차체길이 조정을 통한 고속철도 교량의 진동저감기술에 관한 연구

Abstract

고속열차가 주행하는 교량에서는 열차 축중의 주기적인 타격에 의해 교량에 공진현상으로 과도한 진동이 발생할 수 있다. 한국 경부고속선의 경우, 교량 연장이 전체 연장의 약 37%를 차지하고 있어 이러한 과도한 진동으로 인해 해마다 많은 유지보수비용이 투입되고 있다. 이에 한국에서는 고속철도교량의 과도한 진동을 줄이는데 많은 관심이 집중되어 왔고, 지난 수 년동안 교량을 변경하는 등 교량에의 접근을 통한 많은 진동저감 연구가 수행되어져 왔다. 본 논문에서는 기존 KTX 열차 배열에 일부 차량의 차체 길이 조정을 통한 차량에의 접근을 통한 새로운 교량 진동저감방안을 제시하였는데, 길이조정 차량이 기존 열차 축중의 주기적인 타격에 일시적으로 위상차를 발생시킴으로써 공진현상을 억제하는 방안이다. 본 논문에서 제안한 진동저감 방안의 검증을 위하여 열차 이동하중 하에 교량의 동적 응답을 이론 및 수치 해석적 연구와 $\frasl{1}{100}$ 축소모형을 이용한 실험적 연구를 수행하였다. 유도한 닫힘 형식의 단순 및 2지간 연속교량 응답 이론해와 수치해석을 통하여, 길이조정 차량의 위치 및 차체길이별 교량 경간 중앙부에서의 수직 처짐과 가속도, 모멘트를 산정하여 진동저감효과를 분석하였다. 기존 차체길이의 $\frasl{1}{2}$ 크기 축소모형차량을 이용한 열차-교량 축소모형실험을 동일한 해석 Case에 대하여 수행하였고 진동저감 경향을 분석하였다. 이러한 이론/수치 해석적 및 실험적 연구를 통하여 제안된 교량진동저감 방안이 매우 효과적인 것으로 나타났다. 한편, KTX 열차는 20량 1편성으로 차량과 차량사이 연접대차로 연결되어 긴 배열을 이루고 있는 관계로, 개통 초기 KTX열차 후미차량이 기준치 이상으로 횡거동하는 현상이 나타나는 등 열차의 길이 조정은 이와 같은 열차주행 안정성 문제와 직결된다. 이에 본 논문에서 제안한 교량진동저감 방안인 차량의 차체 길이 조정으로 인해 야기될 수도 있는 열차 후미차량의 주행 안정성 문제를 차량 동역학 범용 프로그램인 VAMPIRE를 이용, 교량 해석시와 동일한 Case별 후미 차량의 횡방향 및 수직방향 가속도를 산정하여 검토하였다. 해석 결과, 제안된 방안이 오히려 열차 후미차량의 횡방향 및 수직방향 가속도 저감에도 효과가 있는 것으로 나타나, 본 논문에서 제안한 방안은 교량 진동저감뿐만 아니라 열차주행 안정성 향상에도 도움이 되며 나아가 교량의 유지보수비 및 교량 설계기준 완화에 따른 슬림화로 교량 건설비 절감에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.