Evaluation of Train Runnability on Bridges Considering Train/Track/Wind Interaction

Abstract

본 논문에서 차량/궤도/교량/바람 사이에서 발생되는 상호작용을 함께 해석할 수 있는 통합 framework을 제안하였다. 차륜과 레일에서 발생되는 접촉 현상을 반영하기 위해, 접촉 이론에 근거하여 접촉 위치, 크리피지, 그리고 접촉력을 계산하였다. Direct Stiffness Method (DSM)와 Mode Superposition Method (MSM)을 조합하여 3차원 궤도/교량 상호작용 및 궤도 동역학을 반영하였으며, 효율적이면서도 정확하게 윤중과 횡압을 산정할 수 있었다. 마지막으로 System Matrix Approximation (SMA) 방법을 MSM에 적용하여 교량과 풍하중 사이에 발생하는 주파수 의존적 공탄성 효과를 반영하였다. 제안된 방법은 상용 패키지인 VI-Rail, 그리고 기존 문헌과의 비교/검증을 통해 각 상호작용에 대해 개별적으로 타당성을 확인하였다. 국내 유일의 철도 케이블 교량인 영종대교를 대상으로 시뮬레이션하여 KTX 열차의 주행성을 평가하였다. 다양한 풍속과 열차 속도에 대한 case 분석을 통해, 가정된 조건과 판정 기준에 의거하여 임계속도를 제안하였다. 추가적인 매개변수 해석을 통해 영종대교를 주행하는 열차의 동적 거동에 영향을 줄 수 있는 인자들에 대해 고찰하였다. 열차의 주행성은 열차의 속도보다는 풍속의 증가에 훨씬 민감하게 반응하는 것을 확인하였다. 이는 열차가 달리고 있는 교량의 동적 거동이 열차에 가장 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 분석되었으며, 이에 따라 교량의 공탄성 효과는 반드시 반영되어야 함을 알 수 있었다.

A unified framework for the train/track/bridge/wind interaction was proposed under consideration of lateral action of wind. To reflect the contact phenomenon between wheel and rail, calculated were the contact positions, creepages and contact forces on the basis of the contact theory. By combining the Direct Stiffness Method (DSM) and Mode Superposition Method (MSM), track dynamics with 3-dimensional bridge interaction was applied with efficiency and accuracy for calculating both vertical and lateral wheelloads. Finally System Matrix Approximation (SMA) method was embedded into the MSM to reflect the aeroelastic effect in bridge/wind interaction. The validity of the proposed framework was confirmed by comparing its result to that of VI-Rail or previous study for each interaction step. With this framework, some case studies investigated the factors that can affect the running characteristics of train. The evaluation for safety and running behavior was performed as a target of KTX running through Yeongjong Bridge, and finally the critical wind velocity was suggested after analyzing the result for various wind and train velocities on the basis of the assumed conditions and criteria. As a result, the train runnability on the bridge under cross wind, was more susceptible to the variation of wind velocity than the train velocity, because the response of running train is closely related to the acceleration and displacement of bridge. Therefore the aeroelastic effect that determines the behavior of bridge under strong wind loads, needs to be included in the runnability evaluation inevitably.