충돌해석 조건에 따른 탈선열차와 시설물 간 충돌거동 분석

Collision Behavior Analysis Between Derailed Train and Structure According to Collision Analysis Condition

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(3):45-54
Publication date (electronic) : 2017 June 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.3.45
배현웅*, 민경환**, 고용석***, 천홍식***, 임남형
* Member, Post-doctoral Researcher, Cnu Rail Research Institute, Chungnam National University
** Member, Research Professor, Cnu Rail Research Institute, Chungnam National University
*** Ministry of Land, Infrastructure and Transport
****Corresponding Author, Member, Professor, Department of Civil Engineering, Chungnam National University (Tel: +82-42-821-7005, Fax: +82-42-825-0318, E-mail: nhrim@cnu.ac.kr)
Received 2017 March 06; Revised 2017 March 06; Accepted 2017 March 13.

Abstract

인명피해로 이어지는 열차사고는 대부분 탈선 또는 충돌에 의한 사고이며, 이러한 탈선/충돌사고는 발생빈도는 낮으나 발생되면 그 피해정도가 상당히 크므로 이에 대한 피해를 최소화하기 위한 대비로 방호시설을 설치하게 된다. 원천적으로 탈선이 발생되지 않도록 예방하는 것이 가장 이상적인 대비이나, 인적⋅자연적 재해 등 예기치 못한 사고에 대비하여 그 피해를 경감/최소화하기 위한 물리적 수단을 강구할 필요성이 있다. 본 논문에서는 기 개발된 3차원 열차 탈선-충돌모델을 이용하여 탈선된 열차와 시설물 간의 충돌해석을 수행하였으며, 일반적인 차량 충돌해석 방법과 실제적 열차조건을 고려한 충돌해석 조건의 차이에 따른 탈선열차의 거동 특성을 분석하였다.

Trans Abstract

Fatal train accidents which cause the loss of life are usually occur by derailments or collisions. These derailment/collision accidents are infrequent. However, when they occur, the damage is catastrophic. Therefore, protection infrastructure is installed to minimize such damage. In principle, the most ideal preparation is to prevent derailments from occurring. However, it is also necessary to consider the physical means needed to reduce/minimize damage by unexpected accidents such as natural disasters or manmade hazards. In this paper, analysis for collision behavior between derailed train and protection infrastructure is carried out using derailment-collision simulation model developed by preceding researcher.

1. 서론

최근 유럽, 미국, 중국, 일본, 한국 등 선진철도기술 보유국들에서는 사회적 요구 및 속도 경쟁에 의해 고속화를 위한 기술발전과 동시에 안전성 확보에 만전을 기하고 있다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 열차사고로 인한 인명피해는 종종 발생되어오고 있다(Wikipedia, 2015; Bae, 2015; Bae et al., 2016). 인명피해로 이어지는 열차사고는 대부분 탈선 또는 충돌에 의한 사고이며, 이러한 탈선/충돌사고는 발생빈도는 낮으나 발생하면 그 피해정도가 상당히 크므로 이에 대한 피해를 최소화하기 위한 대비로 방호시설을 설치하게 된다(Bae et al., 2013; Bae et al., 2014; Bae, 2015; Bae et al., 2015; Bae et al., 2016).

탈선열차를 효과적으로 방호하여 자연재해(지진, 강풍, 태풍 등)에 의한 탈선 그리고 인적⋅사회적 재난(교통수송 기반시설 파괴에 의한 차량탈선 등)에 의한 피해의 최소화를 도모하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 원천적으로 탈선이 발생되지 않도록 예방하는 것이 가장 이상적인 대비이나, 인적⋅자연적 재해 등 예기치 못한 사고에 대비하여 그 피해를 경감/최소화하기 위한 물리적 수단을 강구할 필요성이 있으며 이를 탈선열차에 대한 ‘방호’ 개념으로 볼 수 있다(Bae et al., 2013; Bae et al., 2014; Bae, 2015; Bae et al., 2015; Bae et al., 2016).

국내에서는 고속철도가 도입되면서 교량구간에 지진, 좌굴, 충돌 또는 궤도, 차량의 결함 등에 의해 열차가 탈선될 경우, 차량이 전차선 전주와 충돌하거나 교량 하부로 추락하는 사태를 방지하여 사고피해를 경감/최소화하기 위해 ‘탈선방호벽’이란 명칭으로 열차 탈선에 대한 방호시설물이 설치되었다. 국내의 방호시설물인 탈선방호벽은 현재 고속철도로 분류되는 열차속도 200 km/h 이상의 교량에 위치와 높이에 대한 기준이 없어 관행적으로 설계, 설치되고 있다. 그러나 경제⋅시공성 측면에서 이에 대한 실효성 판단 및 타당성 검토의 필요성이 제기되어왔으며, 운행속도 향상 및 이용객 수의 지속적 증가에 따른 국민의 철도안전 기대수준이 높아짐에 따라 방호시설물로서의 성능을 평가할 수 있는 기법 등의 연구가 필요하게 되었다.

방호시설물로서의 성능을 평가하기 위해서는 일반적으로 규모가 매우 크고 막대한 비용 및 기술력이 요구되는 충돌실험이 수반된다. 그러나 경제성, 효율성 면에서 모든 경우에 대한 실험을 수행하기는 현실적으로 불가능하므로 검증된 수치해석 기법을 이용한 충돌해석을 수행하여 성능평가가 가능하다.

열차 탈선과 관련된 시뮬레이션 또는 수치해석에 대한 선행연구로는 미국, 캐나다 등에서 수십 년 전부터 방호벽(Barrier) 설계를 위한 2차원 열차 충돌 시뮬레이션을 수행한바 있다(Coppens et al., 1988; Hirsch et al., 1989, Birk et al., 1990a; 1990b; Moyer et al., 1994).

또한, 중국 및 국내에서는 탈선 후의 열차와 구조물 간의 충돌 관점이 아닌 탈선 발생에 대한 메커니즘 연구에 관한 동적 탈선 시뮬레이션을 주로 수행하였다(Wang and Li, 2010; Cheng and Hsu, 2012; Koo and Cho, 2012; Koo and Choi, 2012; Ling et al., 2014; Guan et al., 2014).

스웨덴의 Brabie(2007)Brabie and Andersson(2008)은 탈선된 열차의 차륜이 콘크리트 침목에 충돌한 후 차륜축의 거동을 예측하기 위한 해석연구를 수행한바 있다.

최근 중국의 Wu et al.(2014; 2016a; 2016b; 2016c)은 지진발생에 따른 철도차량의 탈선 후(Post-derailment) 동적거동에 대한 해석연구를 수행하였으며, 국내의 Bae(2015)Bae et al.(2016)은 탈선열차와 방호시설물과의 충돌 시뮬레이션을 위한 3차원 열차 탈선-충돌모델을 개발하고 충돌/파괴 시뮬레이션을 통해 내충격성을 평가하기 위한 연구를 수행하였다.

전 세계적으로 열차 탈선에 대한 시뮬레이션 및 수치해석에 대한 연구는 지속적으로 진행되고 있으나 탈선열차와 방호시설과의 충돌에 대한 연구는 미미한 수준으로 볼 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 기 개발된 3차원 열차 탈선-충돌모델(Bae, 2015; Bae et al., 2016)을 이용하여 기존 연구에서 다루지 않은 탈선된 열차와 시설물 간의 충돌하중에 영향을 미치는 인자에 대해 수치해석을 수행하였으며, 일반적인 차량 충돌해석 방법과 실제적 열차조건을 고려한 충돌해석 조건의 차이에 따른 탈선열차의 거동 특성을 분석하였다.

2. 충돌해석 모델

본 논문에서는 기 검증⋅개발된 3차원 열차 탈선-충돌모델(Bae, 2015; Bae et al., 2016)을 이용하여, 탈선된 열차와 방호시설물간 충돌해석 연구를 수행하였다. 모델링은 세계적으로 충돌, 접촉해석에 큰 장점이 있는 범용 유한요소해석 프로그램 LS-DYNA (LSTC, 2013)를 사용하였다.

기 개발된 열차 탈선-충돌모델(Bae, 2015; Bae et al., 2016)은 수치적 검증을 위하여 철도안전법에 의한 철도차량 표준충돌사고각본 1, 정면충돌사고 시나리오(Koo et al., 2007)에 의해 열차충돌 전⋅후에 대한 에너지평형 검증을 수행하였다(초기에너지에 대한 변화율 1.290~1.437% 만족; reliable level 5% 이하). 또한, 열차가 기울어진 강체벽과 충돌하였을 때 발생되는 탈선 거동(Slip and roll-over)을 기존 탈선이론 및 시뮬레이션 검증에 대한 연구(Cho, 2010) 결과와 검증하였으며, 탈선된 열차의 차륜과 구조물과의 충돌 거동에 대한 기존 시뮬레이션 연구(Fukazawa and Sonoda, 2008) 결과와의 비교⋅검증을 통해 모델의 신뢰성을 확보하였다.

2.1 열차 모델

대상 열차는 최고 운행속도 300 km/h의 한국 고속열차 KTX(TGV-K)를 적용하였다(Alstom, 2004; Hong, 2006; SNCF, 2008; Klasztorny and Szurgott, 2012). KTX 열차는 동력차(Power Car) 2량, 동력객차(Motorized Trailer) 2량, 객차(Trailer) 16량, 1편성 총 20량으로 이루어져 있으며, 두 객차를 한 개의 관절대차로 연결되는 부분이 특징이다(Fig. 1).

Fig. 1

Model Concept of KTX

차륜과 차축, 대차, 차체 프레임과 차체는 모두 그 특성에 따라 Beam과 Shell element로 모델링 되었으며, 차륜과 대차(Wheel-Bogie frame)의 연결시스템인 1차 현가장치(Primary suspension) 및 대차와 차체(Bogie frame-Car body)의 연결시스템인 2차 현가장치(Secondary suspension), 차량과 차량(Car body-Car body)의 연결시스템은 Spring과 Damper (6 degrees of freedom linear viscoelastic discrete beam element)로 모사되었다(Bae, 2015; Bae et al., 2016).

2.2 시설물 모델

궤도의 기하조건은 실제 국내 고속철도 교량의 궤도와 벽 형태의 방호시설물 조건을 참고로 하였다(Fig. 2).

Fig. 2

Geometric Conditions of Derailment ContainmentWall on the High-speed Railway Bridge in Korea

실제 기하조건 하에서는 탈선된 열차의 차축박스 중심부가 벽체의 상단에 접촉되는 높이(Track 상면으로부터 약 482 mm)로 관행적으로 설치되고 있다. 벽체에 작용하는 충돌하중 측면에서 충돌지점/충돌면적 또한 중요한 부분이나 본 논문에서는 변수에 따른 해석결과의 일관성을 확보하기 위하여 차축박스가 모두 시설물 벽면에 접촉하는 높이조건으로 모델링하였다(Fig. 3).

Fig. 3

Contact Conditions between Train and Structure

궤도는 콘크리트 궤도(Concrete slab track)에 대해 고려하여 벽 형태의 방호시설물과 함께 Solid element를 사용하여 모델링되었다(Bae, 2015; Bae et al., 2016). 기 개발된 해석모델에서는 레일 상 주행이 가능하도록 레일 또한 모델링 되었으나, 본 논문에서는 열차가 이미 탈선된 상태에서 콘크리트 상을 주행하는 것으로 가정하여 레일은 고려하지 않았으며, 방호시설물 벽체는 변형되지 않는 강체벽(Rigid body wall)으로 고려하였다. 또한, 실제 KTX 열차 하부의 대차 사이에 있는 스커트(Skirt)는 충돌 시 저항역할을 하지 못하는 구조로서 간주하여 해석 모델에 고려하지 않았다.

열차와 궤도/시설물의 접촉(Contact) 조건은 Fig. 3Table 1과 같다. 사용된 마찰계수 값은 연구문헌(Moyer et al., 1994; Brabie, 2007)을 참고로 하여 적용하였다.

Contact Conditions between Train and Structure

2.3 충돌해석 데이터의 후처리

일반적인 충돌해석은 충돌 후 차량의 충격 에너지 흡수 구조 및 부품 설계 등에 초점이 맞추어 있다. 이러한 차량관점의 충돌해석에서는 차체 전두부 및 현가장치 등의 재료적 특성이 매우 중요하다고 볼 수 있으나, 본 연구는 탈선된 열차가 방호벽과 같은 시설물과의 충돌 후 거동을 파악하는 것에 초점이 맞추어 있으므로 차량의 질량크기 및 질량중심 위치, 가속도 등의 요소가 중요하다고 볼 수 있다(Bae, 2015; Bae et al., 2016).

방호시설물에 대한 충돌해석 결과로써 가장 중요한 것은 충돌하중(Impact force)의 산정이며, 일반적으로 1/1,000 또는 1/10,000 sec 간격의 데이터를 출력하고 이에 대한 후처리(Post-processing)를 통해 실제 값에 일치시킨다.

충돌 시뮬레이션 데이터와 실차 충돌시험에 의한 데이터를 비교할 경우, 시뮬레이션 결과는 실차 충돌시험과 달리 차량 차체의 감쇠를 정확히 고려하기 어려우므로 시험데이터에 비해 많은 노이즈(Noise)를 포함하게 된다. 일반적인 필터링(SAE Class 60 Hz)을 거친 데이터는 노이즈가 제거된 상태의 값이라도 데이터의 평균보다 큰 값 및 작은 값들이 혼재되어 있어 실제 충돌시험 데이터의 추세를 파악하기 힘들다. 따라서 충돌 시뮬레이션 데이터를 분석하기 위해서는 데이터의 평활화를 위해 가장 일반적인 방법으로 이동평균법(Moving Average)을 사용한다(Kim, 2012; Kim 2014). 본 연구에서는 1/10,000 sec 간격의 시뮬레이션 충돌하중 데이터에 단순이동평균법을 적용하여 분석을 수행하였다.

차량 충돌시험 데이터의 이동평균법은 단순히 데이터의 추세를 분석하는 것 이외에 구조물의 설계에 필요한 유사정적하중으로 간주하기도 한다. 일반적으로 50 msec 이동평균법을 적용한 경우 원시 데이터를 과도하게 평활화하거나 잔여 노이즈로 인한 데이터의 과대평가가 적으며, 기존 연구(Beason et al., 1989)에서도 실차 충돌시험을 통해 얻은 데이터의 50 msec 이동평균법을 적용한 값이 차량방호시설의 설계강도와 충돌시험을 비교하였을 때 유사한 결과를 나타낸다고 언급하고 있다.

3. 충돌거동 분석

3.1 충돌해석 조건 개요

본 논문에서 수행한 충돌해석은 Fig. 4와 같이 충돌조건을 두 가지로 나누어 해석을 수행하였다(Go, 2016).

Fig. 4

Collision Analysis Conditions

첫 번째 조건은 일반적인 차량 충돌해석 방법으로써, 이 조건은 차량이 예상되는 입사각도(충돌각도)와 속도를 가지고 강체벽과 충돌하는 것으로 입사각도와 열차속도의 방향이 동일하게 된다(Condition 1, Fig. 4a). 입사각도는 차량 진행방향과 벽체 사이에 이루는 각도(Degree)이다.

두 번째 조건은 레일 위를 주행하며 다수의 후속객차가 연결되어 있는 실제적 열차조건을 고려한 것이다. 이 조건의 경우, 열차속도는 궤도 방향으로 진행하고 초기 탈선 시의 각도(초기각도)에 의한 차륜과 지면의 마찰에 의해 궤도 횡방향 거동이 발생되며 벽체와 충돌하게 된다(Condition 2, Fig. 4b).

충돌하중의 산정은 궤도 및 방호시설물의 횡방향 성분을 기준으로 하였다.

3.2 충돌해석 조건 1

첫 번째 조건(Condition 1, Fig. 4a)은 KTX 열차에서 동력차(PC) 1량만 모델링하였으며, 입사각도는 1~5°, 열차속도는 200, 300 km/h로 고려하였다.

Fig. 5는 열차속도별 입사각도에 따른 충돌하중을 나타낸 것이다(충돌하중은 궤도 횡방향; 벽체 길이방향의 직각방향 하중). 모두 입사각도가 증가함에 따라 충돌하중도 선형 비례적으로 증가하는 경향을 나타내며, 충돌각도가 클수록 열차속도에 따른 충돌하중의 증가율이 커지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 5

Impact Force w.r.t Incident Angle

3.3 충돌해석 조건 2

두 번째 조건(Condition 2, Fig. 4b)은 실제적 열차거동을 모사하기 위해 후속열차의 연결을 고려하여 동력차-동력객차-객차(PC-MT-T) 3량을 모델링하였으며, 열차속도는 궤도방향, 열차의 탈선 초기각도(Initial derailment angle)는 동력차의 후미 대차(Rear bogie) 중심을 기준으로 하여 설정하였다(Fig. 6).

Fig. 6

Initial Derailment Angle

열차가 본래의 위치에서 탈선하여 벽체(방호시설물)와 이루는 실제 각도는 기하조건, 즉 궤도중심으로부터 벽체(방호시설물)까지의 거리에 따라 한계가 있다. 국내의 실제 고속철도 기하조건을 고려하면 탈선열차의 차축과 벽체가 이룰 수 있는 최대 각도는 약 2.93°로 이를 고려하여 탈선 초기각도의 해석변수 범위를 결정하였다(Fig. 7). 열차속도는 고속철도 운전취급 세칙의 실행속도를 고려하였다(Table 2).

Fig. 7

Critical Initial Derailment Angle According to Geometric Condition

Parameters of Collision Simulation for Condition 2

Fig. 8은 탈선 초기각도를 가지는 열차의 시간에 따른 횡방향(벽 방향) 변위를 나타낸 것으로, 초기에 주행(궤도)방향으로의 운동이 지속되다가 일정 시간이 지난 후(약 0.5 sec)에 차륜과 지면(Concrete slab)의 마찰로 인해 횡방향으로의 거동이 급격히 일어나는 것을 볼 수 있다. 탈선열차의 차축이 벽체와 충돌한 이후에는 반대방향으로 튕겨져 나간 후 다시 연속적으로 벽체에 충돌하게 된다.

Fig. 8

Lateral Behavior of a Derailed Train due to Friction between Wheels and Ground

운행속도 300 km/h일 때 탈선 초기각도별 충돌하중을 Fig. 9에 충돌장면과 함께 나타내었다. 초기각도 1.0° (Fig. 9a)의 경우와 같이 충돌하중이 연속적으로 나타나나, 본 해석조건에서의 모든 경우가 최초의 충돌하중이 최댓값을 나타내기 때문에 설계 측면에서 최초의 충돌하중만을 분석에 고려하였다.

Fig. 9

Impact Force (300 km/h)

Fig. 10은 탈선 초기각도에 따른 충돌하중을 운행속도별로 나타낸 것으로, 초기각도가 증가함에 따라 충돌하중의 크기도 증가하는 것을 볼 수 있으며 동일한 초기각도에서 열차속도가 증가함에 따라 충돌하중의 크기도 증가하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 10

Impact Force w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 11은 탈선 초기각도에 따른 충돌하중의 증가비를 운행속도별로 나타낸 것으로, 초기각도가 증가함에 따라 충돌하중의 증가비는 속도가 작을 경우 민감하게 나타났다. 고려된 가장 저속 170 km/h의 경우 초기각도가 1.0°에서 2.0°로 증가함에 따라 충돌하중은 약 27.4 % 증가하는 것으로 나타났다. 첫 번째 충돌조건(Condition 1; 입사각도와 속도방향 동일)에서는 속도가 클 경우에 초기각도 증가에 따른 충돌하중의 증가비가 민감하게 나타났으나(Fig. 5), 본 충돌조건(Condition 2)에서는 그 경향이 반대로 나타났다. 이는 차륜과 지면과의 마찰에 의한 거동에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 11

Ratio of Impact Force w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 12는 열차속도에 따른 충돌하중을 탈선 초기각도별로 나타낸 것으로, 열차속도가 증가함에 따라 충돌하중의 크기도 증가하는 것을 볼 수 있으며 동일한 열차속도에서 초기각도가 증가함에 따라 충돌하중의 크기도 증가하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 12

Impact Force w.r.t Train Velocity

Fig. 13은 열차속도에 따른 충돌하중의 증가비를 탈선 초기각도별로 나타낸 것으로, 열차속도가 증가함에 따라 충돌하중의 증가비는 초기각도가 작을 경우 민감하게 나타났다. 고려된 가장 작은 초기각도 1.0°의 경우 열차속도가 170 km/h에서 300 km/h로 증가함에 따라 충돌하중은 약 29.3% 증가하는 것으로 나타났다. 이 또한 첫 번째 충돌조건(Fig. 5)과 반대의 경향으로 차륜과 지면과의 마찰에 의한 거동에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 13

Ratio of Impact Force w.r.t Train Velocity

Fig. 14는 탈선 초기각도에 따른 충돌까지의 시간을 열차속도별로 나타낸 것으로, 초기각도가 증가함에 따라 충돌까지의 시간은 감소하는 것을 볼 수 있다. 충돌까지의 시간이 감소한다는 것은 탈선열차가 횡방향(벽 방향)으로 이동하는 속도가 빠르다는 것을 나타낸다. 동일한 초기각도에서는 열차속도가 낮을수록 충돌하중까지의 시간이 감소한다.

Fig. 14

The Time until Impact w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 15는 열차속도에 따른 충돌까지의 시간을 탈선 초기각도별로 나타낸 것으로, 열차속도가 증가함에 따라 충돌까지의 시간도 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 탈선열차가 횡방향으로 이동하는 속도가 느리다는 것으로, 열차속도의 방향이 궤도방향이기 때문에 열차속도가 빠를수록 종방향(직진성)으로의 속도가 지배적이어서 횡방향 이동속도가 느리고, 열차속도가 느릴수록 차륜과 지면과의 마찰력 영향을 상대적으로 크게 받아 횡방향 이동속도가 빠른 것으로 판단할 수 있다. 동일한 열차속도에서는 탈선 초기각도가 클수록 충돌하중까지의 시간이 감소한다.

Fig. 15

The Time until Impact w.r.t Train Velocity

Fig. 16은 탈선된 열차의 횡방향 변위 및 충돌하중을 시간에 따라 탈선 초기각도별로 나타낸 것으로, 모든 열차속도에서 탈선 초기각도가 작을수록 충돌까지의 시간이 증가(횡방향 이동 속도 감소)하는 것을 쉽게 볼 수 있으며, 충돌하중은 감소하는 경향을 볼 수 있다.

Fig. 16

Lateral Displacement and Impact Force w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 17은 탈선된 열차의 횡방향 변위 및 충돌하중을 시간에 따라 열차속도별로 나타낸 것으로, 모든 탈선 초기각도에서 열차속도가 증가할수록 충돌까지의 시간이 증가(횡방향 이동 속도 감소)하는 것을 쉽게 볼 수 있으며, 충돌하중 또한 증가하는 경향을 볼 수 있다.

Fig. 17

Lateral Displacement and Impact Force w.r.t Train Velocity

4. 결론

본 논문에서는 기 검증⋅개발된 탈선-충돌 해석모델을 이용하여 열차의 탈선 발생 이후 충돌해석 조건의 차이에 따른 탈선열차와 방호시설물과의 충돌거동을 분석하였으며 아래와 같은 결론을 도출하였다.

  • (1) 일반적인 차량 충돌해석 방법(입사각도와 속도의 방향 동일)과 달리 탈선열차의 충돌해석에서는, 열차속도는 궤도 길이방향으로 진행하고 초기 탈선 시의 각도(초기각도)에 의한 차륜과 지면의 마찰에 의해 궤도 횡방향 거동 발생을 모사함으로써 다수의 후속객차가 연결되어 있는 실제적 열차조건을 고려할 수 있다.

  • (2) 국내 방호시설 조건 고려 시, 탈선 초기각도 및 열차속도가 증가함에 따라 시설물과의 충돌하중 크기도 선형 비례적으로 증가한다. 초기각도에 따른 충돌하중의 증가비는 속도가 작을 경우 민감하며, 열차속도에 따른 충돌하중의 증가비는 초기각도가 작을 경우 민감하다. 이러한 민감도 경향은 차륜과 지면과의 마찰에 의한 거동에 영향을 받는다.

    - 열차속도 170 km/h일 때 초기각도 1.0에서 2.0°로 증가 시, 충돌하중 약 27.4% 증가

    - 초기각도 1.0°일 때 열차속도 170에서 300 km/h로 증가 시, 충돌하중 약 29.3% 증가

  • (3) 충돌까지의 시간은 차륜과 바닥의 마찰에 의존하며, 탈선 초기각도가 증가함에 따라 충돌까지의 시간이 감소(횡방향 이동 속도 증가)하고, 열차속도가 증가함에 따라서는 충돌까지의 시간이 증가(횡방향 이동 속도 감소)한다. 이는 열차속도가 느릴수록(직진성 감소) 차륜과 지면과의 마찰력 영향을 상대적으로 크게 받아 횡방향 이동속도가 빠른 것으로 판단할 수 있다.

  • (4) 추후 열차의 실제 탈선거동을 최대한 모사하기 위해서는 레일 상에서의 탈선거동 모사에 따른 차륜 낙하에 의한 심층적 충돌거동 고려가 필요하다.

  • (5) 본 논문의 결과를 토대로 탈선열차의 방호 메커니즘 및 시설물과의 충돌 시뮬레이션 기법을 구축하여 차후 다양한 시설조건(교량, 토공, 인접교통 등)에 대한 탈선 안전성 평가의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 철도기술연구사업의 연구비지원(16RTRP-B122273-01)에 의해 수행되었습니다.

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Fig. 1

Model Concept of KTX

Fig. 2

Geometric Conditions of Derailment ContainmentWall on the High-speed Railway Bridge in Korea

Fig. 3

Contact Conditions between Train and Structure

Table 1

Contact Conditions between Train and Structure

Contact Condition Contact Condition
 Wheel ~ Concrete Slab (Surface to Surface)  Fstat.= 0.55 / Fdyn.= 0.45 
Train ~ Structure (Surface to Surface) Fstat.= 0.0 / Fdyn.= 0.0

Fig. 4

Collision Analysis Conditions

Fig. 5

Impact Force w.r.t Incident Angle

Fig. 6

Initial Derailment Angle

Fig. 7

Critical Initial Derailment Angle According to Geometric Condition

Table 2

Parameters of Collision Simulation for Condition 2

Parameter Range
 Initial Derailment Angle (deg.)  1.0, 1.5, 2.0
Train Velocity (km/h)  170, 230, 300 

Fig. 8

Lateral Behavior of a Derailed Train due to Friction between Wheels and Ground

Fig. 9

Impact Force (300 km/h)

Fig. 10

Impact Force w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 11

Ratio of Impact Force w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 12

Impact Force w.r.t Train Velocity

Fig. 13

Ratio of Impact Force w.r.t Train Velocity

Fig. 14

The Time until Impact w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 15

The Time until Impact w.r.t Train Velocity

Fig. 16

Lateral Displacement and Impact Force w.r.t Initial Derailment Angle

Fig. 17

Lateral Displacement and Impact Force w.r.t Train Velocity