dynamic responses of the girder of the bridge for a maglev train showed a substantial increase in proportion to the velocities of the moving train like other general bridge cases. Maximum dynamic response of the girder is shown at a moving velocity of 240km/h and increased with increasing moving velocity of train. These results can be used to design a bridge for maglev propulsion trains and provide the basic data to confirm the validity and verification of the design code.
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 Korea; there have been many studies and considerable investment in these fields. This study examined the dynamic responses due to bridge-maglev train interaction and basic material to design bridges for maglev trains travelling at high-speed. Depending on the major factors affecting the dynamic effects, the scope of this study was restricted to the relationship between dynamic responses. A concrete box girder was chosen as a bridge model and injured train and rail types in domestic production were selected as the moving train load and guideway analysis model, respectively. From the analysis results, the natural frequency of a bridge for a maglev train, which has a deflection limit L/2000, was higher than those of bridges for general trains. The dynamic responses of the girder of the bridge for a maglev train showed a substantial increase in proportion to the velocities of the moving train like other general bridge cases. Maximum dynamic response of the girder is shown at a moving velocity of 240km/h and increased with increasing moving velocity of train. These results can be used to design a bridge for maglev propulsion trains and provide the basic data to confirm the validity and verification of the design code.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
제안 방법
본 연구에서 작성한 열차-교량 상호작용해석을 위한 프로그램은 일반 프로그램과 같이 입력, 해석, 출력 등 3단계 연산과정으로 구성되어 있다. 입력단계는 단면특성치 계산과 교량제원 및 하중 값을 입력하는 입력과정을 의미한다.
부상력을 계산할 때 만차상태인 부상열차를 적용하였고 간극의 허용치는 8±3mm를 사용하였다.
3과 같다. 여기서 x축은 열차의 이동거리를 의미하며, 부상력과 조도의 유무에 따라 3가지 경우에 대하여해석을 수행하였다. 이는 Fig.
이러한 등가정적하중들은 최대 동적응답을 포함한 해석결과가 허용치 범위를 넘지 못하도록 규정되고 있다. 이러한 이유로 시방규정에 의한 해석결과를 본 연구의 동적해석결과와 절대적으로 비교할 수 없어 활하중에 의한 거더의 해석결과만을 동적응답과 비교하기로 한다.
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.철도교 해석은 유한요소해석을 적용하고 자기부상열차는 이동열차하중, 전자석과 거더 및 모듈에 작용하는 전자기력은 Runge Kutta 방법을 적용한 상태방정식을 유도하여 정적해석, 자유진동과 이동하중에 따른 시간이력해석과정을 전산화하였다.
이를 위하여 자기부상열차를 이동열차하중으로모사하고 진동발생 원인이 되는 주행속도와 같은 동적영향변수 변화에 따른 동적응답을 중점적으로 분석하였다.철도교 해석은 유한요소해석을 적용하고 자기부상열차는 이동열차하중, 전자석과 거더 및 모듈에 작용하는 전자기력은 Runge Kutta 방법을 적용한 상태방정식을 유도하여 정적해석, 자유진동과 이동하중에 따른 시간이력해석과정을 전산화하였다.
대상 데이터
자기부상열차용 철도교는 비접촉식으로 부상 주행하는 열차와 열차주행을 위한 철도교로 구분된다. 열차모델은 차체, 현가장치, 모듈로 구성되어 있으며 철도교는 레일, 침목, 거더로 구성되어 있다. 교량모델의 지점조건은 힌지와 롤러로 구성된 단순보이며 고유진동모드는 진동에 직접적인 영향을 나타낸다.
성능/효과
100km/h로 주행하고 부상력만을 고려한 동적해석결과로부터 레일과 거더의 최대연직변위는 각각2.47mm, 2.45mm, 부상력과 노면조도를 고려할 때 레일과 거더의 최대연직변위는 각각 3.69mm, 3.03mm이고거더의 휨모멘트는 51.94tonf·m이다.
넷째, 거더 강성이 감소하면 거더의 연직변위와 부상간극은 이동속도에 따라 증가하고 이와는 반대로 부상력과 부상전류의 변화량은 이동속도에 따라 감소한다. 또한, 거더강성이 증가하면 그 변화량 크기는 감소한다는것을 알 수 있다.
노면조도는 미국의 FRA의 class 4를 이용하여 시뮬레이션하여 적용하였으며 최대 노면조도 크기가 3.8mm정도이므로 동적응답에 미치는 효과가 적지 않음을 알수 있다[2,4].
다섯째, 차량속도 120km/h에서 L/2000의 대응하는 강성을 가진 거더의 부상간극 최대 변화량은 2.5mm이며 부상간극변화량의 허용한계를 ±3mm로 제한할 경우차량의 제한속도는 160km/h임을 알 수 있다.
둘째, 열차이동속도에 따른 거더의 연직변위는 속도 60km/h가 100km/h보다 크며 200km/h이상인 속도인 경우 속도에 비례하여 크게 증가함을 알 수 있다. 주행속도60km/h는 교량의 저주파 고유진동수와 일치하기 때문이다.
셋째, 거더의 최대변위는 시속 240km/h에서 극대값을 가지며 이후 340km/h 까지 감소하며 600km/h까지속도에 따라 증가함을 알 수 있다. 열차의 주행속도240km/h에서 극대값을 나타내는 이유는 교량의 고주파 고유진동수와 일치하기 때문이다.
정적해석결과 레일과 거더의 최대연직변위는 각각 7.98, 7.91mm이며 거더의 최대 정 모멘트는 121.1tonf·m로 계산되었다.
첫째, 자유진동 해석결과로부터 자기부상열차용 철도교는 처짐 제한을 L/2000로 제시한 단면일 때 일반교량에 비해 높은 연직방향 고유진동수를 나타낸다. 횡방향모드와 비틀림 방향 모드는 각각 2번째, 5번째 모드로 나타나지만 고유진동수의 비를 고려하면 횡방향 및 비틀림 거동은 발생확률이 낮다는 것을 알 수 있다.
후속연구
이상과 같은 해석결과로 자기부상열차와 가이드웨이 교량의 동적상호거동 특성을 보다 정확하게 확인할 수있다. 또 이 결과들은 자기부상열차의 안전성과 승차감을 높일 수 있는 가이드웨이 구조물의 설계기준을 확립할 때 기초자료로 활용할 수 있다.
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].
참고문헌 (16)
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.
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.
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.
H. J. Cho, Development of Key Technologies of the Urban Transit Maglev Train, Korea Institute of Machinery and Materials, pp. 1-1867, 2003.
A. R. Wheeler, Aspects of the Design and Constructi on of D.C. Magnetic Suspension Systems, Ph. D. thesis, University of Sussex., 1975.
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
D. G. Aylwin, The Design of Controlled D.C. Magnetic Suspension Systems., M. Phil thesis, University of Sussex, 1977.
J. P.Bullock, Analysis and Design of an Electromagn etic Suspension System, Internal Report, University of Warwick, 1985.
P. K. Sinha, Electromagnetic Suspension Dynamics & Control, Peter Peregrinus Ltd., London, United Kingdom, 1987.
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.
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
J. S. Lee, Dynamic Interaction Analysis between Actively Controled Maglev and Guideway, Ph. D. thesis, Sungkyunkwan University, 2008.
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.
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.
S. C. Yang, Evaluation of Dynamic Force Subjected to Substructure Considering Train and Track Interaction, vol. 17, no. 1-4, pp. 79-88, 1997.
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.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.