Analysis of Track Structural Response to Variations in Ballast and Rail Pad Stiffness in Ballasted Turnouts with Plastic Sleepers

Abstract

Abstract

고속·중량화 철도의 수요가 증가함에 따라, 내구성과 유지관리성이 우수한 합성수지침목이 분기구간에서 목침목을 대체하는 용도로 적용되고 있다. 그러나 분기기는 레일 단면·배치와 침목 및 체결장치 구성이 불연속적이며, 다짐 품질 확보 및 배수 상태가 일반 선로에 비해 불리하여 궤도 강성의 편차가 크다. 이는 침목 지지 상태의 불균형과 하중 집중을 유발하여 침목의 손상을 가속화할 수 있으므로, 합성수지침목 적용 시 패드-도상 강성 조합을 고려한 정량적 검토가 요구된다. 이 연구는 분기구간에 대한 3차원 유한요소해석을 이용하여 합성수지침목의 응답을 분석하였다. 도상지지계수(K b,z = 10~50 MPa)와 레일 패드 수직 강성(K p,z = 40~200 kN/mm)의 변화를 고려하여 준정적(quasi-static) 해석을 수행하였다. 해석 결과, 전단력은 주로 레일 패드 강성의 영향을 크게 받는 반면, 침목 처짐과 도상 압력은 도상지지계수에 의해 지배되는 것으로 나타났다. 특히 크로싱부(침목 46번)에서는 패드 강성을 증가시킬수록 노즈레일 하부의 국부 휨모멘트와 도상 압력이 감소하였는데, 이는 하중이 인접한 기본레일로 재분배 되기 때문으로 분석되었다. 또한 JIS E 1203를 참고한 안전성 평가 결과, 모든 조합에서 합성수지침목의 휨 및 전단응력은 허용치 이내로 충분히 낮게 나타났다. 다만 자갈도상이 경질한 조건(K b,z = 40 MPa)에서는 최대 도상 압력이 허용 한계(0.5 MPa)를 초과하는 경우가 관찰되었으며, 특히 연성 레일 패드와 조합될 때 그 경향이 두드러졌다. 이러한 결과는 합성수지침목이 구조 강도 측면에서는 충분한 성능을 갖추고 있으나, 분기기 설계 시 과도한 도상 압력 발생을 방지하기 위해 도상 및 패드 강성의 조합을 신중하게 선정할 필요가 있음을 시사한다.