2017 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2017S245 국내외철도기준비교를통한건축한계폭감소에따른차량별적용성검토 Application of each railway vehicles by reducing width of construction gauge through comparing with domestic and abroad railway standard. 최유복 *, 오주한 *, 이민수 *, 김만철 **, 고태환 ** Yu-Bok Choi *, Joo-Han Oh *, Min-Soo Lee *, Man-Cheol Kim **, Tae-Hwan Ko ** Abstract A construction gauge which is proposed by UIC is being calculated. For comparing with domestic construction gauge, it perform to compute UIC construction gauge to reflect domestic condition. As a result, it has width and height greater than UIC construction gauge and proposed possible to reduce domestic construction gauge. Application of domestic construction gauge to reflect dynamic behavior was examined after this study chose railroad car which need the biggest construction gauge. Consequentially, it can reduce width(200mm) to retain safety of current domestic construction gauge. This will expect to cut down construction cost and establish railway standard of optimization. Keywords : UIC construction gauge, Dynamic behavior, vertical displacement, Bulky goods 초록 UIC 에서제시하는건축한계를차량의동적거동을반영하여산정되고있으며, 이를국내건축한계와의비교를위해국내여건을적용하여산정하였다. 비교결과 UIC 에서제시하는건축한계에비해과도한폭과높이를가지고있으며, 국내건축한계의축소의가능성을제시하였다. 따라서본연구에서는국내차량중가장큰건축한계를필요로하는철도차량을선정하고, 최대횡방향변위를기준으로동적거동을반영한건축한계의적용성을검토하였다. 그결과, 현건축한계의안전성을확보하는범위에서약 200mm 의폭감소가가능할것으로나타났으며, 이를통해건설비를절감하고최적화된철도규정을확립할수있을것으로기대된다. 주요어 :, UIC 건축한계, 동적거동, 최대횡방향변위, 특대화물 1. 서론철도가발전함에따라해외규정과의비교를통하여, 국내실정에맞는규정개선은반드시필요하다. 이를통해과도한건축한계를축소하여건설비를저감할수있으며, 최신해외동향에맞는규정을확보하여해외철도진출에경쟁력을확보해야할것이다. 건축한계는차량한계의외측으로열차가지장없이주행할수있도록궤도상에확보되는모든공간을말하고, 차량한계와건축한계는차량과시설물사이에일정한공간을확보하여 교신저자 : 한국철도시설공단 KR 연구원기술연구처 (bchoitj@kr.or.kr) * 한국철도시설공단 KR 연구원기술연구처 ** 한국철도기술연구원고속철도연구본부
어떤경우라도접촉하지않고안전하게주행을할수있도록정해놓은것이다. 이건축한계를설정하기위해서는, 차량의동적거동을고려하여차량한계를설정하고건축한계를벗어나지않도록외부시설물과의간섭을체계적으로분석하여야한다. 기존연구에서박찬경 (2002) 은도시철도차량의동적거동을차량상태에따라 7종류로분류후해석을진행하였고, 그결과대차간거리에의한차체끝단의편기량과곡선에서의캔트량변화에따른차체롤링영향이지배적임을도출하였다 [1]. 김형식 (2011) 은건축한계곡선구간확대기준의문제점을제시하여, 열차안전운행에영향을미치지않는범위에서건축한계폭감소에가능성을제시하였다 [2]. 박성기 (2016) 는제3궤조집전방식도시철도의건축한계를횡변위분석을해석을통해검증하였고, 건축한계적용기준을축소할수있을것으로판단하였다 [3]. 따라서본논문은국내외건축한계기준을비교하고, 기존연구에서언급된건축한계폭축소에가능성을화물차량의동적거동을반영한최대횡방향변위량을기준으로검토하였다. 2. 본론 2.1 국내외건축한계비교국내건축한계는 UIC 건축한계와는다르게직선부건축한계를제시하고이를기반으로곡선부에서궤적과캔트를고려한추가변위를제시하고있다. 국내직선부건축한계를비교하기위해이와유사한 UIC 정적건축한계와비교를실시하였으며, 아래 Table 1과같은결과를나타냈다. UIC 건축한계는산정방법에따라국내여건을반영하여폭과높이를산정하였다. 횡방향변위를고려한폭의측면에서는 UIC의 Kinematic Reference Gauge와승강장높이에서유사한값을가지며승강장상부에서는표에서보여주는바와같이큰차이를보여주고있다. 이는승강장상부에대한건축한계폭의축소가가능함을의미하는것이며이와더불어승강장하부의폭은증대가필요하다. 해외건축한계와의비교는국내곡선건축한계와비교가필요하며표에서보여주는바와같이상당히확장된건축한계를가지고있다. 이는국내곡선부건축한계의관리규정에대한검토가필요할것으로판단된다. Table 1 Comparison of Korea and Abroad standard of reference gauge List Width(mm) Height(mm) Min Max Domestic line construction gauge 4200 5 Domestic curve construction gauge (R=250m) 5380 5 UIC Kinematic Reference gauge 3290 4310 4700 UIC Construction Gauge (applying domestic condition) 4100 4310
3,000 1,500 1,500 225 고상승강장적하장승강장 1, Rail 면 1,100 125 500 300 1,875 1,700( 고상승강장 ) 1,675( 승강장 ) 1,650 200 4,200 3,100 1,435 1,875 1,700 1,675 1,650 135 425 125 1,100 100 3,050 5, 5,350 5,600 6,450 25 35 1,400 1,400 Domestic construction gauge UIC construction gauge Fig.1 Comparison of Korea and UIC construction gauge 2.2 최대횡방향변위량산정 2.2.1 열차차량제원국내열차차량을대상으로폭을산정하였을때, 일반열차는 2,904 ~ 3,200mm의폭을가지고있다. 현재선로에서고려해야하는최대폭을가지고있는것은 FDD화차 ( 궤도로부터화차상판높이 :1,370mm) 에특대화물 (K-1 전차 ) 을적재한것으로그폭은 3,700mm이다. Table 2 Variable railway vehicles of specification List Length(mm) Height(mm) Width(mm) 디젤전기기관차 20,778 4,254 3,130 고속차량 (KTX) 21,845 3,484 2,904 고속차량 (KTX-산천) 21,800 4,092 2,970 전기기관차 (8000호대) 20,730 4,495.5 3,060 전기기관차 (8100~8200호대) 19,580 4,470 3,000 전기기관차 (8500호대) 22,820 4,483 3,120 디젤동차 ( 새마을호 ) 23,500 3,750 3,000 디젤동차 (CDC) 21,500 4,260 3,200 디젤동차 (RCD) 21,500 4,260 3,200 EMU-180(ITX-청춘 ) 20,405 4,500 3,120 EMU-(ITX-새마을 ) 24,610 4,500 3, EMU-(ITX-누리로 ) 23,000 4,500 3,100 K-1 전차 (*) 9,670 2,880 3,700 XK-2 전차 (*) 10,079 2,770 3,580 K1A1 전차 (*) 8,494 2,807 3,594 M48A5 전차 (*) 8,000 3,060 3,660 M88A1 전차 (*) 8,153 2,860 3,430 K-77 전차 (*) 6,900 3,040 3,400 K-9 전차 (*) 11,990 3,020 3,400 K-10 전차 (*) 8,560 2,923 3,562 (*) 특대화물
2.2.2 이론식계산 특수화물의최대횡방향변위량은다음과같은식으로계산될수있다. Δ = α + β + γ 여기서, Δ : 철도차량의최대횡방향변위량 α : 대차와차체의상대변위를구속하는센터피봇또는 Z링크의최대허용변위 β : 1차및 2차현가장치의좌우편위차이에위한롤링방향의기울어지는각도 ( 롤링각 ) 에의해차량의높이에따른롤링에의한최대롤링변위 γ : 차륜과궤간사이유동에따른최대횡이동량 Fig 2. Centre pivot (left) and first suspension system (right) Fig 3. Bogie including second suspension system 3. 결론화차에대하여최대횡방향변위량을산정한결과는아래와같으며, 가장큰폭을가지고있는 k-1 전차를적용하였다. 결과에따르면차량한계외 109mm의횡방향변위가발생할수있을것으로사료된다. Model permissible (α, mm) Table 3. vertical displacement of bogie Vertical displacement by maximum angle of roll Angle of roll of first suspension system (θ1, ) Angle of roll of second suspension system (θ2, ) Displacement of rolling (β, mm) vertical movement by flow between wheel and track gauge (γ, mm) vertical displacement of bogie (Δ, mm) Freight car 50 (Low) 1.5 0 52* 7 109 * β = h tan(θ1+θ2), 여기서 h = 2m( 차량의롤링중심에서차체최대폭까지의거리 ) 수송지침서전차 K1/K1A1( 육군사령부, 2010 년 12 월 20 일 ), K1 전차의높이 : 포탑 2.81m, 차체 1.7m
위결과를현건축한계와비교한내역은아래와같다. 차량의반폭에최대궤간기준및최대횡방향변위량을합산한결과 1,994mm로산정되었으며, 건축한계반폭은 mm로 106mm의여유가발생하여양측면으로약 200mm의건축한계폭감소가가능할것으로예측된다. Model half width of bogie (A, mm) Table 4. Propriety analysis of freight cars for bulky goods standard gauge (B, mm) vertical displacement of bogie (Δ, mm) Half width of construction gauge (D, mm) Margin in half width of construction gauge (E, mm) K-1 전차 1,850 35** 109 106 M48A5 전차 1,830 35** 109 126 Etc. E=(D-A-B-Δ) * 수송지침서전차 K1/K1A1( 육군사령부, 2010 년 12 월 20 일 ) 에서 K1 전차최대폭 ( 스커트포함 ) 은 3,600mm 이나, 보수적으로화물수송지침 ( 철도공사, 개정 2010.09.01. 제 2010-071 호 ) 의최대폭 3,700mm 적용 ** 선로유지관리지침별표 7 5) 궤간틀림 V 40 속도제한기준 (SV) 을보수적으로적용 감사의글 본연구는국토교통부철도기술연구사업의연구비지원 (17RTRP-B067919-05) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 [1] C. K. Park, Y. G.KIM and D. S. Bae. (2002). Analysis of Vehicle Limit Considering the Dynamic Behavior for an Urban Train. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 12(7), 527-533. [2] Hyoung-Sik Kim. (2011). Some Problems in Applying Specifications on Structural Gauge in Curved Sections of Railway. JOURAN OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS, 59(2), 91-95. [3] Sungki Park, Jeongseo Koo, Yeongsam Ham (2016) Application Study on a Construction Gauge of the Urban Railway with 3rd Rail System. Journal of the Korean Society for Railway, 2016.5, 15-20 (6 pages)