모달시험기법을 이용한 고속철도 레일이음매부의 휨강성 분석

Evaluation of Bending Stiffness of Rail Joints in High–Speed Railway using Modal Test

본 연구는 고속철도 콘크리트궤도에서 레일이음매부 유간 변화가 레일 휨강성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 동일 레일, 체결장치 및 도상 조건에서 유간만을 달리한 여러 이음매부를 대상으로 현장 모달시험을 수행하고, 모재부와 이음매부의 1차 고유진동수를 비교 분석하였다. 분석결과, 이음매판이 설계대로 체결된 경우 좌, 우 레일의 고유진동수 차이는 매우 작게 나타나 이음매부가 구조적으로 거의 일체 거동하는 것으로 평가되었다. 또한 유간이 설계 범위 내인 경우 이음매부 고유진동수가 모재부와 유사하여 휨강성이 동등하게 유지되지만, 유간이 확대되면 고유진동수가 저하되어 휨강성 감소와 변형 집중 가능성이 커지는 것으로 분석되었다. 이에 따라 동일 열차하중 작용 시 이음매부에서 충격하중 및 궤도충격계수가 증가하고, 체결장치 및 이음매판의 손상 위험도 또한 높아질 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 레일이음매부 유지관리 시 육안에 의한 유간 확인뿐만 아니라 모재부 대비 고유진동수 감소율을 활용한 휨강성 진단이 유효한 보조지표가 될 것으로 판단된다. 향후 고속철도 이음매부의 보수, 교체 기준 및 허용 유간 설정에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

This study investigates how variations in gap length at the joint rail affect the flexural stiffness of rails in high-speed railway concrete track. Field modal tests were conducted on several joint rails where only the gap length differed, while the rail section, fastening system, and track structure were kept identical. The first natural frequencies measured at the joint rail were compared with those of the adjacent parent rail. When joint bars were installed according to design, the natural frequencies of the left and right rails at the joint rail were almost identical, indicating that the two rails behave structurally as a nearly monolithic member. Within the design range of gap length, the first natural frequency at the joint rail was similar to that of the parent rail, implying that flexural stiffness is essentially maintained. However, as the gap length increases beyond this range, the natural frequency decreases, indicating reduced flexural stiffness and a higher tendency for local deformation. Under the same train loading, this reduction in stiffness is expected to increase impact forces and the track impact factor at the joint rail, thereby raising the damage risk of the fastening system and joint bars. Therefore, maintenance of joint rails should consider not only visual inspection of the gap length, but also the reduction ratio of natural frequency relative to the parent rail as a useful auxiliary indicator for flexural stiffness assessment.