Heuristic Decision Method를 이용하여 구조물-궤도 종방향 상호작용 및 구조물-차량 상호작용을 고려한 고속철도 교량의 신뢰성 최적설계 기법 개발

임영록 한국방재학회 2010 한국방재학회논문집 Vol.10 No.3

In this study, it is suggested that it has to reliability-based design methodology with respect to bridge structure-rail longitudinal interaction and bridge structure-vehicle interaction. For the structural analysis, commercial package, ABAQUS, are used for a three-dimensional finite element analysis. The optimization process utilizes a well-known optimizer, ADS(Automated Design Synthesis). Optimization technique is utilized the ALM-BFGS method for global area search and Golden Section Method for 1-D search. In general, ALM-BFGS method don't need the 1-D search, and that algorithm converge a 0.1~0.2 of Push-Off factor. But in this study, value of Push-Off factor is used 90, therefore 1-D search should be needed for effective convergency. That algorithm contains the "heuristic decision method". As a result of optimum design of 2-main steel girder birdge with 5×(1@50m), design methodology suggested in this study was demonstrated more economic and efficient than existing design and LCC optimization not considering bridge-rail longitudinal interaction and bridge-vehicle interaction. 본 연구에서는 교량 구조물-궤도 종방향 상호작용, 교량 구조물-차량 상호작용을 고려한 신뢰성 최적설계 방법을 제안하고, 알고리즘의 개발을 통하여 본 연구에서 제안한 방법의 효율성을 검증하였다. 구조해석 프로그램은 ABAQUS를 사용하였으며, 최적화 방법은 Automated Design Synthesis(ADS)에서 신뢰성면에서 우수한 ALM-BFGS방법을 사용하였다. 일반적으로 ALM-BFGS방법은 최적해 방향을 탐색하는데 있어 1방향 탐색을 하지 않으며 Push-Off Factor 값이 보통 0.1~0.2에서 대부분 수렴하나 본 연구에서는 ‘Heuristic Decision Method’에 의하여 결정된 Push-Off Factor 값이 90일 때 1방향 탐색인 Golden Section Method의 적용이 필요하였으며, 알고리즘이 잘 수렴함을 확인하였다. 구조물-궤도 종방향 상호작용, 구조물-차량의 상호작용에 의한 응답을 제약조건으로 설정하여 단면 설계시 반영될 수 있도록 하였다. 본 연구는 구조물-궤도 종방향 상호작용 및 구조물-차량 상호작용을 고려한 설계기법에 대한 효율성 및 경제성을 증명하기 위하여 5×(1@50m) 2주형 강합성 거더교에 대한 최적설계를 수행하였으며, 본 연구에서 제안하는 상호작용을 고려하는 설계기법이 기존의 상호작용을 고려하지 않은 설계방법보다 경제적이며 효율적임을 확인하였다.

P-FIT 궤도의 교량구간 자갈궤도 개량을 위한 차량-궤도 상호작용 해석

장동두,강윤석,이찬영,권세곤,윤병현 한국도시철도학회 2022 한국도시철도학회논문집 Vol.10 No.2

P-FIT track is a track system developed so that it can be constructed 20m a day within the cut-off time in order to improve a ballast track into a concrete track to solve the inherent problems of a ballast track. This study investigates the dynamic stability of the P-FIT track in a bridge section through the train-track interaction analysis. At first, the number of elastic pads supporting the panel is determined, and then track supporting stiffness ratio in a transition section is calculated and modified by replacing the rail fastener of transition section in order to satisfy the relevant standard. At the end, the dynamic stability of the P-FIT track in a bridge section is validated. P-FIT 궤도는 자갈궤도를 콘크리트궤도로 개량하여 생력화하기 위해 차단시간 내 일 20m 부설할 수 있도록 개발한 궤도시스템이다. 본 연구에서는 교량 상 자갈궤도를 P-FIT 궤도로 개량하는 데 있어 그 적용성을 검토하였다. 이를 위해 차량-궤도 상호작용 해석을 수행하여 열차의 주행안전 및 궤도의 사용성을 검토하였다. 먼저 P-FIT 단위 패널의 탄성받침 개수를 산정하고 다음으로 자갈궤도-개량궤도 접속구간 궤도지지강성계수비를 검토하였으며, 접속구간 레일체결장치 교체를 통해 관련 기준을 만족하도록 하였다. 최종 설계안에 대한 차량-궤도 상호작용 해석 결과 주행 중 동적안정성과 관련하여 모든 검토항목을 만족하는 것으로 나타났다.

레일 파단시 장대레일 개구부에서의 궤도-차량 동적상호작용

강윤석(Kang Yun Suk),강영종(Kang Young Jong),양신추(Yang Shin Chu) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 D Vol.28 No.6D

장대레일은 동절기에 중위온도 이하로 떨어져 레일의 인장파단에 의해 개구부가 발생할 수 있다. 레일 파단을 미리 감지 못하는 경우에 개구부에서 동적하중에 의해서 차륜과 레일의 파손이 발생할 수 있으며, 열차주행 안전성이 감소될 수 있다. 본 연구에서는 개구부에서의 궤도와 차량의 동적거동 분석을 위해 레일 파단시 개구부에서의 궤도와 차량의 상호작용을 고려한 동적해석모델을 제안하였다. 궤도와 차량의 선형시스템은 비선형 헤르찌안 접촉 스프링에 의해 연성되었으며 전체 궤도-차량 시스템 운동방정식을 정식화하였다. 그리고 개구부에서의 상호작용 현상을 고려하여 궤도 불균일부의 함수를 정의하고 개구부에서의 전후방 레일 사이의 개구량을 고려하였다. 비선형 방정식을 풀기위해 동적해석은 Newmark-β 방법에 의해 수행되었다. 그리고 차량속도, 개구량, 레일지지강성에 따른 매개변수에 대한 궤도-차량의 동적상호작용해석을 수행하였고 변수에 대한 영향을 분석하였다. CWR (Continuous Welded Rail) may be broken when a temperature drop below the neutral temperature changes in axial force, causing tensile fracture and rail gap, in winter. Rail-breaks may lead to the damage of the rail and wheel by dynamic load, and the reduction of running safety if not detected before the passage of a train. In this study, the track and train coupled model with open gap for dynamic interaction analysis, is proposed. Linear track and train systems is coupled by the nonlinear Herzian contact spring and the complete system matrices of total track-train system is constructed. And the interaction phe?nomenon considering open gap, was defined by assigning the irregularity functions between the two sides of a gap. Time history analysis, which have an iteration scheme such as Newmark-β method based on Modified Newton-Raphson methods, was performed to solve the nonlinear equation. Finally, numerical studies are performed to assess the effect of various parameters of system, apply to various speeds, open gap size and the support stiffness of rail.

레일 개구부에서의 궤도-차량 상호작용에 대한 연구

강윤석,강영종,양신추,조선규,한상윤,Kang, Yun Suk,Kang, Young Jong,Yang, Shin Chu,Cho, Sun Kyu,Han, Sang Yun 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.4

장대레일은 동절기에 기온하강으로 인한 인장력을 발생하는데 중위온도 이하로 떨어져 파단이 발생되면 인장파단과 레일 간에 틈이 발생되며 이를 개구부라 한다. 이 개구부를 차륜이 통과하면 충격하중이 발생하며, 큰 손실이 발생할 수 있는 열차탈선이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 동적해석을 위해 개구부를 가진 궤도와 차량의 상호작용을 고려한 동적해석모델을 제안하였다. 궤도와 차량의 선형시스템은 비선형 헤르찌안 접촉 스프링에 의해 연성되었으며 전체 궤도-차량 시스템 운동방정식을 정식화하였다. 그리고 개구부에서의 상호작용 현상을 고려하여 궤도 불균일부의 함수를 정의하고 개구부에서의 전후방 레일 사이의 개구량을 고려하였다. 비선형 방정식을 풀기위해 동적해석은 수정된 Newton-Raphson 방법에 근거한 Newmark - $\beta$ 방법에 의해 수행되었다. 그리고 차량속도, 개구량, 레일지지강성에 따른 매개변수를 조건으로 수치해석을 수행하였다. During winter, the CWR (continuous welded rail) may be broken when a temperature drop below the neutral level changes the axial force, causing tensile fracture and creating a rail gap. The passage of a train on a rail with an open gap may lead to very costly derailments. In this paper, the use of a track-and-train-coupled model whose rail has an open gap is proposed for dynamic interaction analysis. Linear track and train systems were coupled in this study by a nonlinear Herzian contact spring, and the complete system matrices of the total track-train system were constructed. Moreover, the interaction phenomenon considering the presence of an open gap in the rail was toughly defined by assigning the irregularity functions between the two sides of the gap. Time history analysis, which has an iteration scheme such as the Newmark-$\beta$ method (based on the Modified Newton-Raphson methods), was conducted to solve the nonlinear equation. .Finally, numerical studies were conducted to assess the effect of the various parameters of the system when applied to various speeds, open-gap sizes, and support stiffnesses of the rail.

교량-궤도 종방향 상호작용 및 동적영향을 고려한 고속철도 교량의 최적설계

임영록,임석빈,박광영 한국방재학회 2010 한국방재학회논문집 Vol.10 No.6

Recently, high-speed railway systems have gained increased interest as a means of environmental friendly transportation, and numerous bridges for high-speed railways have been constructed accordingly. However, bridge design for high-speed railways requires more consideration than conventional railway design because fast-moving trains will lead to significant impact on bridge structures. Thus, this research proposes a revised design considering both bridge-rail longitudinal interaction and dynamic effect of trains to ensure stability of fast travelling trains. To validate the proposed design algorithm, numerical analyses are performed and compared using a constructed 250m long bridge with 5 spans for a high-speed railway. From the numerical results, the proposed optimum design of high-speed railway bridges exhibits the most economic life-cycle-cost (LCC) when compared with several existing design approaches. 최근 친환경 운송수단인 고속철도에 대한 관심이 증가하고 있으며, 그에 따른 고속철도 교량이 많이 건설되고 있다. 하지만 기존의 일반 철도 교량에 비해 고속철도 교량은 고속주행하는 열차의 동적 하중에 의한 영향이 증가하게 되므로, 이에 대한 고려가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고속주행하는 열차의 주행 안정성을 확보하기 위해 고속철도 교량의 구조물-궤도 상호작용 및 동적 안전성을 동시에 고려하여 설계하는 방법을 제안하였고, 제안한 알고리즘의 효율성을 입증하기 위하여 기존의 재래식 설계에 의하여 설계, 시공되어진 단순 5경간 250m 교량을 대상으로 수치해석을 수행하여 비교하였다. 수치해석 결과, 교량-궤도 상호작용 및 교량-차량 상호작용을 동시에 고려한 최적설계가 기존의 제안된 여러 설계 방법들과 비교했을 때, 최적화의 목적함수로 설정한 생애주기비용이 가장 경제적임을 확인하였다.

궤도불규칙성에 의해 발생하는 복선고속철도교량의 충격응답에 관한 연구

송명관(Song Myung-Kwan) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.1A

본 연구에서는 교량-열차 상호작용을 고려한 고속철도교량의 3차원 유한요소 해석모델을 이용하여 고속열차가 복선궤도를 주행할 때 발생하는 고속철도교량의 충격응답에 관해 연구한다. 이 3차원 유한요소 해석모델에서는 고속철도교량의 각 구조 부재들을 모형화하기 위해서 개선된 다양한 유한요소들을 사용하였고, 특히,6자유도를 갖는 비적합 평면쉘 유한요소를 사용하여 박스형태의 교량상판을 모형화하였다. 이매개변수를 갖는 Winkler 탄성지반상의 보유한요소를 사용하되, 보절점 오프셋(offset) 개념을 적용하여 궤도구조물을 모형화하고, 관절형 대차시스템이 도입된 고속열차의 모형화를 위한 관절형 열차모형을 이용하였다 라그랑쥐 운동방정식을 이용하여 교량-열차 시스템의 운동방정식을 정식화하였다. 그리고, 교량-열차 상호 작용을 고려하여 교량 상에 작용하는 하중의 방정식을 유도함으로써, 교량-열차 전체 시스템의 완전한 시스템 행렬의 구성이 가능하다. 제안된 해석알고리즘을 이용하여 고속열차가 복선궤도를 주행할 때 궤도불규칙 정도에 따라 발생하는 고속철도교 량의 충격응답에 대해 고찰한다. In this study, the impact response of high-speed railway bridges due to trains on double tracks is investigated by using the 3-dimensional finite element analysis model of railway bridges considering high-speed train-bridge interaction. In the 3-dimensional finite element analysis model, the bridge deck of a railway bridge is modeled by the NFS (Nonconforming Flat Shell) elements with 6 degrees of freedom. And, track structures are idealized by using beam finite elements with the offset of beam nodes and those on two-parameter elastic foundation. The vehicle model devised for a high-speed train is employed, which has an articulated bogie system. By Lagrange's equations of motion, the equations of motion of the vehicle-bridge system can be formulated. In addition, by deriving the equations of the forces acting on the bridge considering the vehicle-bridge interaction forces, the complete system matrices of total vehicle-bridge system can be constructed. By using the proposed analysis algorithm, the impact response of high-speed railway bridges due to trains on double tracks as the degree of track irregularities is studied only through numerical analyses.

차량/궤도 상호작용해석을 통한 고속철도 콘크리트궤도 레일의 피로수명 예측

임형준(Lim, Hyoung-Jun),성덕룡(Sung, Deok-Yong),박용걸(Park, Yong-Gul) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 D Vol.32 No.6D

철도노선에 콘크리트궤도가 본격적으로 적용되고, 승차감 향상 및 고속화와 궤도유지보수비용 저감을 위해 장대레일의 수요가 급증하고 있다. 그러나 국내의 콘크리트궤도 현장 적용년수가 길지 않아 실제 현장에서 반복적인 열차하중을 받아 장대레일이 파단된 사례가 현재까지 없기 때문에 실제 현장 데이터를 이용하여 장대레일의 수명을 예측하고 교체주기를 산정 하는 것은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 차량/궤도 상호작용해석을 통해 레일에서 발생하는 응력을 검토하여 그 해석결과 값에 대해 중회귀분석을 수행하여 운행속도와 표면요철에 따른 레일 휨응력 예측식을 도출하였다. 최종적으로 산정된 예측식을 이용하여 콘크리트궤도 장대레일의 피로수명을 예측하였다. The demand of CWR is rapidly increasing because of the adaptation of concrete track, the need for rapid and comfortable ride, and the reduction of maintenance cost. Because of short applying period of the concrete track, there is not a case of CWR fracture in Korea caused by repeated load of the train, which makes it difficult to calculate replacement period of rail based on rail fatigue life using an actual field data. This study thus inspected the bending stress at rail bottom through analyzing the vehicle/track interaction, performed multiple regression analysis on the data, deducted the bending stress prediction equations by the speed and the surface irregularity. Finally, the fatigue life of CWR on the concrete track was predicted based on the prediction equations for bending stress at rail bottom.

고속철도 교량의 동특성 해석을 위한 준3차원 차량/궤도/교량 상호작용 해석기법의 개발

김만철 한국전산구조공학회 2003 한국전산구조공학회논문집 Vol.16 No.2

철도교량은 차량과 교량의 상호작용에 의해 유발되는 동하중을 받고 있다. 이러한 동적인 효과는 교량 각 부재에 충격과 피로를 유발하고, 교량의 잔존수명에 영향을 미치게 된다 따라서 수치적 또는 시험적 방법에 의한 교량의 실제적인 동적 거동을 분석하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 KTX 차량의 주행에 따른 교량의 동적 특성을 구조적 안전성, 주행 안전성 및 승차감 측면에서 평가할 수 있는 차량/궤도/교량 상호작용 해석프로그램을 개발하였다. 차량/궤도/교량의 실질적인 모델링을 위하여 차륜/레일 접촉 모델링을 위한 헤르찌안 스프링 및 도상에 대한 윈클러 요소를 적용하였다. 또한 개발 프로그램은 준3차원해석으로 차량의 복선제도 주행에 따른 3차원 편심 효과를 고려하기 위해 비톤 자유도 및 기하학적인 관계에 따른 제약조건식을 사용하였다. 개발프로그램의 검증을 위해서 고속철도교량중 가장 일반적인 형식인 PSC 박스교(2@40m=80m)에 대해 수치해석결과 및 계측시험 결과를 비교하였다. Railway bridges are subject to dynamic loads generated by the interaction between moving vehicles and the bridge structures. These dynamic loads result in response fluctuations in bridge members. To investigate the real dynamic behavior of the bridge, therefore, a number of analytical and experimental Investigations should be carried out. In this paper, a train/track/bridge interaction analysis program for evaluating the dynamic characteristics of bridges due to KTX operation in terms of structural safety, operational safety and passenger comfort is developed. To build a practical model of train/track/bridge, Hertzian spring for wheel/rail contact modeling and Winkler element for ballast are applied. This program also used torsional degree of freedom and constraint equation based on geometrical relationship in order to take into consideration three-dimensional eccentricity effect due to the operation on double track through quasi-three dimensional analysis. To verify the developed Program, comparison has been made between the measured results and those of simulation of the typical PSC box bridge(2@40m=80m) of the KHSR bridges.

국내 일반철도 레일연마에 따른 레일피로수명 평가

성덕룡(Deok-Yong Sung),박용걸(Yong-Gul Park),서종민(Jong-Min Seo),김만철(Man-Cheol Kim),배호석(Ho-Seok Bae) 한국철도학회 2014 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.10

본 연구에서는 국내 일반철도 새마을호 동력차 및 궤도조건을 고려한 차량/궤도 상호작용해석을 수행하였다. 레일표면요철에 따른 레일휨응력을 분석하였고, 레일 휨응력 예측식을 도출하였다. 또한, 일반철도 레일강의 S-N선도를 이용한 피로해석을 수행하였다. 파괴확률에 따른 레일피로수명을 산정하였고, 레일연마에 따른 레일표면요철 삭정 및 레일휨응력 저감효과를 고려한 레일피로수명 평가를 수행하였다. 따라서, 국내 일반철도에서 레일연마 시행방법에 따른 레일피로수명을 평가하여 제시하였다. In this study, vehicle/track interaction analysis by the Saemaul powered vehicle were carried out. The prediction equation for the bending stress of rail was estimated using the rail bending stress by the rail surface irregularities at welds. Also, the fatigue analysis using a S-N curve of welds in the conventional railway was carried out. We estimated the fatigue life of CWR by the fracture probability. By the rail grinding, the fatigue life of CWR was evaluated in consideration to reduce the rail bending stress through removing the rail surface irregularities. Therefore, it presented the fatigue life of CWR according to the rail grinding execution plan in the conventional railway.

콘크리트궤도 부설 교량의 접속슬래브 단부 처짐한도에 관한 연구

최진유(Jin-Yu Choi),양신추(Shin-Chu Yang) 한국철도학회 2008 한국철도학회논문집 Vol.11 No.2