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송희 누
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1 2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S016 급구배산악철도지형특성을고려한궤도패널설계적용성에대한연구 A Study on the Design Application of Precast Concrete Panel Slab on High Gradient Mountain Railway 박성현, 문지호 *, 천진녕 **, 이창진 *** Sung-Hyun Park, Ji-Ho Moon *, Jin-Nyeong Cheon **, Chang-Jin Lee *** Abstract It holds the forest resources that 70% of the country that mountainous regions. However, it is difficult accessibility of the mountains in winter, so low utilization of tourism resources. In the case of upland metropolitan public transport services are also stopped by the weather. Currently there is a mountain railway propulsion system studies in the promotion of the wheel and rack and pinion railway in general is in progress. This paper is available to secure the safety of the vehicle traveling in the performance and specifications based on the slope 180, a minimum curve radius of 10m in the development of vehicle conditions, we propose embedded track panel track utilizing the existing road. Keywords : Mountain Railway, Concrete Precast Panel, Embedded Rail System, Narrow gauge, Rack & Pinion 초록국토의 70% 가산악지역인우리나라는수려한산림자원을보유하고있지만겨울철산악지역의접근성제약이있어동절기관광자원의활용도가낮은실정이며, 더불어대도시고지대지역의경우도기후의영향을받는대중교통서비스제공에그치고있다. 따라서이러한급경사지역에대한접근성확보를위하여기후변화에도정시운행을담보할수있는산악철도시스템도입의필요성이대두되어, 일반철도시스템의차륜에의한추진과렉 / 피니언에의한추진이가능한급구배산악철도추진시스템연구가진행되고있다. 본논문은개발차량의성능및제원을근간으로최급기울기 180, 최소곡선반경 10m의조건하에서차량의주행안전성확보가가능하며, 산림환경훼손및파괴최소화를고려하여기존산악도로를이용한철도와도로교통혼용이가능한산악철도용급구배추진시스템궤도패널을제안하고자한다. 주요어 : 산악철도, 프리캐스트패널, 매립형궤도, 협궤, 랙 & 피니언추진시스템 1. 서론해외산악철도는급경사를운행할수있는교통수단으로케이블카 (Aerial ropeway), 강삭철도 (Funicular), 랙 & 피니언 (Rack&Pinion) 등철도전용선로의다양한추진시스템을적용하고있다. 국내에서연구개발하고있는급구배추진시스템은자연환경훼손최소화를위하여기존자동차도로위에사전제작형프리캐스트콘크리트궤도패널을부설하여자동차와열차가공용운행이가능하도록하고있다. 따라서본연구에서는산악지역의선구특성을고려하여최급기울기 180, 최소곡선반경 10m에서도개발차량의주행안전성및궤도구조의안정성이확보되는급구배추진시스템매립형궤도패널을제안하고자한다. 교신저자 : 서현기술단궤도사업부상무박성현 (psh@seohyuneng.co.kr) * 한국철도기술연구원미래수송시스템연구단선임연구원, ** 서현기술단부장, *** 서현기술단과장

2. 해외산악철도시공사례분석 2.1 산악철도운행현황현재국내에서는관광목적으로산악지역에소규모모노레일형식의산악용차량을운영하고있지만해외산악철도시스템에비해열차운행속도, 탑승인원및시설규모, 열차운영등을종합적으로고려해보면아직까지국내의경우산악철도도입이미진한실정이다.

Table 1 Case of Country Mountain Railway Country Mountain Railway Elevation Note Switzerland Japan Jungfrau 3,454m Montenvers 1,909m Mount Koya 1,000m Arima

India Darjeeling Himalayan Railway 2,203m 2.2 추진시스템적용현황해외산악철도의경우산악지형특성, 열차운영및탑승인원을고려하여급경사지구간에대한추진시스템을달리적용하고있다.

2 2. 해외산악철도시공사례분석 2.1 산악철도운행현황현재국내에서는관광목적으로산악지역에소규모모노레일형식의산악용차량을운영하고있지만해외산악철도시스템에비해열차운행속도, 탑승인원및시설규모, 열차운영등을종합적으로고려해보면아직까지국내의경우산악철도도입이미진한실정이다. 해외산악철도의경우약 14개국 60개노선이운행되고있으며, 이중가장높은곳은해발약 3.4km, 운행노선은 46km가넘는곳도있다. Table 1 Case of Country Mountain Railway Country Mountain Railway Elevation Note Switzerland Japan Jungfrau 3,454m Montenvers 1,909m Mount Koya 1,000m Arima Onsen 1,044m Hakone 800m Norway Flåm Railway 866m American Smoky Mountain Clingmans Dome 2,000m France Montblanc 4,807m Peru Cuzco 3,360m Taiwan Alishan 2,663m India Darjeeling Himalayan Railway 2,203m 2.2 추진시스템적용현황해외산악철도의경우산악지형특성, 열차운영및탑승인원을고려하여급경사지구간에대한추진시스템을달리적용하고있다. 일반적으로소규모의경우케이블견인방식의가공삭도 (Aerial Ropeway) 방식을적용하고있으며, 중규모의경우강삭철도 (Funicular) 의견인시스템을적용하고있다. 일반철도및경전철규모의열차운영계획이필요한노선에대해서는열차운행횟수등을감안하여대부분랙과피니언 (Rack&Pinion) 추진시스템을적용하고있다. 또한일부나라에서는별도의급구배추진시스템없이최대한계구배 30 이하구간에대해차량의진행방향을달리하는스위치백 (Switchback) 열차운행을수행하는곳도있다. Fig. 1 Aerial Ropeway System Fig. 2 Funicular System Fig. 3 Rack & Pinion System

2.3 산악철도궤도시스템적용현황해외에서운행되고있는산악철도는열차전용선으로도상형식은산악지역의현장시공성및유지보수성을고려하여 Fig4의 (b) 와같이대부분침목중앙부에랙 (Rack) 을설치한자갈도상궤도를적용하고있으며,

4 Mountain railway track Construction of foreign 또한시공및도로환경이협소한대도시고지대지역혹은교량구간등의특수한경우에는 Fig 5에보이는것과같이매립형콘크리트궤도를적용하는구간도있다.

Table 2 Mountain railway Gauge Gauge(mm) Country 750/800/950 9 Narrow Gauge 1,000 32 1,050/1,067 3 1,200/1,431 3 Standard Gauge

1 급구배추진시스템열차운영계획본연구에서개발하고자하는급구배추진시스템은국내산악지형의특성을반영하여차량개발의경우최급기울기 180, 최소곡선반경 10m의지형조건에서안전운행가능해야하며,

3 2.3 산악철도궤도시스템적용현황해외에서운행되고있는산악철도는열차전용선으로도상형식은산악지역의현장시공성및유지보수성을고려하여 Fig4의 (b) 와같이대부분침목중앙부에랙 (Rack) 을설치한자갈도상궤도를적용하고있으며, 노반침하우려구간에대해광폭침목및 Y형강재침목을적용하고있다. (a) Mountain railway track Structure (b) Ballast Bed Track and Rack (c) Rack & Pinion Fig. 4 Mountain railway track Construction of foreign 또한시공및도로환경이협소한대도시고지대지역혹은교량구간등의특수한경우에는 Fig 5에보이는것과같이매립형콘크리트궤도를적용하는구간도있다. 급구배산악철도의궤간은 Table 2와같이대다수 1,000mm를적용하고있으며, 이는열악한환경에궤도부설이가능하고급격한선형조건에서열차의주행안전성을확보하기위해적용하고있다. Table 2 Mountain railway Gauge Gauge(mm) Country 750/800/950 9 Narrow Gauge 1, ,050/1, ,200/1,431 3 Standard Gauge 1, Fig. 5 Concrete slab with individual rail troughs Wide Gauge 1,445/1,524/1, 급구배산악철도궤도설계기본방향 3.1 급구배추진시스템열차운영계획본연구에서개발하고자하는급구배추진시스템은국내산악지형의특성을반영하여차량개발의경우최급기울기 180, 최소곡선반경 10m의지형조건에서안전운행가능해야하며, 궤도시스템의경우자연훼손의최소화를위하여기존자동차도로를활용하여산악철도를부설하는매립형궤도 (Embedded Rail Track) 를계획중에있다. 또한자동차와같이주행이가능하도록설계속도는최대 70km/h로차량의성능을개발하고있으며, 승객의환승및이동편의성을위하여트램 (Tram) 열차와같은저상 (Low Floor) 플랫폼을계획하고있다. 이처럼궤도시스템은기존도로위에매립형궤도를부설함에따라자동차운행에간섭이발생되지않아야하며, 개발차량성능및제원을반영한열차주행안정성이확보되는궤도시스템구축이필요하다.

(a) The minimum Curve Radius 10m (b) Bogie of vehicle development (c) Motorway mixed driving Fig.

2 개발차량의차량제원및성능현재개발하고있는차량은 3량 1편성 (Mc-M-Mc) 으로 3개의구동대차 (Bogie) 에피니언 (Pinion) 이차축에설치되어최급기울기 180

또한급경사구간에서도제동력을확보하기위하여드럼및디스크브레이크를반영하고있으며, 최소곡선반경 10m에서도주행이가능하도록축간거리 1,650mm, 궤간 1,000mm의협궤를적용하고있다.

7 3 Module 1 Organization of Curve Deviation Classification 3 Module L 19.3m Dimensions W 2.3m H 3.

4 (a) The minimum Curve Radius 10m (b) Bogie of vehicle development (c) Motorway mixed driving Fig. 6 Track System Environmental Conditions 3.2 개발차량의차량제원및성능현재개발하고있는차량은 3량 1편성 (Mc-M-Mc) 으로 3개의구동대차 (Bogie) 에피니언 (Pinion) 이차축에설치되어최급기울기 180 구간에서도주행이가능하다. 또한급경사구간에서도제동력을확보하기위하여드럼및디스크브레이크를반영하고있으며, 최소곡선반경 10m에서도주행이가능하도록축간거리 1,650mm, 궤간 1,000mm의협궤를적용하고있다. Table 3 Key System Parameters of Mountain Railway Fig. 7 3 Module 1 Organization of Curve Deviation Classification 3 Module L 19.3m Dimensions W 2.3m H 3.4m Vehicle Weight Full(54t)/Empty(46t) Axle Load 9.0t(6Shaft) Capacity 82(Seat34) Gauge 1,000mm 차량분야에서제시한차량의제원은 Fig 7과같이최소곡선반경 10m에서도차량주행이가능하며, 차량중량및축중감소, 배터리충전시간, 운영비절감, 차량제작비를종합적으로검토하여 Table 3과 Fig 8과같이계획하였으며, 이에따른축중 (Axle Load) 은 9.0t 발생하였다. Fig. 8 Principal Dimensions of Mountain Railway

5 4. 급구배산악철도궤도시스템설계 4.1 궤도구조및궤도재료해외산악철도의경우대부분철도전용선으로레일과침목을설치한자갈도상으로구성되어있으며, 급구배구간에대하여침목에랙 (Rack) 을설치하여운행되고있다. 현재국내에서개발중인급구배추진시스템은기존도로를철도로이용하기위해서레일과랙 (Rack) 이매립된일체형프리캐스트패널을계획하고있다. (a) Asphalt pavement (b) Concrete pavement (c) Stone pavement (d) Grass pavement Fig. 9 Embedded Track Form 매립형궤도의형식은크게 4가지로아스팔트포장, 콘크리트포장, 석재포장, 잔디식재포장으로구분되며, 포장형식선정에서있어가중중요한것은자동차와열차가혼용운영되어짐에따라기존도로와매립형궤도표면에서의접촉마찰을동일하게유지해주는것이필요하다. 급구배추진시스템의궤도재료선정은열차운행의안정성이확보되어야하며, 시공및유지관리비절감과경제성이유리한것으로적용하는것이바람직하다. 또한보수자재의안정적인수급이용이하고가능한국내에서시공및자재공급이원활해야할것으로판단된다. Table 4 Compared 50kgN Railway and Grooved Rail Classification 50kgN Rail Grooved Rail Shape Machinability Good Bad Workability Fine Poor Supply & Demand Fine Poor Cost - High-Priced Fig. 10 Fillers and Bedding Materials Testing 레일은열차하중을직접지지하는궤도재료로차륜이탈선하지않도록유도하는기능을하고있으며, 급구배산악철도의경우최급기울기 180, 최소곡선반경 10m 주행시발생되는연직및수평방량의작용력에대해충분한강도와강성을확보가필요하다. 일반적으로매립형궤도시스템의경우 Grooved 레일을적용하고있다. 하지만곡선가공성, 장대화레일적용계획에따른용접시공성, 레일수급성및재료비를종합적으로검토한결과급구배추진시스템의경우설계속도를고려하여 50kgN레일적용하는것이바람직할것으로판단된다.

현재급구배추진시스템의궤도패널의경우별도의체결장치없이개발연구중인충진제의접촉마찰력과본딩 (Bonding) 특성으로레일을체결하는방안을모색하고있다. Fig 10에서보이는것과탄성충진재의재료시험결과압축강도 23MPa, 휨인장강도 16MPa, 전단부착력은 1.13MPa로레일체결력, 부재의강도및내구성확보에는문제가없을것으로판단된다. Fig. 11 Full-scale Test of Longitudinal Resistance Test Fig.

2 차량분야인터페이스사항급구배산악철도는최급기울기 180 구간에서등판주행을위해서궤도패널중앙부에랙 (Rack) 을설치하고있으며, 차량분야인터페이스결과랙 (Rack) 설치필요단면은 W220mm H170mm으로설계하였다. 또한설치된랙 (Rack) 을보호하고차량의피니언 (Pinion) 과의상호작용에의해궤도패널중앙부는 75mm 높게계획되었다.

6 현재급구배추진시스템의궤도패널의경우별도의체결장치없이개발연구중인충진제의접촉마찰력과본딩 (Bonding) 특성으로레일을체결하는방안을모색하고있다. Fig 10에서보이는것과탄성충진재의재료시험결과압축강도 23MPa, 휨인장강도 16MPa, 전단부착력은 1.13MPa로레일체결력, 부재의강도및내구성확보에는문제가없을것으로판단된다. Fig. 11 Full-scale Test of Longitudinal Resistance Test Fig. 12 Temperature difference Resistance Test(±50 ) 하지만온도하중에의한충진제재료강도특성이일반철도에서요구하고있는레일체결장치의기능을만족하는여부는충진제의온도저항성시험을통하여검증이필요하며, 이를반영한레일을체결하는방안과매립하는방안을선정하는것이타당할것으로판단된다. 4.2 차량분야인터페이스사항급구배산악철도는최급기울기 180 구간에서등판주행을위해서궤도패널중앙부에랙 (Rack) 을설치하고있으며, 차량분야인터페이스결과랙 (Rack) 설치필요단면은 W220mm H170mm으로설계하였다. 또한설치된랙 (Rack) 을보호하고차량의피니언 (Pinion) 과의상호작용에의해궤도패널중앙부는 75mm 높게계획되었다. 급구배추진시스템의대차 (Bogie) 는디스크브레이크어셈블리와드럼브레이크를계획하고있으며, 차량분야에서제시한궤도패널과의이격거리를준수하였다. Fig. 13 Interface requirements of Bogie and Embedded Track Panel 현재차량분야와협의를통하여제시된궤도패널단면은 Fig13과같이패널중앙부가약 75mm 높은형상으로도로중앙부를산악철도용전용궤도로이용하는궤도패널형상이다. 산악지형의도로는대부분급경사, 급곡선으로구성되어자동차가곡선부주행시중앙선침범에우려가있다.

7 이처럼궤도패널의형상은 Fig 14와같이자동차주행에영향이없는형상이요구되며, 향후차량분야와협의를통하여랙 (Rack) 과피니언 (Pinion) 의길이조정이필요할것으로판단된다. Fig. 14 Embedded track shape considering Vehicles driving 4.3 매립형궤도시스템표준단면선정급구배산악철도궤도패널은개발차량의성능및제원을근간으로최급기울기 180, 최소곡선반경 10m에서주행시발생하는하중조건에대해열차주행안정성, 현장시공성, 유지보수성등을종합적으로검토하여궤도패널표준단면선정이필요하다. Fig. 15 Standard Section of Embedded Track 산악철도시스템은궤간 1,000mm를기준으로레일과차륜형상을고려하여레일설치높이는레일뒷부분 ( 궤간외측 ) 포장면과차륜이접촉하는면의파손을방지하기위하여레일면고를포장면보다높게하였으며, 이와같이대차 (Bogie) 와궤도패널의간섭사항에대해서궤도시공성을고려하여 Table 5와같이차량분야의인터페이스를수행하여표준단면을산정하였다. Table 5 Interface Items of Mountain Railway Vehicle Classification Review details Application Rack Rail Turnout pass and Rack Protection Rack & pinion Interaction and Fasteners required Cross-section Flange depth The maximum allowed width of Slack Machinability of Rail in Curve radius 10m Vertical rail abrasion, vehicle wear and tear, rail elastic displacement Rail Pad functions and Wheel profile Slope 75mm W200mmⅹH170mm 45mm 60mm W220mmⅹH160mm 6mm 10mm

8 급구배산악철도궤도패널은충진제및베딩제특성에따라매립형궤도설치단면형식을 3가지타입으로구분하여제안하였다첫번째로매립형궤도형식은레일부분을탄성충진제로충진하는방법으로레일체결장치, 레일패드를적용하지않았으며, 이에따른열차의상 하진동및충격력을줄여주고횡방향하중을감소시켜준다. 또한레일을전면지지하는방식으로차량운행시스킬소음감소를기대하고있다. (a) Standard Section of Embedded Track(TYPE-1) (b) Bar Arrangement Drawing(TYPE-1) Fig. 16 Uninstallation of Fasteners and Rail Pads 두번째설치단면의경우체결장치미적용및레일패드적용으로개발중인탄성충진제가철도에서요구하는레일패드의요구사항을만족하지못하는경우레일패드적용하는매립궤도형식이다. 레일패드는레일을지지하는수직강성의중요인자로차량의동적특성및소음ㆍ진동저감을위한탄성이필요하다. 이처럼급구배추진시스템의소음ㆍ진동저감및차량의동적특성에대한안정성확보를위해서는탄성충진제의인장및압축특성을반영한탄성범위확인이반드시필요하다. (a) Standard Section of Embedded Track(TYPE-2) (b) Bar Arrangement Drawing(TYPE-2) Fig. 17 Rail Fasteners Installed, Uninstalled Rail Pad 세번째는체결장치와레일패드적용으로열차운행에따른궤도틀림이발생하는경우유지보수가가능한매립궤도형식으로레일을 H-Beam체결장치로체결하고레일가이드홈부에탄성체를끼워넣는방식이다. 이는선로유지보수측면에서유리하지만탄성체에대한재료선정및제작에대한상세검토가필요하다. (a) Standard Section of Embedded Track(TYPE-3) (b) Bar Arrangement Drawing(TYPE-3) Fig. 18 Installation of Fasteners and Rail Pads

9 5. 결론본논문은산악지형의선구특성을고려하여최급기울기 180, 최소곡선반경 10m의선형조건에서개발차량주행안정성확보를위하여, 차량의성능및제원, 대차설계, Rack & Pinion 설계, 충진제및베딩제개발등의특성을분석하여궤도구조의안전성, 시공성, 경제성이확보되는매립형패널궤도시스템을제안하고자한다. 1) 국내에서연구개발하고있는급구배추진시스템은자연환경훼손최소화를위하여기존자동차도로위에사전제작형프리캐스트콘크리트궤도패널을부설하여자동차와열차가공용운행이가능하도록하고있다. 2) 이에따른궤도패널의단면은자동차주행에간섭이없어야하며, 또한열차가급곡선, 급구배주행시차량의주행안전성이확보되어야한다. 현재계획하고있는궤도패널단면은차량분야와인터페이스협의를통하여궤도패널중앙부가약 75mm이높은형상으로도로중앙선에배치되는산악철도용궤도패널을선정하였다. 3) 하지만, 산악지형의도로는대부분급곡선으로구성되어자동차가곡선부주행시중앙선을침범할우려가있어자동차주행에영향이없는형상이요구되며, 향후차량분야와협의를통하여 Rack과 Pinion의길이조정이필요할것으로판단된다. 4) 급구배산악철도궤도패널은탄성충진제를적용하여레일전면을지지하는방식으로열차의상 하진동, 충격력, 횡방향하중및스킬소음저감을기대하고있다. 그러나탄성충진제의기계적특성, 내구성및동적특성에대한재료성능평가와충진제와레일과의상호작용에대한실험검증이선행되어야하며, 이를통한체결장치와레일패드적용여부에대한상세설계가필요할것으로판단된다. 5) 따라서, 본연구는탄성충진제의적용여부및차량분야인터페이스사항을반영하여급구배산악철도매립형궤도패널표준단면을제안하였으며, 현재수행중에있는탄성충진제및베딩제에대한재료성능, 및실대형종방향저항력실험결과를반영하여궤도패널적용성및사용성검토를수행할계획이다. 6) 현재급구배추진시스템핵심기술개발을위하여산악철도용궤도패널에대한컨셉도출및기본설계를수행하였으며, 개발차량성능및제원과충진제 / 베딩제의재료성능확정시현장시공성을고려한궤도패널상세설계및시공방안에대한연구를수행할예정이다.

10 후기 본논문은국토교통부철도기술개발사업중 급구배추진시스템핵심기술개발 과제의일환으로수행되었으며, 본연구에도움을주신한국철도기술연구원연구진에감사드립니다. 참고문헌 [1] 급구배추진시스템핵심기술개발궤도패널및거푸집상세설계 ( ), 국토교통부 [2] 서승일외 (2012) 산악철도기술현황및개념설계안, 철도저널, 제 15 권, 제 6 호, pp [3] 박정준, 서승일, 사공명, 나희승 (2012), 평창올림픽을대비한산악철도시스템개발, 한국 철도학회, 추계학술대회논문집 ( ~20) [4] Hoffmann, Recent Developments in Cable-Drawn Urban Transport Systems, FME Transactions, Vol.34, No 4, [5] EN Railway applications, Track Test methods for fastening systems(determination of stiffness), Brussels, Belgium, 2012 [6] Korea Railroad Research Institute (2011), Development of Energy-Infrastructure For Wireless Low floor Tram, 3rd year Interim Report, Ministry of Land, Transportation and Maritime Affairs

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Microsoft Word - KSR2012A038.doc YWXY º º t rzyywxyhwz_ º zƒ A Study on the Relation of Railroad System and Energy Saving ö ä ø ã ä ãã In Moon, Han-Min Lee *, Jong-Eun Ha * * Abstract Now the world, such as the impact of fossil energy