1. 서론
자갈궤도에서는 자갈의 불균질성과 반복적인 열차하중으로 인해 침목저부 자갈이 파손 및 마모되어 침목저면과 자갈사이에 빈 공간이 생기는 뜬 침목 현상이 자주 발생한다. 이러한 뜬 침목 현상은 열차주행 시 국부적인 궤도틀림으로 인한 열차의 주행안전성 및 승차감을 저하시키고, 궤도구성품의 열화 및 손상을 촉진시킨다. 실제 뜬 침목을 대상으로 수행되는 현장재하시험은 재하하중 외의 다양한 조건과 인자들에 따라 실험 환경이 제한적이고, 실제 현장에서 뜬 침목이 발생한 구간을 정량적으로 나타내기에는 매우 어렵기 때문에 현장과 동일한 조건의 모형시험을 통해 상세하게 분석하는 것이 효과적이다. 또한, 현장에서는 뜬 침목개수 및 뜬 침목량에 대한 정량적 평가가 어렵기 때문에 실내시험을 통해 뜬 침목 개수 및 량에 따른 궤도의 정⋅동적거동 특성을 분석할 필요가 있다.
Ono et al.(2001), Bezin et al.(2009), Yang et al.(2012)는 실제 현장에서 발생한 뜬 침목에 대한 정량적 판단의 어려움으로 인해 해석적인 접근을 통해 뜬 침목에 대한 영향을 분석하였다. 또한, Ishida(1999), Park et al.(2008), Sung et al.(2010), Sung(2010), Lee(2005)는 해석적인 접근을 통해 뜬 침목 발생이 궤도지지강성 변화를 가져오고, 레일처짐의 증가로 인해 레일휨응력이 증가함에 따라 레일피로수명의 감소를 유발한다고 주장하였다.
따라서 본 연구에서는 뜬침목 현상을 정량화한 자갈궤도 시험체를 제작하였고, 정⋅동적재하시험을 수행하였다. 실내시험에서는 뜬침목개수 및 뜬침목량과 하중크기 및 하중진폭, 가진주파수 등의 주요 매개변수를 설정하여 매개변수에 따른 자갈궤도의 침목변위, 레일휨응력에 대한 거동특성을 분석하였다.
2. 실내시험
2.1 시험체 제작 및 시험방법
2.1.1 시험체 제작
시험체 제작은 뜬 침목을 정량화한 자갈궤도의 거동특성을 분석하기 위한 실험 목적에 부합되도록 하중 등 설계조건을 적용하여 궤도구조의 단면을 설계하였고, Table 1, Fig. 1과 같이 실내시험체를 제작하였으며, 침목간격 625 mm로 총 7개의 침목이 부설되도록 하였다. 또한, 국내 철도에서 대표적으로 사용하고 있는 e-clip 체결구를 적용하였으며, 60kg/m레일을 적용하였다.
2.1.2 하중재하조건
뜬 침목이 자갈궤도 거동특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 단계별 정적재하와 가진주파수 및 최대하중에 따른 동적가진시험을 실시하였다. 실내시험을 위한 하중조건은 Table 2와 같다.
Table 2
Conditions of Load Case
정적재하시험은 50 kN 단위로 증가시키면서 0∼250 kN까지 재하하였다. 동적가진시험은 KTX (축중 170 kN)와 축중이 큰 디젤열차(축중 220 kN)를 모델로 하였고, 열차속도는 일반철도 속도향상을 고려하여 최고속도인 230 km/h를 모델로 하여 가진주파수를 설정하였다. 또한, 레일표면요철 및 도상상태, 열차주행상태 등에 따라 변할 수 있는 동적증폭효과를 고려하여 설계축중을 Median Load로 하고 ±5%, ±15%, ±25%, ±35%, ±50%까지 최소∼최대하중을 변화시켜 궤도의 동적응답을 확인하고자 하였다(Sung et al.(2010)). 실내시험횟수는 각 Load Case별 2회씩 실시하였으며, 동적가진시간은 1∼2분 동안 가진하는 것으로 하였다. 동적가진시험은 Sine파형으로 가진을 하였고, Fig. 2는 실내시험 시 재하된 동적하중조건에 대한 하중파형을 나타낸다.
2.1.3 시험체 Case
본 연구에서는 실제 철도현장에서 발생하는 뜬 침목현상에 따른 자갈궤도의 거동특성을 실내시험으로 묘사하고자 하였으며, 뜬 침목 개수 및 뜬 침목량에 변화를 주어 궤도의 정⋅동적응답을 확인하고자 하였다. 뜬 침목 개수 및 뜬 침목량에 따른 실내시험체 Case는 Table 3과 같다. 시험체 및 하중재하지점의 제한된 조건으로 인해 뜬 침목개수는 2, 4개로 설정하였고, 뜬 침목량은 정량적인 평가를 위해 Fig. 3과 같이 자갈도상과 침목사이에 두께가 다른 합판을 삽입한 후 제거하는 방식으로 모사하여 정량적인 뜬 침목량을 적용하였다.
2.1.4 측정 항목 및 시스템 구축
본 연구에서는 침목과 침목사이 레일중앙에 하중재하지점을 설정하였고, 실내시험 시 계측항목은 Fig. 4, 5와 같이 침목변위, 레일휨응력으로 설정하였다. 실내시험 계측시스템의 개략적인 구성은 Table 4와 같고, 변위계 5개, 응력게이지 5개를 설치하여 하중재하에 따른 응답데이터를 수집하였다.
Table 4
Specifications of Measuring Equipment
3. 실내시험 결과 분석
3.1 정적재하시험 결과 분석
Fig. 8은 시험체 Case별 정적재하시험 시 발생한 레일휨응력(B3)과 침목변위(R3)를 종합하여 나타낸 결과이며, Fig. 9는 시험체 Case별 250kN 하중 작용 시 침목처짐(R1∼R5)을 나타낸 결과이다.
정적재하시험결과, 뜬침목이 없는 경우(Case I)에 비해 뜬침목이 발생한 경우 침목변위 및 레일휨응력이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 250 kN 하중 재하시 최대 변위량은 2.46 mm였기 때문에 뜬 침목량 5∼20 mm에 따른 변위차이는 매우 미소하였다. 즉, 하중조건에 따른 최대변위량 이상의 뜬 침목량이 발생할 경우에는 변위 및 응력에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한, 뜬침목이 없는 경우에 비해 2개의 뜬침목이 발생한 경우 레일휨응력은 약 16∼24% 증가하였으며, 4개의 뜬침목이 발생한 경우에는 70∼96% 증가하는 것으로 나타났다.
따라서 뜬 침목 개수가 증가함에 따라 궤도지지강성이 감소하고, 궤광의 강성이 유연해짐에 따라 정적응답이 크게 증가하게 되며, 뜬 침목 발생으로 인한 궤도지지강성 감소 및 레일처짐 증가는 레일휨응력을 크게 증가시켜 레일피로수명에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
3.2 하중조건에 따른 궤도의 동적응답 분석
3.2.1 하중크기 및 진폭의 영향
뜬 침목 유무 및 디젤열차와 KTX열차의 하중차이에 따른 레일휨응력의 영향을 분석하기 위해 Case I, Case III-4 시험체를 대상으로 170 kN과 220 kN을 기준으로 하중진폭을 달리하여 동적하중을 재하하였다. Fig. 10은 하중조건에 따라 R3지점에서 측정한 레일휨응력을 비교한 결과이다.
레일휨응력은 하중진폭이 증가함에 따라 증가하였으며, 하중크기에 비례하여 증가 추세를 보였다. 설정된 하중 170 kN과 220 kN의 비율이 약 29%이며, 하중진폭에 따라 다소 차이는 있으나 전체 하중진폭 영역에서 170 kN 재하시의 응답이 220 kN 재하 시의 응답에 비해 약 16~22%의 레일휨응력 차이를 나타내었다. 즉, 최대하중의 증가는 궤도동적응답을 선형적으로 증가시키는 것으로 분석되었다. 또한, 실제 운행하중 상태에서 하중진폭은 열차운행 및 궤도 상태에 의해 결정되는 요인으로 Fig. 10에 나타낸 것과 같이 동일한 조건에서 하중진폭이 증가할 경우 궤도동적응답도 비례하여 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 뜬 침목이 없는 경우(Case I)와 뜬 침목이 존재하는 경우(Case III) 모두 동일하게 나타났다.
3.2.2 고유진동수 분석 및 가진주파수의 영향
Fig. 11(a)는 시험체에 하중재하력장비(actuator)의 Quick- release 기능을 이용하여 동적가진 후 침목변위에서 발생하는 자유진동파형에 대하여 FFT (Fast Fourier Transform)분석을 실시한 결과 예시이며, (b)는 220 kN하중조건(22LC)에서 뜬 침목 유무에 따른 궤도의 고유진동수 값을 나타낸다. 또한, (c)는 뜬 침목이 존재하지 않는 Case I의 경우에 가진주파수 변화에 따른 레일휨응력 변화를 확인한 결과이다.
Fig. 11
Results of the FFT Analysis Using the Displacement of Sleeper and the Max. Stress of Rail According to the Dynamic Frequency Load
Fig. 11(a)로부터 뜬 침목이 존재하지 않는 Case I의 고유진동수가 약 40 Hz인 것으로 분석되었다. Fig. 11(b)에서와 같이 뜬침목이 존재할 경우 자갈궤도의 고유진동수는 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 뜬 침목 발생으로 인해 자갈궤도의 궤도지지강성이 감소하여 유연한 구조로 변화되면서 고유진동수가 감소한 것으로 판단된다. Fig. 11(c)에서와 같이 가진주파수가 증가하더라도 하중크기(17LC, 22LC) 만큼 레일휨응력 발생량도 일정한 크기를 유지하는 것으로 나타났다. 또한, 0∼25Hz까지 레일휨응력의 변화는 크지 않았으나, 고유진동수와 가진주파수가 일치해지는 30 Hz 이상의 범위에서는 레일휨응력이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 국내⋅외 주행열차의 가진주파수는 약 2∼5 Hz 대역이며, 가진주파수가 5 Hz 이상인 열차는 현재 국내 존재하지 않기 때문에 궤도에서 발생하는 공진으로 인한 궤도동적응답 증가는 고려하지 않아도 될 것으로 판단된다.
3.3 뜬 침목에 의한 자갈궤도의 동적응답 분석
뜬 침목개수 및 뜬 침목량에 따른 궤도의 동적응답 변화는 Fig. 12와 같다.
Fig. 12
Variation in the Max. Dynamic Response of the Test Pieces with Number of Loose Sleepers (17LC3)
Fig. 12에서와 같이 뜬 침목이 없는 경우에 비해 뜬 침목이 2, 4개 발생할 경우 침목변위는 각각 약 9∼18%, 약 63∼71% 증가하였으며, 레일휨응력은 각각 약 32∼45%, 약 110∼138% 증가하는 것으로 분석되었다. 또한, 뜬 침목량에 따른 궤도동적응답 변화를 분석한 결과, 뜬 침목량 5 mm 이상에서는 뜬 침목개수에 상관없이 침목변위는 큰 변화가 없었으며, 레일휨응력의 경우 뜬 침목량이 증가할수록 다소 증가하는 경향을 보였으나, 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 즉, 뜬 침목 개수 및 뜬 침목량이 증가함에 따라 자갈궤도의 동적응답은 증가하지만, 일정 크기 이상에서는 자갈궤도의 동적응답이 수렴하는 것으로 분석되었다.
4. 결론
본 연구에서는 자갈궤도에서 자주 발생하는 뜬 침목 현상에 대한 정량적인 평가를 위해 실내시험을 통해 뜬 침목을 모형화하고, 정⋅동적재하시험을 통해 뜬 침목이 자갈궤도 거동에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
(1) 최대하중의 증가는 궤도동적응답을 선형적으로 증가시키며, KTX열차와 Diesel열차의 하중크기 차이로 인한 자갈궤도의 동적응답은 약 16~22% 차이가 있는 것으로 분석되었다. 또한, 실제 운행하중 상태에서 하중진폭은 열차운행 및 궤도 상태에 의해 결정되는 요인으로 동일한 조건에서 하중의 진폭이 증가할 경우 궤도동적응답도 비례하여 증가하는 것으로 분석되었다.
(2) 뜬 침목이 2, 4개 발생한 경우, 뜬 침목이 없는 건전한 자갈궤도의 동적응답에 비해 침목변위는 각각 약 9∼18%, 약 63∼71% 증가하며, 레일휨응력은 각각 약 32∼45%, 약 110∼140% 증가하는 것으로 분석되었다.
(3) 뜬 침목 개수 및 뜬 침목량이 증가함에 따라 궤도지지강성이 감소하고, 궤광의 강성이 유연해짐에 따라 궤도의 정⋅동적응답이 크게 증가하게 된다. 즉, 레일의 휨강성으로 인해 일정 하중범위에서 발생하는 레일의 처짐 양이 정해지고, 그 범위가 뜬 침목량보다 작을 경우 뜬 침목량이 증가하더라도 침목변위 및 레일휨응력에 미치는 영향은 없다고 판단된다. 또한, 뜬 침목 개수가 증가함에 따라 레일처짐이 증가하게 되고, 이는 레일휨응력을 증가시켜 레일피로수명을 감소시키는 원인이 되기 때문에 뜬 침목에 대한 유지관리가 매우 중요하다.
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