KR형 레일체결장치 클립의 피로성능 분석 :Fatigue Performance Evaluation of the Rail Clip in a KR-type Rail Fastening System

김상혁

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김상혁 (인천대학교, 인천대학교 대학원)

지도교수: 심형보

발행연도: 2022

저작권: 인천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

KR형 레일체결장치 클립의 피로성능 분석

김상혁 건설환경공 2022.01 학위논문

2021

KR형 레일체결장치 클립의 구조거동 분석

김상혁 , 방효준 , 박연철 외 1명 한국강구조학회 학술대회 발표집 2021.06 학술대회자료

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레일체결장치는 철도 궤도에서 열차하중을 레일을 통해 침목으로 전달하는 중요한 역할을 한다. 레일체결장치의 주요 부품 중 하나인 레일클립은 초기체결 시 높은 초기 인장응력이 발생하며, 열차주행으로 인한 반복하중으로 피로에 취약할 수 있는 구조이다. 최근 국내외에서 레일클립의 피로에 의한 파손사례가 보고되고 있으나 이에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 국내 철도노선에서 레일체결장치는 일부 해외제품들이 주로 사용되어 왔고, 최근에 국내연구를 통해 KR형 레일체결장치가 개발되어 일부 노선에 부설되어 사용 중이다.
이 연구에서는 KR형 레일체결장치 클립의 구조적 거동 및 피로성능을 분석하였다. 초기체결실험을 통해 레일클립의 응력상태 등의 구조적 거동을 분석하였고, 피로실험을 수행하여 균열시작점 및 파괴모드를 확인하였다. 유한요소해석을 수행하여 초기체결 및 열차 주행 시 레일클립에 발생할 수 있는 응력상태를 분석하여, 이를 기반으로 KR형 레일클립의 피로성능을 분석하였다.
KR형 레일클립은 초기체결과정에서 일부 곡률이 큰 구역에서 항복을 넘어서는 소성변형이 나타나 기본적으로 피로에 취약할 수 있는 구조임을 시사하였다. 유한요소해석에서의 응력상태 등의 결과는 전반적으로 초기체결 및 피로실험 결과와 비슷하여 실제 레일클립의 구조적 거동을 잘 모사하였다. 유한요소해석에서 산출된 응력상태를 토대로 다양한 이론적인 피로평가 기준을 활용하여 KR형 레일클립의 피로성능을 분석한 결과, 열차 주행에 의한 레일 수직변위가 2mm 이상 발생할 경우 피로파괴 가능성을 시사하였다. 따라서, 열차주행 시 KR형 레일체결장치의 안전성 확보를 위해 레일클립의 피로성능에 대한 보다 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Rail clips are essential components of the rail fastening systems that clamp the rails to sleepers. Rail clip can be vulnerable to fatigue cracking due to a high initial tensile stress from the assembly process as well as a stress range from the repeated train load. Recently, fatigue failure of rail clips has been reported in South Korea and other countries. However, there has been lack of research investigating this fatigue issue. Rail fastening systems from European companies have been commonly used in Korea, and in an effort to solve this problem a KR-type rail fastening system has been recently developed and used in some domestic railway lines.
This study aimed at evaluating the structural behavior and fatigue performance of the KR-type rail clip. Assembly test was performed in the laboratory to evaluate the structural behavior of the rail clip during assembly, and a fatigue test was also performed to identify fatigue failure modes and crack initiation points. Through finite element analysis, the stress states generated in the rail clip during assembly process and train operation were identified, and the fatigue performance of the KR-type rail clip was analyzed based on this.
Assembly test results showed that the stresses induced in the rail clips after tightening, particularly at the stress concentration locations, exceed the yield stress, indicating that the rail clip could be vulnerable to fatigue cracking when combined with the stress range during repeated train loads. The finite element analysis results revealed a good correlation with the results of the assembly and fatigue tests. In other words, the finite element analysis simulated the structural behavior of the rail clip well. The fatigue evaluation results through various fatigue criteria through the stress states indicated that when the rail vertical displacement during train operation exceeded 2mm, the rail clips could potentially suffer from fatigue failure based on the theoretical fatigue evaluation. In the future, further research might be needed for more accurate fatigue evaluation incorporating initial defects (e.g., residual stresses) on the rail clips.

#레일체결장치 #KR형 레일체결장치 #피로 #유한요소해석 #Rail fastening system #KR-type rail fastening system #Fatigue #Finite element analysis

국문 초록 ⅰ
목차 ii
표 목차 iv
그림목차 v
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 범위 3
1.3 선행연구 조사 5
1.3.1 연구 동향 5
1.3.2 레일체결장치 개요 7
제2장 실내실험 13
2.1 재료 인장시험 13
2.2 초기체결실험 15
2.2.1 개요 15
2.2.2 체결 시 레일클립의 구조적 거동 18
2.3 모달실험(Modal Test) 21
2.4 피로실험 24
2.4.1 개요 24
2.4.2 파괴모드 27
제3장 유한요소해석 28
3.1 모델링 28
3.1.1 개요 28
3.1.2 재료 입력물성치 29
3.1.3 모델링 상세 29
3.1.4 하중 조건 32
3.2 해석 결과 33
3.2.1 전반적인 구조적 거동 33
3.2.2 해석신뢰성 검증 35
3.2.3 피로성능 평가를 위한 최대주응력 산정 38
제4장 KR형 레일클립의 피로성능 분석 41
4.1 피로평가 기준 41
4.2 피로성능 분석 44
제5장 결론 48
참고문헌 50
ABSTRACT 53
부록 55
감사의 글 59

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