[논문]자갈궤도의 상태평가를 위한 실험적 연구

최정열; 방은영

doi:10.14346/jkosos.2018.33.2.152

Abstract ▼ AI-Helper

The degradation and damage of the components for ballasted track could be caused a serious problem for railway safety. Therefore, the integrity evaluation of ballasted track condition is important to ensure and predict that the track safety and track maintenance. Various track components such as rai...

The degradation and damage of the components for ballasted track could be caused a serious problem for railway safety. Therefore, the integrity evaluation of ballasted track condition is important to ensure and predict that the track safety and track maintenance. Various track components such as rail pad, ballast, sleeper, and rail that are widely used in Republic of Korea and represent a range of physical properties have been selected for this research. In this study, the experimental modal analysis was performed by the non-destructive testing. Modal test results were obtained from the field test and used to assess the condition of the track components. From the field test, the system of ballasted track was found to be simplified as a two-degree-of-freedom(2DOF) dynamic system. The condition of track component was found to directly affect the dynamic response of ballasted tracks. As the results, the dynamic properties of the track component was depend on the track condition and was distributed more roughly and over a wider range than its initial design values. Further, the methodology presented in this study is possible to determine experimentally the fundamental track parameters which are required in the numerical analysis, and also are useful for the safety assessment of track condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 자갈궤도 상태에 대한 건전성 평가는 궤도구조의 안전성과 궤도의 성능유지를 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 자갈궤도의 상태평가를 위해 선행연구에서 도입된 평가기법을 준용하여 임팩트 해머를 이용한 비파괴 시험에 의해 실험적 모드해석을 수행하였다.

제안 방법

2(a)와 같이 침목 측부(체결구 고정숄더주변)에 가장 크게 발생되었으며 침목중앙부에도 침목의 길이방향 균열이 일부 관찰되었다. 본 연구에서는 시험현장의 자갈궤도를 양호한 상태, 레일체결구의 이완상태, 균열이 있는 침목상태로 분류하여 현장측정을 수행하였다.
본 연구에서는 자갈궤도의 동적 특성을 측정하기 위해 임팩트 해머(5 kg질량)를 사용하여 레일 두부를 비롯하여 콘크리트 침목을 타격하고 이때 발생되는 레일과 침목의 가속도 응답을 측정하였다¹⁾. 가속도 측정을 위한 가속도계(100 g)는 Fig.
현장측정결과를 바탕으로 산출한 주파수 응답함수분석결과, 이론적으로 모사하는 자갈궤도의 2자유도 모델의 적정성을 실험적으로 입증하였으며, 임팩트 해머를 이용한 충격시험을 수행함으로써 궤도를 구성하는 레일, 레일패드, 침목 및 도상자갈과 같은 궤도구성품의 동적 특성을 평가하였다. 또한, 궤도구성품의 상태는 자갈궤도의 동적응답(주파수 응답함수)에 직접적으로 영향을 미칠 수 있음을 실험적으로 입증하였으며 궤도구성품별 손상의 상태에 따라 각기 상이한 주파수 응답함수 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

1과 같이 일반적인 국내 철도의 자갈궤도에 대하여 현장계측을 수행하였다. 해당 철도는 여객열차와 화물열차가 함께 운영되는 혼용선로이며 콘크리트 침목을 사용하는 곡선반경 R=400 m인 자갈궤도이다.

데이터처리

FRF는 진동 분석기에 의해 0~1,600 Hz 사이의 주파수 영역에 대한 신호를 측정되었으며 그 중 주파수 응답함수에서 피크값이 발생되는 탁월주파수 대역인 0~600 Hz 구간에 대한 분석을 수행하였다^1,5-7).

이론/모형

궤도 구성품의 동적 특성을 추출하기 위해 Fig. 4와같이 일반적인 자갈궤도의 2자유도 해석모델을 적용하여 분석하였다^1,5-9). 자갈궤도의 2자유도 모델(2-Degree of freedom model, 2DOF model)은 레일과 침목을 질량체로 고려하고 레일과 침목, 침목과 노반을 연결하는 각각의 레일패드 및 도상자갈을 스프링-댐퍼요소로 고려한 자갈궤도의 해석모델로써 본 연구에서 분석하고자 하는 자갈궤도의 궤도구성품의 동적 특성치를 산출하기에 적합하다고 판단하여 해석에 적용하였다^1,5-9).
현장계측은 Kaewunruen과 Remennikov에 의해 소개된 임팩트 해머를 이용한 충격시험기법을 준용하여 궤도구조의 진동을 계측하는 실험적 모드해석(EMA) 기법으로 진행하였다^1,5-7). 해당 기법은 궤도구성품 및 전체 궤도의 동적 특성치를 산출하기에 용이한 시험기법으로 알려져 있다^1,3-7).

성능/효과

따라서 측정가속도 신호를 이용한 주파수 응답함수분석결과 탁월주파수 대역인 0-600 Hz에서 복수의 피크값이 발생하지 않는다면 2자유도계 모델로 모사될 수 있는 자갈궤도 구조에서 레일체결장치의 구조적 건전성이 확보되지 않았음을 파악할 수 있을 것으로 분석되었다.
현장측정결과를 바탕으로 산출한 주파수 응답함수분석결과, 이론적으로 모사하는 자갈궤도의 2자유도 모델의 적정성을 실험적으로 입증하였으며, 임팩트 해머를 이용한 충격시험을 수행함으로써 궤도를 구성하는 레일, 레일패드, 침목 및 도상자갈과 같은 궤도구성품의 동적 특성을 평가하였다. 또한, 궤도구성품의 상태는 자갈궤도의 동적응답(주파수 응답함수)에 직접적으로 영향을 미칠 수 있음을 실험적으로 입증하였으며 궤도구성품별 손상의 상태에 따라 각기 상이한 주파수 응답함수 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
연구결과, 동적 스프링강성과 감쇠계수 등과 같은 궤도구성품의 동적 특성치는 궤도구성품별 상태변화에 따라 다르게 나타나며, 궤도설계 및 동해석 시 고려되는 특성치 보다 넓은 범위에 걸쳐 분포됨을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 사용한 실험적 기법으로 자갈 궤도 거동분석 및 성능평가 등을 수행하기 위해 필요한 기본적인 매개변수를 실험적으로 결정하는 것이 가능할 뿐만 아니라 이를 바탕으로 직관적인 궤도구성품의 상태 평가에도 활용될 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

연구결과, 동적 스프링강성과 감쇠계수 등과 같은 궤도구성품의 동적 특성치는 궤도구성품별 상태변화에 따라 다르게 나타나며, 궤도설계 및 동해석 시 고려되는 특성치 보다 넓은 범위에 걸쳐 분포됨을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 사용한 실험적 기법으로 자갈 궤도 거동분석 및 성능평가 등을 수행하기 위해 필요한 기본적인 매개변수를 실험적으로 결정하는 것이 가능할 뿐만 아니라 이를 바탕으로 직관적인 궤도구성품의 상태 평가에도 활용될 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 응답함수 기법은 어떠한 경우에 가장 널리 사용되는가?	실험적 모드해석(Experimental modal analysis, EMA)은 구조물의 동적거동 특성을 해석하기 위해 도입된 실험적인 방법론으로써 철도 궤도구성품 중 스프링-댐퍼요소로 모사가 가능한 탄성재료(레일패드 및 도상자갈 등)의 스프링강성(Spring stiffness, kN/mm) 및 감쇠 계수(Damping coefficient, kNs/m)와 같은 궤도재료의 구조적 특성치를 실험적으로 산출할 수 있는 해석기법으로 알려져 있다1,3-6). 주파수 응답함수(Frequency response function, FRF) 기법은 모드 파라미터(Modal parameters)를 추정하거나 예측하는데 가장 널리 사용하는 방법이다1-5). Sadeghi의 연구에 따르면, 실험실에서 구한 고유진동수는 현장모드실험을 통해 구한 값보다 더 크게 나타난다고 알려져 있다1,4).
	실험적 모드해석이란 무엇인가?	실험적 모드해석(Experimental modal analysis, EMA)은 구조물의 동적거동 특성을 해석하기 위해 도입된 실험적인 방법론으로써 철도 궤도구성품 중 스프링-댐퍼요소로 모사가 가능한 탄성재료(레일패드 및 도상자갈 등)의 스프링강성(Spring stiffness, kN/mm) 및 감쇠 계수(Damping coefficient, kNs/m)와 같은 궤도재료의 구조적 특성치를 실험적으로 산출할 수 있는 해석기법으로 알려져 있다1,3-6). 주파수 응답함수(Frequency response function, FRF) 기법은 모드 파라미터(Modal parameters)를 추정하거나 예측하는데 가장 널리 사용하는 방법이다1-5).
	궤도구조의 진동을 계측하는 실험적 모드해석은 어떤 경우에 용이한 시험기법인가?	현장계측은 Kaewunruen과 Remennikov에 의해 소개된 임팩트 해머를 이용한 충격시험기법을 준용하여 궤도구조의 진동을 계측하는 실험적 모드해석(EMA) 기법으로 진행하였다1,5-7). 해당 기법은 궤도구성품 및 전체 궤도의 동적 특성치를 산출하기에 용이한 시험기법으로 알려져 있다1,3-7).

참고문헌 (9)

J. Y. Choi, "Qualitative Analysis for Dynamic Behavior of Railway Ballasted Track," Technical University of Berlin, Doctoral Thesis, 2014.
C. Esveld , "Modern Railway Track," 2001.
A. P De Man, "Determination of Dynamic Track Properties by Means of Excitation Hammer Testing," 1996.
J. Sadeghi, "Investigation of Characteristics and Modeling of Railway Track System," The University of Wollongong, Doctoral Thesis, 1997.
S. Kaewunruen and A. Remennikov, “Field Trials for Dynamic Characteristics of Railway Track and Its Components Using Impact Excitation Technique,” NDT&E International, Vol. 40, No. 7, pp. 510-519, 2007.

상세보기
S. Kaewunruen and A. Remennikov, "Dynamic Properties of Railway Track and Its Components: A State-of-the-Art Review," University of Wollongong, 2008.
CRC Railway Engineering and Technology. "A State-ofthe-Art Review Report on Vibration Testing of Ballasted Track Components," 2004.
K. Knothe and S. L Grassie, "Modelling of Railway Track and Vehicle/Track Interaction at High Frequencies," Vehicle System Dynamics, Vol 22, pp. 209-262, 1993.

상세보기
K. Knothe and Y. Wu, "Receptance Behaviour of Railway Track and Subgrade," Archive of Applied Mechanics, Vol. 68, pp. 457-470, 1998.

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