도상(Ballast) 강도
도상강도를 이야기하기 전에, 먼저 도상(Ballast)에 대해 이야기하고자 한다.
도상이란, 레일 및 침목으로 부터 전달되는 열차하중을 넓게 분산시켜 노반에 전달하고, 침목을 소정의 위치에 고정시키는 역할을 하는 궤도 재료로서 자갈도상과 콘크리트 도상으로 나뉜다. 또한 레일의 신축으로 인해 나타날 수 있는 침목의 이동을 도상 저항력으로 방지하며 차량의 진동을 흡수하여 승차감 향상의 목적도 가진다.
1. 자갈도상
전통적으로는 단단한 바위를 잘게 부순 자갈을 활용한 자갈도상이 보편적으로 적용되며, 현재에도 대부분의 노선은 자갈도상으로 구성되어있다. 자갈도상은 건설비가 저렴하고 궤도를 일정하게 유지시켜 줄 수 있고, 정정 작업도 간단하기 때문에 전세계적으로 널리 사용한다. 다만 자갈도 시간이 흐름에 따라 부서지면서 강도가 약해지고, 빗물이나 토사의 유입으로 배수가 나빠지기 때문에 정기적으로 다짐작업이나 새로운 자갈로 교환하는 치환 작업이 요구되는데, 여기에는 많은 인력과 비용이 소요된다. 또한 고속운행 시 열차가 발생시킨 압력으로 인해 자갈이 튀어올라 열차의 외벽이나 유리창을 파손하는 사고도 종종 발생한다.
2. 콘크리트도상
자갈도상의 단점을 해소하기 위하여 등장한 것이 콘크리트 도상이며, 서울 지하철 건설시 적극적으로 도입되었다. 기존의 자갈 대신 단단한 콘크리트 도상으로 대체하여 유지, 관리 소요를 획기적으로 줄이는 장점이 있으나 궤도의 탄성이 적어 충격이 크고 자갈에 비해 소음 흡수가 힘들어 열차 운행 시 소음이 높아진다. 또한 건설비가 높고 파상 마모, 레일 이음매부 손상의 우려 등 단점도 가지고 있다.
도상강도는 다음과 같다.
1. 개요
- 도상의 강도는 궤도의 안전도 등을 지배하는 도상의 강도를 의미
- 궤도 역학에서는 도상의 저항력을 말하며, 계산에서는 도상 계수를 사용한다.
$$K=P/r$$
여기서, $$K=\text{도상계수} (kg/cm^3)$$
$$P=\text{도상반력(도상압력)} (kg/cm^2)$$
$$r=\text{그 점에서의 탄성침하량} (cm)$$
2. 도상강도의 특성
- 도상의 재료가 양호할수록 크다.
- 도상의 다지기가 충분할수록 크다.
- 노반이 견고할수록 크다.
3. 도상계수(K)의 기준치
$$K=5kg/cm^3 → \text{불량}$$
$$K=9kg/cm^3 → \text{보통}$$
$$K=13kg/cm^3 → \text{양호}$$
4. 결론
- 도상은 레일 및 침목으로부터 전달되는 열차하중을 넓게 분산시켜 노반에 전달하고, 침목을 소정 위치에 고정시키는 역할을 하며
- 도상의 좋고 나쁨은 궤도의 안전도를 지배하며, 보수틀림 발생량, 보수비용, 진동가속도, 승차기분 등에 따라 평가되어야 한다.
- 깬자갈은 친자갈에 비해서 50~60%의 보수노력이 절감되며, 도상두께가 클 수록 보수노력이 적게 든다.
궤도재료 중 하나인 도상의 강도, 그리고 그 도상강도에서 중요한 지수 중 하나인 도상계수에 대해 알아보았다.
도상계수가 커짐에 따라 도상강도가 불량, 보통, 양호로 나뉘게 되며
도상의 좋고 나쁨은 철도가 궤도를 주행하면서 얼마나 안전한지, 그리고 궤도보수의 비용, 차량의 진동가속도, 승객들의 승차감에도 큰 영향을 주기 때문에 도상강도는 좋게 유지되어야 한다.
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