DEM을 이용한 자갈도상의 응력분포에 관한 연구

초록

궤도시스템에 대한 기존의 수치해석과 관련한 대부분의 연구에서는 도상자갈층을 연속체로 모델링하는 기법을 사용해 왔다. 집중질량모델이나 유한요소해석을 이용한 모델의 경우 입력변수를 적절하게 조절함으로써 도상자갈부의 침하량과 응력분포를 파악할 수 있었다. 그러나 위와 같은 모델들은 입자간의 미끄러짐이나 입자간의 연결 상태에 대해서는 언급할 수가 없다. 도상부는 반복된 열차하중에 의해 침하가 발생하는데 이는 도상내 자갈 사이의 간극량의 변화에 기인한다. 따라서 도상자갈의 다짐 정도에 따른 도상부의 거동을 분석하고 정량화하기 위해서는 개개의 입자를 모델링할 필요가 있다. 불연속체 해석에서는 연속체 해석기법에서 표현할 수 없는 도상자갈 입자의 크기 및 형상이 전체 거동에 미치는 영향을 파악할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 원과 선분을 묘사할 수 있는 2차원 개별요소법을 이용하여 침목, 도상자갈, 도상매트를 표현하여 침목으로부터 도상자갈을 통하여 노반에 전달되는 응력 전달 메카니즘을 파악하고자 한다. 개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 불연속체의 시간영역 해석법으로, 개개의 입자가 운동방정식에 따라 각각 독립적으로 운동하여 서로 접촉하게 되었을 때 접촉점에서 가정한 접촉(수직, 전단) 스프링을 통하여 발생한 힘을 구한다. 알고리즘은 단순하지만, 다수의 입자를 해석하는 경우에는 계산량이 커지게 되어 취급할 수 있는 입자수가 크게 제한된다. 최근 컴퓨터 성능의 향상과 함께 취급가능한 입자수가 증가하여 현재는 불연속체의 해석기법으로 많은 연구자가 사용하고 있다. 본 해석 결과 침목이 도상에 가하는 응력은 210～300kPa 범위에 있었고, 도상매트가 도상으로부터 받는 최대 발생 연직응력은 112.3kPa이 발생하였다. 또한 응력 전달 영향 범위 및 분포로 부터 침목에서 도상자갈에 작용하는 하중이 침목 하 19.3cm 아래까지는 연직 하 방향으로 전달되고, 19.3cm 아래 부분에서는 도상매트 전면으로 20˚의 각도로 확대되는 것을 알 수 있었다. 이는 도상 두께 결정 시 가정하는 하중 분산각 45˚보다 작은 값으로 도상매트의 마찰계수 등 입력변수에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

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