건축한계 확대량

왜 배우는가: 곡선 구간에서 차량이 건축물이나 설비와 부딪히지 않도록 건축한계를 얼마나 넓혀야 하는지 정하는 기준이다. 실무에서는 곡선 설계, 승강장과 구조물 배치, 복선 궤도 중심간격 결정에 함께 쓰인다. 시험에서는 확대량 산식과 체감 방법을 묶어 묻는 경우가 많다.

출제 이력: 제138회 4교시 2번, 제127회 1교시 8번, 제108회 4교시 4번, 제104회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

곡선구간에서 차량이 건축물과 닿지 않도록 직선 건축한계에 더하는 치수를 건축한계 확대량이라 한다.

건축한계 확대량은 곡선에서 차량이 바깥쪽으로 튀어나오는 만큼 건축한계를 넓혀 주는 치수다. 건축한계는 건축물과 설비가 들어오면 안 되는 공간의 범위이고, 확대량은 그 범위에 곡선의 영향을 더한 값이다.

핵심 키워드

• 건축한계(Structure Gauge)
• 건축한계 확대량
• 곡선 확대량
• 캔트 편기량
• 슬랙 편기량
• 평면편기
• 체감
• 완화곡선

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 곡선을 도는 열차는 직선을 달릴 때보다 차체가 궤도 바깥쪽으로 밀려 나온다. 그래서 곡선에서는 건물이나 설비가 들어오면 안 되는 공간을 바깥쪽으로 넓혀야 한다. 이 넓히는 치수가 건축한계 확대량이다.

정식으로는 곡선구간의 건축한계를 직선구간의 건축한계에 곡선에 따른 확대량과 캔트 및 슬랙에 따른 편기량을 더한 값으로 정한다. 다만 가공전차선 및 그 현수장치를 제외한 상부에는 그러하지 아니하다. 「철도의 건설기준에 관한 규정」 제13조제3항이 이 원칙을 정한다.

곡선 확대량은 차량 중앙부가 곡선 안쪽에서 바깥쪽으로 밀려 나가는 양을 보상하는 치수다. 이 양은 평면편기로 설명한다. 평면편기는 차량 길이 때문에 차량 중앙부가 궤도 중심선에서 벗어나는 편기를 뜻한다.

곡선 확대량 산식은 중앙부 편기 식에서 유도한다. 기준 차량 길이 L과 곡선반경 R을 쓰면 중앙부 편기는 L^2/(8R)이다. 기준 차량 길이를 20미터로 넣으면 다음과 같다.

$W = L^2/(8R) = 20^2/(8R) = 50/R (m) = 50000/R (mm)$

W는 궤도 중심의 각 측에 확대할 치수(mm)이고, L은 기준 차량 길이(m), R은 곡선반경(m)이다. 일반철도에서 곡선 확대량 산식은 50,000/R(mm)이다. 이 산식은 기준으로 삼은 차량 길이를 가정한 값이다.

예를 들어 곡선반경 R이 400미터이면 W = 50000/400 = 125mm이다. 궤도 중심의 한 측에 125mm를 넓히는 값으로, 상식 범위에 있다. 산식이 R에 반비례하므로 곡선이 급할수록 확대량이 커진다. R이 절반이 되면 W는 두 배가 된다. 이 관계가 아래 그래프의 모양이다.

캔트 편기량은 캔트로 차체가 안쪽으로 기울면서 생기는 편기를 보상하는 치수다. 건축한계도 캔트 크기에 따라 기울게 설정한다. 슬랙 편기량은 슬랙으로 궤간이 넓어진 곡선에서 차량이 안쪽으로 치우쳐 움직이는 양을 보상한다. 두 편기량은 곡선 확대량에 더해진다. 다만 가공전차선 및 그 현수장치를 제외한 상부에는 이 확대를 적용하지 않는다.

확대량은 곡선 시작점에서 갑자기 생기지 않도록 완화곡선에서 서서히 줄이거나 늘린다. 이것을 체감이라 한다. 체감 길이는 완화곡선 길이에 따라 다음과 같다.

• 완화곡선 길이가 26미터 이상이면 완화곡선 전체 길이에서 체감한다.
• 완화곡선 길이가 26미터 미만이면 완화곡선과 직선을 합쳐 26미터 이상에서 체감한다.
• 완화곡선이 없으면 곡선의 시점과 종점에서 직선 쪽으로 26미터 이상에서 체감한다.
• 복심곡선이면 26미터 이상에서 체감하되, 곡선반경이 큰 곡선에서 체감한다.

체감을 하지 않으면 확대량이 곡선 시점에서 계단처럼 바뀌어, 차체가 구조물에 부딪힐 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

열차가 곡선을 지나면 차량 길이 방향의 중앙부가 접선 방향으로 밀려 궤도 중심에서 바깥쪽으로 벗어난다. 차량이 길수록, 곡선 반경이 작을수록 이 편기는 커진다. 곡선 바깥쪽에는 승강장, 전주, 신호기, 터널 벽 같은 구조물이 있어 차체와 접촉할 위험이 생긴다.

따라서 직선과 같은 건축한계를 곡선에 그대로 적용하면 안전이 확보되지 않는다. 건축한계를 바깥쪽으로 넓혀야 하는 이유가 여기에 있다. 캔트로 차체가 기울면 상부의 여유도 달라지므로 캔트 편기량을 함께 더한다.

복선 구간의 곡선에서는 교행하는 두 열차의 기울어진 차량 사이 여유도 줄어든다. 그래서 곡선 구간 궤도의 중심간격은 기본 중심간격에 건축한계 확대량을 더해 넓힌다. 다만 교행 시 여유 폭이 확대량보다 크면 확대량을 생략할 수 있다. 이 관계는 궤도중심간격과 함께 봐야 한다.

도시철도는 지자체별 건설기준 규칙을 따르는 경우가 많아 산식의 계수가 다르다. 서울특별시 도시철도 건설기준은 24,000/R 산식을 쓰고, 광주광역시는 20,000/R 산식을 쓴다. 따라서 설계 때는 적용되는 기준을 먼저 정해야 한다.