지하철 고가교 접합강화유리 방음판의 열차진동 및 풍하중에 대한 성능평가 Performance Evaluation of Laminated-Tempered Glass as a Component of Noise Barrier on Metro Railway Elevated Bridge Against Train Induced Vibration and Wind Load원문보기
소음 저감을 목적으로 설치되는 방음벽은 크게 흡음판과 방음판으로 나뉘며, 일조 및 경관을 저해하는 방음벽의 문제점을 해결하고자 투명 방음벽을 설치하는 것이 일반적 추세이다. 방음벽에 사용되는 투명 방음판의 소재는 여러 가지가 있으나 경우에 따라서는 황변현상과 재질변형 등으로 인해 투명도가 떨어지고 오염이 심해져 오히려 도시미관을 해하기도 한다. 따라서 이러한 단점을 보안하기 위하여 투명 방음판의 재질을 접합강화유리로의 대체가 가능하다. 본 논문은 메트로 지하철 고가교 상에서의 열차 유발진동에 따른 접합강화유리 방음판의 진동 및 풍하중에 의한 안전성을 분석하고, 접합강화유리 시스템 및 재료에 대한 휨능력 성능시험, 압축강도 및 탄성계수 시험, 충격시험 등을 수행하여 접합강화유리의 방음판으로서의 적정성을 평가하는 데 목적이 있다.
소음 저감을 목적으로 설치되는 방음벽은 크게 흡음판과 방음판으로 나뉘며, 일조 및 경관을 저해하는 방음벽의 문제점을 해결하고자 투명 방음벽을 설치하는 것이 일반적 추세이다. 방음벽에 사용되는 투명 방음판의 소재는 여러 가지가 있으나 경우에 따라서는 황변현상과 재질변형 등으로 인해 투명도가 떨어지고 오염이 심해져 오히려 도시미관을 해하기도 한다. 따라서 이러한 단점을 보안하기 위하여 투명 방음판의 재질을 접합강화유리로의 대체가 가능하다. 본 논문은 메트로 지하철 고가교 상에서의 열차 유발진동에 따른 접합강화유리 방음판의 진동 및 풍하중에 의한 안전성을 분석하고, 접합강화유리 시스템 및 재료에 대한 휨능력 성능시험, 압축강도 및 탄성계수 시험, 충격시험 등을 수행하여 접합강화유리의 방음판으로서의 적정성을 평가하는 데 목적이 있다.
Types of noise barrier installed for noise attenuation are largely divided into noise-absorbing format and noise-proofing format. In these days, installation of transparent noise barrier is general trend to solve problems that hinder sunshine and landscape. Some kinds of transparent boards are used ...
Types of noise barrier installed for noise attenuation are largely divided into noise-absorbing format and noise-proofing format. In these days, installation of transparent noise barrier is general trend to solve problems that hinder sunshine and landscape. Some kinds of transparent boards are used to one of components in noise barriers, but in some cases, less transparency and worse pollution due to yellowing phenomena, and severe material deformation are to harm the urban aesthetics Therefore laminated-tempered glass board in that yellowing phenomena does not occur can be replaced as a transparent one to secure those shortcomings. In this paper, the structural safety against train induced vibration and the resistibility to wind load are analyzed for laminated-tempered glass system as a component of noise barrier installed on Metro railway elevated bridges. Also the appropriateness is evaluated through flexural bending performance test, compressive strength test, modulus of elasticity tests, and impact test for the system or the glass material itself. All of these processes are intended to present the deployment of logic to evaluate the adequacy for the system.
Types of noise barrier installed for noise attenuation are largely divided into noise-absorbing format and noise-proofing format. In these days, installation of transparent noise barrier is general trend to solve problems that hinder sunshine and landscape. Some kinds of transparent boards are used to one of components in noise barriers, but in some cases, less transparency and worse pollution due to yellowing phenomena, and severe material deformation are to harm the urban aesthetics Therefore laminated-tempered glass board in that yellowing phenomena does not occur can be replaced as a transparent one to secure those shortcomings. In this paper, the structural safety against train induced vibration and the resistibility to wind load are analyzed for laminated-tempered glass system as a component of noise barrier installed on Metro railway elevated bridges. Also the appropriateness is evaluated through flexural bending performance test, compressive strength test, modulus of elasticity tests, and impact test for the system or the glass material itself. All of these processes are intended to present the deployment of logic to evaluate the adequacy for the system.
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문제 정의
그러나 접합강화 유리 방음판은 국내에서의 적용 사례 및 연구 성과가 미비한 관계로 접합강화유리 방음판을 지하철 고가교 방음벽으로 적용하기 위해서는 합리적인 성능 시험 및 수치 해석을 통한 검증이 필요하다. 본 논문은 지하철 고가교 상의 접합강화유리 방음판에 대한 열차 운행 유발 진동에 따른 진동 안전성, 풍하중 안전성 등을 각각 분석하고, 접합강화유리 시스템 및 재료에 대한 소정의 관련 시험(휨 능력 성능 시험, 압축 강도 및 탄성 계수 시험, 충격 실험을) 수행하므로써 접합강화유리의 방음판으로서의 적정성을 평가하는 논리를 전개하는데 목적이 있다.
제안 방법
방음판은 모서리 양끝단을 지지대로 지지하여 지면으로 부터 50 mm 이상 이격시켰다. 강구 타격위치는 방음판 모서리로 부터 125 mm 떨어진 위치, 중앙 부, 임의 위치 등 3지점으로 하였다.
방음판은 플레이트 수치모델요소로, 접합강화유리와 프레임은 탄성 연결로 효율화하였다. 교량 구조물은 2경 간을 기준으로 거더, 슬래브, 콘크리트 도상을 일체 구조로 하였고, EVA 제품의 레일 패드 및 폴리우레탄 제품의 베이스 플레이트 방진재는 스프링, 댐퍼 요소로 하였다. 열차는 상하행 양방향 열차 각 3량 총 6량을 재하하였다.
좌굴 파괴를 방지토록 고정 지그에 의한 수평지지 방안을 강구하였고, 상하 단면에서 편심에 따른 국부파괴 방지를 위해 균일 등분포 하중을 받도록 캡핑재를 활용하였다. 또한 시험체가 등분포 가력을 받을 수 있도록 강성체 강재 플레이트를 상재하여 가력하였다. 응력-변형률 곡선은 판중앙에 부착한 변형률 게이지를 통해 도출하였고, 실험 상세 는 Fig.
KSF 4770-3방음판중 비금속재 컬러 방음판 시험은 탄성변위 시험과 충격 시험으로 대별된다. 본 연구에서는 이러한 시험법을 준용하되 보다 목적에 맞는 논리 체계로 변환시켰다. 풍하중 휨성능 평가 시험은 수치 해석 결과에 따라 프레임 상부 및 접합강화유리 상부에 각각 1점 및 2점 하중 재하 방식을 이용하여 탄성 거동 특성을 확인하였다.
열차는 상하행 양방향 열차 각 3량 총 6량을 재하하였다. 속도 75 km/h 운행시의 실가진력으로 레일 -침목 간의 시스템적 특성을 감안한 가진점 분배를 적용하여 동해석을 수행하였다. 분석 구간은 상계~ 노원 구간(#1구간), 한양대~뚝섬 구간(#2 구간) 및 신림~ 신대방 구간(#3 구간)등이며, 프로그램은 MIDAS Civil을 이용하였다.
풍하중 휨성능 평가 시험은 수치 해석 결과에 따라 프레임 상부 및 접합강화유리 상부에 각각 1점 및 2점 하중 재하 방식을 이용하여 탄성 거동 특성을 확인하였다. 시험체 1개조는 탄성 휨시험을 수행한 후, 프레임 소성변형 상태까지 하중을 증가시켜 휨성능 정도를 평가하였다. 재하시험 상세 일부는 Fig.
접합강화유리 충격 시험은 0.018 kN 강구를 수직 낙하 시키되 낙하고를 순차적으로 올려 최종 파괴될 때까지 실험하였다. 방음판은 모서리 양끝단을 지지대로 지지하여 지면으로 부터 50 mm 이상 이격시켰다.
탄성계수 및 압축강도 시험용 접합강화유리 시편은 제조상 300 mm×300 mm로 제작되었다. 좌굴 파괴를 방지토록 고정 지그에 의한 수평지지 방안을 강구하였고, 상하 단면에서 편심에 따른 국부파괴 방지를 위해 균일 등분포 하중을 받도록 캡핑재를 활용하였다. 또한 시험체가 등분포 가력을 받을 수 있도록 강성체 강재 플레이트를 상재하여 가력하였다.
진동 해석은 고가교상 접합강화유리 방음판의 열차 유발진동에 대한 안전성을 평가하고, 풍하중에 대해서는 시방 풍하 중 해석과 이를 모사한 집중 하중(선하중) 시험 상태 해석에 따른 안전성을 평가한다. 유사 풍하중 시험은 풍하중에 대한 접합강화유리 방음판 시스템의 단순보 최대 모멘트와 동등한 모멘트를 유발케 하는 선하중을 1점 및 2점 재하 방식으로의 결과를 확인한다.
진동 해석은 최장 지간 고가교상 방음벽 상단 4단에 부착된 2.0 m×0.5 m 접합강화유리 방음판에 대해 응력, 변위, 속도를 도출하였다.
본 연구에서는 이러한 시험법을 준용하되 보다 목적에 맞는 논리 체계로 변환시켰다. 풍하중 휨성능 평가 시험은 수치 해석 결과에 따라 프레임 상부 및 접합강화유리 상부에 각각 1점 및 2점 하중 재하 방식을 이용하여 탄성 거동 특성을 확인하였다. 시험체 1개조는 탄성 휨시험을 수행한 후, 프레임 소성변형 상태까지 하중을 증가시켜 휨성능 정도를 평가하였다.
다음으로 단계별 하중증가에 따른 위치별 계측 결과는 각각 Table 28 및 Table 29와 같다. 프레임 상부 2점 및 접합강화 유리 상부 2점 하중재하 시의 계측은 각각 1점 하중재하시의 결과와 비교될 수 있도록 동일한 상황하에서 계측하였고, 이를 표로 도시하였다.
방음판은 풍하중 안전성 확보, 풍하중의 지주 전달시 파손, 탈락, 과도 변형 및 이로 인한 소음 누출 등이 방지되어야 한다. 해석은 방음판의 풍하중에 대한 안전성 평가 및 성능 시험용 해석을 수행하였고, 풍하중은 2.94 kN/m2 (=300 kgf/m2 )를 적용하였다.
대상 데이터
#1 구간은 강박스로 구성되며, 지간은 30 m+30 m로 총 60 m이다. 고유치 해석결과는 Table 13, 열차동적하중 가진 해석 결과는 Table 14와 같다.
물성 시험은 응력–변형률 곡선 도출에 따른 탄성 계수(할선), 압축강도, 포아슨비 등의 결과를 획득한다.
방음판 두께는 10.76 mm, 강재 프레임 두께는 1.6 mm이고, 수치 해석 모델은 Fig. 8과 같다.
속도 75 km/h 운행시의 실가진력으로 레일 -침목 간의 시스템적 특성을 감안한 가진점 분배를 적용하여 동해석을 수행하였다. 분석 구간은 상계~ 노원 구간(#1구간), 한양대~뚝섬 구간(#2 구간) 및 신림~ 신대방 구간(#3 구간)등이며, 프로그램은 MIDAS Civil을 이용하였다. 각 구간의 구조물 제원은 Figs.
교량 구조물은 2경 간을 기준으로 거더, 슬래브, 콘크리트 도상을 일체 구조로 하였고, EVA 제품의 레일 패드 및 폴리우레탄 제품의 베이스 플레이트 방진재는 스프링, 댐퍼 요소로 하였다. 열차는 상하행 양방향 열차 각 3량 총 6량을 재하하였다. 속도 75 km/h 운행시의 실가진력으로 레일 -침목 간의 시스템적 특성을 감안한 가진점 분배를 적용하여 동해석을 수행하였다.
물성 시험은 응력–변형률 곡선 도출에 따른 탄성 계수(할선), 압축강도, 포아슨비 등의 결과를 획득한다. 충격 실험은 접합강화유리 상에 17.64 N 충격원을 수직 낙하시키며, 낙하고를 순차적으로 올려 최종 파괴될 때까지 실험한다. 분석 방향에 따른 내용은 Table 1과 같다.
탄성계수 및 압축강도 시험용 접합강화유리 시편은 제조상 300 mm×300 mm로 제작되었다.
이론/모형
방음판은 충격과 관련하여 EN1794-1 및 KSF 4770-3에 따른 충격 시험을 수행한다. 이때 충격원 충격 후 충격부 위에서 찌그러짐과 같이 구조 성능에 문제가 되지 않는 외형상의 사소한 변형이나 균열 발생은 허용한다.
성능/효과
1) 지하철 고가교 방음벽 시스템의 투명 방음판으로서 적용 되는 접합강화유리에 있어서 열차 유발 진동과 풍하중에 대한 안전성 및 적정성을 수치 해석적 방식과 시험적 방식을 접목하여 구명하는 논리를 전개함으로써 해당분야의 평가 방식을 개선하였다.
2) 풍하중 휨성능 평가시험 및 충격 실험을 통해 접합 강화유리 방음판 시스템이 설계 풍하중지지 능력 보 다 상당 수준 (10.3배)까지의 안전성을 유지하며 충 격 능력은 설정된 관리 기준을 만족하고 있음을 구명하였다.
열차 유발진동에 대한 방음판 응력, 변위 및 속도와 풍 하중 및 성능 시험용 해석 결과는 판정 기준을 모두 만 족하였고, 유사 풍하중 시험의 구조 해석은 휨시험 결과 와 상호 비교되어 그 적정성이 입증되었다. 결과는 Tables 23 및 24와 같다.
1 m 높이의 충격원에 의해 파손되었다. 파손시 파편 탈락 현상 및 충격원 관통은 없었으며 접합 강화유리의 균열이 심하게 발생한 정도로 원형을 보존하였다.
후속연구
3) 본 연구는 방음판 특수 소재인 접합강화유리에 대한 제반관리 기준이 아직 명확히 규정되어 있지 않은 상태 및 제한적 범위에서 도출된 것이므로 향후 보 다 많은 연구에 따른 신뢰성 확보가 요구된다.
8 kine을 충분히 만족시키므로 안전성 확보 논리가 적용된다. 단 접합강화 유리 충격 안전성에 대한 완전한 기준은 현존하지 않으므로 향후 실지 상황에 대한 외란 충격 현상 및 그 기준 설정을 위한 별도의 연구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소음 저감을 목적으로 설치되는 방음벽의 종류는 무엇이 있는가?
소음 저감을 목적으로 설치되는 방음벽은 크게 흡음판과 방음판으로 나뉘며, 일조 및 경관을 저해하는 방음벽의 문제점을 해결하고자 투명 방음벽을 설치하는 것이 일반적 추세이다. 방음벽에 사용되는 투명 방음판의 소재는 여러 가지가 있으나 경우에 따라서는 황변현상과 재질변형 등으로 인해 투명도가 떨어지고 오염이 심해져 오히려 도시미관을 해하기도 한다.
방음벽에 사용되는 투명 방음판의 단점을 보안하기 위해 어떤 재질을 사용하는가?
방음벽에 사용되는 투명 방음판의 소재는 여러 가지가 있으나 경우에 따라서는 황변현상과 재질변형 등으로 인해 투명도가 떨어지고 오염이 심해져 오히려 도시미관을 해하기도 한다. 따라서 이러한 단점을 보안하기 위하여 투명 방음판의 재질을 접합강화유리로의 대체가 가능하다. 본 논문은 메트로 지하철 고가교 상에서의 열차 유발진동에 따른 접합강화유리 방음판의 진동 및 풍하중에 의한 안전성을 분석하고, 접합강화유리 시스템 및 재료에 대한 휨능력 성능시험, 압축강도 및 탄성계수 시험, 충격시험 등을 수행하여 접합강화유리의 방음판으로서의 적정성을 평가하는 데 목적이 있다.
강화유리의 장단점은 무엇인가?
따라서 이러한 단점을 보완하기 위하여 재질을 황변 현상이 없는 접합강화유리로 대체가 가능하다. 강화유리의 특성은 광투과성, 내후성, 내화학성, 내마모성 등 다른 재료를 통하여 쉽게 구현할 수 없는 장점을 가지고 있으나, 집중 하중에 취약하거나, 일단 파손이 시작되면 유리 전체가 붕괴되는 단점을 갖는다. 이러한 단점 보안을 위해 강화유리 사이에 특수 접합 필름을 삽입하여 밀착시킨 접합강화유리를 도로교 등의 방음판으로 사용하고 있다.
참고문헌 (5)
Jeong, H. Y. et al. (2005), Korean Highway Bridge Design Code, Korea Road Transportation Association, 16-22.
Kim, I. H. et al. (2014), Development of the sound insulation and sound absorption based functional hybrid transparent noise barrier technology, KICT 2014-185, 19-40.
Korean Society of Civil Engineers (2004), Railway Design Code, Korea Rail Network Authority, 76.
LH Guide Specificatoins (2010), 400 Civil Con- struction, 42415 Noise Barrier, Korea Land & Housing Corporation, 533.
The Korean Society for Noise and Vibration Engineering (1995), A study for the noise and vibration of the high-speed rails : their criteria and prevention measures, Korea High Speed Rails Construction Authority, 1-47.
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