열차 증속에 따른 콘크리트 궤도 노반의 동적 응력 변화

Abstract

보다 빠른 교통 수단에 대한 사회적 관심이 현재 운영 중인 KTX의 운행속도인 350km/h을 넘어서는 고속 열차의 운행을 요구하고 있다. 본 연구에서는 콘크리트 궤도 구조물에서 열차 속도 변화에 따른 노반 변위의 변화양상을 추적하고 비선형적인 노반 응력 변화를 살펴보기 위해 유한요소해석을 실시하였다. 궤도-차량 상호작용을 간단한 형태로 고려하기 위해 이동 하중의 질점 시스템을 개발하였다. 열차 하중의 이동 속도를 100km/h에서 700km/h까지 변화시켜 결과를 얻었다. 열차 속도 증가에 따라 레일과 노반 변위는 비선형적으로 증가하였으나 뚜렷한 임계 속도 효과는 나타나지 않았다. 낮은 열차 속도 대역에서는 열차 속도보다 노반에서 에너지를 전달하는 탄성파 속도가 빠르다. 하지만 400km/h 이상의 열차 속도 대역에서는 열차 속도와 에너지 전달 속도가 거의 일치하였다. 열차 속도 증가에 따라 노반 응력 이력이 크게 변하며 경로 의존적인 토질 재료에서 상당한 크기의 소성 변형률이 예상된다. Societal interest on a faster transportation demands an increase of the train speed exceeding current operation speed of 350 km/h. To trace the pattern of variations in displacements and subsoil stresses in the concrete slab track system, finite element simulations were conducted. For a simple track-vehicle modeling, a mass-point system representing the moving train load was developed. Dynamic responses with various train speeds from 100 to 700 km/h were investigated. As train speeds increase the displacement at rail and subsoil increases nonlinearly, whereas significant dynamic amplification at the critical velocity has not been found. At low train speed, the velocity of elastic wave carrying elastic energy is faster than the train speed. At high train speed exceeding 400 km/h, however, the train speed is approximately identical to the elastic wave velocity. Nonlinearity in the stress history in subsoil is amplified with increasing train speeds, which may cause significant plastic strains in path-dependent subsoil materials.