전 세계적으로 고속열차의 속도 경쟁이 벌어지면서 고속열차 운행 시 발생할 수 있는 사고를 방지, 안전한 운행을 보장할 수 있는 안전시설기술에 대한 관심도 높아지고 있다.
특히, 열차 추락이나 충돌 등으로 인한 막대한 피해를 불러 올 수 있는 고속열차의 탈선사고 방지를 위한 방호벽 기술이 주목받고 있는 가운데 국내 고속철도 교량 환경을 고려한 철도차량 일탈방호시설이 국내 최초로 개발돼 이목을 집중시키고 있다.
철도차량 일탈방호시설(Derailment Containment Provision)은 탈선된 열차가 궤도를 벗어나지 않도록 궤도 안에 설치하는 철도안전시설물이다.
이 시설은 콘크리트 궤도 중앙에 설치돼 열차 탈선 시 차량을 좌우로 제어, 열차의 궤도 이탈을 막는다. 따라서 열차가 반대편 선로와 인접 시설물을 침범하거나 추락하는 것을 방지, 대형 피해를 예방할 수 있다.
하루 20m 이상 급속조립시공 가능 해외제품 가격 대비 40% 수준
진주 철도안전시설성능시험장서 공개시연회 갖고 객관적 검증 마쳐
고속열차의 탈선사고는 발생 빈도가 낮은 반면, 한번 발생하면 열차 추락이나 건물 등과의 충돌로 인해 인적, 물적 피해가 막심하다.
이에 국내에서도 지난 2004년 유럽 관행에 따라 200km/h 이상의 고속철도 교량 상에는 안전을 위해 탈선방호시설인 방호벽을 도입, 운영하고 있다.
이미 네덜란드나 홍콩 등에서는 현장타설식 일탈방호시설이 설치돼 있고 일본은 강재를 비롯한 다양한 형식의 현장 설치형 일탈방호시설을 개발, 현재 신칸센 전 노선에 설치를 목표로 시공이 이뤄지고 있다.
하지만, 국내에서는 아직까지 설계하중과 설치 위치, 규격에 대한 근거가 미약한 것으로 알려져 있다. 특히, 탈선충돌해석과 충돌방호 시험기법이 정립돼 있지 않아 피해 저감을 위한 일탈방호시설도 마련돼 있지 않은 실정이다.
이에 충남대학교를 중심으로 한국철도기술연구원과 한국철도시설공단 등이 참여한 가운데 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원 아래 지난 2016년 11월부터 ‘철도차량 일탈방호를 위한 시설 개발 및 성능기준 연구’ 과제가 진행되고 있다.
이 연구단은 탈선열차에 의한 피해 최소화를 위해 일탈방호시설의 성능 기준·평가 지침과 함께 철도교량 일탈방호시설 개발을 목표로 하고 있다.
현재 1세부 과제에서는 철도교량상 탈선된 열차의 주행을 의도된 영역인 선로 영역 내로 유도하기 위한 일탈방호시설 개발을 위한 ‘철도교량 궤간 내 열차 일탈방호시설 개발’ 연구가 진행되고 있다.
2세부 과제에서는 탈선사고 위험도 등급화와 궤간 내 일탈방호시설의 소요 방호성능 적정성 평가기법 개발을 위한 ‘열차 일탈방호 성능의 적정성 평가기법 및 설계지침 개발’ 연구가 이뤄지고 있다.
열차 일탈방호시설 개발
이 과제에서는 기존 철도교량 일탈방호시설 개량기술 개발과 함께 설계·시공·유지보수 기술과 구조성능 평가 연구가 진행되고 있다.
또한, 일탈방호시설과 궤도, 전기, 신호 등 철도시스템 간 인터페이스 검토, 일탈방호시설 시방서(안) 제시를 위한 연구도 병행되고 있다.
협동연구기관인 한국철도기술연구원에서는 ‘철도교량 궤간 내 열차 일탈방호시설 개발 총괄’을, 공동연구기관인 씨에스글로벌에서는 ‘기존 철도교량에 대한 일탈방호시설의 상세설계와 패널 제작’을 담당하고 있다.
공동연구기관인 유비이엔씨에서는 ‘패널급속시공 및 유지보수방법 연구를, 위탁연구기관인 경남대학교에서는 ‘일탈방호시설 최적 성능 재료 기술’ 개발 연구를 수행하고 있다.
세부적으로 살펴보면, 관련 최신 기술 조사와 수집된 기술정보를 기반으로 일탈방호시설(이하 DCP)을 개발하고 있다.
그동안 이 과제에서는 일탈방호 시설의 목표성능과 기술사양을 도출하고, 필요한 개념설계를 실시, 설계변수별 중요도 산정과 레이아웃, 재료선정과 제작, 급속시공(안) 대안을 제시했다.
또한, 철도교량용 일탈방호시설과 기존 철도시스템의 경합 요건을 검토, 향후 시공과 유지보수단계까지를 미리 고려한 개념설계안을 도출하는 한편, 각 대안에 대한 기술적, 경제적 분석을 실시, 최종 개발품 사양을 연구초기에 확정하고, 관련된 시설과 구성품의 상세설계를 실시했다.
이외에도 시작품 제작을 통해 각 일탈방호시스템의 각 구성품별 실내성능평가 절차서를 제시하는 한편, 초도 시작품의 실내시험을 실시하고 검증을 완료했다.
또한, 연구 초기에 설계 개선된 시작품에 대한 최종 실내성능시험을 실시해 시험성적서를 확보하고, 개발시설의 소규모 현장 시공성 검증시험을 실시한 후 시공 절차서를 보완, 시설 구성품을 제작하고, 진주 유수역에 마련된 충돌시험장에서 현장시험시공을 실시했다.
현재 4차년도 연구에서는 현장시험시공 시설을 대상으로 탈선 방호시험을 실시, 현장시험을 수행하고, 파손된 시설물의 상태평가와 함께 유지보수를 진행, 관련 유지보수 매뉴얼을 개발하고 있다.
특히, 실용화 달성을 위한 제품 제작도와 관련 설계도서 작성을 완료하고, 기술실시를 추진할 예정이다.
성능 평가기법 설계지침 개발
궤간 내 일탈방호시설의 소요 방호성능 적정성 평가기법과 설계지침 개발을 목표로 진행되는 이 과제 중 ‘탈선·충돌 실험을 통한 방호 설계지침 개발’ 부문에서는 탈선 후 거동 분석과 시설과의 충돌 메커니즘 규명, 충돌하중과 일탈방호 효과 평가, 일탈방호 성능의 적정성 평가 등의 연구가 진행되고 있다.
‘시뮬레이션을 통한 방호성능 평가기법 개발’ 부문에서는 실대형 실험 결과와의 시뮬레이션 검증과 함께 시뮬레이션을 통한 일탈방호 성능의 적정성 평가기법을 제시하는 연구가 이뤄지고 있다.
개발 기술의 ‘제도개선과 실용화’ 부문에서는 일탈방호시설 관련 철도설계지침과 편람(KR Code) 개정, 국내외 철도건설사업 계획을 고려한 단계적 적용, 수출 방안 등을 수립하고 있다.
현재 2세부 주관연구기관인 충남대학교에서는 ‘연구단 운영 및 열차 일탈방호 성능의 적정성 평가기법 및 설계지침 개발 총괄’을 담당하고 있다.
공동연구기관인 철도시설공단에서는 ‘개발기술의 제도개선 및 실용화, 성능시험장 구축 및 관리 지원’을 로드키네마틱스에서는 ‘실대형 열차 탈선·충돌 실험기법 및 분석 기술’ 개발 연구를 수행하고 있다.
위탁연구기관인 고려대학교와 서울과학기술대학교, 강원대학교에서는 각각 ‘일탈방호시설 등급화를 위한 위험도 평가’, ‘탈선·충돌 시뮬레이션 대표차량모델 및 탈선모사 구현 기술’, ‘방호시설에 작용하는 탈선열차 충돌하중 산정을 위한 이론해석 기법’ 등을 개발하고 있다.
세부적으로 살펴보면, 실대형 탈선·충돌 실험을 수행하기 위한 시험선로 부지 선정과 시험장을 구축하고, 기존 차량 모델(KTX)을 이용, 탈선 후 충돌거동에 대한 시뮬레이션을 수행했다.
또한, 철도차량 일탈사고에 대한 사례 조사, 원인분석, 피해영향 등에 대한 분석 연구도 병행됐다.
이후 탈선·충돌실험 인프라를 구축과 실대형 실험을 수행하는 한편, 실험과 시뮬레이션을 통한 차량모델의 동적요소 검증과 탈선 유도․모사 연구가 진행됐다.
이와 함께 시뮬레이션을 통한 차량과 방호시설물에 대한 열차의 탈선 후 거동 분석과 철도차량 일탈사고에 대한 위험도 평가, 위험도 등급화안을 도출하는 성과를 거뒀다.
이후 1세부 과제에서 도출한 궤간 내 일탈방호시설에 대한 충돌거동과 충돌하중에 대한 규명·검증 실험을 수행, 탈선·충돌 시뮬레이션 대표차량모델안과 충돌 설계하중을 도출했다.
이외에도 일탈방호시설의 성능 등급화 모델을 제안했다.
현재 이 과제에서는 1세부과제에서 개발한 궤간 내 일탈방호시설 시제품에 대한 강도성능과 차량안전성능의 적정성 평가 실험을 수행하며, 탈선·충돌 시뮬레이션 대표차량모델에 대한 검증 개선을 통해 최종 충돌 설계하중을 제시할 예정이다.
또한, 철도차량 일탈사고에 대한 사고위험도 등급화 모델을 활용한 일탈방호시설의 등급별 적용 방안을 제시, 최종적으로 일탈방호 성능의 적정성 평가기법과 설계지침을 개발할 계획이다.
한편, 연구단은 지난 7월 진주시 소재 철도안전시설 성능시험장에서 ‘철도교량의 일탈방지시설’을 공개하고, 탈선된 열차의 방호성능시험 공개시연회를 개최했다.
철도안전시설성능시험장에 현장 탈선시험 등 일탈방호시설 성능 검증을 위한 길이 100m 규모의 시험 시공 후 구조성능과 충돌방호, 재료, 신호 인터페이스 등 20종의 성능시험을 완료하고, 공개 시연된 실물 탈선·충돌시험을 통해 일탈 방호성능을 객관적으로 검증하는데 성공했다.
특히, 현장 충돌하중 시험과 충돌낙하 시험 등을 통해 고속철도 탈선열차의 차륜과 일탈방호시설의 충돌하중과 충격에너지를 상회하는 내구성능을 확보했다.
기대효과
기존 고속철도 교량의 콘크리트 궤도상에 급속 조립시공이 가능한 프리캐스트 패널을 궤간 중앙에 설치하는 DCP 기술은 운행선 차단시간 내 1일 20m 이상의 급속조립시공이 가능하다.
특히, 기존 해외제품 대비 40% 수준의 가격으로 1km당 60억 원의 비용 절감 효과를 거둘 것으로 기대를 모으고 있다.
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철도 안전시설물 성능 검증 새 패러다임 제시 ‘큰 의미’
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| 임남형 단장 |
충남대학교 토목공학과 임남형 단장은 “이 과제는 경부고속철도 도입 시 탈선된 열차의 과대한 이탈과 제어를 위해 고속선 교량에 부설된 탈선방호벽의 성능에 대한 의구심에서 출발했다”며, “이 같은 의구심 해결과 국내 환경에 최적화된 일탈방호시설 개발을 위해 지난 2013년 한국철도시설공단의 연구용역을 시작으로 2015년 국토교통 R&D 기획과제를 거쳐 2016년에 일탈방호 성능을 확보할 수 있는 철도안전시설 개발 연구를 본격적으로 시작했다”고 밝혔다.
탈선열차의 방호시설에 대한 중요성을 인식한 임 단장은 국내에서 유일하게 현재 국내에 적용되고 있는 방호시설인 방호벽에 대한 개념정립을 위한 연구와 함께 ‘일탈방지방호 성능을 갖는 콘크리트 궤도 기술 개발 기획’ 연구를 통해 관련기술을 사전검토하고 연구를 수행하며, 이 과제의 토대를 마련한 바 있다.
특히, 이 과제는 도로 차량의 방호 안전시설 분야의 경우 지난 1980년부터 현재까지 지속적인 R&D와 시설 개량이 이뤄지고 있는 반면, 철도 차량의 방호 안전시설 분야에서는 처음으로 시도되는 과제로 의미를 더하고 있다.
임 단장은 중점적으로 진행되는 연구 내용에 대해 “철도 분야의 안전시설임에도 불구하고 성능 확인이 부족한 상태에서 부설된 탈선방호벽을 경제성과 안전성 등을 확보할 수 있는 일탈방호시설로 개선하는데 초점을 맞추고 있다”며, “또한, 개선된 시설의 성능을 객관적으로 검증할 수 있는 시험기법과 시뮬레이션 기법을 세계 최초로 개발하는데 역량을 집중시키고 있다”고 설명했다.
현재 임 단장은 국내 최초로 철도 안전시설에 대한 이론적, 실험적, 체계적인 연구를 수행한다는 점과 연구결과물이 향후 철도에 대한 대국민 안전성을 확실하게 보장할 수 있다는 점을 참여 연구진에 강조하며, 이 같은 성과 도출을 위해 구슬땀을 흘리고 있다.
특히, 실물 열차의 탈선과 충돌실험을 국내에서 처음으로 시도하며, 철도 안전시설물 성능 검증의 새로운 패러다임을 제시해 눈길을 끌고 있다.
‘탈선 위험’ 모든 구간에 적용 ‘철도 안전시설 개발’ 역점
임 단장은 “국내에서 최초로 계획하고, 실시한 실물 열차의 탈선과 충돌실험 초기에는 많은 시행착오가 있었지만, 현재 실험기법과 데이터 분석방법 등이 안정화 단계에 접어들었다”며, “특히, 개발된 일탈방호 시설의 성능이 이론적, 실험적으로 입증됐을 때 세상의 모든 것을 얻은 것처럼 큰 기쁨을 얻었다”고 강조했다.
이어 “하지만, 연구진들이 수행한 철도 안전시설의 연구 개발에 대한 인식이 연구 초반보다는 많이 개선됐지만, 아직까지 불필요하다고 생각하는 안전 불감증이 연구자들 사이에서도 만연해 있다”며, “또한, 사고의 위험도를 저감시키기 위해 미연에 사고 발생을 방지하는 것과 사고 발생 시 피해를 최소화 하는 것이 매우 중요하지만, 지금도 사고 방지 부분에만 산·학·연·관 관계자들이 관심을 갖고 있는 절름발이식 사고 위험도 관리는 매우 아쉽다”고 지적했다.
이번 연구를 기반으로 임 단장은 향후 탈선 위험이 존재하는 모든 구간에 적용하는 철도 안전시설 개발에 나설 계획이다.
임 단장은 “현재 개발되고 있는 이 기술은 고속철도 교량상에 부설되는 콘크리트 궤도의 철도 안전시설”이라며, “실제 탈선의 피해는 일반선과 화물선이 운영되는 혼용선과 높은 성토 위에 시공되는 토노반, 도심을 통과하는 선로 등에서 더욱 크게 나타나고 있다”고 말했다.
이어 “또한, 기후변화로 인해 폭염과 강풍의 영향이 날로 증대하고 있으며, 지진 발생과 크기도 증가하고 있는 가운데 열차 탈선의 위험은 날로 증가하고 있어 자갈궤도 구간을 비롯한 고성토 구간, 도심지 구간, 분기기 구간 등 탈선의 위험이 존재하는 모든 구간에 적용하는 철도 안전시설 개발에 나설 예정”이라고 덧붙였다.
그 일환으로 임 단장은 현재 ‘선제적 선로장애 예방을 위한 레일결함 탐상 및 상태평가 기술 개발’ 연구를 통해 철도시설의 안전에 대한 연구를 수행하고 있다.
끝으로 임 단장은 “경남 진주에 조성된 철도안전시설 성능시험장은 상당한 예산과 연구진의 부단한 노력이 투입된 탈선·충돌 시험장이지만, 올해 12월 연구과제가 종료되면 철거될 수밖에 없는 상황에 직면해 있다”며, “고속으로 운행하면서도 안전성을 확보해야하는 당면 과제를 안고 있는 지금, 어렵게 마련된 연구 환경과 시설을 지속적으로 활용해 이번 연구 사업이 초기의 목표를 달성할 수 있도록 적극적인 지원이 필요하다”고 강조했다.
