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| |
| 캔트를 설치한 곡선선로를 달리는 E353계 전동차 |
캔트는 도로, 철도 등 육상 교통 대부분에 적용 가능하며, 그 외 적용사례 중에서는 대표적으로 롤러코스터가 있다. 롤러코스터는 캔트의 극단적인 활용 예시로서 주행안정성과 급격한 횡 가속도를 동시에 확보하는 데 쓰인다. 공장의 생산/운반 라인에서도 상품이 레일을 이탈하지 않도록 곡선 외측을 들어올리는 경우가 있다.
과거 지방국도들 중 차량전복사고가 빈발하는 커브 구간을 점검한 결과, 도로가 커브 외측방향으로 기울어져 있던 것이 드러난 곳도 심심치않게 있었다. 역캔트라 부르는 이 조건에서는 화물트럭같이 차고가 높은 차들의 사고 위험이 높아진다.
2. 철도 관련 규정
※ 설정캔트 및 부족캔트는 철도의 건설기준에 관한 규정 7조에 규정된 값 이하여야 한다.[math(\displaystyle C=11.8\frac{V^2}{R}-C_d)]
- [math(\displaystyle C)]=설정캔트
- [math(\displaystyle V)]=설계속도
- [math(\displaystyle R)]=곡선반경
- [math(\displaystyle C_d)]=부족캔트
기타 세부 규정은 철도의 건설기준에 관한 규정 7조 및 국가철도공단 철도설계지침 및 편람 KR C-14020 궤도 선형 및 배선 PDF를 참고하기 바란다.
3. 실무 활용
많은 교육기관에서 기하조건과 원심력을 통해 근사한 위 공식을 통해 캔트 이론을 교육하지만, 엄밀히는 이는 설정 가능한 캔트의 규범적 상한일 뿐, 실제 이 공식에 따라 캔트가 부설되지 않으므로 고도로 시스템화 된 현행 철도 조건에서는 이전만큼의 의미가 없다.설정캔트 기준을 그대로 실제 선형설계에 사용하지 않는 이유는 먼저, 선로에 발생하는 원심력은 상기한것처럼 단순히 곡선반경과 통과속도만으로 규정 가능한 것이 아닌, 열차 무게중심과 가감속도, 차륜-레일 접촉, 도상과 구조물의 횡방향 동적 응답, 바람저항, 차량길이, 확대궤간(슬랙) 등을 전부 고려해서 결정해야하기 때문이다. 이것들을 전부 충족하여 합력이 0이 되게 하는 이론적 캔트량을 균형캔트라 한다. 국내 선로 조건에서는 화물열차와 KTX가 전동차 전용선을 공용하기도 하여서, 특정 열차를 위해 곡선설계를 어떤 이론적인 해에 맞추어 하는 것은 부적합한 실정이다.
두번째 이유로, 균형캔트는 때로 실제로 시공 가능한 범위를 초과하기도 한다. 대표적으로 RHEDA-2000 기반 현장타설 콘크리트궤도는 C=180mm을 초과하는 캔트 부설을 지양하고 있는데, 철근 피복두께 기준을 만족하기 위해서는 레일면고 기준 500mm로 정형화 된 기존 도상두께를 변형시켜야 하고, 그 결과 새로운 구조검토를 필요로 하기 때문이다. 장차 설계속도를 400km/h 이상으로 상향하는 데엔 필수적인 과정일 수 있겠으나, 현행 고속철도 운행 조건에서는 비효율적이고 과한 설계이다.
세번째, 설정 캔트량이 커지면 통과속도가 낮은 열차와 높은 열차 사이의 괴리가 커져 실제 운행 조건에서는 오히려 과한 횡 G를 유발할 수 있다. 곡선은 언제나 열차가 신호대기 등의 이유로 인해 정차하거나 저속으로 통과할 수 있는데, 캔트가 과할 경우 (초과캔트)에도 승차감 저하, 주행안정성 저하, 내측 레일의 편마모 등으로 이어질 수 있기 때문에 설계속도가 높다고해서 단순히 캔트를 무작정 올릴 수만은 없다.
네번째, 유지보수 문제가 있다. 인력에 의존하는 철도 유지보수 특성 상, mm 단위의 정밀한 캔트 설정은 유지보수 인력의 피로를 유발하며 정비 효율을 낮춘다. 편의상 자갈궤도, 현장타설콘크리트궤도는 10, 15mm 단위의 캔트를 부여하며, 사전제작콘크리트궤도는 패널 양산 계획을 고려하여 가능한 단순화하여야 한다.
다섯번째, 횡방향 합력은 반드시 0이 되어야 하는 것이 아니다. 실제로 대부분의 노선이 균형캔드보다 부족한 설정캔트를 부여하고 있고, 그 결과 이용객은 곡선을 통과할때 어느정도 원심력을 느끼기도 한다. 이때 균형캔트와 설정캔트의 차를 부족캔트(Cd)라 하는데, 현대 곡선설계의 핵심은 바로 이 부족캔트의 조절이다. 실무에서는 목표로 하는 주행안정성과 승차감 기준을 고려하여 부족캔트의 허용 최대량을 기준에 따라 결정한다. 그리고 이 데이터는 첫번째 이유에서 밝혔듯 많은 환경변수에 종속되기 때문에 일반적으로 설계자 판단이 아닌 외부 데이터를 통해 입수하고, 선형 설계자가 하는 것은 뱀파이어 등의 선형 시뮬레이터 프로그램을 이용해 자동으로 최적 캔트를 도출하는것 뿐이다.
결론은 설계자가 결정해야하는 변수는 부족캔트(Cd)이고 설정캔트는 그에 따라 자동으로 산출되는 것에 가깝다는 것이다.
상기 식은 설계정합성 검토나 개념설명을 위한 것이며, 실제 설계가 이를 따라 이루어진다는 것은 오해이다.
또한 열차가 고속화하는 추세에서 원곡선 뿐만 아니라 캔트의 체감(거리에 비례하여 캔트를 보간하는 구간)이 이루어지는 완화곡선에서의 캔트량과 관련해서 꾸준히 문제가 제기되었는데, 유지보수 효율성과 설계 편의를 고려하여 단일 시점의 최적 균형값보다는 시계열 기반 분석이 필요하다는 주장이 대세가 되었다. 그 결과, 현행 완화곡선 설계는 시간에 따른 부족캔트 변화율인 부족캔트 변화량을 기준으로 하게 되었으며, 일반적으로 45~50mm/s를 기준으로 하고 있다.
더 범용적인 캔트 설계를 위해 지금도 꾸준히 연구가 이루어지고 있으며, 곡선설계는 철도차량과 시스템 고도화로 인해 끊임없이 최신화되어야 하는 분야이다.