도시철도 차량의 사행동을 고려한 강아치 철도교의 동적응답

초록

철도교는 열차 축중에 의한 연직하중 분포 외에 열차주행에 따라 크기와 방향이 변하는 횡하중 분포를 나타낸다. 횡하중은 다양한 원인으로 발생하며 각 원인들이 연계하여 복잡한 응답을 나타낸다. 이러한 특성 때문에 설계기준은 교량형식과 무관하게 등가횡하중을 규정하고 있다. 철도교설계는 연직하중에 의한 동적해석을 수행하나 횡하중은 정적해석에 의존하며 횡진동 규정이 미흡하다. 본 연구는 강아치 철도교를 대상으로 사행동의 해석모델을 제시하고 도시철도 차량을 대상으로 교량-열차 상호작용해석을 통하여 정확한 동적응답과 사행동의 효과분석을 연구목적으로 한다. 이를 위하여 열차주행속도에 따라 파장을 매개변수로 선택하였다. 사행의 레일편차, 초기횡력, 위상차, 레일 종방향 마찰계수를 랜덤변수로 가정한 사행동 모델을 제시하고 시간적분법으로 동적응답을 분석하였다. 열차주행속도는 120km/h까지 10km/h 단위로 12가지를 적용하였다. 수치해석결과, 고유진동모드는 1차모드에서 횡변형이 우선적으로 발생하는 횡진동모드가 발생하였다. 거더 중앙부의 횡변위는 사행동을 무시할 경우 0.67mm이나 사행동을 고려하면 주행속도 120km/h에서 최대 4.7mm가 발생되어 약 7배 증가함을 알 수 있다. 이는 등가횡하중에 의한 정적 횡변위 2.4mm의 약 2배에 해당하는 변위이다. 일반적으로 주행속도가 증가하면 사행동을 고려한 횡변위도 증가하는데, 사행동 모델의 파장변화에 따른 횡변위는 특정속도에서 급증한다. 횡변위 응답분포가 급변하는 파장변화와 주행속도는 철도교의 진동특성과 연계되므로 각 교량모델에 따라 사행동 특성을 고려하여야 한다. 특히 횡진동모드가 지배하는 철도교설계는 사행동을 고려한 동적응답을 분석할 필요가 있다.

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