고속철도 차량진동가속도에 의한 선로구조물별 궤도품질지수 (Track Quality Index) 기준 고찰 = A Study on the Standard of Track Quality Index for Railway Structures by Vehicle Body Acceleration on High-Speed Line

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 경부고속철도 1, 2단계 구간에서 현재 고속철도 유지보수를 담당함에 있어 기준이 되고 있는 궤도 품질 지수에 대한 지난 15년간의 경험을 바탕으로 현장과 동떨어져 사용되는 있는 TQI 기준에 대해 깊이 있게 고찰하고자 한다.
우선 고속철도 개통 초기부터 고저틀림에 대한 궤도품질지수와 방향틀림에 대한 궤도품질지수의 기준이 2011년까지 쓰이다가 2012년 한차례 수정되어 현재까지 사용되고 있다. 우리가 궤도 검측차에 의한 궤도틀림을 적어도 한 달에 한 두번 고속선로를 검측하고 있고, 그때마다 각 구간의 고저, 방향, 수평, 뒤틀림, 궤간에 대한 기준에 의거 관리하여 왔다. 단지 유도상궤도나 무도상궤도 구별 없이 똑같은 기준에 의해 교량, 터널, 토공부 선로구조물의 구별 없이 같은 기준에 의해 인력 및 장비가 투입되어왔다. 우리가 객관적으로 각 구간의 궤도의 상태를 한눈에 알 수 있는 방법 중에 하나가 궤도 품질 지수 이다. 그러나 현장의 상황과 선로 구조물의 구별 없이 그대로 똑같이 사용되어야 하는지 이제는 다시 한 번 생각해 보아야 할 듯하다. 왜냐하면, 선로 정비 등 유지보수를 책임지고 있는 현장과 너무나 상이하기 때문이다. 지난 10여 년간의 기록을 보면, 선로유지관리지침에 표기되어 있는 기준과 너무나 상이하고, 외부 인력이 투입되어 현장 궤도 품질지수에 대한 견해를 참고하고, 유지보수 직원들과의 의견을 참조 해 보면 각 구조물 별로, 궤도별로 각각 그 특성을 고려한 기준이 마련되어야 한다는 의견이 많았다. 이에 따른 유지보수 방법이나 인력 및 장비 투입에 따르는 비용적인 측면 에서도 본 연구의 필요성을 느끼게 하는 부분이었다.
본 연구에서는 지난 10년간의 DATA분석과 실제 운행되고 있는 열차를 이용한 차체 및 대차 진동가속도의 분석을 통해 열차의 승차감과 주행안정성 수치해석을 실시하였고, 현장 data에 적용하여 궤도품질지수를 고찰하였다. 실제 승차감에 영향을 주고 있는 장파장(현 30M 이상)에 대한 기준도 제시하였으며, 실제 궤도 틀림에서 고저와 방향 틀림뿐만 아니라 뒤틀림과 궤간틀림에 대해서도 궤도품질지수의 기준을 고찰해 보았다.
우리가 선로를 유지보수 하는 이유는 첫째로 열차의 승차감의 향상과 유지에 있고, 선로의 안정성에 그 목적이 있다. 따라서 공식화된 열차의 승차감 수치를 바탕으로 본 연구의 결과를 검증 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper studies the track quality index (TQI) standards used apart from the field based on the past 15 years of experience in the track quality index, which is currently the standard in the maintenance of high-speed rail in the first and second stages of the Gyeongbu high-speed rail section.
From the beginning of the opening of the high-speed rail, the standards for the TQI for high and low torsion and the TQI for directional distortion were used until 2011, and were revised once in 2012 and used to date. The study reviews high-speed tracks at least once or twice a month for track misalignment caused by track-detecting cars, and manages them according to the criteria for height, direction, horizontal, warp, and gauge of each section. Manpower and equipment have been input by the same standard without distinction of bridges, tunnels, and earthwork track structures based on the same standard without distinction of guided or unguided tracks. One of the ways that we can objectively know the status of each section's track at a glance is the TQI. However, it should be reviewed as to whether the current TQI system should be used without distinguishing the situation of the site from the structure of the track. This is because it is very different from the site responsible for maintenance such as track maintenance. The records of the past 10 years shows it is very different from the standard indicated in the track maintenance guideline, and the external manpower is used to refer to the opinion on the field track quality index, and refer to the opinions of maintenance staff. There were many opinions that standards considering the characteristics of each structure and each track should be prepared. This was the part that made me feel the necessity of this study in terms of the maintenance method or the cost aspect of manpower and equipment input.
In this study, numerical analysis of train comfort and driving stability was performed through data analysis of the past 10 years and analysis of vehicle body and bogie vibration acceleration using actual trains, and the TQI was applied to field data. Standards for long wavelengths (currently over 30M), which have an effect on the actual riding comfort, were also presented, and the criteria for the track quality index were examined for twists and gauges as well as height and direction errors in actual track errors.
The reason why we maintain the track is to improve and maintain the ride comfort of the train first, and the purpose of the track stability. Therefore, the results of this study were verified based on the train comfort level.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• 요약 ⅳ
• 표목차 v
• 그림목차 ⅶ
• 1. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.1.1 연구의 배경 1
• 1.1.2 연구의 목적 2
• 1.2 연구 동향 2
• 1.3 연구 범위 3
• 2. 이론 및 기준 5
• 2.1 궤도틀림 5
• 2.1.1 궤도(track)에 작용하는 힘 5
• 2.1.2 국내 기준 22
• 2.1.3 국외 기준 28
• 2.2 궤도품질지수(track quality index0 이론 39
• 2.2.1 TQI 정의 39
• 2.2.2 국내 TQI 기준 44
• 2.2.3 국외 TQI 기준 46
• 2.3 진동가속도 이론 및 기준 48
• 2.3.1 진동가속도 이론 및 측정기준 48
• 2.3.2 국내 기준 55
• 2.3.3 국외 기준 56
• 3. 현장 DATA분석 61
• 3.1 고속철도 궤도틀림 DATA 분류 61
• 3.2 궤도품질지수 평가 방법론 비교 63
• 3.2.1 FRA의 궤도길이기반 및 한국철도의 표준편차 TQI 방법론 63
• 3.3 고속철도 궤도별 선로구조물별 TQI 분석 66
• 3.3.1 경부고속선 1단계 구간 66
• 3.3.2 경부고속선 2단계 구간 68
• 3.4 고속철도 선형별 TQI 분석 69
• 3.4.1 경부고속선 1단계 구간 69
• 3.5 고속철도 진동가속도 분석 71
• 4. 수치해석 72
• 4.1 고저틀림의 승차감, 주행안정성 해석 72
• 4.1.1 수치해석 방법 72
• 4.1.2 고저틀림 수치해석 결과분석 74
• 4.2 방향틀림의 승차감, 주행안정성 해석 81
• 4.2.1 수치해석 방법 및 해석시나리오(scenario) 81
• 4.2.2 방향틀림 수치해석 결과분석 81
• 4.3 궤간틀림의 승차감, 주행안정성 해석 85
• 4.3.1 수치해석 방법 및 해석시나리오(scenario) 85
• 4.3.2 궤간틀림 수치해석 결과분석 85
• 4.4 수평 및 뒤틀림의 승차감, 주행안정성 해석 89
• 4.4.1 수치해석 방법 및 해석시나리오(scenario) 89
• 4.4.2 수평 및 뒤틀림 수치해석 결과분석 90
• 4.5 소결 93
• 5. 분석 및 고찰 94
• 5.1 고저틀림의 TQI, 진동가속도 및 승차감 분석 94
• 5.1.1 대차 횡진동가속도 95
• 5.1.2 차체 횡진동가속도 98
• 5.1.3 차체 수직진동가속도 100
• 5.2 방향틀림의 TQI, 진동가속도 및 승차감 분석 103
• 5.2.1 대차 횡진동가속도 103
• 5.2.2 차체 횡진동가속도 106
• 5.2.3 차체 종진동가속도 108
• 5.3 Twist틀림의 진동가속도 및 승차감 분석 110
• 5.3.1 대차 횡진동가속도 110
• 5.3.2 차체 횡진동가속도 112
• 5.3.3 차체 종진동가속도 113
• 5.4 Gage틀림의 진동가속도 및 승차감 분석 115
• 5.4.1 대차 횡진동가속도 115
• 5.4.2 차체 횡진동가속도 116
• 5.4.3 차체 종진동가속도 118
• 5.5 선로구조물 및 틀림종류별 궤도품질지수 기준 120
• 5.5.1 유도상궤도 분석 120
• 5.5.2 무도상궤도 분석 124
• 5.5.3 확률밀도곡선 129
• 6. 결 론 130
• 참고문헌 132
• Abstract 134
• 감사의 글 136

참고문헌 (Reference)

1 최종민, "null", Study on the track g eometry maintenance work on HSL 우송대학교 대학원, 2012

2 최일윤, "“경부고속선 궤도틀림 분포특성”", 철도학회논문집, 2015

3 홍태도, "A Study on the improvement of KTX bog ie instability", 서울시립대학교 대학원, 2006

4 홍태도, "“KTX 대차불안정 개선방안에 대한 연구”", 서울시립대학교 대학원, 2006

5 이지하, "“궤도틀림 검측 데이타의 확률분포 검토”", 3, 2010

6 최일윤, "“고저틀림에 따른 KTX 주행거동 특성 분석”", 3, 2010

7 임윤식, "nfluence analysis of track irreg ularities on KTX running behavior", 고려대학교 대학원, 2012

8 오지택, "“궤도품질평가를 위한 궤도틀림 지표에 대한 연구”", 한국철도학회 논문집, 2001

9 최일윤, "“고속검측차 특성을 고려한 궤도 검측결과 분석연구”", 한국철도시설공단, 2010

10 김현오, "A study on the rail joint maintenance of severe curve(R=60m) in standard rail", 서울과학기술대학교 대학원, 2017

11 김남홍, "“궤도검측데이터를 활용한 궤도품질지수 산출 방법론 고찰”", 한국철도학회논문집, 2009

12 양신추, "“궤도 LCC 평가 및 설계기술;기존선 고속화에 대응한 궤도관리 기법개발 및 관리기준 정립”", 7, 2001

13 신준수, "The effect of track irregularity techniques that applied to measuring track alig nment information on improving Track Quality Index", 서울과학기술대학교 대학원, 2016

14 최찬용, "“호남고속철도 테스트베드를 활용한 인프라 통합모니터링 시스템 구축 및 소음저감장치 고도화”", 2016