장대레일

왜 배우는가: 장대레일은 이음매를 없애 승차감과 유지보수를 개선하는 현대 궤도의 기본 구조다. 온도에 따른 축력과 좌굴을 관리해야 하므로 설정온도, 재설정, 신축이음매를 함께 이해해야 한다. 이 세 가지는 용어 문제와 논술 문제에서 반복해 묻는 핵심 주제다.

출제 이력: 제137회 1교시 1번, 제135회 4교시 5번, 제132회 2교시 3번, 제131회 4교시 2번, 제129회 3교시 3번, 제127회 4교시 2번, 제116회 2교시 4번, 제115회 3교시 2번, 제113회 3교시 2번, 제103회 3교시 4번, 제99회 2교시 2번, 제98회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

장대레일은 여러 레일을 용접으로 이어 이음매를 없앤, 길이 200m를 넘는 레일이다.

장대레일(Continuous Welded Rail, CWR)은 열차 주행을 매끄럽게 하고 유지보수를 줄이기 위해 부설하는 궤도 구조다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 설정온도: 장대레일을 설정하거나 재설정할 때의 기준 온도
• 중위온도: 레일이 겪는 최고 온도와 최저 온도의 중간값
• 축력(Axial Force): 온도 변화로 레일 내부에 생기는 압축력과 인장력
• 좌굴(Buckling): 축력이 한계를 넘어 궤도가 옆으로 휘는 현상
• 재설정: 체결을 풀어 응력을 없앤 뒤 다시 체결하는 작업
• 신축이음매(Expansion Joint): 장대레일 끝에서 레일의 신축을 흡수하는 장치
• 부동구간: 온도가 변해도 신축이 거의 없고 축력만 변하는 장대레일 중앙부

장대레일의 핵심은 이음매를 줄여 주행을 매끄럽게 하면서, 온도 변화에 따른 레일 신축을 구조적으로 억제하는 데 있다. 레일이 자유롭게 늘거나 줄지 못하면 온도 변화에 비례하는 큰 축력이 생기므로, 이 축력을 궤도 구조와 체결장치가 감당해야 한다.

부동구간은 장대레일의 중앙부이고, 양단은 온도 변화에 따라 신축이 일어나는 구간이다. 일반철도는 양단 100m 정도를, 고속철도는 양단 150m 정도를 제외한 구간이 부동구간이다. 이 구분은 신축이음매를 설치하고 축력을 관리하는 기준이 된다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 장대레일은 이음매 없이 길게 이어진 레일이다. 기존 일반레일은 25m 길이로 만들어 이음매로 이어 쓴다. 이음매가 많으면 차륜이 충격을 받아 마모가 커지고, 승차감이 떨어지며, 소음이 생긴다. 이음매의 볼트가 풀리거나 틀어지면 궤도 틀림으로 이어져 보수 부담도 커진다.

정식으로는 레일을 용접으로 연속시켜 이음매가 없는 긴 레일로 궤도를 구성하는 방식을 장대레일이라 한다. 레일 길이가 25m를 넘고 200m를 넘지 않는 장척레일과 구분하여, 200m를 넘는 레일을 장대레일로 쓴다.

원리는 다음과 같다. 레일은 체결장치로 침목에 고정되어 있어 온도가 바뀌어도 자유롭게 늘거나 줄지 못한다. 그 결과 레일 내부에 축력이 생긴다. 온도가 변하면 장대레일 내부에 축력이 생기며, 이 축력이 좌굴과 레일 절손을 좌우한다. 온도가 오르면 압축력이, 내리면 인장력이 생긴다.

자유 신축이 완전히 구속된 경우의 축력은 다음 식으로 구한다.

$P = E · A · α · ΔT$

P는 축력(N), E는 강재의 탄성계수(MPa), A는 레일 단면적(mm²), α는 강재의 선팽창계수(1/℃), ΔT는 온도 변화량(℃)이다. 실제 레일 단면에서는 온도가 1℃ 바뀔 때 축력이 약 17kN(1.7톤) 수준이라는 자료가 있다(영문 위키백과 궤도 항목 기준). 결국 설정온도와 현재 레일 온도의 차이가 축력을 결정하므로, 설정온도 관리가 곧 축력 관리다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 설정온도: 장대레일을 부설하거나 재설정할 때 체결을 시작해서 완료할 때까지의 레일 전체 평균온도다. 축력의 초기 상태를 정하는 기준이 된다.
• 중위온도: 레일이 설치되는 지점에서 겪는 최고 온도와 최저 온도의 중간값이다. 설정온도는 이 중위온도 근처에서 정하는 것이 일반적이다.
• 최저좌굴축압: 국부 틀림이 좌굴을 일으킬 조건이 되었을 때 이론상 좌굴이 생기는 최저 축압력이다.
• 좌굴저항: 궤도의 좌굴에 저항하는 도상횡저항력, 도상종저항력, 궤광강성을 합한 총칭이다.
• 도상횡저항력: 침목과 도상자갈 사이에서 레일 직각 방향 수평이동에 저항하는 힘이다. 침목이 2mm 이동할 때 측정되는 1m당 최대 저항력(kgf/m)으로 표시한다.
• 도상종저항력: 같은 원리로 레일 평행 방향 이동에 저항하는 힘이다. 측정 기준은 도상횡저항력과 같다.

3. 등장 배경과 필요성

장대레일이 나오게 된 출발점은 유지보수 작업이 이음매에 집중된다는 관찰이다. 초기 철도는 짧은 레일을 이음매판과 볼트로 연결했다. 이음매는 레일 단면이 끊기는 곳이어서 차륜 충격이 집중되고 볼트가 풀리기 쉽다. 그래서 궤도 틀림이 이음매에서 먼저 생기고, 보수 작업도 이음매 부근에 몰렸다.