Abstract
In this study, the numerical method is presented, which can consider the various train types and can solve the equations of motion for a vehicle-bridge interaction analysis by non-iteration procedure through formulating the coupled equations of motion. The coupled equations of motion for the vehicle-bridge interaction are solved by the Newmark ${\beta}$ of a direct integration method, and by composing the effective stiffness matrix and the effective force vector according to a analysis step, those can be solved with the same manner of the solving procedure of equilibrium equations in static analysis. Also, the effective stiffness matrix is reconstructed by the Skyline method for increasing the analysis effectiveness. The Cholesky's matrix decomposition scheme is applied to the analysis procedure for minimizing the numerical errors that can be generated in directly calculating the inverse matrix. The equations of motion for the conventional trains are derived, and the numerical models of the conventional trains are idealized by a set of linear springs and dashpots with 16 degrees of freedom. The bridge models are simplified by the 3 dimensional space frame element which is based on the Euler-Bernoulli theory. The rail irregularities of vertical and lateral directions are generated by the PSD functions of the Federal Railroad Administration (FRA). The results of the vehicle-bridge interaction analysis are verified by the experimental results for the railway plate girder bridges of a span length with 12 m, 18 m, and the experimental and analytical data are applied to the low pass filtering scheme, and the basis frequency of the filtering is a 2 times of the 1st fundamental frequency of a bridge bending.
본 논문에서는 다양한 차종의 영향을 반영할 수 있고, 차량과 교량의 연성 운동방정식을 구성하여 시간 단계별 직접해를 산정할 수 있는 수치해석기법을 제시하였다. 운동방정식의 해는 직접적분법인 Newmark ${\beta}$을 이용하여 해석 단계별로 구성된 유효강성행렬과 유효하중벡터를 바탕으로 정적평형방정식의 해를 구하는 원리와 동일하게 산정하였다. 또한 해석의 효율성을 증진시키기 위하여 유효강성행렬은 Skyline 법에 의해 재구성하였으며, Cholesky의 행렬 분해기법을 동시에 적용하여 직접적인 역행렬 계산에서 야기되는 오차의 발생을 최소화 하였다. 또한 기존선 철도차량인 새마을 PMC 열차와 디젤 견인 무궁화 열차에 대한 3차원 정밀수치해석 모델을 개발하였고, 각 차량은 차체와 전 후방 대차에 각각 6자유도씩 고려하여 총 18자유도로 수치모델을 작성하였다. 교량은 3차원 공간뼈대 요소를 이용하여 모델링하였고, 차륜과 레일 접촉면의 불규칙성은 미국의 FRA에서 규정하고 있는 연직방향 및 횡방향틀림에 대한 PSD 함수를 이용하여 궤도틀림을 수치적으로 구현하였다. 제시된 수치해석 기법은 12 m, 18 m형 판형교의 실측결과를 이용하여 타당성을 검증하였으며, 실측 및 수치해석결과는 교량의 1차 휨 고유진동수의 2.0배를 기준으로 Low pass filtering 하였다.
