1. 서론
열차는 탈선이라는 중대 사고를 일으킬 수 있으므로 주행안전성 확보가 설계 시 우선적인 고려 사항이다. 탈선 방지를 위해 궤도의 틀림을 엄격히 관리할 뿐만 아니라 열차 주행 중에 교량의 처짐과 가속도 제한도 두고 있다. 교량의 처짐과 가속도의 제한은 승차감 확보 측면도 있으나, 궤도에서 탈선 방지가 일차적인 목적이다. 철도교량에 요구되는 엄격한 안전성으로 인해, 현수교와 부유식 교량과 같이 처짐이 크게 발생하는 교량은 철도교량으로 널리 활용되고 있지 않다. 따라서 현수교와 부유식 교량과 같이 먼 거리의 육지와 섬을 연결할 수 있는 교량에는 열차 운행이 곤란하여 철도의 적용 범위가 제한되는 문제가 있게 된다. 정시성과 안전성, 친환경성이 뛰어난 철도 서비스가 다양한 지역에 제공되지 못하는 것은 철도 기술자들의 극복 대상이 되는 현안이다.
국내에서는 영종대교가 현수교로서 열차가 운행되고 있으나 경간은 300 m에 불과하다(Park et al., 2007). 일본의 Akashi Kaikyo 대교는 경간 2 km에 달하는 세계적인 장경간 현수교이나 자동차만 운행하고 있다(Miyata et al., 2002). 장경간 현수교로서 포르투칼의 Tagus교가 철도교로서 활용되고 있다. Tagus교는 경간이 1.0 km에 이르는 장경간 현수교로서 철도가 운행하기 위해 종방향 대변형을 흡수할 수 있는 신축이음매와 탈선 방지 장치가 구비되어 있으며, 저속으로 열차가 운행하고 있다(Rao and Sanghvi, 2000). 군사용으로 부유식 교량이 가설되어 열차 운행이 시도되고 있으나 운행 제한과 내구성 미비로 영구 시설로는 적절하지 못하다. 부유식 교량으로서 철도로 활용되는 첫 번째 사례는 시애틀의 I-90교가 될 것이다. 경전철의 이동과 파랑에 의한 대변형을 흡수할 수 있는 종방향 신축이음매를 구비하고 있다(Harrison et al., 2017).
장경간 현수교와 부유식 교량과 같은 신형식 교량이 철도교로서 널리 활용되기 위해서는 과도한 변형을 흡수하기 위한 신축이음장치 뿐만 아니라, 다양한 외력 조건에 대해서 안전성이 입증되어야 한다. 이를 위해서는 외력 조건에 따른 신형식 교량의 거동에 대한 이해와 대비책 마련이 필요하다. 특히 현수교와 부유식 교량에서는 바람과 파도와 같은 외력에 의해 교량의 거더가 동요하는 특성을 가지고 있으므로, 다양한 동적 거동을 보이는 궤도에서 열차가 탈선하지 않고 안전하게 주행하도록 설계하는 일은 최우선 과제가 된다.
지진이 많은 일본에서는 지진에 의해 동요하는 철도교에서 열차의 주행안전성 확보를 위해 다양한 연구가 수행되었다(Yasoshima et al., 1969). 특히, RTRI는 이론 및 시험 결과를 바탕으로, 지진 시의 열차 주행안전성을 판정하기 위해 가진 진동수에 따른 차륜의 횡방향 가속도 기준을 제시하였다(Matsumoto et al., 2004). 열차가 주행하면서 발생하는 가진력에 의해 교량이 동요할 때, 차량과 궤도의 인터페이스 성능을 고려하여 열차의 주행안전성을 해석하는 연구가 여러 연구자들에 의해 수행되었다. 국내 연구로서 Kim and Kim(2011)은 궤도의 탄성을 고려하여 열차 주행중 궤도와 차륜의 상호작용을 고려한 주행안전성 해석을 수행하였다.
본 연구는 장경간 현수교와 부유식 교량과 같이 동요하는 궤도에서 열차의 주행안전성 확보를 위해 궤도의 거동 특성 및 탈선 조건을 파악하기 위한 기초적인 연구를 수행하였다. 풍하중에 의한 현수교의 진동과 파랑에 의한 부유식 교량의 진동을 추정하여 궤도의 동요 조건으로 고려하였다. 이어서 궤도의 동요 조건은 6자유도 진동대 위의 축소 모형 궤도를 가진함으로써 구현하였고, 동요하는 모형 궤도 위를 대차가 주행하도록 하였다. 이 실험을 통해 동요하는 궤도를 모사하고 열차의 주행 안전성을 검증하는 실험기법을 제시하였다.
2. 동요 궤도의 열차 주행안전성 시험 절차
철도에서 궤도가 동요하는 사례는 지진에 의해 지반 진동으로 교량의 상판이 동요하는 경우, 동적인 외력에 의해 교량 거더가 가진되면서 상판이 진동하는 경우 등에서 볼 수 있다. 궤도가 동요할 때 열차의 주행안전성을 검증하기 위해서 실물 차량과 궤도에서 가진 시험과 응답 계측을 실시하는 것이 필요하나, 실물 차량 크기의 시험용 궤도를 강제로 진동시켜서 응답을 계측하는 것은 현실적으로 비용과 기간 측면에서 어렵다. 현실적인 문제를 극복하고, 동요 궤도에서 주행장치의 거동을 파악하기 위해서는 축소 모형에 대한 시험과 평가 방법이 적절하다. 축소 모형을 이용한 주행 안전성절차는 Fig. 1과 같이 제안할 수 있다.
동적 외력에 의해 교량이 동요하는 것을 진동대의 진동으로 재현할 수 있다. 궤도의 동요는 교량의 진동과 동일한 것으로 간주하여 축소 교량모형에 대해 풍동시험 또는 수조시험을 통해 특성을 추정할 수 있다. 진동대의 베드 위에 시험궤도를 설치하고 진동대 진동조건을 교량의 진동과 동일하게 입력하여 가진하게 된다. 주행장치인 대차가 주행할 때, 시험궤도의 가속도 운동에 따른 차륜의 탈선 여부를 판정함으로써 주행안전성을 검증할 수 있다.
2.1 교량의 진동 추정
현수교는 바람에 의해 진동이 발생하고, 부유식 교량은 파랑에 의해 진동이 발생한다. 풍하중에 의한 현수교의 버페팅(buffeting) 현상은 과도한 진동을 유발하여 교량의 붕괴를 초래하기도 한다. 버페팅에 의한 현수교의 진동응답은 2차원 풍동시험을 통해 추정할 수 있다. 즉, 교량은 종방향으로 길고, 단면은 동일하게 유지된다고 보아 2차원 모형으로 대표적인 거동을 추정할 수 있다. 철도교로서 활용될 수 있는 복층 트러스 형식의 현수교 단면에 대해 풍동시험을 수행하였다(Fig. 2). 풍하중에 대한 구조물의 응답은 Table 1에 정리된 바와 같다. Case 1과 3은 전교를 대상으로, 2와 4는 단면을 대상으로 실험을 수행하여 난류의 속도에 따른 구조물의 응답의 크기를 산정하였다.
Table 1
Response Amplitude from Wind Tunnel Test
| Case | Turbulent Flow (m/s) | Roll(deg.) | Sway(mm) | Vertical(mm) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 50 | 0.113 | 12.6 | 19.4 |
| 2 | 50 | 0.217 | · | 9.0 |
| 3 | 30 | 0.039 | 4.1 | 11.8 |
| 4 | 30 | 0.078 | · | 7.0 |
파랑에 의해 부유식 교량은 다양한 운동 특성을 보인다. 부유식 교량의 운동 특성은 2차원 수조시험을 통해 파악할 수 있다. 부유식 철도교는 아직 건설되지 않았으나, 현재 경전철용으로 개조 공사가 진행 중인 I-90 교량의 단면을 참고로 하여 사각형 단면의 폰툰형 교량을 부유식 교량의 설계안으로 선택할 수 있다(Fig. 3). 좌우로 계류된 폰툰형 부유식 교량의 수조시험 결과는 Table 2와 같다. 수조시험 결과를 보면 횡동요보다는 롤링에 의한 회전동요의 변위가 큼을 알 수 있다.
Table 2
Response Amplitude from Water Tank Test
교량의 진동 추정을 통해 얻어진 변위는 각각 상사법칙을 적용하여 진동대에 입력으로 이용하였다. 특히 수조실험의 경우, 응답이 Response Amplitude Operator (RAO) 분석에 의해 나온 결과이기 때문에, 입력 주파수와 파고를 고려하여 가진을 결정하였다.
2.2 시험궤도의 제작
2.3 시험용 대차의 제작
주행안전성 시험을 위해 시험궤도를 주행하는 모형 대차를 제작하였다. 모형 대차도 실물에 비해 1/5로 축소하여 제작하였다. 차륜은 실제 차륜과 기하학적 형상은 동일하나 크기는 1/5로 축소되었고, 단면 형상은 UIC의 기준을 따라 설계되었다(UIC Code 518 2009). 대차가 시험궤도 위에서 자가 구동(self driving)하기 위해 배터리에서 공급되는 전원으로 모터를 회전시키게 된다. 모형 대차의 상사성을 유지하기 위해 1차와 2차 현가장치를 설치하였고, 특성값도 상사법칙에 따라 축소하였다. Fig. 6은 3D 로 모델링한 모형대차를 보여준다.
2.4 진동대 가진 시험
진동대의 베드 위에 시험궤도를 고정하고 시험궤도 상에 모형대차가 자가 구동으로 주행을 한다. 진동대 베드를 가진함으로 대차가 주행하고 있는 시험궤도를 동요하게 만든다. 진동대는 내진시험을 목적으로 제작된 시험설비이므로 6자유도의 가진이 가능하나, 2차원 모형 시험 결과를 재현하기 위해서는 상하, 수평 및 롤 방향 회전 등 3자유도의 진동으로 충분하다. 풍동시험과 수조시험 결과에 따라 최대 가속도와 일정 주파수가 주어진 사인곡선의 진동을 재현하게 된다. 진동대 베드위에 설치된 시험궤도와 모형대차는 Fig. 7과 같다.
3. 시험 결과 분석
여기에서는 진동대 실험 가운데 가장 응답의 절대치가 크고, 열차가 탈선과 근접하다고 판단되는 수조실험의 Case 4의 파랑 조건에 따른 실험 결과 분석을 수행하였다.
3.1 횡가속도 응답
시험궤도에서 계측한 가속도 변화의 예는 Fig. 8에 나타난 바와 같다. 시험궤도가 진동대 베드에 고정이 되어 있기 때문에 일체 거동을 하는 것으로 간주할 수 있고, 이로부터 진동대의 가진 성능을 점검할 수 있다. 차축에서 계측한 횡가속도는 점선으로 표기하였다. 시험궤도의 횡가속도와는 다소 차이를 보이는데, 이는 레일과 접촉하고 있는 차륜으로 전달된 진동은 점착력과 플랜지 접촉력을 통해 전달되기 때문에 응답 특성이 다소 변형된다. 따라서 위상차이도 있고, 최대 가속도도 차이가 있게 된다.
3.2 회전 가속도 응답
파랑에 의해 부유식 교량에는 회전 변위인 롤(roll)운동이 크게 발생한다. 회전 변위를 진동대에서 가진하였을 때 차축의 가속도 응답은 Fig. 9에 보인 바와 같다. (N)과 (S)는 차축의 북측, 남측 방향에 설치된 센서를 의미한다. 전 변위에 의해 시험궤도의 좌우 레일은 상하로 편차를 보이면서 운동하기 때문에, 차륜에서의 진동도 상하 방향 성분이 크게 나타나며, 안전성 평가를 위해서 고려되어져야 한다.
3.3 탈선 모니터링
UIC의 기준에 따르면 윤중과 횡압을 이용하여 탈선을 판정하는 기준을 제시하고 있으며, 주행안전성을 간단하게 검증하기 위해서 차체와 윤축으로부터의 가속도 응답을 이용하는 방법을 제시하고 있다((UIC Code 518, 2009).
Eq. (1)에서 y s +
RTRI는 교량에서 지진에 의한 진동이 발생할 경우, 열차의 주행안전성를 판정하는 기준을 제안하였다(Matsumoto et al., 2004). 저주파수 영역에서 탈선을 일으키는 진폭(amplitude)은 상당히 크고 주파수가 증가함에 따라 탈선을 일으키는 진폭은 낮아지는데, 일정한 값으로 수렴하게 된다. 철도차량기술기준에 따르면 탈선을 판정하는 탈선계수는 횡압(Q)과 윤중(P)의 비로 정의되며, 그 값이 0.8 이상이 되면 탈선 위험이 높다고 판정한다(MLIT, 2016). 차륜이 직선 궤도를 저속으로 주행하는 경우 동적 윤중(ΔW)은 거의 발생하지 않게 된다. Eq. (2)에 따라 탈선이 발생하는 횡압 및 이때의 횡가속도는 0.8 g가 된다.
Eq. (2)에서 [ξ, ζ, ηh]는 각각, 축중 중에서 차체 중량이 차지하는 비율, 전 진폭 중에서 편진폭이 차지하는 비율, 차체 중량에 의한 횡압이 전 횡압 중에서 차지하는 비율로써 상수이다. αh는 수평 가속도 전 진폭이다. 궤도가 사인 곡선을 따라 횡진동을 하는 경우, 횡가속도가 0.8 g인 경우 탈선이 발생하는 것으로 볼 수 있다.
파랑의 주파수를 유지하고, 파고의 높이 0.5 m에서 1.08 m까지 변화시키면서 진동대 실험을 진행한 결과, 양측의 차륜에서 계측된 횡가속도의 최대값을 Fig. 11에 함께 표기하였다. 이에 따르면 남측 횡가속도는 탈선 기준보다 아래쪽에 있어서 탈선 발생 조건에 매우 근접하였음을 알 수 있다. 주어진 실험 조건에 따른 간이 해석에 비교하면, 탈선의 임계조건은 약 1 m에서 형성되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 실제 탈선 모니터링 결과에서도 탈선은 발생하지 않았다.
4. 결론
이 연구에서는 풍하중에 의해 동적 거동을 보이는 장경간 현수교와 파랑 하중에 의해 동적 거동을 보이는 부유식 교량에서 열차 운행의 안전성을 확보하기 위한 첫 번째 단계로서 동요하는 궤도의 열차 주행안전성 검증 연구를 수행하였다. 축소 모형에 대해 수행된 2차원 풍동시험과 수조 시험 결과를 기초로 진동대의 가진 조건을 설정하고, 1/5 축소 모형 시험궤도 및 대차를 제작하여 진동대 위에 설치하고, 실제 교량의 동적 거동 조건을 재현하였다. 동요하는 시험궤도 위를 주행하는 대차에서 가속도를 계측하고 차륜과 레일의 접촉 상태를 모니터링한 결과 다음의 결과가 얻어졌다.
(1) 시험궤도의 진동에 따른 차륜과 레일의 접촉 거동을 모니터링한 결과, 횡진동에 의해 차륜 플랜지와 레일이 접촉하였으며, 회전 진동에 의한 플랜지 접촉은 발생하지 않았다.
(2) 지진에 의해 발생한 교량의 횡진동은 열차의 탈선을 유발할 수 있으며, 저 주파수 영역에서 임계 진폭은 크고 주파수가 증가함에 따라 임계 진폭이 감소하면서 일정한 값에 도달한다. 특히, 파고의 높이를 변화하면서 주행안전성을 검토한 실험을 통해서 약 1 m 파고가 임계조건인 것으로 나타났다.
(3) 동요하는 시험궤도에서 대차가 주행할 시에 탈선은 발생하지 않았다. 이는 이론적으로 횡가속도가 탈선 기준보다 아래쪽에 있어서 탈선이 발생되지 않는 것으로 판정된 결과와 일치하였다.
장경간 철도교량에서 주행하는 열차와 관련한 실험을 수행하기 위해서는 대형 수조와 가진시설이 필수적이다. 이 연구에서는 이를 극복하기 위한 실험기법을 제시한데 의의가 있다. 향후 다양한 풍속, 수중 조건을 접목한 주행안전성 실험이 가능할 것으로 판단된다. 특히, 차량의 하중에 따른 궤도의 변형을 모사하고 이를 진동대의 응답으로 반영하기 위해서는 하이브리드 실험 기법과 같은 수치적 모델링과 접목한 실험이 수행되어야할 것이다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
