[논문]철도교량의 감쇠비 추정에 관한 연구

윤혜진; 진원종; 최은석; 강재윤; 곽종원; 김병석

철도교량의 감쇠비 추정에 관한 연구
A Study of Estimation of Damping Ratio for Railway Bridges 원문보기

윤혜진 (한국건설기술연구원, 구조교량연구실) , 진원종 (한국건설기술연구원, 구조교량연구실) , 최은석 (한국건설기술연구원, 구조교량연구실) , 강재윤 (한국건설기술연구원, 구조교량연구실) , 곽종원 (한국건설기술연구원, 구조교량연구실) , 김병석 (한국건설기술연구원, 기반시설연구본부)

Dynamic response is an important consideration because of the possibility of resonance according to KTX running over a railway bridges. When KTX runs over the bridge at critical speed, dynamic response is very depending on damping ratio. Current damping ratio for design of high-speed railway bridges adopted EUROCODE without verification of domestic railway bridges. The purpose of this study is to obtain the coherent damping ratio of high-speed railway bridges. Free vibration signal after KTX runs over a high-speed railway bridge was applied. The representative value from distribution of damping ratio was considered.

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문제 정의

하지만 감쇠비는 그 거동이 매우 복잡하고 평가 방법 및 계측지점에 따라 추정되는 값이 달라 일관성 있는 감쇠비 적용에 어려움이 따른다. 이 연구에서는 감쇠비가 계측 지점 및 산정 방법에 따라 민감하게 변하는 현상을 배제하기 위하여 열차 주행 후 여진 데이터의 peak들을 이용하여 감쇠비 분포도를 작성하고, 분포도의 대푯값을 결정하여 감쇠비를 추정하였다.

가설 설정

이 연구에서는 고속철도교량의 현장계측에 의한 동적응답 자료로부터 감쇠비 분포도를 작성하여 감쇠 비를 추정하였다. 열차 주행 후 감쇠자유진동구간에서 수집된 peak 점들로부터 감쇠비 표본을 작성하였으며, 최빈값을 대푯값으로 가정하였다. 감쇠비는 여진 구간의 설정에 따라 오차를 크게 보였지만 측정 위치에 따른 오차는 비교적 작게 나타났다.

제안 방법

시간-변위 이력에서 열차가 통과한 후 변위가 감소하는 여진 구간의 peak 점을 추출하여 감쇠 특성을 분석하였다. 감쇠특성은 여진 구간을 어떻게 설정하느냐에 따라 달라질 수 있으며, 진동이 작은 후반부 여진의 고려 여부에 따라 감쇠비가 달라질 수 있으므로 두 가지의 여진 구간을 설정하여 분석하였다. 구간1은 열차가 통과한 후 진폭이 큰 전반부 진동과 진폭이 상대적으로 작은 후반부 진동까지 포함한 것이며, 구간2는 전반부 진동만 고려한 것이다.
이 연구에서는 감쇠자유진동구간에서 수집된 peak 점들로부터 감쇠비 표본을 작성하였다. 감쇠자유진동구간에서 m 개의 peak 점을 추출한 후 임의의 N(N = 1, 2, ⋯,m) 사이클 전후의 두 peak에 대하여 식(2)를 적용하면 m!/2(m-2)!개의 감쇠비 표본을 얻고, 분포도를 작성하여 대푯값을 조사하였다.
그림 3은 305km/h의 주행속도를 갖는 KTX 열차에 의한 센서 위치에 따른 시간-변위 이력을 나타내고 있다. 시간-변위 이력에서 열차가 통과한 후 변위가 감소하는 여진 구간의 peak 점을 추출하여 감쇠 특성을 분석하였다. 감쇠특성은 여진 구간을 어떻게 설정하느냐에 따라 달라질 수 있으며, 진동이 작은 후반부 여진의 고려 여부에 따라 감쇠비가 달라질 수 있으므로 두 가지의 여진 구간을 설정하여 분석하였다.
연제교는 상․하행선 모두 KTX 차량이 최고 속도로 주행이 이루어지는 교량이기 때문에 공진을 고려한 응답과 감쇠비의 측정이 유리하다. 이 연구에서는 305km/h의 속도로 주행하는 KTX 차량에 의한 변위응답을 고려하였다. 그림 2는 2006년 계측 당시 경간 중앙부에 설치된 센서 부착 위치를 나타내고 있다.
이 연구에서는 감쇠자유진동구간에서 수집된 peak 점들로부터 감쇠비 표본을 작성하였다. 감쇠자유진동구간에서 m 개의 peak 점을 추출한 후 임의의 N(N = 1, 2, ⋯,m) 사이클 전후의 두 peak에 대하여 식(2)를 적용하면 m!/2(m-2)!개의 감쇠비 표본을 얻고, 분포도를 작성하여 대푯값을 조사하였다.
이 연구에서는 고속철도교량의 현장계측에 의한 동적응답 자료로부터 감쇠비 분포도를 작성하여 감쇠 비를 추정하였다. 열차 주행 후 감쇠자유진동구간에서 수집된 peak 점들로부터 감쇠비 표본을 작성하였으며, 최빈값을 대푯값으로 가정하였다.

대상 데이터

분포도 작성에 의한 감쇠비 추정을 위하여 기존의 KTX 열차의 주행에 의한 현장계측 데이터를 활용하였다. 이 연구에서 사용한 주행실험 데이터는 2006년 경부고속철도 구간의 연제교에서 KTX 열차의 주행에 의한 처짐 응답이다(김병석 등, 2007).
이 연구에서 사용한 주행실험 데이터는 2006년 경부고속철도 구간의 연제교에서 KTX 열차의 주행에 의한 처짐 응답이다(김병석 등, 2007). 연제교는 서울 기점으로 171km 지점에 위치한 40m 2경간 연속의 PSC BOX 교량으로, 해당 교량의 전경과 제원은 그림 1과 같다. 연제교는 상․하행선 모두 KTX 차량이 최고 속도로 주행이 이루어지는 교량이기 때문에 공진을 고려한 응답과 감쇠비의 측정이 유리하다.
분포도 작성에 의한 감쇠비 추정을 위하여 기존의 KTX 열차의 주행에 의한 현장계측 데이터를 활용하였다. 이 연구에서 사용한 주행실험 데이터는 2006년 경부고속철도 구간의 연제교에서 KTX 열차의 주행에 의한 처짐 응답이다(김병석 등, 2007). 연제교는 서울 기점으로 171km 지점에 위치한 40m 2경간 연속의 PSC BOX 교량으로, 해당 교량의 전경과 제원은 그림 1과 같다.
그림 2는 2006년 계측 당시 경간 중앙부에 설치된 센서 부착 위치를 나타내고 있다. 캔틸레버부 외측(W3, E3)과 내측(W4, E4)에서 계측된 변위를 사용하였다.

후속연구

감쇠비는 여진 구간의 설정에 따라 오차를 크게 보였지만 측정 위치에 따른 오차는 비교적 작게 나타났다. 여진 구간을 어떻게 선정하느냐에 따라 감쇠비 크기 결정이 민감할 수 있으므로 이에 대한 연구가 동반되어야 할 것으로 판단된다.

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