본 연구에서는 열차 진행에 따른 진동이 지하철 박스구조물에 미치는 영향에 대해서 분석을 수행하였다. 이를 위하여 지하철 본선에 센서를 설치하고 지하철이 운행 시간대의 열차진동 데이터를 획득하였다. 센서의 위치는 하부보, 측벽, 상부슬래브에 설치하였고, 자갈도상부와 콘크리트도상부의 하부보와 측벽에 각각 센서를 부착하여 부재의 위치 및 도상의 종류에 따른 진동의 영향을 분석하였다. 하부보와 상부슬래브의 동적응답을 분석한 결과 하부보의 진동속도에 비하여 상부슬래브의 진동속도는 작은 것으로 분석되었고, 상부슬래브 균열의 폭에 대한 변화도 없는 것으로 분석되어 진동의 영향이 상부슬래브까지 미치지 않는 것으로 분석되었다. 자갈도상과 콘크리트도상의 위치에서 하부보와 측벽의 가속도를 비교한 결과 콘크리트 도상의 약간 큰 것으로 나타났으나 그 차가 크지 않아 도상의 차이에 따른 정량적인 분석은 추후에 추가적인 연구를 통하여 분석하여야 할 것으로 판단된다. 구조물의 진동을 평가하기 위해서 가속도 이력을 속도이력으로 변환하여 기존의 승강장에서 수집된 진동 속도 데이터와 비교하였으며, 승강장보다는 본선의 진동속도가 더 빠른 것을 확인할 수 있었다. 금번 연구를 통하여 정밀안전 시에 지하철의 진동을 측정하여 구조물의 평가를 처음으로 시도하였으며 추후 연구에서는 측정 분해능을 보다 세밀하게 하고 측정 개소를 다양화하여 보다 세밀한 분석을 수행하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 열차 진행에 따른 진동이 지하철 박스구조물에 미치는 영향에 대해서 분석을 수행하였다. 이를 위하여 지하철 본선에 센서를 설치하고 지하철이 운행 시간대의 열차진동 데이터를 획득하였다. 센서의 위치는 하부보, 측벽, 상부슬래브에 설치하였고, 자갈도상부와 콘크리트도상부의 하부보와 측벽에 각각 센서를 부착하여 부재의 위치 및 도상의 종류에 따른 진동의 영향을 분석하였다. 하부보와 상부슬래브의 동적응답을 분석한 결과 하부보의 진동속도에 비하여 상부슬래브의 진동속도는 작은 것으로 분석되었고, 상부슬래브 균열의 폭에 대한 변화도 없는 것으로 분석되어 진동의 영향이 상부슬래브까지 미치지 않는 것으로 분석되었다. 자갈도상과 콘크리트도상의 위치에서 하부보와 측벽의 가속도를 비교한 결과 콘크리트 도상의 약간 큰 것으로 나타났으나 그 차가 크지 않아 도상의 차이에 따른 정량적인 분석은 추후에 추가적인 연구를 통하여 분석하여야 할 것으로 판단된다. 구조물의 진동을 평가하기 위해서 가속도 이력을 속도이력으로 변환하여 기존의 승강장에서 수집된 진동 속도 데이터와 비교하였으며, 승강장보다는 본선의 진동속도가 더 빠른 것을 확인할 수 있었다. 금번 연구를 통하여 정밀안전 시에 지하철의 진동을 측정하여 구조물의 평가를 처음으로 시도하였으며 추후 연구에서는 측정 분해능을 보다 세밀하게 하고 측정 개소를 다양화하여 보다 세밀한 분석을 수행하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
In this study, the vibration analysis of the underground box structures induced train movement is studied. In order to perform these analysis, dynamic data, which was measured when subway is in service, are gained by attaching accelerometers on the structure such as lower beam, lateral wall and uppe...
In this study, the vibration analysis of the underground box structures induced train movement is studied. In order to perform these analysis, dynamic data, which was measured when subway is in service, are gained by attaching accelerometers on the structure such as lower beam, lateral wall and upper slab. Also, accelerometers are attached on the lower beams and side walls of the gravel ballast and concrete ballast sections in order to compare vibration due to ballast materials. The vibration results of upper slabs and lower beams reveal that the vibration on the upper slabs is greater than the lower beams. Also, the results of the crack gauge on the upper slab show that crack width dose not change due to vibration, These means that the effect of the vibration on the structure is very limited. In order to evaluate the vibration of the structure, acceleration unit is converted to velocity unit comparing with the existing velocity data gained from the platforms.
In this study, the vibration analysis of the underground box structures induced train movement is studied. In order to perform these analysis, dynamic data, which was measured when subway is in service, are gained by attaching accelerometers on the structure such as lower beam, lateral wall and upper slab. Also, accelerometers are attached on the lower beams and side walls of the gravel ballast and concrete ballast sections in order to compare vibration due to ballast materials. The vibration results of upper slabs and lower beams reveal that the vibration on the upper slabs is greater than the lower beams. Also, the results of the crack gauge on the upper slab show that crack width dose not change due to vibration, These means that the effect of the vibration on the structure is very limited. In order to evaluate the vibration of the structure, acceleration unit is converted to velocity unit comparing with the existing velocity data gained from the platforms.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 지하철 본선의 진동에 대한 기초 적인 거동을 파악하기 위하여 열차가 최고 속도에 다다르는 본선에 센서를 설치하여 도상 종류, 부재의 종류, 레일의 상태에 따른 지하철 구조물의 진동특성을 분석하였다. 이러한 시도는 추후 정밀안전진단 시 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
Type 3 단면에 대해서는 도상의 형태에 따라 분석을 수행하였다. 일반적으로 콘크리트 도상 자갈도상 보다 진동이 더 큰 것으로 알려져 있으므로 이에 대한 정량적인 분석을 수행하고자 본 시험을 실시하였다. 해당 단면은 자갈도상 구간과 콘크리트 도상 구간으로 나누어져 있어 경계부에 데이터로거를 설치하고 자갈도상 구간에 하부보 및 측벽 각 1개소, 콘크리트 도상 구간에 하부보 및 측벽 각 1개소에 가속도계를 부착하여 신호를 분석하였다.
제안 방법
Type 1의 우측 상부슬래브의 횡방향 균열에 균열게이지를 설치하여 응답을 분석하였다. Fig.
Type 2의 단면은 우측선의 레일이 마모된 상태이며 좌측선의 레일상태는 양호하다. Type 3은 동일한 단면을 사용하나 도상의 종류가 다른 2개의 위치를 선택하여 콘크리트 도상과 자갈도상에 대해 각각 1개에 대한 진동측정을 수행하였다.
Table 7은 기존의 진동 측정방법으로 20개 각기 다른 역사의 지하철 승강장 플랫폼에서 열차가 진입할 때의 최도 진동속도를 각 2회 측정한 결과이다. 각 역사 구조물마다 구조적인 특성이 다소 차이가 있으나 궤도와의 거리는 일정하게 유지할 필요가 있으므로 플랫폼 끝단에서 약 1m 떨어진 위치에 속도센서를 설치하여 열차가 진입할 때의 응답을 측정하였다. 측정결과 최대치가 0.
기존의 진동시험방법에 대한 고찰을 위하여 기존 측정 방법에 의한 결과와 본 연구를 통해 측정된 결과를 비교 하였다. Table 7은 기존의 진동 측정방법으로 20개 각기 다른 역사의 지하철 승강장 플랫폼에서 열차가 진입할 때의 최도 진동속도를 각 2회 측정한 결과이다.
대표적인 단면인 Type 1 단면에 대하여 고유진동수 해석을 수행하였다. 이 때, 지하구조물의 특성상 지반과 구조물과의 경계는 스프링으로 모형화하는데 스프링의 유무 및 강도에 따라 고유진동수가 달라 질 수 있으므로 Table 5와 같이 경계조건의 변화에 따라 해석을 실시하였다.
속도 분석은 측정된 가속도를 분석하여 속도이력 곡선을 작성하였다. Type 1의 측정 부위에 따른 속도이력곡선은 Fig.
진동시험은 1g 가속도 센서를 이용하였으며 50Hz∼100Hz의 분해능으로 시간이력을 측정하였다.
진동시험은 1g 가속도 센서를 이용하였으며 50Hz∼100Hz의 분해능으로 시간이력을 측정하였다. 측정방법은 공용 중에 현장접근의 어려움이 있어 열차가 운행하지 않은 심야시간에 센서를 부착하고 열차가 운행되기 전에 데이터로고에서 신호를 받을 수 있도록 하여 20여시간 동안의 진동 데이터를 축적하는 방식을 취하였다.
일반적으로 콘크리트 도상 자갈도상 보다 진동이 더 큰 것으로 알려져 있으므로 이에 대한 정량적인 분석을 수행하고자 본 시험을 실시하였다. 해당 단면은 자갈도상 구간과 콘크리트 도상 구간으로 나누어져 있어 경계부에 데이터로거를 설치하고 자갈도상 구간에 하부보 및 측벽 각 1개소, 콘크리트 도상 구간에 하부보 및 측벽 각 1개소에 가속도계를 부착하여 신호를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
대상 구조물은 준공된 후 20년이 넘은 구조물로서 심야시간을 제외하고는 열차가 지속적으로 운행되고 있는 공용중인 지하철이다. 대상 구간은 전 구간 개착식 박스 형식의 지하구조물로서 상부 건축물의 진동으로 인하여 과거에 민원이 발생했던 구간이다. 또한, 해당 구간은 직선 및 곡선부가 혼재되어 있고, 도상형태도 자갈도상과 콘크리트 도상이 모두 존재하고 있어 곡선 및 직선 주행에 따른 동적응답과 레일의 도상 상태에 따른 분석이 가능한 구간이다.
대상 구조물은 준공된 후 20년이 넘은 구조물로서 심야시간을 제외하고는 열차가 지속적으로 운행되고 있는 공용중인 지하철이다. 대상 구간은 전 구간 개착식 박스 형식의 지하구조물로서 상부 건축물의 진동으로 인하여 과거에 민원이 발생했던 구간이다.
성능/효과
(1) 열차로 인한 진동은 하부보 등 궤도와 가까운 위치에서 진동속도는 0.098cm/sec로서 진동레벨 70dB을 초과하는 결과를 얻었으나 상부슬래브는 0.01cm/s 이하로서 진동에 의한 영향이 미미한 것으로 분석되었다.
(2) 상부슬래브의 균열은 진동에 의한 폭 변화가 거의 없는 것으로 분석되어 진동과 상부슬래브의 균열과는 상관관계가 크지 않는 것으로 분석되었다.
5와 같다. Z방향 가속도는 최대 0.53㎨으로서 X및 Y방향과 비교할 때 진동의 크기가 탁월한 것으로 분석되었다. 이는 지하철 박스 구조물이 횡단면 상의 거동에 따라 설계가 이루어지고 있고 각종 하중에 대하여 구조물의 변위가 발생하는 방향도 각 부재의 수직방향이기 때문이다.
13은 측벽에서의 응답이다. 결과에 따르면 콘크리트 도상(0.138㎨)이 자갈도상 (0.119㎨)에 비하여 진동이 약간 큰 것으로 분석되었으나 예상했던 수준만큼 진동의 차이가 두드러지지는 않았다. 주파수분석을 실시한 결과 Fig.
119㎨)에 비하여 진동이 약간 큰 것으로 분석되었으나 예상했던 수준만큼 진동의 차이가 두드러지지는 않았다. 주파수분석을 실시한 결과 Fig. 14와 같이 자갈도상에는 탁월주파수가 두드러지지 않은 반면에 콘크리트 도상은 7~20Hz 이내에 탁월주파수가 두드러져 콘크리트 진동이 다소 심한 것으로 분석되었다. 그러나, 현장 실험 여건, 레일의 상태, 곡률, 구조물의 상태 등의 다른 요인이 있어 도상의 종류에 따른 절대적인 비교가 어려우므로 도상의 차이에 따른 진동의 정량적인 분석은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
각 역사 구조물마다 구조적인 특성이 다소 차이가 있으나 궤도와의 거리는 일정하게 유지할 필요가 있으므로 플랫폼 끝단에서 약 1m 떨어진 위치에 속도센서를 설치하여 열차가 진입할 때의 응답을 측정하였다. 측정결과 최대치가 0.0617cm/s로서 본 연구를 통하여 본선의 주부재에 측정된 진동속도 값보다 작은 것을 알 수 있다. 또한, 승강장에서 측정된 값의 상당수가 0.
후속연구
(3) 금번 실험결과에 따르면 콘크리트 도상이 자갈도상에 비하여 진동에 대한 영향이 큰 것으로 분석되었으나 보다 정량적인 결과를 도출하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
주변지반에 대한 경계조건의 차이가 있을 수 있으나 1차모드는 22~61Hz로 비교적 고주파임을 알 수 있다. Type 1의 하부보의 실측응답에 대한 FFT 분석을 수행한 결과 첫 번째 피크치는 5~14Hz에 위치하고 있으나 피크치가 두드러지지 않는 특성이 있어 주파수 특성을 파악하기에는 다소 무리가 따르고 50Hz 이상의 고주파에 대한 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 추후 연구 시에는 이를 감안하여 분해능 200Hz 이상으로 설정하고 고주파 성분에 대한 보다 세밀한 분석을 통하여 구조물의 고유 주파수 분석 및 주변지반의 상태를 파악하는 것이 필요하다고 판단된다.
14와 같이 자갈도상에는 탁월주파수가 두드러지지 않은 반면에 콘크리트 도상은 7~20Hz 이내에 탁월주파수가 두드러져 콘크리트 진동이 다소 심한 것으로 분석되었다. 그러나, 현장 실험 여건, 레일의 상태, 곡률, 구조물의 상태 등의 다른 요인이 있어 도상의 종류에 따른 절대적인 비교가 어려우므로 도상의 차이에 따른 진동의 정량적인 분석은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
0617cm/s로서 본 연구를 통하여 본선의 주부재에 측정된 진동속도 값보다 작은 것을 알 수 있다. 또한, 승강장에서 측정된 값의 상당수가 0.01cm/s 이하로 분석되어 진동규준과 비교할 때 매우 작은 값을 보이고 있어 기존의 측정방법으로 지하철 구조물의 진동에 대한 영향을 검토하기에는 다소 부족한 점이 있으므로 진동측정방법을 개선할 필요가 있다고 판단된다.
그림으로부터 균열게이지의 균열폭 변화량은 거의 없는 것으로 분석되었다. 이는 지하철로 인한 진동이 상부슬래브의 균열폭 거동에는 아무런 영향을 미치지 않는 결과로서 추가적인 연구를 통하여 보다 다양하게 분석할 필요가 있으나 본 연구의 결과만으로 판단할 때, 진동과 상부슬래브에 발생한 균열과는 상관관계가 거의 없는 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 지하철 본선의 진동에 대한 기초 적인 거동을 파악하기 위하여 열차가 최고 속도에 다다르는 본선에 센서를 설치하여 도상 종류, 부재의 종류, 레일의 상태에 따른 지하철 구조물의 진동특성을 분석하였다. 이러한 시도는 추후 정밀안전진단 시 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
Type 1의 하부보의 실측응답에 대한 FFT 분석을 수행한 결과 첫 번째 피크치는 5~14Hz에 위치하고 있으나 피크치가 두드러지지 않는 특성이 있어 주파수 특성을 파악하기에는 다소 무리가 따르고 50Hz 이상의 고주파에 대한 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 추후 연구 시에는 이를 감안하여 분해능 200Hz 이상으로 설정하고 고주파 성분에 대한 보다 세밀한 분석을 통하여 구조물의 고유 주파수 분석 및 주변지반의 상태를 파악하는 것이 필요하다고 판단된다.
추후 연구에서는 균열게이지 수를 보다 다양화하고 가속도계의 측정분해능을 높여 진동특성과 균열과의 관계를 보다 명확하게 분석하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인체가 진동을 감지하는 수준은?
인체는 진동을 감지하는 수준은 0.05cm/s로서 구조물 보다 민감하여 그동안 지하철 진동에 대한 문제는 주로 주변 인접지반의 진동으로 인한 인체의 진동 감지 문제에 대한 연구가 주로 수행되어 왔다(서정범 등, 2008; 허영등, 1996; 정상욱 등 1997).
연구에서 열차운행중에 본선의 진동을 측정하여 본 결론은?
(1) 열차로 인한 진동은 하부보 등 궤도와 가까운 위치에서 진동속도는 0.098cm/sec로서 진동레벨 70dB을 초과하는 결과를 얻었으나 상부슬래브는 0.01cm/s 이하로서 진동에 의한 영향이 미미한 것으로 분석되었다.
(2) 상부슬래브의 균열은 진동에 의한 폭 변화가 거의 없는 것으로 분석되어 진동과 상부슬래브의 균열과는 상관관계가 크지 않는 것으로 분석되었다.
(3) 금번 실험결과에 따르면 콘크리트 도상이 자갈도상에 비하여 진동에 대한 영향이 큰 것으로 분석되었으나 보다 정량적인 결과를 도출하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
최근 열차진동으로 인해 생긴 문제점은?
그러나, 최근에는 열차진동으로 인하여 지하철 운행 중에 콘크리트나 보수모르터가 박락되는 경우가 종종 보고 되고 있으며 수십년 동안 균열보수를 실시하여도 새로운 균열이 지속적으로 조사되어 열차 진행에 따른 진동으로 균열이 발생하거나 폭이 확대될 가능성이 대두되고 등 지하철의 진동에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
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