호남 고속철도에 대한 선로-구조 간섭 해석

• 선로-구조 간섭 해석

• 온도, 가속도 및 제동 하중 평가

• 유도된 레일 응력 및 선로 변위 모두 설계 한계 이내

사만 엔지니어링은 한국철도공단을 대신해 호남 고속철도에 대한 초기 설계 작업을 위해 LUSAS 교량 해석 소프트웨어를 사용하고 있습니다. 이 작업의 일환으로, 이들은 1.8km 길이의 교량 구조에 대한 선로-구조 간섭 해석을 수행했습니다. 이 교량은 익산의 망경강을 가로지르는 철강 박스 프레임 구조의 3-경간 중앙 구간을 가지고 있습니다. 지나가는 열차에 의한 가속 및 제동 하중으로 인해 레일 내의 축 방향 힘을 평가하였으며, 교량 데크에 대한 유도된 선로 변위를 점검한 결과 지정된 설계 한계 이내로 확인되었습니다.

호남 고속철도가 완공되면, 이는 한국의 수도 서울과 전라남도 남부의 항구 도시 목포를 연결하게 됩니다. 이는 한국의 두 번째 고속철도가 될 것입니다. 첫 번째는 2002년부터 운영되고 있는 서울-부산 노선입니다. 망경강 건널목은 새로운 노선에 있는 많은 구조물 중 하나로, 길이는 1,875m이며 다양한 길이와 시공 유형을 가진 총 50개의 경간으로 구성됩니다. 60/75/60미터의 강철 박스 프레임 3개 경간이 강 위에 위치하고, 50m 경간의 강철 거더가 양쪽에 배치되며, 나머지 길이를 위해서는 여러 개의 35m 및 30m 프리스트레스트 콘크리트 박스 섹션 경간이 위치합니다.

사만은 이 교량을 모델링하기 위해 LUSAS 선로 해석 옵션을 사용했습니다. 이는 국제철도연맹 코드 UIC 774-3에 따라 선로-교량 간섭 해석을 수행할 수 있게 합니다. 이 소프트웨어는 MS Excel 스프레드시트에 정의된 데이터로부터 모델을 자동으로 생성하고 분석을 수행하며, 결과를 스프레드시트 또는 LUSAS 형식으로 생성합니다. 이를 위해 교량은 선로 및 지지 구조를 나타내는 빔 요소로 단순화되고 ‘깨진’ 형태로 나누어집니다. 비선형 스프링을 사용하여 볼라스트 및 확장 조인트를 모델링하며, 지지대와 기초는 간단한 스프링으로 모델링됩니다. 레일 및 구조의 온도 변화, 그리고 열차의 가속 및 제동 하중이 정의되어야 합니다. 온도 변화와 구조를 가로지르는 다양한 선로에서의 열차의 통과는 레일 내의 축 방향 압축력을 유도하고, 선로와 교량 데크 간의 변위를 유도합니다. 이는 모든 사용 상황에 대해 지정된 설계 값 이하로 유지되는지 평가해야 하는 작업입니다.

UIC 773-3 구조 시스템

UIC 773-3 선로/데크 모델링

전형적인 열차 하중 구성(역방향)

망경강 건널목을 위해 사만은 구조의 응답을 조사하기 위해 두 개의 LUSAS 모델을 생성했습니다. 하나는 선로 해석 옵션에 의해 자동으로 생성된 것으로, 단일 빔 요소들이 데크 및 교량의 모든 경간을 모델링했습니다. 다른 하나는 초기 선로 해석으로 생성된 빔 모델을 LUSAS 내에서 수정하여 3-경간 강철 박스 부재를 포함하고, 추가된 기능에 대한 적절한 기하학적 및 재료 특성을 포함했습니다. 이와 같은 독특한 방법은 UIC 코드 해석의 정확성을 높이는 데 있어 실제로 유익함을 입증했습니다.

결과

LUSAS 선로 해석에서 얻은 결과로, 사만은 단순 모델(빔만 포함)과 전체 모델(강철 부재 포함) 각각에 대한 그래프를 작성했습니다. 이들 그래프는 온도 및 가속/제동 하중에 따른 레일의 축 방향 압축 응력 변화를 보여주었습니다. 이러한 그래프에서 전체 모델은 단순 빔 모델보다 레일의 축 방향 압축 응력을 감소시키는 경향이 있음을 보여 사만의 설계에 대한 확신을 주었습니다.

사만 엔지니어링의 철도 구조부서의 조현일 부팀장은 “볼라스트의 비선형 거동 및 볼라스트와 레일 선로 사이의 상호작용을 올바르게 모델링하는 것은 수동으로 수행하기 어렵기 때문에 이 결과물을 자동으로 처리하는 LUSAS 선로 해석 옵션이 우리에게 매우 유용했습니다.”라고 말했습니다. 그는 “선로 해석 옵션의 용이한 사용이 이 프로젝트에서 핵심적인 이점이었습니다. 모델은 자동으로 구축되었지만, 여전히 우리는 원래 모델을 훼손하지 않고도 필요에 따라 수정할 수 있었습니다.”라고 덧붙였습니다.

온도 및 가속 하중에 따른 레일의 압축 응력(단순 모델 및 전체 모델 포함)
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온도 및 제동 하중에 따른 레일의 압축 응력(단순 모델 및 전체 모델 포함)
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“볼라스트의 비선형 거동 및 볼라스트와 레일 선로 사이의 상호작용을 올바르게 모델링하는 것은 수동으로 수행하기 어려우므로, 이 처리 기능을 자동으로 제공하는 LUSAS 선로 해석 옵션이 우리에게 매우 유용했습니다.”

조현일 부팀장, 사만 엔지니어링