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문제 정의
- 본 연구에서는 KTX의 실 열차하중을 고려하여 연행이동집중하중으로 교량의 동적거동을 검토하였으며, 호남고속철도 설계지침을 적용하여 대상 소수주형 철도교량의 운행 안정성을 평가하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 1) 소수주형 철도교량의 KTX 실 열차하중을 고려한 동적 해석 및 검토 방법을 정립하였다.
- KTX의 실 열차하중을 적용한 속도의 범위는 충격계수를 고려한 속도(설계속도의 1.2배)인 420km/h까지 적용하였으며, 동해석 소요시간과 검토할 속도대역에서의 동적영향을 충분히 반영하기 위하여 속도를 20km/h씩 증가시겨 20∼420km/h(20, 40, 60 ∼ 380, 400, 420)까지 총 21개의 속도에서 동적거동 및 최대 가속도, 면틀림 변위에 대한 시간 이력 해석을 수행하여 이를 분석 하였다.
- 해석 절차는 모델링 후 정적해석을 통해 모델에 대해 검증을 수행하고, 고유치 해석 후 이동하중에 대해 해석을 수행하게 된다. 고유치 해석 시 먼저 Eigenvalue Controls을 정의하고 해석을 수행한 후 결과를 출력하여 고유진동수 및 진동모드 형상을 도시하게 된다. 그리고 이동하중 해석 시 하중이동 경로를 먼저 설정한 후 이동하중을 위한 Modal Force History를 생성하고, 이동하중의 Parameter를 정의한 후 결과를 출력하여 수직 가속도, 면틀림 그리고 연직 처짐을 검토하였다.
- 교량의 동적 해석 방법으로는 KTX의 실 열차하중(moving load)을 고려하여 연행이동집중하중으로 구조물의 동적거동을 검토하였다. KTX의 실 열차하중을 적용한 속도의 범위는 충격계수를 고려한 속도(설계속도의 1.
- 592, L = 70m) 보다 크므로 호남고속철도 설계지침을 만족하였다. 그리고 KTX 실 열차하중(moving load)을 적용한 동적해석을 수행한 결과, 동적 응답이 가장 크게 발생한 교축방향 중앙의 연행 이동집중하중 재하 위치에서 속도별 최대 상판 수직가속도, 면틀림 그리고 연직처짐 및 최대 응답발생 속도 및 최대 속도에 대한 시간 이력을 검토하여 운행 안정성(동적거동)을 평가하였다. 상판 수직가속도의 경우, 속도별 최대 수직가속도는 그림 5와 같으며, 최대 가속도 발생 속도에 대한 시간 이력은 그림 6과 같다.
- 2배)인 420km/h까지 적용하였으며, 동해석 소요시간과 검토할 속도대역에서의 동적영향을 충분히 반영하기 위하여 속도를 20km/h씩 증가시겨 20∼420km/h(20, 40, 60 ∼ 380, 400, 420)까지 총 21개의 속도에서 동적거동 및 최대 가속도, 면틀림 변위에 대한 시간 이력 해석을 수행하여 이를 분석 하였다. 그리고 고유진동수에 따른 동적거동, 차량의 등속운동 및 교량의 감쇠에 따른 동적응답을 검토 하였다.
- 고유치 해석 시 먼저 Eigenvalue Controls을 정의하고 해석을 수행한 후 결과를 출력하여 고유진동수 및 진동모드 형상을 도시하게 된다. 그리고 이동하중 해석 시 하중이동 경로를 먼저 설정한 후 이동하중을 위한 Modal Force History를 생성하고, 이동하중의 Parameter를 정의한 후 결과를 출력하여 수직 가속도, 면틀림 그리고 연직 처짐을 검토하였다.
- 본 연구에서는 고속열차(KTX)를 지지하는 소수주형 철도교량의 동적해석을 수행하여 운행 안정성(동적거동)을 검토 및 분석하였으며, KTX의 실 열차하중을 고려하여 연행이동집중하중을 적용하였다. 또한, 호남고속철도 설계지침에 따라 교량의 고유진동수, 상판 수직가속도, 면틀림 그리고 승차감을 고려한 연직처짐 등을 평가하였다.
- 따라서, 안전성 및 사용 성에 대한 검토 및 평가는 매우 중요하다고 할 수 있으며, 이를 고려한 구조물의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 고속열차(KTX)를 지지하는 소수주형 철도교량의 동적해석을 수행하여 운행 안정성(동적거동)을 검토 및 분석하였으며, KTX의 실 열차하중을 고려하여 연행이동집중하중을 적용하였다. 또한, 호남고속철도 설계지침에 따라 교량의 고유진동수, 상판 수직가속도, 면틀림 그리고 승차감을 고려한 연직처짐 등을 평가하였다.
- 교량의 동적거동 검토 및 평가는 호남고속철도 설계지침을 적용하였으며, KTX의 실 열차하중을 고려하여 연행이동집중하중으로 구조물의 동적거동을 검토하였다. 적용속도는 설계속도(350km/h)의 1.2배인 420km/h까지의 속도를 적용하였으며, 연행이동집중하중에 의한 동적응답을 산출하여 운행 안정성 여부를 판단하였다. 동적 하중의 경우 호남고속철도 설계지침에 준하여 연행이동집중하중의 단선재하를 적용하였다.
- 0를 사용하였으며, KTX가 구조물 위에서 속도를 가지고 주행할 때 각 속도에 따른 구조물의 동적 응답을 구하기 위하여 LUSAS IMDPlus를 이용하여 이동하중해석(moving load)을 수행하였다. 해석 절차는 모델링 후 정적해석을 통해 모델에 대해 검증을 수행하고, 고유치 해석 후 이동하중에 대해 해석을 수행하게 된다. 고유치 해석 시 먼저 Eigenvalue Controls을 정의하고 해석을 수행한 후 결과를 출력하여 고유진동수 및 진동모드 형상을 도시하게 된다.
대상 데이터
- 동적 재하하중은 KTX의 실 열차하중인 그림 1과 같으며, 검토 대상 교량은 그림 2와 같은 소수주형 철도교량이며, 지간이 70m인 단순교이다. 이에 대한 해석모델은 그림 3과 같이 소수주형 및 고속열차가 통과하는 상부 구조물, 모두 쉘요소(concrete)를 사용하여 모델링하였다.
- 동적 재하하중은 KTX의 실 열차하중인 그림 1과 같으며, 검토 대상 교량은 그림 2와 같은 소수주형 철도교량이며, 지간이 70m인 단순교이다. 이에 대한 해석모델은 그림 3과 같이 소수주형 및 고속열차가 통과하는 상부 구조물, 모두 쉘요소(concrete)를 사용하여 모델링하였다.
데이터처리
- 교량의 동적 해석 프로그램으로 LUSAS Version 14.0를 사용하였으며, KTX가 구조물 위에서 속도를 가지고 주행할 때 각 속도에 따른 구조물의 동적 응답을 구하기 위하여 LUSAS IMDPlus를 이용하여 이동하중해석(moving load)을 수행하였다. 해석 절차는 모델링 후 정적해석을 통해 모델에 대해 검증을 수행하고, 고유치 해석 후 이동하중에 대해 해석을 수행하게 된다.
이론/모형
- 교량의 동적거동 검토 및 평가는 호남고속철도 설계지침을 적용하였으며, KTX의 실 열차하중을 고려하여 연행이동집중하중으로 구조물의 동적거동을 검토하였다. 적용속도는 설계속도(350km/h)의 1.
- 2배인 420km/h까지의 속도를 적용하였으며, 연행이동집중하중에 의한 동적응답을 산출하여 운행 안정성 여부를 판단하였다. 동적 하중의 경우 호남고속철도 설계지침에 준하여 연행이동집중하중의 단선재하를 적용하였다.
성능/효과
- 2) 고속열차(KTX)의 운행 안정성(동적거동)을 평가하기 위한 항목인 대상 구조물의 고유진동수, 상판 수직가속도, 면틀림 그리고 승차감을 고려한 연직처짐 등은 기준치를 충분히 만족하였다.
- 3) 대상 교량의 모든 동적 응답을 검토한 결과, 대상 소수주형 철도교량의 동적거동에 의한 고속열차(KTX) 운행 안정성(동적거동)에는 문제가 없다고 판단된다.
- 4) 대상 교량에서 고속열차를 운행할 때 충격계수를 고려한 설계속도(350km/h)의 1.2배인 420 km/h 속도대역에서는 다른 속도대역보다 진동이 크게 유발될 가능성이 높지만, 이 속도 대역에서도 호남고속철도 설계지침을 충분히 만족하므로 동적 안전성 및 사용성에는 문제가 없다고 판단된다.
- KTX 실 열차하중(moving load)을 적용한 동적해석 결과, 420km/h 속도대역에서 값이 크게 증가하는 것을 볼 수 있는데 이는 다른 속도대역보다 진동이 크게 유발될 가능성이 높다. 하지만 이처럼 충격 계수를 고려한 설계속도(350km/h)의 1.
- 대상 소수주형 철도교량의 고유치 해석을 수행한 결과, 고유 진동모드 형상은 그림 4와 같은 형태의 형상으로 나타났으며, 1차 휨고유진동수는 1.986 Hz로 1차 휨고유진동수의 하한치인 1.91 Hz (no =23.58 × L-0.592, L = 70m) 보다 크므로 호남고속철도 설계지침을 만족하였다.
- 상판 수직가속도의 경우, 속도별 최대 수직가속도는 그림 5와 같으며, 최대 가속도 발생 속도에 대한 시간 이력은 그림 6과 같다. 최대 상판 수직가속도는 0.927 m/s2 으로 상판 수직가속도의 상한치인 5.0 m/s2보다 작으므로 설계지침을 만족하였다. 면틀림의 경우, 속도별 최대 면틀림은 그림 7과 같으며, 최대 면틀림 발생 속도에 대한 시간 이력은 그림 8과 같다.
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