철도 하중 최적화 (RLO)

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철도 하중 최적화 (RLO)

철도 하중 최적화

철도 하중 최적화(Rail Load Optimisation, RLO)는 영향선(influence line) 및 **철도용 영향해석(Direct Method Influence Analysis)**을 활용하여, 사전에 정의된 선로 배치(track layout)에 대해 설계기준에 따른 가장 불리한 열차 하중 배치를 식별하고, 해당 열차 하중 패턴을 LUSAS 모델에 적용합니다.
이를 통해 설계기준 기반의 열차 하중을 모델에 재현하기 위해 필요한 하중 케이스 생성 시간을 크게 단축할 수 있으며, 철도교 구조물의 **보다 효율적이고 경제적인 설계, 성능 평가 또는 하중 등급 산정(load rating)**이 가능해집니다.

본 기능은 구조물의 상판(deck)이 빔, 플레이트 또는 셸 요소로 모델링된 경우에 사용하도록 설계되었으며, 경간이 단일 선형 빔으로만 표현된 모델은 현재 지원되지 않습니다.

레일용 직접법 영향해석은 선택된 선로 하중 구성에 대해, 레일 위치에 단위 하중을 작용시켰을 때 발생하는 최악의 효과를 평가하기 위해 수행됩니다.

수행 절차

구조 모델이 완성된 이후, Rail Load Optimisation 해석을 이용하여 교량에 정의된 선로 배치에 대해 가장 불리한 열차 하중 패턴의 영향을 평가하는 절차는 다음과 같습니다.
아래 절차는 중간 경간의 대표적인 영향점을 대상으로 열차 하중을 분석하는 간단한 플레이트/셸 모델을 예로 들어 설명합니다.

**단계 1: 선로 및 선로 배치 정의

구조물에 의해 지지되는 각 선로 구간의 **중심선(centerline)**을 정의해야 합니다.
이는 일반적으로 LUSAS 모델 내에서 선로 중심선을 나타내도록 선(line) 및 원호(arc)를 작성하고 선택함으로써 수행됩니다. 또한, 선로 상의 레일 하중 간 횡방향 거리도 함께 정의해야 합니다.

하중 적용이 가능한 유효한 선로 배치를 정의하기 위해, **각 선로 구간마다 개별적인 선로 정의(track definition)**가 필요합니다.

자세한 내용은 Track definition 및 Track layouts 관련 매뉴얼을 참고하시기 바랍니다.

**단계 2: 모델에 직접법 영향 속성 할당

(Stage 2: Assign Direct Method Influence attributes to the model)**
레일용 직접법 영향 속성은 모델 상의 **선택된 위치(절점 또는 관심 지점)**에 할당해야 합니다.
이 과정의 효율성을 높이기 위해, 선로 배치를 보이지 않도록 설정하고, 교량의 상판(deck) 또는 하면(soffit)을 나타내는 면(surface)만 표시하여 적절한 영향 위치를 선택할 수 있습니다.

자세한 내용은 Direct Method Influence Attributes 관련 매뉴얼을 참고하시기 바랍니다.

**단계 3: 레일 DMI 해석 수행 및 영향면 생성

(Stage 3: Solve the model for a Rail DMI Analysis)**
할당된 영향 속성에 대한 **영향 형상(influence shape)**을 생성하기 위해, 레일용 직접법 영향해석을 수행해야 합니다.
해석이 완료되면, 각 레일 하부에 **영향선(influence line)**이 생성되며, 분석에 포함된 각 선로 배치 및 영향 위치별로 이를 확인할 수 있습니다.

자세한 내용은 Direct Method Influence analysis for rail use 관련 매뉴얼을 참고하시기 바랍니다.

영향 형상 확인 (Viewing influence shapes)

영향해석 수행 후, Analyses Treeview에서 각 영향 하중 케이스를 순차적으로 활성화하면 각 관심 영향점에 대한 영향 형상을 확인할 수 있습니다.
선택된 영향 속성에 대해, 포함된 각 선로의 각 레일에 대한 영향 형상이 표시됩니다.

영향 형상은 Layers Treeview의 Influence shape 레이어에서 확인할 수 있으며, 직접법 영향해석 하중 케이스가 활성화되면 Deformed mesh 레이어를 대체하여 표시됩니다.
특정 선로 배치의 영향 형상은 해당 선로 배치가 가시 상태로 설정된 경우에만 표시할 수 있습니다.

또한, 하나의 영향 속성에 대해 레일용 직접법 영향해석이 수행된 이후에는, 추가로 할당되는 영향 속성들에 대해서도 구조물의 어느 위치에서든 단위 하중의 효과를 즉시 확인할 수 있습니다.

**단계 4: Rail Load Optimisation 해석 실행

(Stage 4: Run a Rail Load Optimisation Analysis)**
Rail Load Optimisation 마법사를 실행하기 위해서는 설계기준 선택, 사용할 영향 정의 지정, 검토할 선로 배치 선택, 그리고 하중 패턴 생성 여부를 설정해야 합니다.
해석 실행 후에는, 모델에 하중 효과를 계산하기 전에 임계 열차 하중 패턴을 선택적으로 시각화할 수 있습니다.

해석이 정상적으로 완료되면, Analyses Treeview에 Rail Direct Method Influence Analysis 항목과 함께 RLO Analysis 항목(및 RLO run)이 추가됩니다.
이를 통해 모델 해석을 수행하기 전에 영향 형상 및 레일 하중 패턴을 사전에 검토할 수 있습니다.

Analyses Treeview에는 여러 개의 RLO Analysis 항목을 생성할 수 있으며, 각 RLO Analysis 항목에는 여러 개의 RLO run이 포함될 수 있습니다.
각 RLO run에는 선택한 설계기준 및 설정에 따라 레일 하중 최적화 소프트웨어가 생성한 하중 케이스들이 포함됩니다.

각 하중 케이스는 선택된 설계기준에 따른 열차 및 선로 하중으로 구성되며, 해석 시 모델에 정의된 각 영향점에 대해 가장 불리한 양(+) 또는 음(–)의 하중 효과를 발생시키도록 구성됩니다.
필요한 경우, 양(+) 효과와 음(–) 효과를 각각 별도의 RLO run으로 검토하거나, 하나의 RLO run에서 함께 평가할 수도 있으며, 이는 동일한 Analysis 내에서 수행할 수 있습니다.
RLO run은 서로 다른 RLO Analysis 간에 복사 및 붙여넣기가 가능합니다.

자세한 내용은 Rail Load Optimisation Wizard 관련 매뉴얼을 참고하시기 바랍니다.

**단계 5: 열차 하중 효과 계산을 위한 해석 수행

(Stage 5: Solve to calculate the effects of train loading)**
Rail Load Optimisation 해석을 실행한 이후에는, 선로 하중 패턴이 구조물에 미치는 영향을 계산하기 위해 모델 해석을 수행해야 합니다.
선로 하중 패턴은 선택적으로 시각화할 수 있으며, 변형 또는 비변형 결과와 중첩하여 표시할 수 있습니다.

영향 결과 하중 케이스와 임계 레일 하중 패턴을 나타내는 하중 케이스가 Analyses Treeview에 존재하는 상태에서, 메인 툴바의 Solve 버튼을 선택하면 구조물에 대한 하중 효과가 계산됩니다.
또는, 개별 Analysis 항목의 컨텍스트 메뉴에서 Solve Now를 선택하거나, Loadcase to Solve 메뉴를 통해 특정 하중 케이스만 선택적으로 해석할 수도 있습니다.

레일 하중 패턴 확인 (Viewing of rail track loading patterns)

하중 표시를 활성화하고 Analyses Treeview에서 각 하중 케이스를 선택하면, 레일 하중 최적화 마법사에 의해 생성된 각 하중 케이스의 레일 하중 패턴을 확인할 수 있습니다.
이때 점하중 형태의 교통 하중과 패치(면) 하중 형태의 교통 하중은 서로 다른 색상으로 표시됩니다.

각 하중 케이스의 하중 항목을 확장하면, 해당 하중 케이스를 구성하는 **개별 하중 유형 및 이에 대응하는 하중 계수(load factor)**를 확인할 수 있으며, 컨텍스트 메뉴를 통해 추가적인 시각화 및 기타 옵션을 사용할 수 있습니다.

Rail Load Optimisation 해석의 수정 및 재실행

Layers Treeview에서 기존 RLO Run 항목을 편집하여 영향점을 추가할 경우, 기존 영향 결과는 삭제되고 새로 생성되며, 추가된 영향점에 대한 새로운 결과 하중 케이스가 생성됩니다.
기존 결과를 유지하면서 새로운 하중 케이스만 추가하고자 할 경우에는, 새로운 RLO run을 추가하시면 됩니다.

중첩 원리 (Superposition)

Rail Load Optimisation 기능은 본질적으로 **선형 중첩 원리(linear superposition)**를 기반으로 합니다.
선형 정적 해석의 경우, 이 가정은 LUSAS Solver에서 계산되는 모든 결과 성분에 대해 유효합니다. 다만, LUSAS Modeller에서 후처리(post-processing)되는 일부 결과 성분에는 적용되지 않을 수 있음에 유의해야 합니다.

예를 들어, Wood–Armer 철근 산정 결과는 선형 계산이 아니므로 중첩 원리를 적용하는 것은 안전하지 않습니다.
또한, 직접법 영향 정의에 사용되는 사용자 정의 결과 성분 역시 스케일링이 불가능한 항이나 상수를 포함할 수 있으므로, 중첩 가정이 성립하지 않을 수 있습니다.