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문제 정의
- 본 논문에서는 저탄성패드의 적용으로 인하여 획득되는 효과 중 포장궤도의 노반에 전달되는 열차하중의 경감에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 패드스프링계수별 정적해석과 실물반복재하시험에 이어 동적응답해석을 추가적으로 수행하여 저탄성패드의 응력전달 저감효과를 좀 더 깊이있게 검증하였다.
제안 방법
- 실물크기로 모델링한 열차바퀴는 레일과 접촉한 상태에서 이동하게 되는데 이러한 순차적인 과정을 Slide Line Facility를 이용하여 그대로 구현하였다. Slide Line은 Master Sur face와 Slave Surface를 지정함으로써 해석을 진행하였다. 해석단면의 양쪽측면과 하부경계는 응력파의 반사 및 굴절을 제거하기위하여 무한요소를 적용하였다.
- 베이스플레이트 형식의 체결장치는 레일과 베이스플레이트의 접합면에 단순한 완충패킹 및 절연 역할을 담당하도록 스프링계수가 큰 패드를 사용하고 진동감쇠는 주로 베이스플레이트 패드가 담당하도록 설계한다. 개발체결장치는 레일과 베이스플레이트 접합면에 E.V.A 재질의 레일패드를 사용하였고, 일반 가황고무보다 동적 성능 및 탄성, 진동흡수특성, 내마모성, 인열강도, 내유, 내용제성, 내노화성, 저온특성에 뛰어난 발포우레탄(Micro-cellular P.U.R) 재질로 베이스플레이트 패드를 설계하여 충격 및 진동을 저감시키고자 하였다. 포장궤도에 적용되는 개발탄성패드의 적정 스프링계수는 50～60kN/mm로 산정되었으나, 본 연구는 저탄성패드가 포장궤도 노반에 미치는 영향을 파악하기 위한 것이므로 도시철도용인 20kN/mm의 저탄성패드를 사용하여 시험을 수행하였다.
- 기존선에서의 포장궤도 적용성을 검토하기 위하여 대표적인 구간을 설정하여 노반의 상태 평가를 시행하였다. 평가목적은 기존선 노반의 지지력, 도상의 두께, 파쇄, 관입 등에 대한 조사였으며 시험 항목은 직접굴착시험, FWD, SASW, PBT, GPR시험 등이다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 다룬 저탄성패드 스프링계수별 정적해석과 실물반복재하시험에 이어 동적응답해석을 추가적으로 수행하였다. 열차바퀴를 실물로 모델링하여 레일위에서 직접 주행 시킴으로서 이 때 발생하는 궤도각부의 변형특성을 비교 분석하여 저탄성패드의 스프링계수에 따라 노반으로 전달되는 하중의 저감 효과를 검토하였다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 다룬 저탄성패드 스프링계수별 정적해석과 실물반복재하시험에 이어 동적응답해석을 추가적으로 수행하였다. 열차바퀴를 실물로 모델링하여 레일위에서 직접 주행 시킴으로서 이 때 발생하는 궤도각부의 변형특성을 비교 분석하여 저탄성패드의 스프링계수에 따라 노반으로 전달되는 하중의 저감 효과를 검토하였다.
- 열차속도 200km/h와 80km/h일 때 각각 저탄성패드 스프링계수 28kN/㎜ 와 80kN/㎜를 적용하여 저탄성패드 스프링계수 크기와 속도에 따른 충전층에서의 응력-변위 특성 및 진동가속도를 검토하였다.
- 본 논문에서는 저탄성패드의 적용으로 인하여 획득되는 효과 중 포장궤도의 노반에 전달되는 열차하중의 경감에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 패드스프링계수별 정적해석과 실물반복재하시험에 이어 동적응답해석을 추가적으로 수행하여 저탄성패드의 응력전달 저감효과를 좀 더 깊이있게 검증하였다.
- 설계하중은 LS22를 사용하였으며, 레일은 기존선에서 대부분의 노후화된 개소가 50kg레일이 부설되어 있고, 60kg레일도 포장궤도용 체결구의 절연블록을 조정하여 사용 가능하므로 안전측 설계를 위하여 50kg레일을 적용하였다. 체결시스템은 레일과 침목 사이에 스프링으로 연결되고 동적스프링계수 28kN/㎜와 80kN/㎜를 적용하여 스프링계수에 따른 응력-변위 특성을 검토하였다. 동적 윤중의 크기는 충격률(1.
- 기존선에서의 포장궤도 적용성을 검토하기 위하여 대표적인 구간을 설정하여 노반의 상태 평가를 시행하였다. 평가목적은 기존선 노반의 지지력, 도상의 두께, 파쇄, 관입 등에 대한 조사였으며 시험 항목은 직접굴착시험, FWD, SASW, PBT, GPR시험 등이다. 시험 결과, 기존선 노반의 상태는 심한 분니가 발생한 구간을 제외하고는 포장궤도 시공기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 9m로 모델링하였고 비선형 3D해석을 수행하였다. 포장궤도의 짧은 구간 내에서의 변형특성을 검토하여야 하기 때문에 해석의 정확성을 확보하기 위해여 실제 열차바퀴를 실물크기로 모델링하여 레일위에 200km/h와 80km/h의 속도로 각각 이동시켰다. 설계하중은 LS22를 사용하였으며, 레일은 기존선에서 대부분의 노후화된 개소가 50kg레일이 부설되어 있고, 60kg레일도 포장궤도용 체결구의 절연블록을 조정하여 사용 가능하므로 안전측 설계를 위하여 50kg레일을 적용하였다.
- Slide Line은 Master Sur face와 Slave Surface를 지정함으로써 해석을 진행하였다. 해석단면의 양쪽측면과 하부경계는 응력파의 반사 및 굴절을 제거하기위하여 무한요소를 적용하였다.
대상 데이터
- 포장궤도의 짧은 구간 내에서의 변형특성을 검토하여야 하기 때문에 해석의 정확성을 확보하기 위해여 실제 열차바퀴를 실물크기로 모델링하여 레일위에 200km/h와 80km/h의 속도로 각각 이동시켰다. 설계하중은 LS22를 사용하였으며, 레일은 기존선에서 대부분의 노후화된 개소가 50kg레일이 부설되어 있고, 60kg레일도 포장궤도용 체결구의 절연블록을 조정하여 사용 가능하므로 안전측 설계를 위하여 50kg레일을 적용하였다. 체결시스템은 레일과 침목 사이에 스프링으로 연결되고 동적스프링계수 28kN/㎜와 80kN/㎜를 적용하여 스프링계수에 따른 응력-변위 특성을 검토하였다.
- 포장궤도에 사용된 체결장치는 한국철도기술연구원에서 자체 개발 중에 있는 베이스플레이트방식 체결장치를 사용하였다.
- R) 재질로 베이스플레이트 패드를 설계하여 충격 및 진동을 저감시키고자 하였다. 포장궤도에 적용되는 개발탄성패드의 적정 스프링계수는 50～60kN/mm로 산정되었으나, 본 연구는 저탄성패드가 포장궤도 노반에 미치는 영향을 파악하기 위한 것이므로 도시철도용인 20kN/mm의 저탄성패드를 사용하여 시험을 수행하였다. 다음 그림 2는 포장궤도용 체결시스템의 정 · 동적 수직스프링계수시험 결과를 나타내었다.
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5.1 해석조건
해석모델의 총길이는 13m, 깊이는 1.9m로 모델링하였고 비선형 3D해석을 수행하였다. 포장궤도의 짧은 구간 내에서의 변형특성을 검토하여야 하기 때문에 해석의 정확성을 확보하기 위해여 실제 열차바퀴를 실물크기로 모델링하여 레일위에 200km/h와 80km/h의 속도로 각각 이동시켰다.
데이터처리
- 다음 그림 2는 포장궤도용 체결시스템의 정 · 동적 수직스프링계수시험 결과를 나타내었다. 반복재하시험에 의한 결과로서 2개의 패드에 대한 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 체결시스템의 스프링계수 변화에 따른 포장궤도 구조체의 응력-변위 특성을 검토하기 위하여 본 연구에서는 이동윤하중 재하방식의 동적해석(직접적분법)을 위해 범용 유한요소 해석 프로그램인 LUSAS를 사용하였다. 그림 4의 단면에 대한 동적해석을 수행하였으며, 사용된 재료물성은 표 2와 같다.
성능/효과
- 평가목적은 기존선 노반의 지지력, 도상의 두께, 파쇄, 관입 등에 대한 조사였으며 시험 항목은 직접굴착시험, FWD, SASW, PBT, GPR시험 등이다. 시험 결과, 기존선 노반의 상태는 심한 분니가 발생한 구간을 제외하고는 포장궤도 시공기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그 이유는 오랜 공용 기간으로 인하여 압밀침하가 완료되었고 도상관입층이 형성되어 지지력이 확보되는 것으로 판단된다.
- 스프링계수가 작을수록 압축응력이 작게 나타나고 있다. 이는 저탄성패드 사용만으로도 노반에 미치는 영향을 저감 시킬수 있다는 것을 확인하였다.
- 저탄성패드의 동적스프링계수가 작을수록 포장궤도의 충전층 진동가속도, 변위, 압축응력이 작아지는 결과치를 얻었다. 이는 정적해석과 실물반복재하시험에서와 마찬가지로 저탄성패드를 적용함으로서 노반으로 전달되는 하중을 분산 및 저감시키는 효과가 상당히 크다는 것을 다시 한번 더 확인하였다.
- 저탄성패드의 동적스프링계수가 작을수록 포장궤도의 충전층 진동가속도, 변위, 압축응력이 작아지는 결과치를 얻었다. 이는 정적해석과 실물반복재하시험에서와 마찬가지로 저탄성패드를 적용함으로서 노반으로 전달되는 하중을 분산 및 저감시키는 효과가 상당히 크다는 것을 다시 한번 더 확인하였다.
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