미래 기후변화 시나리오를 반영한 철도 분기기 구간의 축력 해석 및 좌굴 안정성 평가 = Axial force and buckling analysis of railway switch under future climate change scenario

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화로 인한 전 세계적인 기온 상승은 철도 인프라의 안정성에 중요한 영향을 미치고 있으며, 특히 강재로 구성된 장대레일(Continuous Welded Rail, CWR) 시스템에서 온도 변화는 구조적 거동을 좌우하는 핵심 요인으로 작용한다. 대기온도가 상승하면 레일 온도 또한 증가하게 되며, 이 과정에서 열팽창이 구속된 레일 내부에는 압축력이 누적된다. 이러한 축력은 임계값을 초과할 경우 레일 좌굴(Buckling)을 유발하여 열차 운행 안전성을 심각하게 저해할 수 있다. 기존 연구들은 주로 직선궤도에서의 열좌굴 메커니즘을 다루었으나, 철도 분기기(Switch) 구간은 단면 변화, 구조적 불연속성, 체결장치 구성 차이 등으로 인해 축력 전달 양상이 일반 궤도와 다르며 더욱 복잡한 거동을 나타낸다. 분기기 구간에서는 기본레일과 리드레일 간의 상호작용, 안티크리퍼를 포한 구속요소의 존재로 인해 동일한 온도 조건에서도 축력이 균일하게 분포하지 않는다. 특히 힐부(Heel)에서 축력 집중이 발생할 가능성이 높고, 이로 인해 일반 직선 구간과 비교하여 상대적으로 큰 부가축력이 형성될 수 있다. 기후변화로 인한 고온 현상이 빈번해질 것으로 전망되는 가운데, 설계 시 고려된 기준 레일온도 범위가 미래 환경을 충분히 반영하지 못할 가능성이 존재하며, 이는 분기기 구간의 좌굴 안정성에 대한 재평가 필요성을 시사한다. 본 연구에서는 유한요소해석 프로그램을 사용하여 미래 기후변화 시나리오를 반영한 레일온도 변화량을 변수로 분기기 구간의 축력해석을 수행하고 좌굴안정성을 평가하였다. 현재와 비슷한 수준의 안전마진을 가지기 위한 필요 도상 횡저항력을 산정하였고, 추가적으로 설정온도 조정에 따라 필요 도상 횡저항력의 변화 검토를 수행하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• 표 목차 ⅲ
• 그림 목차 ⅳ
• 국문 요지 ⅵ
• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 4
• 1.3. 연구 개요 6
• Ⅱ. 배경 이론 7
• 2.1. 장대레일 7
• 2.2. 분기기 13
• Ⅲ. 분기기 구간의 해석모델 정립 및 검증 18
• 3.1. 분기기 구간 해석모델 정립 18
• 3.1.1. 해석 대상 분기기 구간 개요 18
• 3.1.2. 분기기 구간 축력해석 모델 개념 검증 26
• 3.2. 분기기 해석모델 29
• 1) #8 분기기 해석모델 29
• 2) #15 분기기 해석모델 30
• Ⅳ. 미래 기후변화를 고려한 온도해석 변수 설정 31
• 4.1. 미래 기후변화를 고려한 레일온도 변화량 31
• 4.2. 온도 변수 설정 38
• Ⅴ. 분기기 구간 해석 및 안정성 평가 41
• 5.1. 축력 해석 결과 41
• 5.1.1. #8 분기기 해석모델 축력 해석 결과 41
• 5.1.2. #15 분기기 해석모델 축력 해석 결과 49
• 5.2. 좌굴 안정성 평가 57
• 5.2.1. #8 분기기 해석모델 해석 결과에 따른 좌굴 안정성 평가 59
• 5.2.2. #15 분기기 해석모델 해석 결과에 따른 좌굴 안정성 평가 62
• 5.3. 설정온도 조정에 따른 SSP 시나리오 별 필요 도상 횡저항력 변화 검토 69
• 5.3.1. #8 분기기 해석모델 변화 검토 70
• 5.3.2. #15 분기기 해석모델 변화 검토 78
• VI. 결론 87
• □ 참고문헌 89
• □ Abstract 93