[논문]고무보판 패널 철도건널목 시스템의 고속열차 풍하중에 대한 구조 안정성 분석

최정열; 김상진; 신태형; 정지승

doi:10.17703/jcct.2019.5.2.355

고무보판 패널 철도건널목 시스템의 고속열차 풍하중에 대한 구조 안정성 분석
Evaluation on Structural Stability of Railway Level Crossing System using Rubber Panel by High Speed Train Gust 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.5 no.2, 2019년, pp.355 - 360

최정열 (동양대학교 철도건설안전공학과) , 김상진 (서울교통공사 궤도1사업소) , 신태형 (서울교통공사 궤도1사업소) , 정지승 (동양대학교 철도건설안전공학과)

초록
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본 연구에서는 고속열차 주행 중 발생하는 풍하중 안정성 검토조건을 준용하여, 열차속도 300km/h와 360km/h에 대한 고속선로용 고무보판 패널 구조의 열차 풍하중에 대한 구조적 안정성을 검토하였다. 이를 위해 고무보판 패널 시스템이 가장 복잡한 구성으로 설치될 수 있는 현장조건을 적용하여 3차원 해석모델링을 이용한 정밀 수치해석을 수행하였으며, 이를 통해 고속열차 풍하중에 대한 고무보판 패널 시스템의 구조적 안정성을 해석적으로 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the structural stability of the railway level crossing system using rubber panel for high speed lines was investigated by applying the specification for wind load conditions (Train gust) of high speed train (300km/h and 360km/h). A finite element analysis using three-dimensional modeling was carried out by applying the field conditions that was installed with the complicated configuration of the rubber plate panel system. As a result of this study, the structural stability of the rubber plate panel system for high speed train gust was analytically verified.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 철도건널목 부설 전경 Figure 1. Photographs of railway level crossing system
그림 그림 2. 고무보판 패널 시스템 개요도 Figure 2. Photographs of rubber panel crossing system
그림 그림 3. 건널목 고무 보판 설치 현황 Figure 3. Installation of rubber panel crossing system
그림 그림 4. 고무보판 해석모델링 Figure 4. FE Model of rubber panel crossing system
그림 그림 5. 고무보판 응력 해석 결과 Figure 5. Analysed results of stress analysis
표 표 1. 고무보판 유한요소해석 적용제원Table 1. Parameters of rubber panel crossing system analysis
표 표 2. 응력해석결과 Table 3. Results of stress analysis
그림 그림 6. 고무보판 변위 해석 결과 예(360km/h) Figure 6. Analysed results of displacement contour(360km/h)
그림 그림 7. 패널 고정지점부 반력 해석 결과(360km/h) Figure 7. Analysed result of reaction force on tie rod(360km/h)
표 표 3. 변위해석결과 Table 3. Results of displacement analysis
표 표 4. 패널 고정장치 반력 해석결과 Table 4. Results of reaction force on tie rod support

AI 본문요약
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문제 정의

특히 고속열차 주행 선로에 적용되는 철도건널목의 경우 열차풍에 대한 구조적 안정성 검토가 필요하나 현재까지 관련 연구는 매우 부족한 실정이다[1,2,4-6]. 따라서 본 연구에서는 복잡한 형상을 갖는 고무보판 패널 시스템(Rubber panel level crossing system)을 대상으로 실제 현장 설치 조건을 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하여 고속 열차풍에 의한 고무보판 철도건널목의 구조적 안정성을 해석적으로 검토하였다.
본 연구는 고속열차 주행 중 발생하는 열차풍에 대한 고무보판 패널 시스템의 구조적 안정성(변위 및 응력, 앵커지지부의 반력)을 검토하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 고무보판 패널 시스템이 가장 복잡한 구성으로 설치될 수 있는 조건을 고려하여 국내 고속철도 건널목 현장조건을 적용한 수치해석을 수행하였다. 해당 개소의 한쪽 선로는 일반 패널 시스템이 적용될 수 있으며 반대쪽 선로의 경우 분기기가 설치되어있어 복잡한 형상의 고무보판 패널 시스템이 설치될 수 있는 개소이다.
본 연구에서는 고속선로 열차 풍하중 안정성 검토 조건을 준용하여, 열차속도 300km/h와 360km/h에 대한 풍하중을 적용하여 고속선로용 고무보판 패널 구조의 열차 풍하중에 대한 구조 안정성을 해석적으로 검토하였다.
본 연구에서는 열차풍에 의한 고무보판의 구조적 거동특성을 검토하기 위해 경계비선형 해석을 수행하였다[9]. 경계비선형해석은 구조물에 적용되는 경계조건의 변화를 반영하는 것으로 고무보판에 재하된 풍하중으로 인해 궤도와 고무보판의 접촉부에 발생하는 응력결과를 확인할 수 있다[9].
해당 개소의 한쪽 선로는 일반 패널 시스템이 적용될 수 있으며 반대쪽 선로의 경우 분기기가 설치되어있어 복잡한 형상의 고무보판 패널 시스템이 설치될 수 있는 개소이다. 이에 본 연구에서는 패널 단면의 형상 및 배열이 일반구간에 비해 상대적으로 복잡하여 이론적으로 고찰이 어려운 현장을 대상으로 고속열차 주행시 발생되는 풍하중을 고려한 3차원 유한요소해석을 수행함으로써 열차풍 작용 시 발생되는 고무패널의 응력 및 변위를 검토하여 고무보판 패널 시스템의 구조적 안정성을 검토하였다.

제안 방법

열차풍에 의해 레일의 부상은 발생되지 않으므로 고무보판 패널이 거치되는 레일은 수직방향 및 수평방향으로 구속을 설정하였으며, Tie rod는 양 끝단을 수직, 수평방향으로 구속을 설정하였다. 고무보판과 레일의 접촉부는 압축에는 저항하고 인장에는 저항하지 않도록 Slideline의 No friction을 적용하였다[2,9].
No Friction 기능은 두 구조물 사이에 접촉이 발생하는 경우에만 응력을 전달하며, 이때 둘 사이의 마찰은 고려하지 않는다[2,9]. 두 구조물 사이의 접촉을 해석에 반영하고, 접촉면에 발생하는 응력을 확인할 수 있도록 구조해석 요소로 Stress요소를 사용하여 3차원 Solid 모델을 구성하였다. 종방향으로 패널간의 결속을 위해 설치되는 Tie rod는 Bar 요소를 사용하여 모델링하였으며 열차 풍하중에 의해 발생되는 단부 고정지점부에 발생되는 반력을 검토하였다.
본 연구에서는 고속열차 주행 중 발생하는 열차풍에 의한 고무보판 패널 시스템의 구조적 거동특성을 검토하고자 독일공업규격 상세보고서101(DIN Fachbericht 101)에서 제시한 고속선로 열차 풍하중 안정성 검토조건(Train gust)을 준용하여, 열차속도 300km/h에 대한 풍하중 2.5kN/㎡과 360km/h에 대한 풍하중 3.75kN/㎡ 를 적용하고, 공기역학적으로 설계된 차량에 의한 풍하중 감소계수(α) 0.6을 적용하여 각각의 속도에 대한 열차풍을 각각 1.5kN/㎡, 2.25kN/㎡로 산정하여 고무보판 상면에 중력 반대방향으로 작용하도록 적용하였다[3,8]
분기기가 있는 선로에 설치되는 복잡한 형상의 고무 보판 패널 시스템의 실물 제작 치수를 적용한 정밀 수치모델을 바탕으로 고속열차 주행시 발생되는 풍하중을 고려한 레일과 고무보판 패널 시스템의 상호작용을 3차원 수치해석을 통해 분석하였다.
열차 풍하중에 따른 고무보판 패널 시스템의 거동특성(발생 응력 및 변위)을 검토하기 위해 레일과 고무보판 패널의 접촉부 및 고무보판 패널 시스템의 복잡한 형상을 가급적 실제 형상과 동일하게 구현하고자 그림 4.와 같이 3차원 모델을 이용하여 해석모델링을 구성하였으며 해석에 사용된 레일, 고무보판 및 Tie rod의 재료특성은 표 1.과 같다.
보다 안전측의 검토를 위해 고무보판은 중력방향으로 작용하는 힘에 대해서는 저항하되, 중력 반대방향으로 작용하는 힘에 대해서는 저항하지 않도록 설정하였다. 열차풍에 의해 레일의 부상은 발생되지 않으므로 고무보판 패널이 거치되는 레일은 수직방향 및 수평방향으로 구속을 설정하였으며, Tie rod는 양 끝단을 수직, 수평방향으로 구속을 설정하였다. 고무보판과 레일의 접촉부는 압축에는 저항하고 인장에는 저항하지 않도록 Slideline의 No friction을 적용하였다[2,9].
두 구조물 사이의 접촉을 해석에 반영하고, 접촉면에 발생하는 응력을 확인할 수 있도록 구조해석 요소로 Stress요소를 사용하여 3차원 Solid 모델을 구성하였다. 종방향으로 패널간의 결속을 위해 설치되는 Tie rod는 Bar 요소를 사용하여 모델링하였으며 열차 풍하중에 의해 발생되는 단부 고정지점부에 발생되는 반력을 검토하였다.
종방향으로 패널간의 결속을 위해 설치되는 Tie rod의 경우 열차 풍하중에 의한 구조적 안정성을 검토하기 위해 단부 고정지점부에 발생되는 반력을 검토하였으며, 해석결과는 표 4. 및 그림 7.

이론/모형

고무보판과 레일 사이의 경계조건을 해석에 반영하기 위해 LUSAS Slideline의 No Friction 기능을 사용하였다[2,9]. No Friction 기능은 두 구조물 사이에 접촉이 발생하는 경우에만 응력을 전달하며, 이때 둘 사이의 마찰은 고려하지 않는다[2,9].

성능/효과

분석결과, 고속열차 풍하중 작용 시 발생되는 고무패널의 응력 및 변위의 수준이 매우 미소하여 열차풍에 의한 변형 및 변위발생가능성은 매우 작은 것으로 분석 되었으며, 패널 고정 지점부의 반력 또한 관련 기준을 모두 만족하여 고속 열차풍에 대한 고무보판 패널 시스템의 구조적 안정성을 해석적으로 입증하였다.
최고속도 360km/h 주행 시 발생되는 열차 풍하중에 의한 고무보판 패널 시스템의 거동분석 결과, 레일 두부에 접촉되는 내부패널 및 외부 패널에서의 발생변위 및 응력수준이 모두 미소한 것으로 나타나 고속열차 풍하중에 대한 고무보판 패널 시스템의 거동은 구조적으로 안정적인 것으로 분석되었다.
해석결과, 고무보판 패널 고정 지점부의 발생 최대 반력이 일반철도용 고무보판 패널 시스템에 사용되는 고정 지점부(End restraints)의 최대 파단하중 및 고속 철도용 앵커식 고정 지점부의 인발강도를 모두 만족하고 충분한 안전율을 확보하는 것으로 나타나 고속열차 주행에 따른 풍하중에 대한 고정 지점부의 구조적 문제는 없을 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고무보판 패널 시스템으로 구성된 철도 건널목의 특징은?	고무보판 패널 시스템은 철도 선로를 횡단하는 건널목 시스템을 구성하기 위한 고무보판 패널의 기본 소재는 가황고무이며 치수는 표준궤간의 일반적인 궤도재료에 맞게 규격화 되어 있다[7]. 고무보판 패널 시스템으로 구성된 철도 건널목은 보행자부터 중하중용 차량까지 안전하게 횡단할 수 있으며 고무보판의 표면은 미끄럼 방지 처리가 되어 있어 보행자 및 횡단 차량의 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 특징이 있다[7]. 고무 보판 패널 시스템은 천연고무 및 재생고무로 제작되며, 철도 선로시스템 중 가장 복잡한 궤도시설인 분기기 구간의 경우에도 분기기 시종점부를 포함하여 분기기 전체를 고무보판 패널 시스템으로 덮을 수 있고 거의 대부분의 곡선반경에 적용이 가능하다[7].
	철도건널목이란 무엇인가?	철도건널목(Railway level crossing system)이란 철도와 도로 및 보행로가 평면교차 하는 곳에 설치하며, 일반적으로 통행자의 안전을 고려하여 입체교차 하는 것이 바람직하나 시공성, 경제성 및 유지보수성을 고려하여 적정한 교통안전시설을 설치하여 운영되어 지고있다. 종래의 철도건널목의 경우 노후화에 대한 문제점들로 인해 건널목 개량을 실시하고 있으며, 개량 시 건널목을 통과하는 도로 교통량, 열차 통과횟수, 도로 포장의 특수성 및 포장의 철거와 복구의 용이성 등을 고려하여 부설되어야 한다.
	고무재 건널목을 고속열차 주행선로에 설치하기 위해 검증 받아야 하는 검토 조건은?	본 연구에서는 고속열차 주행 중 발생하는 열차풍에 의한 고무보판 패널 시스템의 구조적 거동특성을 검토하고자 독일공업규격 상세보고서101(DIN Fachbericht 101)에서 제시한 고속선로 열차 풍하중 안정성 검토조 건(Train gust)을 준용하여, 열차속도 300km/h에 대한 풍하중 2.5kN/㎡과 360km/h에 대한 풍하중 3.75kN/㎡ 를 적용하고, 공기역학적으로 설계된 차량에 의한 풍하중 감소계수(α) 0.6을 적용하여 각각의 속도에 대한 열차풍을 각각 1.5kN/㎡, 2.25kN/㎡로 산정하여 고무보판 상면에 중력 반대방향으로 작용하도록 적용하였다[3,8]

참고문헌 (9)

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J.Y. Choi, P.S. Kim, J.S. Chung, "A Study on Optimum Spacing of Rail Joint for Personal Rapid Transit(PRT) Track System," The Journal of the Convergence on Culture Technology(JCCT), Vol. 4, No. 3, p.213-220, August 31, 2018
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STRAIL technical report(unpublished article), KRAIBURG STRAIL GmbH & Co. KG, Tittmoning, Germany, 2003
DIN Fachbericht 101, Einwirkungen auf Brucken, Zukunftsfahiges Lastmodell fur Strassenverkehrslasten, 2003
LUSAS finite element analysis system user manual, version 13.8, FEA Ltd., Kingston upon Thames, Surrey, UK, 2005

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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