[논문]열차 하중 작용 시 특정형상 인공자갈이 혼합된 도상층에서의 침하 거동 평가

김대상

doi:10.5762/kais.2020.21.6.35

열차 하중 작용 시 특정형상 인공자갈이 혼합된 도상층에서의 침하 거동 평가
Evaluation of settlement behavior of ballasted layer mixed with specially shaped artificial ballasts under train loading 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.35 - 40

초록
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도상 자갈층은 열차하중을 분산하고 지지하는 중요한 역할을 수행하나, 큰 공극으로 인하여 열차 동하중 작용시 침하가 발생하여 지속적인 유지보수가 필요하다. 본 논문에서는 특정한 형상의 인공자갈 3종류 (정사각 형상, 테트라 포드 형상, 육각 형상) 를 혼합한 도상 자갈층을 2 차원 개별 요소 해석법을 이용하여 모델링하고, 열차 동하중에 의한 도상 층의 침하 특성을 평가하기 위하여 침목에 의한 반복 재하 시험을 실시하였다. 동 해석 결과 침목 하부에서 작은 힘의 전달경로가 형성된 테트라 포드형의 인공 자갈이 포함된 도상 층에서 침하가 가장 작게 발생하였다. 또한, 도상층 내 접촉력 분포로부터 오목 형상을 갖는 테트라 포드 형상을 포함한 인공 자갈 혼합 도상에서 힘의 다중 전달 경로를 형성하기 쉬우며, 이를 통하여 도상 층으로 전달된 열차 하중이 보다 다양한 경로로 균등하게 분산될 수 있는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과로부터 반복 열차 하중 재하 시 오목 형상의 인공 자갈이 혼합된 도상 층에서 훨씬 효과적으로 침하 발생을 저감시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다. 도상 층에서의 이와 같은 침하 저감 효과는 유지보수를 절감할 수 있는 자갈궤도 구조에 대한 가능성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ballast layers play a key role in distributing and supporting a trainload. On the other hand, it settles down by dynamic train loading due to large void ratios. Consequently, it requires continuous maintenance. In this paper, ballast layers mixed with three types of specially shaped artificial ballast (AB) (Rectangular, Tetrapod, Hexagonal) were modeled by using a two dimensional DEM (Discrete Element Method). Repeated loading tests were performed to evaluate the settlement behavior of the ballast layers. The smallest settlement was observed in the case of the ballast layer mixed with Tetrapod AB than in other cases, according to an analysis of the force transfer routes. In addition, contact force analysis showed that the Tetrapod AB, which has a concave shape, could easily make small and multi-channel force-transfer routes. This means that the stress in the ballast layer by the train loading transferred through the sleeper uniformly was distributed well by the AB. Therefore, the settlement of the ballast layer mixed with the concave-shaped Tetrapod AB could be reduced effectively under a repeated train loading. The effects of a decrease in settlement of the ballast layer highlight the possibility of a maintenance-free ballasted track.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Example of ballast grain shape with 8 circles
그림 Fig. 2. Size distribution of ballast grains
그림 Fig. 3. Three types of artificial ballast grain
표 Table 1. DEM parameters used in this study(2D)
그림 Fig. 4. Initial configurations of the models in this study
그림 Fig. 5. Examples of input motions of the cyclic loading test
그림 Fig. 6. Responses of vertical settlement for different loading amplitude in Type O model
그림 Fig. 7. Responses of vertical settlement for different loading frequency in Type O model
그림 Fig. 8. Responses of vertical settlement for different loading amplitude in Type B model
그림 Fig. 9. Grain configuration and force chains at the last loading
그림 Fig. 10. Evolution of vertical settlement for different type of artificial ballast grains
그림 Fig. 11. Grain configuration and force chains at the last loading

AI 본문요약
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문제 정의

동 연구에서는 자갈궤도의 장수명화 및 도상층 두께 저감에 초점을 맞춘 특정 형상의 인공자갈에 대한 연구를 수행하였다. 침목 하부에 인공자갈과 자갈도상층을 개별요소법(DEM, Discrete Element Method)을 이용하여 모델링하고[2], 다양한 열차 동하중 특성을 고려한 반복하중 재하 시 도상층에서의 침하, 자갈 입자간의 발생 응력 및 그 전달 특성에 대하여 검토하였다[3].
열차 운영 중 유지보수를 전제로 건설되는 자갈궤도와 Maintenance free를 전제로 건설되는 콘크리트 슬래브 궤도의 장점을 최대화하고 단점을 최소화한 궤도구조를 모색하고자 특정형상의 인공자갈에 대한 연구를 진행하였다. 형상을 특화한 인공자갈을 고안하고 이를 침목과 도상자갈의 경계에 분산 배치하여 침목으로부터 전달되는 열차하중을 보다 균등하게 분산시키는 역할을 효율적으로 할 수 있도록 개발하였다.

제안 방법

3종류의 특정 형상 인공자갈을 혼합한 도상자갈층과 침목을 2차원 개별요소법을 활용하여 모델링하였다. 반복열차하중 재하 시 침목 직하에 부설한 형상이 다른 3종류의 인공자갈(Type A, B, C) 층이 도상층의 침하 거동에 미치는 영향에 대하여 검토한 결과는 다음과 같다.
접촉 모델은 수치해석의 안정성 측면을 고려하여 선형 스프링을 이용하였다. 댐핑은 진동에너지를 소산시키는 중요한 요소이나, 정확한 실험값을 얻기 어려우므로 어느 정도의 범위에서 변화시켜 가면서 그 영향을 평가하였다[4, 5, 6].
모사열차 반복하중시험을 위한 수치해석은 "일정속도 재하조건에서의 한계하중 제어조건"으로 수행하였다.
인공자갈층이 없는(Type O) 도상모델에서의 반복재하 시 응답해석 결과를 정리하였다. 먼저 Fig.
입자 간 마찰각은 표준적인 실험값을 이용하였다. 접촉 모델은 수치해석의 안정성 측면을 고려하여 선형 스프링을 이용하였다. 댐핑은 진동에너지를 소산시키는 중요한 요소이나, 정확한 실험값을 얻기 어려우므로 어느 정도의 범위에서 변화시켜 가면서 그 영향을 평가하였다[4, 5, 6].
모사열차 반복하중시험을 위한 수치해석은 "일정속도 재하조건에서의 한계하중 제어조건"으로 수행하였다. 침목을 일정한 속도로 연직방향으로 움직여서 하중을 가하고, 설정한 한계 연직하중에 도달한 시점에서 재하 방향을 반전시키고, 역방향으로 동일한 속도로 재하하였다. Fig.
열차 운영 중 유지보수를 전제로 건설되는 자갈궤도와 Maintenance free를 전제로 건설되는 콘크리트 슬래브 궤도의 장점을 최대화하고 단점을 최소화한 궤도구조를 모색하고자 특정형상의 인공자갈에 대한 연구를 진행하였다. 형상을 특화한 인공자갈을 고안하고 이를 침목과 도상자갈의 경계에 분산 배치하여 침목으로부터 전달되는 열차하중을 보다 균등하게 분산시키는 역할을 효율적으로 할 수 있도록 개발하였다. 인공자갈을 함께 적용한 자갈도상에서 열차하중의 분산 성능은 자갈의 마모 및 파쇄로 인한 침하 발생을 크게 줄임으로서 궤도틀림으로 인한 유지보수를 최소화할 수 있는 자갈궤도 구조를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

이론/모형

동 연구에서는 자갈궤도의 장수명화 및 도상층 두께 저감에 초점을 맞춘 특정 형상의 인공자갈에 대한 연구를 수행하였다. 침목 하부에 인공자갈과 자갈도상층을 개별요소법(DEM, Discrete Element Method)을 이용하여 모델링하고[2], 다양한 열차 동하중 특성을 고려한 반복하중 재하 시 도상층에서의 침하, 자갈 입자간의 발생 응력 및 그 전달 특성에 대하여 검토하였다[3].

성능/효과

1) 수치해석의 모든 경우에서 100 ∼ 200회 정도의 초기 재하 동안에 큰 침하가 발생하였고, 그 이후 점진적으로 침하가 감소하여 도상층의 부설 초기 침하 저감을 위한 다짐의 중요성을 확인할 수 있었다.
2) 인공자갈을 부설한 경우와 부설하지 않는 경우를 비교했을 때, 침하 발생량은 Type O > Type A > Type C > Type B의 순으로 인공자갈을 부설한 경우에서 작게 발생하였다.
3) 반복 하중 재하 시의 도상층 내 접촉력 분포를 살펴보면, 오목한 테트라포드 형상에서 작은 힘의 다중 전달경로를 형성하기 쉬운 것을 알 수 있었다. 따라서, 상대적으로 작은 재하하중을 반복적으로 재하하는 경우 큰 하중에 저항하는 작은 수의 힘의 연결구조가 아닌 작은 하중을 다양한 경로로 분산 가능한 힘의 전달구조가 생기기 쉽도록 인공자갈의 형상을 결정하는 것이 도상층의 침하를 저감시키는데 효과가 있을 것으로 판단되었다.
4 Hz로 조정하여 재하 하중변화가 침하에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과 Fig. 6의 Type O 모델과 같이 재하하중이 증가할수록 침하량이 커지는 경향은 보였으나 침하발생량은 Type O와 비교하여 1/3 수준으로, 힘의 분산경로가 상대적으로 많은 테트라형의 인공자갈이 혼합된 도상층에서 침하 저감 효과가 큰 것을 확인할 수 있었다.
3) 반복 하중 재하 시의 도상층 내 접촉력 분포를 살펴보면, 오목한 테트라포드 형상에서 작은 힘의 다중 전달경로를 형성하기 쉬운 것을 알 수 있었다. 따라서, 상대적으로 작은 재하하중을 반복적으로 재하하는 경우 큰 하중에 저항하는 작은 수의 힘의 연결구조가 아닌 작은 하중을 다양한 경로로 분산 가능한 힘의 전달구조가 생기기 쉽도록 인공자갈의 형상을 결정하는 것이 도상층의 침하를 저감시키는데 효과가 있을 것으로 판단되었다.
1) 수치해석의 모든 경우에서 100 ∼ 200회 정도의 초기 재하 동안에 큰 침하가 발생하였고, 그 이후 점진적으로 침하가 감소하여 도상층의 부설 초기 침하 저감을 위한 다짐의 중요성을 확인할 수 있었다. 또한, 재하 하중의 진폭이 클수록, 재하주파수가 높을수록 침하가 크게 발생하는 결과를 알 수 있었다.
7은 동일 하중 재하조건(0 ∼ 5 kN)에서 재하 주파수를 변화시켰을 때의 침하 진전을 보여준다. 재하 주파수가 클수록 입자에 큰 운동에너지를 주기 때문에 침하량도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 침하 진행 속도는 반복재하횟수 증가에 따라 점차 작아져서, 침하의 진행과 함께 도상자갈층의 지지강성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
재하 주파수가 클수록 입자에 큰 운동에너지를 주기 때문에 침하량도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 침하 진행 속도는 반복재하횟수 증가에 따라 점차 작아져서, 침하의 진행과 함께 도상자갈층의 지지강성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

형상을 특화한 인공자갈을 고안하고 이를 침목과 도상자갈의 경계에 분산 배치하여 침목으로부터 전달되는 열차하중을 보다 균등하게 분산시키는 역할을 효율적으로 할 수 있도록 개발하였다. 인공자갈을 함께 적용한 자갈도상에서 열차하중의 분산 성능은 자갈의 마모 및 파쇄로 인한 침하 발생을 크게 줄임으로서 궤도틀림으로 인한 유지보수를 최소화할 수 있는 자갈궤도 구조를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테트라 포드형이 효과적으로 침하 발생을 저감할 수 있는 원인은?	동 해석 결과 침목 하부에서 작은 힘의 전달경로가 형성된 테트라 포드형의 인공 자갈이 포함된 도상 층에서 침하가 가장 작게 발생하였다. 또한, 도상층 내 접촉력 분포로부터 오목 형상을 갖는 테트라 포드 형상을 포함한 인공 자갈 혼합 도상에서 힘의 다중 전달 경로를 형성하기 쉬우며, 이를 통하여 도상 층으로 전달된 열차 하중이 보다 다양한 경로로 균등하게 분산될 수 있는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과로부터 반복 열차 하중 재하 시 오목 형상의 인공 자갈이 혼합된 도상 층에서 훨씬 효과적으로 침하 발생을 저감시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
	침하가 가장 작게 발생하는 도시자갈층은?	본 논문에서는 특정한 형상의 인공자갈 3종류 (정사각 형상, 테트라 포드 형상, 육각 형상) 를 혼합한 도상 자갈층을 2 차원 개별 요소 해석법을 이용하여 모델링하고, 열차 동하중에 의한 도상 층의 침하 특성을 평가하기 위하여 침목에 의한 반복 재하 시험을 실시하였다. 동 해석 결과 침목 하부에서 작은 힘의 전달경로가 형성된 테트라 포드형의 인공 자갈이 포함된 도상 층에서 침하가 가장 작게 발생하였다. 또한, 도상층 내 접촉력 분포로부터 오목 형상을 갖는 테트라 포드 형상을 포함한 인공 자갈 혼합 도상에서 힘의 다중 전달 경로를 형성하기 쉬우며, 이를 통하여 도상 층으로 전달된 열차 하중이 보다 다양한 경로로 균등하게 분산될 수 있는 것을 확인하였다.

참고문헌 (7)

R. Klaus, "Frame-sleeper track promises a longer life", Railway gazette international, 7, pp.369-369, 2002.
P. A. Cundall, "A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems", Proceedings of the Symposium of International Society of Rock Mechanics , vol. 1, Nancy, France, 1971.
D. S. Kim, S. K. Hwang, "Development of 2-D DEM (Discrete Element Method) algorithm to model ballast and sleeper", Journal of the Korean Society for Railway, Vol.6, No.3, pp.174-178, 2003.
Japanese Society of Civil Engineers, "Ground analysis technology (Discrete Element method) Training", JSCE, pp.175-176, 2012.
T. Matsushima, "Grain-to Grain Interaction Affecting Dynamic Deformation of Granular Slope", Doctoral dissertation, University of Tokyo, Japan, 1997.
T. Matsushima, R. Blumenfeld, "Fundamental structural characteristics of planar granular assemblies: Self-organization and scaling away friction and initial state" Physical Review E, Vol. 95, No. 3, 2017. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.032905

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D. S. Kim, "Characteristics of bearing capacity and stress transfer of ballasted layer mixed with specially shaped artificial ballasts", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 20, No. 12, pp. 15-20, 2019. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2019.20.12.15

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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