가속도를 계측하여 부상력을 제어하는 것은 가장 기본적인 자기부상열차의 부상공극 제어기법이다. 이에 이 연구에서는 가속도 되먹임에 기반한 부상공극제어기법을 자기부상열차에 적용하고, 이를 고려한 자기부상열차-가이드웨이 상호작용계의 동적거동 해석기법을 개발한다. 개발된 해석기법을 사용하여 실제 자기부상열차-가이드웨이 상호작용계의 동적해석을 수행하였다. 해석 결과를 통해 가속도 되먹임에 기반한 부상공극제어기법을 적용하여도 현재까지 제안된 자기부상열차 설계 기준을 충분히 만족함을 확인하였다. 즉, 현재 제안된 자기부상열차 가이드웨이 구조물의 설계 기준을 보완하여 안전하면서도 경제적인 구조물의 건설이 가능해질 것으로 예상된다.

Resonance occurrence conditions are explored by performing dynamic interaction analysis of arch bridge and KTX trains. The target bridge is a 3D tied-arch bridge having span length of 120m. KTX trains consist of two power carriages, two power and passenger carriages and sixteen passenger carriages. When KTX trains run on the target bridge with the uniform speed of 100 to 500km/h, the dynamic responses of the bridge induced by moving trains are obtained from railway arch bridge-train interaction analysis. Two resonance conditions are presented and whether the resonance phenomena occur or not at the suspicious resonance velocities is rigorously investigated through bridge deflections and accelerations and their FFT analysis.

자기부상열차가 중 저속 및 초고속 주행 시 차량의 주행특성 및 교량의 동적 응답 결과를 제시하고자 한다. 수직 자유도 및 회전 자유도를 포함한 10자유도 자기부상열차에 대한 운동방정식을 유도하고, 모드 중첩법을 이용하여 교량의 운동방정식을 구성하였다. 또한 제어 방법으로 UTM01제어기법을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 해석 예제로 노면조도, 가이드웨이의 처짐비, 차량 속도 등이 교량의 처짐과 차량의 부상공극 및 여러 가지 변수에 미치는 영향을 파악하였다. 부상공극은 조도의 조건에 따라 그 차이가 확연히 드러나고 또한 자기부상열차의 속도가 증가함에 따라 부상공극이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 자기부상열차가 중, 저속 주행 시에는 교량에 대한 영향이 미비하지만 초고속 주행 시 교량에 대한 동적확대계수가 큰 값을 보여주었다.

지반-말뚝-구조의 상호작용을 정밀하게 해석하기 위해서는 토층, 말뚝 그리고 구조물의 적절한 묘사가 필요하다. 일반적으로 사용하는 유한요소해석의 경우에는 지반이나 구조물의 물성이 바뀌는 경계를 따라서 요소의 경계가 정해지게 된다. 그러나 실제로는 토층 단면과 말뚝의 형상이 매우 복잡하여 요소의 배열이 매우 어려운 작업이 될 수 있다. 이 어려움을 해결하기 위하여, 이 논문에서는 불연속선의 위치에 관계없이 규칙적인 요소를 사용하여 쉽게 적분을 가능하게 하는 다른 적분 방법을 채택하였다. 이 방법을 적용함으로 써 요소는 매우 빠르고 규칙적인 강성 매트릭스를 만든다. 구조물 응답에 대한 토층과 말뚝의 영향을 조사하였고, 예를 통하여 본 방법의 유효성을 보였다. 탄성 말뚝의 사용으로 20% 대의 가속도 감소 효과를 얻었고 지반 층의 모양에 따라 그 영향이 변하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 지반-구조물 상호작용을 고려한3차원 지반-구조계의 지진응답 해석을 수행하고 그 기법의 적용성과 타당성을 검토한다. 이를 위해 구조물과 구조물 주변의 근역지반을3차원 유한요소로서 모델링하고 원역지반에 대해서는 기 개발한 3차원 동적 무한요소를 적용한다. 모든 입사 성분P, SV 그리고 SH파가 고려되었을 때, 등가 지진하중은 무한요소에 의해 구해진 무한 지반의 동적 강성과 자유장 해석을 통해 구해진 지반의 응력과 변위응답을 이용하여 구해진다. 검증 및 적용 예제는 적층 자유장의 지반응답해석과 전형적 원자로 격납건물의 지반-구조물 상호작용을 고려한 층응답 스펙트럼을 구하는 것으로 하였다. 해석 결과는 다른 기법에 의해 구해진 값들과 비교하였으며, 본 기법의 정확성과 정밀성을 확인할 수 있다.

본 저자의 이전연구(김문영 등, 2004)에서는 2차원 차량 모형과 전단변형 및 회전관성 효과가 고려된 현수교요소와의 상호작용을 고려한 2차원 수직응답에 대한 동적해석을 수행하였다. 본 연구에서는 전단변형 효과와 편심차량의 효과를 알아보는데 목적을 두었다. 이를 위하여 전단변형 및 회전관성 효과가 고려된 3차원 현수교의 수직, 비틂에 대한 고유진동수와 모드형상, 그리고 교량-차량 에너지로부터 라그랑지안식을 이용하여 상호작용을 고려할 수 있는 3차원 운동방정식을 유도한다. 이후 모드중칩법을 이용하여 유도된 운동방정식을 Newmark method를 사용하여 동적해석을 수행한다. 마지막으로 본 연구에서 제시한 이론을 따라 수치해석예제를 수행하여 차량의 동적거동을 분석한다.

철도교량은 차량과 교량의 상호작용에 의해 유발되는 동하중을 받고 있다. 이러한 동적인 효과는 교량 각 부재에 충격과 피로를 유발하고, 교량의 잔존수명에 영향을 미치게 된다 따라서 수치적 또는 시험적 방법에 의한 교량의 실제적인 동적 거동을 분석하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 KTX 차량의 주행에 따른 교량의 동적 특성을 구조적 안전성, 주행 안전성 및 승차감 측면에서 평가할 수 있는 차량/궤도/교량 상호작용 해석프로그램을 개발하였다. 차량/궤도/교량의 실질적인 모델링을 위하여 차륜/레일 접촉 모델링을 위한 헤르찌안 스프링 및 도상에 대한 윈클러 요소를 적용하였다. 또한 개발 프로그램은 준3차원해석으로 차량의 복선제도 주행에 따른 3차원 편심 효과를 고려하기 위해 비톤 자유도 및 기하학적인 관계에 따른 제약조건식을 사용하였다. 개발프로그램의 검증을 위해서 고속철도교량중 가장 일반적인 형식인 PSC 박스교(2@40m=80m)에 대해 수치해석결과 및 계측시험 결과를 비교하였다.

유체-구조물 상호작용 효과를 고려하여, 실린더형 수중 구조물의 유한요소 모델을 상용 전산코드를 사용하여 작성하고 동적하중에 대한 응답해석을 수행하였다. 구조 유한요소에 부착되는 유체 유한요소로 인하여 발생하는 요소행렬의 비대칭성으로 인하여, 일반적으로 사용되는 유한요소 해석 전산코드로 유체-구조물 상호작용 모델에 대한 응답스펙트럼해석을 수행하는 것은 불가능하다. 이 문제의 해결을 위하여, 등가 비 유체-구조물 상호작용 모델을 구성하고, 등가비 유체-구조물 상호작용 모델에 대한 응답스펙트럼 해석 및 조화가진 응답해석 결과를 이용하여 유체-구조물 상호작용 모델의 스펙트럼 가진에 대한 동적 응답을 계산할 수 있는 효율적인 방법을 제시하였다.

기초 지반상에 존재하는 3차원 골조구조물에 진동을 유발시키는 기계하중, 풍하중, 지진과 같은 동적 하중이 작용한다면, 지반-골조구조물 상호작용계의 동적거동을 해석하여야한다. 따라서, 본 연구에서는 실제 구조물에 근접한 기하학적 형상으로 이상화 시키기 위해, 슬래브와 기초판은 유연성을 갖는 4-절점 판요소, 보.기둥은 2-절점 보요소, 탄성지반은 8-절점 입체요소를 사용하여 유한요소법으로 3차원 상호작용계를 해석하였다. 본 연구의 목적은 지반-골조구조물 상호작용계의 동적 거동을 해석하기 위해, 동적 운동 방정식을 정리한 후 유한요소 프로그램으로 상호작용계의 동적 거동을 해석하는 것이다.

In this study, We could foresee the consolidation settlement at the bridge transition part by APDL(Ansys Parameter Design Language) technique, which is properly applied to the three dynamic interaction analysis. A series of the automatic numerical procedure applied to predict of a plastic settlement by train driving.

In this study, a contact node and a penalty spring were introduced at the bottom of the contact spring, and the track irregularity effect was implemented. Through this present approach, the non-linearity of the contact spring can be expressed using non-linear spring elements of ANSYS itself. The applicability of the improved analysis technique has been verified through various demonstrated cases. A stable solution was obtained even for a problem where the contact spring’s non-linearity changed rapidly.

In this study, We have evaluated the applicability of the substructuring technique to reducing the computational cost of a three-dimensional analysis of a vehicle-track structure dynamic interaction. When the substructuring technique is applied properly to the three-dimensional dynamic interaction analysis, computational cost can be greatly cut down without loss in accuracy.