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저심도 터널과 인접한 방진벽의 지반진동 저감효과
Vibration Isolation of Wave Barriers Constructed Near a Shallow Tunnel 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.18 no.6 = no.91, 2015년, pp.567 - 577  

양신추 (High speed Railroad System Research Center, Korea Railroad Research Institute)

초록
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본 논문에서는 계측자료와 해석방법의 조합에 의하여 지반진동을 평가하는 방법을 제시하였다. 평가방법의 기본개념은 FRA(Federal Railway Administration)에서 발간한 진동상세평가 매뉴얼에서 제시한 방법과 유사하나 구체적 평가방법은 다양한 유형의 방진벽의 진동저감 효과를 용이하게 평가할 수 있도록 수정되었다. 터널바닥에 작용하는 하중밀도(force density)는 해당선로의 차량 및 궤도조건을 잘 고려할 수 있는 차량-궤도 상호작용해석에 의하여 산정하였다. 지반진동의 전파유동성(transfer mobility) 2차원 지반진동해석을 통하여 평가하였다. 지반진동의 2차원 해석은 각 모델간의 상대비교에 있어서는 좋은 결과를 얻을 수 있으나 절대치 평가는 어렵다. 따라서 여기서는 사전에 계측된 자료와 해석결과의 비교를 통하여 실제 지반진동 전파특성을 반영할 수 있도록 계산된 전파유동성을 보완하였다. 정립된 진동평가방법을 적용하여 실제 진동민원문제가 크게 발생하였던 도시철도 저심도 터널구간을 대상으로 9가지 유형의 방진벽의 진동저감 효과를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents an assessment method of the ground vibration level with a combination of measured data and an analytic method. The basic concept of the method is similar to that in FRA(Federal Railway Administration) manual for detailed vibration analyses. However, going into detail, the assessm...

주제어

#지반진동   #저심도 터널   #방진벽   #하중밀도   #전파유동성  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 궤도틀림이 선로위치별로 달라서 체결구 각 위치별로 작용하는 하중이 다르다. 따라서 본 연구에서는 다양한 위치에서 체결구에 작용하는 하중들의 평균 PSD를 구하기 위하여 궤도의 해석영역을 전동차 차량 8량 1편성과 동일한 156m를 궤도의 해석영역을 설정하였다(이 경우 침목간격이 0.65m이므로 침목은 241정이 포함된다).
  • 본 논문에서는 계측자료와 해석방법의 조합을 통하여 터널구간에서 조달이 용이한 재질을 조합한 다양한 형태의 방진벽에 대한 진동저감 효과를 평가하는 방법을 제시하였다. 평가방법의 기본개념은 FRA(Federal Railway Administration)에서 발간한 진동상세 평가 매뉴얼에서 제시한 방법과 유사하나 구체적 평가방법은 다양한 유형의 방진벽의 진동저감 효과를 용이하게 평가할 수 있도록 수정되었다.
  • 보통 건설현장에서는 방진벽의 재질로서 비용이 저렴하고 조달이 용이한 강성이 매우 작은 스치로포움(styrofoam panel) 또는 강성이 큰 콘크리트를 사용하는 경우가 많다. 본 연구에서는 터널과 비교적 가까운 건물에서의 진동을 저감하기 위한 방진벽으로서 터널벽 외측에 부설하는 9가지 방진벽 유형에 대하여 방진효과를 분석하였다. 이들 유형은 콘크리트벽 단독 또는 콘크리트벽과 스치로포움판널의 조합체로서 형상과 부설위치를 달리한다.
  • 지금까지 방진벽에 대한 많은 연구가 이루어졌지만 대부분의 연구는 터널구간이 아닌 지상에 선로가 건설될 때 방진벽 부설에 따른 진동저감 효과를 실험적[7,8] 또는 이론적[9,10]으로 조사하는 것에 대하여 이루어졌다. 이들 연구에서는 단순 사각형 단면을 갖는 방진벽에 대하여 단면치수와 재료강성의 변화에 대한 매개변수연구가 수행되었다. 오늘날 대부분의 철도진동에 대한 민원은 대부분 도심터널구간에서 발생하는데, 터널구간에서는 지표면구간과 비교하여 지반진동 전파 양상이 매우 다르며, 방진벽 시공여건도 어렵다고 할 수 있다.
  • 지금까지 대부분의 연구가 지표면에 설치된 방진벽을 대상으로 하였으나 본 연구에서는 터널 외측에 설치하는 방진벽을 대상으로 하여 실제 현장에 방진벽으로 부설할 수 있는 다양한 방진벽 유형을 대상으로 방진효율성을 분석하여 향후 진동저감 대책으로서의 가이드를 제시하고자하였다. 본 논문에서는 FRA에서 제시한 상세진동해석방법의 진동평가 기본원리를 적용하되 세부적은 평가방법은 다양한 유형의 방진벽의 진동저감 효과를 용이하게 평가할 수 있도록 수정하여 적용하였다.

가설 설정

  • 궤도모델은 궤도슬래브가 터널바닥에 강결된 것으로 가정하여 레일, 체결구(fastener)만으로 구성된 것으로 가정한다. 최상부층을 구성하는 레일은 티모센코 연속보(Timoshenko continuous beam)로 나타내진다.
  • 궤도의 해석 제원 및 물성치는 Table 1과 같다. 전동차 1량은 차체(Car body)와 2개의 대차(bogie), 그리고 4개의 윤축(wheelset)으로 구성되며, 이들은 각각 강체운동을 하는 것으로 가정하여 질점(lumped mass)으로 모델링된다. 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치(secondary suspension)와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치(primary suspension)는 스프링과 감쇠(damping) 요소(element)로 모델링된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
방진벽 설계 시 주의해야 할 부분은? 따라서 이러한 경우는 터널건설 시 터널외벽 또는 인접한 지중에 방진벽(Wave barrier)을 부설하여 진동을 저감시키도록 토목분야에서 방진대책을 검토할 필요가 있다. 통상적으로 방진벽은 부설비용이 많이 소요되는 반면 형상, 재질 및 부설위치에 따라 진동저감 효과가 매우 차이가 크기 때문에 비용대비 진동저감 효과가 크도록 설계할 필요가 있다.
미국 FTA에서 발간한 교통 소음 및 진동 영향평가 매뉴얼의 절차에 따르면 지표면에서의 진동레벨은 무엇의 합으로 표현되는가? 1과 같다. 이 절차에 따르면 지표면에서의 진동레벨은 가진하중을 크기를 나타내는 하중밀도(Force density)와 지반의 전파특성을 나타내는 전달유동성(Transfer mobility)의 합으로 식 (1)과 같이 나타내진다. 여기서 Lv는 진동레벨이고, Lf는 궤도중심선의 터널바닥에 작용하는 선진동원의 하중밀도(Force Density)이며, TMline은 전달유동성(Transfer Mobility)으로서 이들의 단위는 모두 데시벨로(dB) 나타내진다.
궤도에서의 방진대책을 철도사업에서 우선적으로 검토하는 이유는? 방진대책은 차량, 궤도, 그리고 토목분야에서 각각 또는 종합적으로 수립할 수 있으나 어느 분야의 대책이든 매우 큰 비용이 소요되므로 정확한 검토를 통하여 효율적으로 수립할 필요가 있다. 궤도에서의 방진대책은 비교적 비용이 적게 들면서 진동저감 효과가 좋기 때문에 철도사업에 있어서 우선적으로 검토하고 있다. 그러나 건물이 선로와 매우 가까이 위치하는 경우에는 궤도에서만의 방진대책으로는 충분하지 않을 수 있다.
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참고문헌 (15)

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  14. C. Onorii (2008) Mechanical behaviour of traditional and antivibration railway tracks with recycled rubber materials, Ph.D Thesis, Universitadegli Studi di Napoli Federico II. 

  15. S.C. Yang, C.B. Yun (1992) Axisymmetric infinite elements for soil-structure interaction analysis, Engineering Structures, 14(6) pp. 361- 370. 

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