궤도가 역사의 상부에서 연결되는 선하역사 형식의 경우 일반 역사 구조형식과 달리 진동이 직접 전달되는 구조적 특성으로 인하여 진동 및 소음레벨이 타 형식의 역사와 대비하여 상대적으로 높은 상황이다. 따라서 구조물 진동과 이로 인해 발생되는 구조물 기인 소음에 대한 특성 파악과 그 결과를 활용한 저감 방안의 수립이 필요하다. 본 연구에서는 기존 슬래브와 진동을 절연시키는 구조형식의 플로팅 슬래브에 대하여 외력에 의한 가진 시 발생하는 구조적 진동과 이로 인한 구조물 기인 소음의 상관성을 고찰하고자 실험과 해석을 수행하였다. 표준형 및 플로팅 슬래브를 제작하여 가진함으로써 진동응답과 소음을 계측하였고, 수치해석, 유한요소법과 SEA 기법을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다, 실험 및 해석을 통하여 슬래브의 동적 구조적 특성, 구조물 진동과 소음의 상관성, 플로팅 슬래브의 저감 효과 등에 관한 결과를 도출하였다.
궤도가 역사의 상부에서 연결되는 선하역사 형식의 경우 일반 역사 구조형식과 달리 진동이 직접 전달되는 구조적 특성으로 인하여 진동 및 소음레벨이 타 형식의 역사와 대비하여 상대적으로 높은 상황이다. 따라서 구조물 진동과 이로 인해 발생되는 구조물 기인 소음에 대한 특성 파악과 그 결과를 활용한 저감 방안의 수립이 필요하다. 본 연구에서는 기존 슬래브와 진동을 절연시키는 구조형식의 플로팅 슬래브에 대하여 외력에 의한 가진 시 발생하는 구조적 진동과 이로 인한 구조물 기인 소음의 상관성을 고찰하고자 실험과 해석을 수행하였다. 표준형 및 플로팅 슬래브를 제작하여 가진함으로써 진동응답과 소음을 계측하였고, 수치해석, 유한요소법과 SEA 기법을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다, 실험 및 해석을 통하여 슬래브의 동적 구조적 특성, 구조물 진동과 소음의 상관성, 플로팅 슬래브의 저감 효과 등에 관한 결과를 도출하였다.
In the case of elevated railway station in which railway is connected with superstructure of station, vibration and noise level is relatively higher than those of general structure type station due to structural characteristic which transmits vibration directly. Therefore, characteristic understandi...
In the case of elevated railway station in which railway is connected with superstructure of station, vibration and noise level is relatively higher than those of general structure type station due to structural characteristic which transmits vibration directly. Therefore, characteristic understanding of structural vibration and accompanying structure cause noise and establishment of reduction plan through the results are in need. Test and analysis are performed in this research to consider correlativity between structural vibration and accompanying structure cause noise when external forces are applied on standard slab and floating slab which is able to isolate vibration. By producing and loading on standard and floating slab, vibration and noise response are measured while simulation using numerical analysis, finite element method and SEA method is performed. The results about structural dynamic behavior of slab, correlativity between structural vibration and noise, reduction performance of floating slab is deduced through the analysis of tests.
In the case of elevated railway station in which railway is connected with superstructure of station, vibration and noise level is relatively higher than those of general structure type station due to structural characteristic which transmits vibration directly. Therefore, characteristic understanding of structural vibration and accompanying structure cause noise and establishment of reduction plan through the results are in need. Test and analysis are performed in this research to consider correlativity between structural vibration and accompanying structure cause noise when external forces are applied on standard slab and floating slab which is able to isolate vibration. By producing and loading on standard and floating slab, vibration and noise response are measured while simulation using numerical analysis, finite element method and SEA method is performed. The results about structural dynamic behavior of slab, correlativity between structural vibration and noise, reduction performance of floating slab is deduced through the analysis of tests.
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문제 정의
본 연구는 선하역사에서 열차운행, 이용객 하중, 기기 하중 등과 같은 다양한 외력에 의하여 가진되는 기존 슬래브의 진동에 따른 구조물 기인 소음을 고찰하고, 구조물 진동을 줄이기 위한 뜬 바닥 형식의 슬래브에 대하여 실험과 유한요소 모델링 및 SEA(Statistical Energy Analysis)기법을 활용한 시뮬레이션을 수행하여 결과를 분석하였다. 도출된 결과는 슬래브 진동 및 구조물 기인 소음에 대한 저감방안의 기초자료로 제공하고자 한다.
본 연구는 기존 슬래브와 진동을 절연시키는 구조형 식의 플로팅 슬래브에 대하여 외력에 의한 가진 시 발생 하는 구조적 진동과 이로 인한 구조물 기인 소음의 특성과 상관성을 고찰하고자 실험과 해석을 수행하였다. 표준형 및 플로팅 슬래브를 제작하여 가진함으로써 진동응 답과 소음을 계측하였고, 수치해석, 유한요소법과 SEA 기법을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다, 실험결과 및 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
가설 설정
입사된 진동에너지에 의해 구조물 진동이 발생하고 이로 인해 방사되는 소음을 예측하기 위하여 유한요소 모델과 통계적 에너지 해석법(Statistical Energy Analysis, SEA)을 이용하여 해석하였다 [7,8,9]. SEA 기법에서는 구조계의 하위 2개부재 에너지 흐름은 평균 모드에너지의 차이에 비례하는 것으로 가정한다 [2, 10]. 두 부재사이의 에너지 평형을 설정하고 각각의 에너지를 구함으로써 진동속도를 산출할 수 있다.
제안 방법
또한 시험체에 동일한 경계조건과 안정적인 진동시험/계측이 가능하도록 슬래브 진동시험용 시험대를 별도로 제작하였다. 각 시험체는 경계조건을 위하여 네변에 총 24개의 고정구를 두어 시험장치와 볼트체결을 통해 견고하게 고정할 수 있도록 하였다.
4는 표준형과 플로팅 슬래브의 제작 과정을 보여주고 있다. 또한 시험체에 동일한 경계조건과 안정적인 진동시험/계측이 가능하도록 슬래브 진동시험용 시험대를 별도로 제작하였다. 각 시험체는 경계조건을 위하여 네변에 총 24개의 고정구를 두어 시험장치와 볼트체결을 통해 견고하게 고정할 수 있도록 하였다.
본 연구는 선하역사에서 열차운행, 이용객 하중, 기기 하중 등과 같은 다양한 외력에 의하여 가진되는 기존 슬래브의 진동에 따른 구조물 기인 소음을 고찰하고, 구조물 진동을 줄이기 위한 뜬 바닥 형식의 슬래브에 대하여 실험과 유한요소 모델링 및 SEA(Statistical Energy Analysis)기법을 활용한 시뮬레이션을 수행하여 결과를 분석하였다. 도출된 결과는 슬래브 진동 및 구조물 기인 소음에 대한 저감방안의 기초자료로 제공하고자 한다.
슬래브의 구조에 따라 진동과 소음에 미치는 영향을 분석하기 위하여 유한요소법과 SEA(Statistical Energy Analysis) 해석을 수행하였다. 소음이 전달되는 매질을 모델링 하여 주파수 대역에서의 음향모드를 구하기 쉬우므로 유한요소법을 사용하였다.
플로팅 슬래브는 표준형 슬래브와 동일한 구조슬래브위에 凹형태의 높이 20mm의 우레탄 받침을 배치하고 사이사이에 경량콘크리트 채움을 하였으며, 그 위에 ┌┐형태의 목재틀을 끼워넣는 방식으로 고정하였고 연속된 목재틀 위에 마감몰 탈을 타설하여 시험체를 완성하였다. 슬래브의 두께는 원형 대비 축소비율과 배근을 고려하여 120mm로 하였고 마감층의 마감몰탈 및 경량 콘크리트층은 시험체 제작 및 진동시험 충격하중 작용시 파손방지를 위해 각 20mm 두께를 적용하였다. 제작한 표준형 및 플로팅 슬래브의 시험체 형상은 Fig.
본 연구는 기존 슬래브와 진동을 절연시키는 구조형 식의 플로팅 슬래브에 대하여 외력에 의한 가진 시 발생 하는 구조적 진동과 이로 인한 구조물 기인 소음의 특성과 상관성을 고찰하고자 실험과 해석을 수행하였다. 표준형 및 플로팅 슬래브를 제작하여 가진함으로써 진동응 답과 소음을 계측하였고, 수치해석, 유한요소법과 SEA 기법을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다, 실험결과 및 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
2 (a)와 (b)는 기존 사용되고 있는 표준형 슬래브와 플로팅 슬래브를 나타내고 있다. 플로팅 슬래브는 표준형 슬래브와 동일한 구조슬래브위에 凹형태의 높이 20mm의 우레탄 받침을 배치하고 사이사이에 경량콘크리트 채움을 하였으며, 그 위에 ┌┐형태의 목재틀을 끼워넣는 방식으로 고정하였고 연속된 목재틀 위에 마감몰 탈을 타설하여 시험체를 완성하였다. 슬래브의 두께는 원형 대비 축소비율과 배근을 고려하여 120mm로 하였고 마감층의 마감몰탈 및 경량 콘크리트층은 시험체 제작 및 진동시험 충격하중 작용시 파손방지를 위해 각 20mm 두께를 적용하였다.
현재 선하역사에 사용되고 있는 표준형 슬래브의 진동과 구조물 기인 소음의 저감의 방안으로 슬래브의 매스를 하부 연결재와의 진동절연을 목적으로 하는 플로팅 슬래브를 제안하고, 각각 2개의 시험체를 제작하였다. Fig.
대상 데이터
소음이 전달되는 매질을 모델링 하여 주파수 대역에서의 음향모드를 구하기 쉬우므로 유한요소법을 사용하였다. 슬래브는 쉘 요소로 모델링 하였으며 진동의 전파를 고려하여 경계조건은 실험과 동일하게 4변 단순지지로 하였고 실험과 동일한 슬래브의 물성치를 사용하였다. Fig.
이론/모형
슬래브의 구조에 따라 진동과 소음에 미치는 영향을 분석하기 위하여 유한요소법과 SEA(Statistical Energy Analysis) 해석을 수행하였다. 소음이 전달되는 매질을 모델링 하여 주파수 대역에서의 음향모드를 구하기 쉬우므로 유한요소법을 사용하였다. 슬래브는 쉘 요소로 모델링 하였으며 진동의 전파를 고려하여 경계조건은 실험과 동일하게 4변 단순지지로 하였고 실험과 동일한 슬래브의 물성치를 사용하였다.
선하역사는 크고 복잡한 복합구조계이며 관심 주파수 대역 에서 많은 진동모드를 갖게 된다. 입사된 진동에너지에 의해 구조물 진동이 발생하고 이로 인해 방사되는 소음을 예측하기 위하여 유한요소 모델과 통계적 에너지 해석법(Statistical Energy Analysis, SEA)을 이용하여 해석하였다 [7,8,9]. SEA 기법에서는 구조계의 하위 2개부재 에너지 흐름은 평균 모드에너지의 차이에 비례하는 것으로 가정한다 [2, 10].
플로팅 슬래브의 진동 및 구조물 기인 소음의 특성을 표준형 슬래브와 상대적으로 비교하기 위해, 슬래브 가진 실험은 KS F 2810-2 (2001)을 준용하였고 주변 배경 소음이 발생하지 않는 시간에 실시하였다. Fig.
성능/효과
(1) 표준형 및 플로팅 슬래브에 대한 가진 실험으로부터 진동응답은 저주파 대역인 30Hz 범위에서 피크 진동이 발생하였으며 방사소음도 거의 일치하였다. 그러나 중․고주파 대역에서는 진동응답 분포가 방사소음의 음압분포와 조금씩 차이가 있는 유사한 경향은 보였다.
(2) 해석결과에 의하면 진동응답은 표준형 및 플로팅 슬래브의 진동응답은 55Hz 대역에서 방사소음은 65 Hz 대역에서 높게 나타남으로써 실험치와는 일부 차이를 보였으나, 플로팅 슬래브에서의 저감성능과 두 종류의 슬래브에서의 전체적인 진동응답 및 방사소음의 특성이 실험결과와 매우 유사하게 나타났다. 이는 해석에 사용한 조화하중이 실제 실험에 의한 하중과 차이에 기인한 것으로 판단되나, 본 연구의 수치해석 및 활용된 시뮬레이션 기법은 슬래브의 진동응답과 방사소음 예측에 유용한 수단임을 알 수 있었다.
(3) 실험과 해석결과로부터 구조물 진동과 이로 인한 구조물 기인 소음은 50Hz 이하의 저주파 대역에서 밀접한 상관성을 보였으며, 이는 슬래브의 동적 구조특성에 의한 진동응답 특성에 우선함에 따라 특정 주파수 대역의 진동의 조절이 가능한 저감대책이 가장 효율적임을 알 수 있었다.
이는 표준형 슬래브 비교하여 플로팅 슬래브의 동적 특성이 변화됨에 따라 주파수 대역의 이동으로 나타난 것으로 판단된다 [8]. 또한 100Hz 대역 이하에서 표준형 슬래브보다 플로팅 슬래브의 진동 응답이 낮은 것으로 해석되었다.
슬래브의 진동응답은 외측 보다 중앙부에서 크게 나타났고, 또한 플로팅 슬래브가 표준형 슬래브와 비교하여 진동레벨이 낮은 것으로 나타남으로써 진동전 달의 감쇄가 있었음을 알 수 있다. 또한 표준형과 플로팅 슬래브 모두 25 ~ 35Hz 저주파 대역이 진동응답의 지배 주파수 대역인 것으로 나타났다. Fig.
(a), (b)는 슬래브 실험체를 대상으로 중앙부와 외측에서 측정된 진동 응답특성을 주파수 대역별로 나타 내고 있다. 슬래브의 진동응답은 외측 보다 중앙부에서 크게 나타났고, 또한 플로팅 슬래브가 표준형 슬래브와 비교하여 진동레벨이 낮은 것으로 나타남으로써 진동전 달의 감쇄가 있었음을 알 수 있다. 또한 표준형과 플로팅 슬래브 모두 25 ~ 35Hz 저주파 대역이 진동응답의 지배 주파수 대역인 것으로 나타났다.
(2) 해석결과에 의하면 진동응답은 표준형 및 플로팅 슬래브의 진동응답은 55Hz 대역에서 방사소음은 65 Hz 대역에서 높게 나타남으로써 실험치와는 일부 차이를 보였으나, 플로팅 슬래브에서의 저감성능과 두 종류의 슬래브에서의 전체적인 진동응답 및 방사소음의 특성이 실험결과와 매우 유사하게 나타났다. 이는 해석에 사용한 조화하중이 실제 실험에 의한 하중과 차이에 기인한 것으로 판단되나, 본 연구의 수치해석 및 활용된 시뮬레이션 기법은 슬래브의 진동응답과 방사소음 예측에 유용한 수단임을 알 수 있었다.
특히 선하역사의 슬래브, 기둥, 벽 등과 같은 주요 구조재가 외부 가진력에 의하여 저주파 대역의 진동을 발생하고 이로 인한 구조물 기인 소음은 청각적 불편뿐 아니라 신체촉감이나 척추에 자극을 주게 되며, 따라서 선하역사의 이용객 뿐 아니라 거주자의 경우 이로 인한 피해가 클 것으로 판단된다. 이에 선하역사의 구조물 진동과 구조물 기인 소음을 저감하기 위하여 국내․외 저감 방안이 민원 현장에 적용되고 있으며, 진동 발생원인 궤도시스템에 적용하는 플로팅 슬래브 궤도 공법의 효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나 플로팅 슬래브 궤도공법의 경우 설계와 시공의 난이도, 과대한 비용 소요로 인하여 경제적이며 효율적인 대안이 시급히 요구되고 있다.
11는 표준형 및 플로팅 슬래브의 진동응답의 해석결과를 보여주고 있다. 진동모드 해석결과는 실험결과와 유사하게 30Hz 대역에서 동일한 1차 진동모드가 형성되었고 플로팅 슬래 브의 고유진동수가 전체적으로 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 표준형 슬래브 비교하여 플로팅 슬래브의 동적 특성이 변화됨에 따라 주파수 대역의 이동으로 나타난 것으로 판단된다 [8].
7 (a), (b)는 슬래브의 진동으로 인하여 발생한 구조물 기인 소음의 측정값을 나타내고 있다. 플로팅 슬래브가 표준형 슬래브에 비하여 저주파 대역의 소음저감 효과가 큼을 알 수 있으며, overall 값은 약 2.5 dB(A)까지 감소시키는 것으로 나타났다. 슬래브의 진동응답 결과와 같이 소음의 경우 에도 유사대역인 30Hz 대역에서 최대 소음이 발생하였으나 진동레벨의 크고 작음이 소음레벨의 크기와 일치하지는 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대부분의 철도 소음 및 진동에 대한 민원은 무엇에 기인하고 있는가?
철도의 운행으로 인하여 발생하는 소음 및 진동에 대한 민원의 증가는 철도의 신설을 통한 철도교통의 활성화에 걸림돌이 되고 있다. 대부분의 철도 소음 및 진동에 대한 민원은 철도 연변의 환경소음 또는 지반진동으로 인한 인체의 생리적 고통이나 구조물의 경미한 손상에 기인하고 있으나, 역사, 승강장, 차량 내 등에서 이용객이 직접 체감하는 소음 및 진동에 대한 불만도 늘어가는 상황이다. 특히 궤도가 역사의 상부에서 연결되는 선하 역사 형식의 경우 일반 역사 구조형식과 달리 진동이 직접 전달되는 구조적 특성으로 인하여 진동 및 소음레벨이 상대적으로 높은 상황이다.
철도의 신설을 통한 철도교통의 활성화에 걸림돌은 무엇인가?
철도의 운행으로 인하여 발생하는 소음 및 진동에 대한 민원의 증가는 철도의 신설을 통한 철도교통의 활성화에 걸림돌이 되고 있다. 대부분의 철도 소음 및 진동에 대한 민원은 철도 연변의 환경소음 또는 지반진동으로 인한 인체의 생리적 고통이나 구조물의 경미한 손상에 기인하고 있으나, 역사, 승강장, 차량 내 등에서 이용객이 직접 체감하는 소음 및 진동에 대한 불만도 늘어가는 상황이다.
선하역사의 주요 구조재가 구조물 진동을 발생하면 어떤 피해를 주는가?
일반적으로 구조물 진동은 구조물 기인 소음(structural borne noise)으로 이어지므로 진동 크기나 특성이 변함에 따라 방사되는 소음도 영향을 받게 된다. 특히 선하역사의 슬래브, 기둥, 벽 등과 같은 주요 구조재가 외부 가진력에 의하여 저주파 대역의 진동을 발생하고 이로 인한 구조물 기인 소음은 청각적 불편뿐 아니라 신체촉감이나 척추에 자극을 주게 되며, 따라서 선하역사의 이용객 뿐 아니라 거주자의 경우 이로 인한 피해가 클 것으로 판단된다. 이에 선하역사의 구조물 진동과 구조물 기인 소음을 저감하기 위하여 국내․외 저감 방안이 민원 현장에 적용되고 있으며, 진동 발생원인 궤도시스템에 적용하는 플로팅 슬래브 궤도 공법의 효율이 가장 높은 것으로 나타났다.
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