[논문]도시철도 침목플로팅궤도(STEDEF) 침목방진패드 교체에 따른 동적 거동

최정열; 봉재근; 이정숙; 한재민; 정지승

doi:10.17703/jcct.2020.6.3.335

도시철도 침목플로팅궤도(STEDEF) 침목방진패드 교체에 따른 동적 거동
Dynamic Behavior of Sleeper Floating Track System(STEDEF) on Urban Rapid Transit According to Replacement of Resilience Pad 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.3, 2020년, pp.335 - 340

최정열 (동양대학교 철도건설안전공학과) , 봉재근 (서울교통공사 궤도2사업소) , 이정숙 (서울교통사 토목처) , 한재민 (동양대학교 철도건설안전공학과) , 정지승 (동양대학교 철도건설안전공학과)

초록
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본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도인 STEDEF궤도구조에 사용되는 침목방진패드의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고자 침목방진패드 교체 전, 후의 궤도 동적거동을 현장측정을 통해 비교 분석하였다. 연구결과, 노후된 침목방진패드를 신품으로 교체하는 것만으로도 궤도지지강성의 균일성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 침목방진패드 교체를 통해 당초 설계 시 고려했던 궤도지지강성의 수준을 회복할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 침목방진패드 교체 이후 측정 궤도충격계수가 대부분 설계기준 이하로 크게 저감되는 것으로 나타나 침목방진패드의 교체를 통해 궤도지지강성을 설계 당시의 수준으로 회복함으로써 동적 윤중 증폭을 감소시킴으로서 궤도에 작용하는 충격을 저감시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 시기적절한 침목방진패드의 교체를 통해 궤도지지강성을 설계 시 고려했던 수준으로 회복시키고 궤도충격수준을 저감시킬 수 있으며 이는 궤도재료 전반의 내구성 확보 및 사용수명을 향상을 위해 중요한 요인인 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to compare the dynamic behavior of STEDEF track that of the sleeper floating track on urban rapid transit according to replacing the resilience pads and analyze the necessity of replacing the resilience pads experimentally. It was analyzed that the uniformity of the track support stiffness could be secured by replacing the used resilience pads with new resilience pads. Therefore, by replacing the used resilience pads, the measured track impact factor was found to be dramatically reduced below the track design standard, and it was analyzed that the track support stiffness could be restored to the design value. As a results, it is possible to restore track support stiffness to the design value and reduce track impact factor by replacing timely resilience pads, which is important to securing durability and improving service life of track components.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림1. 측정구간및센서설치전경 Figure 1. Photographs of field test site and instrumentation
그림 그림2. 동적응답측정파형예 Figure 2. Examples of measured results of dynamic response
표 표 1. 측정구간 제원 Table 1. Properties of tested sections
그림 그림 3. 동적궤도응답측정결과예 Figure 3. Examples of measured dynamic track response
표 표 2. 침목방진패드 교체에 따른 동적응답 비교 Table 2. Comparisons of dynamic response by resilience pad
그림 그림 4. 측정궤도지지강성 Figure 4. Measured track support stiffness
그림 그림 5 측정동적윤중변동율분석결과예 Figure 5. Examples of measured wheel load fluctuation
그림 그림 6. 침목방진패드교체에따른궤도충격계수변화 Figure 6. Variations in track impact factor by replacing resilience pad
표 표 4. 침목방진패드 교체에 따른 궤도충격계수 비교 Table 4. Comparisons of track impact factor by replacing resilience pad

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도(sleeper floating track)인 STEDEF궤도구조에 사용되는 침목방진패드(resilience pad)의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 이를 위해 약 5억톤(서울교통공사 선로정비규정 제18조) 이상 사용중인 운행선 궤도를 대상으로 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도의 동적응답을 측정하고 침목방진패드 교체에 따른 동적거동의 차이를 분석하였다.
본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도인 STEDEF궤도 구조에 사용되는 침목방진패드의 교체 필요성 및 궤도 전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고자침목방진패드 교체 전, 후의 궤도 동적거동을 비교 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 운행선 STEDEF 궤도구조를 대상으로 침목방진패드 교체에 따른 궤도부담력을 측정하고 이를 바탕으로 공용중 궤도충격계수 및 궤도지지강성을 산출하고자 현장측정을 수행하였다.
측정 궤도지지강성을 바탕으로 침목저부에 설치된 침목방진패드의 스프링강성을 산출하고 이를 바탕으로 침목방진패드 스프링강성 변화에 따른 궤도충격계수의 변화를 실험적으로 입증하고자 하였다. 침목방진패드 교체 전, 후의 동적 거동 분석을 위해 윤중, 횡압, 변위 및 응력을 측정하였고 측정구간의 제원과 센서설치 전경은 각각 표 1 및 그림 1과 같다.

제안 방법

본 연구에서 분석한 측정 궤도지지강성은 실 운행열차를 대상으로한 동적계측결과를 바탕으로 산출하였으므로 동적 설계 궤도지지강성과 비교하였다. 침목방진 패드 교체 전에는 전체 구간에서 대부분 정, 동적 설계 궤도지지강성을 초과하는 것으로 나타났으나 침목방진 패드 교체 후에는 전반적으로 동적 설계 궤도지지강성 상한치를 만족하는 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 STEDEF 궤도의 설계도서를 참조하여 설계 궤도지지강성을 산출하여 측정 궤도지지강성과 비교하고 침목방진패드 교체에 따른 구간별 궤도지지강성의 변화를 분석하여 나타냈으며, 그 결과는 그림 9와 같다. 측정구간별 침목방진패드 교체여부에 따른 궤도지지강성 변화를 분석한 결과, 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도지지강성의 범위 및 수준은 뚜렷한 차이를 나타내는 것으로 나타났다.
본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도(sleeper floating track)인 STEDEF궤도구조에 사용되는 침목방진패드(resilience pad)의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 이를 위해 약 5억톤(서울교통공사 선로정비규정 제18조) 이상 사용중인 운행선 궤도를 대상으로 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도의 동적응답을 측정하고 침목방진패드 교체에 따른 동적거동의 차이를 분석하였다. 본 연구의 대상 궤도구조는 침목저부에 소프트한 방진패드가 삽입되어 콘크리트 도상과 콘크리트 침목이 구조적으로 분리 거동하도록 유도하고 궤도에 작용하는 열차하중의 동적효과를 도상층 및 구조물로 전달되는 것을 최소화하기 위해 도입된 침목플로팅궤도이다.
그러나 침목방진패드를 교체함으로서 침목플로팅궤도의 거동변화에 대한 연구는 부족한 실정이며 침목방진패드 교체 효과에 대한 정량적인 분석사례 역시 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 운행선 궤도현장측정 결과를 바탕으로 산출된 측정 궤도지지강성(track support stiffness)과 궤도충격계수(track impact factor)를 정, 동적 이론값(설계값)와 비교함으로써 약 20년 이상의 공용년수를 갖는 현시점에서의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 적정성을 평가하였고 궤도의 동적응답의 변화수준을 실험적으로 입증하였다.
측정 궤도지지강성을 바탕으로 침목저부에 설치된 침목방진패드의 스프링강성을 산출하고 이를 바탕으로 침목방진패드 스프링강성 변화에 따른 궤도충격계수의 변화를 실험적으로 입증하고자 하였다. 침목방진패드 교체 전, 후의 동적 거동 분석을 위해 윤중, 횡압, 변위 및 응력을 측정하였고 측정구간의 제원과 센서설치 전경은 각각 표 1 및 그림 1과 같다.

대상 데이터

이를 위해 약 5억톤(서울교통공사 선로정비규정 제18조) 이상 사용중인 운행선 궤도를 대상으로 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도의 동적응답을 측정하고 침목방진패드 교체에 따른 동적거동의 차이를 분석하였다. 본 연구의 대상 궤도구조는 침목저부에 소프트한 방진패드가 삽입되어 콘크리트 도상과 콘크리트 침목이 구조적으로 분리 거동하도록 유도하고 궤도에 작용하는 열차하중의 동적효과를 도상층 및 구조물로 전달되는 것을 최소화하기 위해 도입된 침목플로팅궤도이다. 따라서 침목플로팅궤도로서의 정상적인 기능 수행을 위해서는 침목방진패드의 재료적 건전성 확보가 중요하며 이를 위해 현행 궤도유지관리지침에서는 침목방진패드의 스프링강성 변화수준 또는 두께 감소율을 바탕으로 침목방진패드의 교체여부를 판단하고 있다.

성능/효과

1) 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도지지강성 분석결과, 노후된 침목방진패드를 신품으로 교체하는 것만으로도 궤도지지강성의 균일성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 침목방진패드 교체를 통해 당초 궤도설계 시 고려했던 궤도지지강성의 수준을 회복할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
2) 전체 측정개소에서 침목방진패드 교체 이후 측정 궤도충격계수의 수준이 대부분 설계 궤도충격계수 이하로 크게 저감되는 것으로 나타나 침목방진패드의 교체를 통해 궤도지지강성을 설계 당시의 수준으로 회복함으로써 동적 윤중 증폭수준을 저감시키고 이로 인해 궤도에 작용하는 충격을 저감시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
3) 따라서 시기적절한 침목방진패드의 교체를 통해 궤도지지강성과 궤도충격수준을 설계 시 고려했던 수준으로 회복시킬 수 있으며 이는 궤도구성품 전반의 내구성 확보 및 사용수명을 향상을 위해 중요한 요인인 것으로 분석되었다.
그러나 침목방진패드의 교체를 통해 궤도충격계수의 저감 수준이 평균적으로 약 15% 정도로 나타나 침목방진패드의 교체필요성 측면에서는 유효한 수준인 것으로 분석되었다. 따라서 침목방진패드의 스프링강성은 궤도지지강성 뿐만 아니라 궤도충격계수에도 직접적인 영향을 미칠 수 있는 것을 실험적으로 입증하였다.
그러나 침목방진패드의 교체를 통해 궤도충격계수의 저감 수준이 평균적으로 약 15% 정도로 나타나 침목방진패드의 교체필요성 측면에서는 유효한 수준인 것으로 분석되었다. 따라서 침목방진패드의 스프링강성은 궤도지지강성 뿐만 아니라 궤도충격계수에도 직접적인 영향을 미칠 수 있는 것을 실험적으로 입증하였다.
1) 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도지지강성 분석결과, 노후된 침목방진패드를 신품으로 교체하는 것만으로도 궤도지지강성의 균일성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 침목방진패드 교체를 통해 당초 궤도설계 시 고려했던 궤도지지강성의 수준을 회복할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
410V/80(열차속도 80km/h에 대한 기준식)을 모두 상회하는 수준으로써 대상선로에서의 궤도충격은 설계 시 고려된 수준을 초과하는 것으로 분석되었다. 분석결과, 침목방진패드를 신품으로 교체함으로써 공용중인 STEDEF 궤도의 궤도지지강성을 설계 궤도지지강성의 수준으로 회복시키고 이에 따른 궤도충격 저감효과를 실험적으로 입증하였다.
현장측정 결과, 그림 3과 같이 침목방진패드 교체 전, 후의 궤도부담력 변화 경향은 측정개소별로 유사한 것으로 분석되었다. 전반적으로 침목방진패드 교체 후의 동적 윤중과 횡압은 최대 30% 수준까지 감소하였으며, 레일변위와 침목변위는 최대 50% 수준까지 증가하는 것으로 나타났다. 이는 장기사용에 따라 침목방진패드의 탄성이 소실된 현장 조건에서 신품으로 교체가 되어 레일이나 침목의 수직변위가 상대적으로 증가된 결과로 분석되었다 [1].
본 연구에서는 STEDEF 궤도의 설계도서를 참조하여 설계 궤도지지강성을 산출하여 측정 궤도지지강성과 비교하고 침목방진패드 교체에 따른 구간별 궤도지지강성의 변화를 분석하여 나타냈으며, 그 결과는 그림 9와 같다. 측정구간별 침목방진패드 교체여부에 따른 궤도지지강성 변화를 분석한 결과, 침목방진패드 교체 여부에 따른 궤도지지강성의 범위 및 수준은 뚜렷한 차이를 나타내는 것으로 나타났다.
본 연구에서 분석한 측정 궤도지지강성은 실 운행열차를 대상으로한 동적계측결과를 바탕으로 산출하였으므로 동적 설계 궤도지지강성과 비교하였다. 침목방진 패드 교체 전에는 전체 구간에서 대부분 정, 동적 설계 궤도지지강성을 초과하는 것으로 나타났으나 침목방진 패드 교체 후에는 전반적으로 동적 설계 궤도지지강성 상한치를 만족하는 것으로 분석되었다.
침목방진패드 교체 전, 후의 구간별 궤도지지강성 측정결과, 그림 4와 같이 침목방진패드 교체에 따른 측정 궤도지지강성이 모든 측정개소에서 모두 약 36∼37% 수준으로 저감되는 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	침목방진패드는 어디에 사용되는가?	본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도인 STEDEF궤도구조에 사용되는 침목방진패드의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고자 침목방진패드 교체 전, 후의 궤도 동적거동을 현장측정을 통해 비교 분석하였다. 연구결과, 노후된 침목방진패드를 신품으로 교체하는 것만으로도 궤도지지강성의 균일성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.
	침목방진패드의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 무엇을 하였는가?	본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도인 STEDEF궤도구조에 사용되는 침목방진패드의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고자 침목방진패드 교체 전, 후의 궤도 동적거동을 현장측정을 통해 비교 분석하였다. 연구결과, 노후된 침목방진패드를 신품으로 교체하는 것만으로도 궤도지지강성의 균일성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.
	침목방진패드 교체 전, 후의 궤도 동적거동을 현장측정을 통해 비교 분석한 결과는 어떠한가?	본 연구는 도시철도 침목플로팅궤도인 STEDEF궤도구조에 사용되는 침목방진패드의 교체 필요성 및 궤도전반의 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고자 침목방진패드 교체 전, 후의 궤도 동적거동을 현장측정을 통해 비교 분석하였다. 연구결과, 노후된 침목방진패드를 신품으로 교체하는 것만으로도 궤도지지강성의 균일성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 침목방진패드 교체를 통해 당초 설계 시 고려했던 궤도지지강성의 수준을 회복할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 침목방진패드 교체 이후 측정 궤도충격계수가 대부분 설계기준 이하로 크게 저감되는 것으로 나타나 침목방진패드의 교체를 통해 궤도지지강성을 설계 당시의 수준으로 회복함으로써 동적 윤중 증폭을 감소시킴으로서 궤도에 작용하는 충격을 저감시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 시기적절한 침목방진패드의 교체를 통해 궤도지지강성을 설계 시 고려했던 수준으로 회복시키고 궤도충격수준을 저감시킬 수 있으며 이는 궤도재료 전반의 내구성 확보 및 사용수명을 향상을 위해 중요한 요인인 것으로 분석되었다.

참고문헌 (5)

J.Y. Choi, H.S. Kim, K.S. Han, C.J. Jang, J.S. Chung "Damage Evaluation of Track Components for Sleeper Floating Track System in Urban Transit", The Journal of the Convergence on Culture Technology(JCCT), Vol. 5, No. 4, pp.387-394, 2019
D.W. Lee, Y.G. Park, J.Y. Choi, "A study on the evaluation of track support stiffness on the various track type in urban transit", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 14, No. 3, pp. 262-270, 2011

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S.Y. Lee, I.C. Jeong, J.Y. Choi, Y.G. Park "Experimental Study on the Evaluation of Behavior for Floating Track System Using a Resilient Rubber Mat", Journal of the Korean Society for Railway, Vol.17, No. 4, pp.281-288, 2014

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J.Y. Choi, Y.G. Park, S.M. Lee, "The Evaluation of Track Impact Factor on the Various Track Type in Urban Transit", Journal of the Korean Society for Railway, Vol.14, No. 3, pp. 248-255, 2011

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J.Y. Choi, K.D. Kang, Y.G. Park "Evaluation of Impact Factor on Ballast Track in Subway using Field Test", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 9, No. 6, pp.784-791, 2006

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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