역사 내 진동저감형 디스크 받침 특성에 관한 연구
A study on the characteristics of Vibration Reduction Type Disk bearing in
Station of Rapid Transit Railway
박태현† 박헌상* 김호배** 최진호***
Tae-Hyun Park Hean-Sang Park Ho-Bae Kim Jin-Ho Choi
ABSTRACT
Railway construction in the random vibration natural phenomena, as well as a relatively regular train loads for dynamic loads, such as a usability and safety should be ensured. Vibration due to train loads and seismic vibrations caused by wind compared to the typically very small in size, rather than the safety of the structure affects the usability. Recently in the downtown area, ground and underground facilities, such as a permanent facility that may cause excessive vibration increases, associated with the construction of these transportation facilities on ground vibrations of structures has been increasing concern and complaint. More recently, high-speed train vibration and noise due to furnace is increasing. In order to solve this problem, such as soundproof considering several feet, but by applying the vibration and noise reduction measures insufficient for the study is Free.
In this study, track structure, track, and the inside of the building to support the system, the different forms of neurological history and share about the history cheonanahsan high-speed rail, if passed by the bus stop on the train loads of noise, and the history of interior noise and vibration measurement / analysis of measurement results to assess the relative comparison with the relevant provisions were reviewed. Based on this history, future plans for the design of the bridge to reflect the results of a study is intended to provide information.
Waiting for the analysis of vibration and noise reduction, cheonanahsan history passed quietly in the train, on average, appeared to 67.53dB and 65.41dB nervous week on average, were measured with the history. Nervous week waiting room of history and the history cheonanahsan radically different shapes and sizes, so a direct comparison is impossible, but the vibration caused by the disc on the base of the polyurethane elastomer disk is not supported by GERB SYSTEM Waiting more effective in reducing the noise level considered in The main materials for railway and for the localization will help to ensure affordability is considered. 1. 서론 열차 정거장 하부로 열차의 통행, 복합화, 대형화되면서 정거장을 이용하는 승객과 승무원들의 편의성에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 경우 정거장 구조물은 라멘 형식 또는 교량받침을 활용한 분리형 구조 형식이 선정될 수 있다. 정거장 하부로 열차가 통과하는 경우 발생되는 진동과 소음이 정거장 내부로 유입되 어 승객 및 승무원들에게 불편을 유발시키고 있다. 이를 방지하기 위하여 진동 저감형 교량받침으로 GERB SYSTEM과 진동저감형 디스크 받침이 일부 역사에 적용되고 있다.
GERB SYSTEM은 상당한 크기의 강코일 스프링을 사용하여 수직 및 수평방향에 대한 유연도(Flexibility)
를 제공한다. 수직방향의 진동수는 대략적으로 수평방향 진동수의 3 ~ 5배 정도이며, 강코일 스프링은 댐핑 기능이 전혀 없으므로 항상 점성댐퍼(Viscous Damper)와 함께 사용되어야 한다. GERB SYSTEM에서는
† 에스코알티에스 기술연구소, 선임연구원 E-mail : [email protected]
* 한국철도시설공단, 궤도토목 ** 두산건설, 인프라BG 설계팀 *** 청석엔지니어링, 광역철도부
수평운동(Horizontal Motion)과 락킹운동(Rocking Motion)간 강한 연관성 때문에 무게중심과 강성중심이 같 은 높이에 위치하는 경우 효과적이기에 교량 구조물에 적용할 경우 면밀한 검토가 선행되어야 한다. 따라서 GERB SYSTEM은 기계장치 등의 수직방향 지진격리에는 적용하는 것은 실용적이지만 교량 구조물 과 같이 수평방향에 대하여 지진격리를 해야 하는 경우에는 적용에 어려움이 있을 수 있다. 또한 다수를 설 치해야 하기 때문에 설치공간에 제한을 받는 경우에는 설계 및 시공의 어려움이 있으며 수평방향으로 댐퍼를 설치할 때 댐퍼를 고정하기 위한 프레임을 추가로 설치해야 하는 등의 공간이 추가적으로 필요하다. 그리고 강코일 스프링은 수평방향의 변위에 한계가 있어 지진뿐만 아니라 온도신축 하중 등으로 인한 변위에 대하여 큰 수평변위를 흡수해야 하는 경우에는 적용에 한계가 있을 수 있다. 진동저감형 디스크 받침은 탄성고무받침과 같이 수직방향에 대해서는 탄성지지를 제공하고 수평방향으로는 MER Spring을 이용하여 구조물에 지진격리 작용을 제공하도록 고안된 받침이다. 진동저감형 디스크 받침은 수직방향의 탄성지지로 폴리우레탄디스크가 분담하고 수평방향의 강성제공은 폴리우레탄 재질의 MER Spring 이 분담하게 되어 있어 수직 및 수평 방향 강성을 독립적으로 설계 및 제작이 가능하기에 구조물의 지지 및 지진격리를 위한 최적설계가 가능하다. 또한 천연고무가 50 ~ 70A의 경도를 가지는 반면, 폴리우레탄 디스 크는 90A ~ 65D의 경도를 가지고 있어 상대적으로 작은 크기로 큰 하중을 지지할 수 있어 내구성 측면에서 천연고무 대비 월등히 우수하다. 받침에 설치되어 있는 PTFE는 지진 시 발생하는 수평운동의 에너지를 마찰 에 의하여 소산시키고 MER Spring은 원위치로 구조물을 되돌리는 복원력을 제공한다. 즉 진동저감형 디스크 받침은 MER Spring의 크기 또는 개수를 조정하여 수평방향 강성을 조정할 수 있어 제동하중 및 지진하중 격 리에 적합한 수평강성을 제공할 수 있다. 본 연구에서는 경부고속철도 구간내의 GERB SYSTEM이 적용된 천안아산역사와 진동 저감형 디스크 받침 이 적용된 신경주역사, 일체형 라멘구조의 오송역사에 대하여 KTX 운행 시 역사구조물의 진동 및 소음의 정 도가 허용기준을 만족하는지 여부를 파악하고 각 역사의 진동 및 소음 저감 특성을 비교하고자 한다. 2. 진동 및 소음 계측 현황 2.1 진동 및 소음 계측 항목 천안아산역사, 신경주역사 및 오송역사의 소음 및 진동을 측정하기 위하여 계측항목으로 도표 1과 같이 선 정하였으며 사용 장비 목록은 도표 2 및 도표 3과 같이 진행하였다. 도표 1. 소음 및 진동 계측 항목 계측항목 계측센서 비 고 진동 및 수직가속도 가속도계 Piezo-type의 가속도계를 승강장 및 역사 내에 설치 소 음 마이크로폰 3층 승강장 및 역사 내부 도표 2. 진동 계측장비 구분 장비명 제조사
Data-Logger EDX 1500A Kyowa
Amplifer VM-81 Rion (日)
가속도계 AS-HA/HB(±1P～±5G) Kyowa
도표 3. 소음 계측장비
구분 장비명 제조사
소음계 (Sound Level Meter)
NL-05 Rion
NL-14 Rion
SIP-95 MVI
SYSTEM 824 LARSON DAVIS
2.3 진동 및 소음 계측 위치 선정 본 연구에서 비교한 세 곳의 역사는 구조물의 특성이 다소 상이한 구조이기에 천안아산역사는 측정위치를 한 곳으로 지정하였으며 신경주역사와 오송역사는 세 곳을 측정 위치로 지정하여 비교하였다. 2.3.1 승강장 측정 승강장의 소음 및 가속도 측정을 위해서 궤도에서 1.5m 떨어진 위치의 바닥에 가속도계를 설치했으며, 소 음 측정을 위하여 마이크로폰을 동일한 위치에 설치하였다. 천안아산역사 신경주역사 오송역사 그림 1. 승강장의 가속도 및 소음 측정 2.3.2 대합실 측정 대합실의 바닥판 가속도 진동 및 소음을 측정하기 위하여 천안아산역사는 대합실 중앙부에서 측정을 수행 하였고 신경주역사는 중앙부의 바닥판은 진동저감디스크 받침과 기둥으로 지지되어 있어 바닥판이 기둥에 강 결된 위치와 상이하여 중앙부와 강결된 두 곳에서 가속도 및 진동을 측정하였다. 그리고 오송역사는 라멘구 조 형식에 따라 강결된 세 곳에서 가속도 및 진동을 측정하였다. 그림 0에 세 역사 대합실에서 측정하는 모 습이 나타나 있다. 천안아산역사 신경주역사 오송역사 그림 2. 대합실의 가속도 및 소음 측정
2.4 진동 계측 결과 천안아산역사 내 KTX 통과 시 진동 가속도 측정결과 0.0274 ~ 0.0482 sec의 진동가속도 크기를 나타내고 있으며 이는 0.0028 ~ 0.0049g에 해당하는 수치이다. 신경주역사 또한 KTX 통과 시 진동 가속 도 측정결과 0.0130 ~ 0.0892 sec의 진동가속도 크기를 나타내고 있으며 이는 0.0021 ~ 0.0091g에 해당하는 수치를 나타내었다. 그리고 오송역사는 KTX 통과 시 진동 가속도 측정결과 0.0186 ~ 0.1450 sec의 진동가속도 크기를 나타내고 있으며 이는 0.0019 ~ 0.0146g에 해당하는 수치를 나타내었다. 세 역사 모두 관련 규정과 비교할 때 비교적 작은 크기로 인체 및 건물에 미치는 영향이 거의 없음을 알 수 있다. 도표 4. 중앙 광장 주변의 측정 가속도 기준 역사 관련규정 측정위치 중앙 광장 주변 가속도 측정결과 비고 최대값 최소값 평균값 천안아산 0.35g 1 0.0049g 0.0028g 0.0038g O.K 신 경 주 1 0.0049g 0.0028g 0.0038g O.K 2 0.0081g 0.0059g 0.0069g O.K 3 0.0021g 0.0013g 0.0026g O.K 오 송 1 0.0146g 0.0023g 0.0084g O.K 2 0.0148g 0.0045g 0.0096g O.K 3 0.0077g 0.0019g 0.0048g O.K 또한 천안아산역사, 신경주역사, 오송역사에 대한 진동가속도의 시간이력을 그림 3에 나타내었다. 천 안아산역사와 오송역사의 경우 KTX 차량이 먼 거리에서 역사로 진입하는 초기에는 차량의 진동이 구조 물을 타고 역사내부로 전해져 구조물의 고유진동수로 주로 진동하다가 차량이 역사를 통과하는 시점에 는 차량에서 발생되는 강제 진동으로 인하여 다양한 성분의 주파수 성분이 발현되는 것으로 확인되었 다. 즉 오송역사는 전체 라멘 구조 형식의 전체 강결 구조로 17.58 Hz 및 26.56 Hz의 주파수 성분이외 에 8.98 Hz의 저주파 성분이 포함되어 있음을 알 수 있다. 신경주역사는 구조적 특성에 따라 세 위치의 측정신호의 크기가 차이가 나고 주파수 성분의 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 신경주역사는 특히 KTX 차량 통과 시 진동저감형 디스크 받침으로 지지된 위치에서의 가속도 크기는 강결 위치에 비하여 상대적으로 작으며 18 Hz 및 23 Hz의 주파수 성분이외에 9 Hz의 저주파 성분이 포함되어 있음을 알 수 있다. 이러한 저주파 성분이 나타나는 것은 받침지지 위치의 바닥판이 진동저감형 디스크 받침의 폴리 우레탄 디스크에 의하여 탄성지지 되어 있기에 상대적으로 그 크기가 크기 때문인 것으로 판단된다. 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 - 0 . 0 4 - 0 . 0 3 - 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 t i m e ( s e c ) / 2 0 0 0 acc eler at ion (m /s ec 2) -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time (Sec) acc eler atio n (㎨ ) -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time (Sec) acce le ratio n (㎨ ) 천안아산역사 오송역사 오송역사 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 - 0 . 1 - 0 . 0 8 - 0 . 0 6 - 0 . 0 4 - 0 . 0 2 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 ac cel erat ion( m /s ec 2 ) t i m e ( s e c ) / 2 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 - 0 . 0 6 - 0 . 0 4 - 0 . 0 2 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 t im e ( s e c ) / 2 0 0 0 ac cel erat ion( m /s ec 2 ) 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 - 0 . 0 1 5 - 0 . 0 1 - 0 . 0 0 5 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 신경주역사(강결 위치 1) 신경주역사(강결 위치 2) 신경주역사(받침 지지 위치) 그림 3. 진동 가속도 신호
구조물의 안전성 측면에서 진동속도를 이용하여 평가하면 도표 5와 같이 천안아산역사, 신경주역사, 오송역사 세 곳에서 주로 발현되는 진동수에 대하여도 일반적인 구조물의 피해기준인 0.5 sec를 훨 씬 못 미치고 있는 것으로 파악되었다. 도표 5. 중앙광장 주변의 측정 진동속도 기준(최대치 기준) 역사 관련규정 측정위치 중심주파수 비고 천안아산 0.5 sec 1 4 Hz0.2 9 Hz0.08 22 Hz0.03 O.K. 신 경 주 1 18 Hz0.08 23 Hz0.06 27 Hz0.05 O.K. 2 18 Hz0.06 27 Hz0.04 48 Hz0.02 O.K. 3 9 Hz0.02 18 Hz0.01 23 Hz0.009 O.K. 오 송 1 8.98 Hz0.25 17.58 Hz0.13 26.56 Hz0.09 O.K. 2 11.72 Hz0.20 17.96 Hz0.13 26.56 Hz0.09 O.K. 3 3.90 Hz0.25 17.19 Hz0.07 30.46 Hz0.04 O.K. 2.5 소음 계측 결과 천안아산역사는 KTX가 주행하지 않는 일상적인 경우의 암소음(역사내 상가 및 보행자 등의 생활소 음)은 약 55 ~ 57 dB(A) 수준으로 비교적 높은 수준이다. 그러나 열차 주행 시 승강장에서 발생되는 소 음은 약 95 ~ 100 dB(A)로 조사되었고 거리 감쇄 등으로 인하여 약 70 dB(A)정도로 줄게 된다. 신경주 역사는 역사내의 소음 측정 시 구조적 특성이 상이한 2개소에 대하여 차량의 주행으로 인한 역사내의 소음 크기를 비교한 결과 암소음은 약 53 ~ 55 dB(A) 수준으로 천안아산역사보다 조금 낮은 수준이며 이는 역사 내 상가가 없고 보행자의 수가 적은 것이 원인이라고 판단된다. 열차 주행 시 승강장에서 발 생되는 소음은 최대치는 약 95 ~ 100 dB(A)이며 역사 내에서는 거리 감쇄 등으로 인하여 그 크기가 약 65 dB(A) 정도로 줄게 된다. 오송역사는 암소음이 약 49 ~ 51 dB(A) 수준으로 상대적으로 비교적 낮은 수준이다. 그러나 열차 주행 시 승강장에서 발생되는 소음은 약 100 dB(A)로 조사되었고 거리 감쇄 등 으로 인하여 약 68 dB(A)정도로 줄게 된다. 구 분 천안아산역사 신경주역사 오송역사 승강장 소음도 40 50 60 70 80 90 100 110 0 2 4 6 8 10 12 Time(Sec) Noi se Lev el (d b) 역사 내 전형적인 소음도 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 30 Time(Sec) N oi se Lev el( db) 그림 4. 열차 주행 시 역사 소음도
열차 통과 시에 대한 최대소음도(m ax)와 통과소음도( ) 조사 결과, 천안아산역사는 차량 통과 시 m ax는 약 70 dB(A)에 이르며 약 4 ~ 5초간의 통과시간에 대한 는 약 67 ~ 68 dB(A) 수준으로 조사되었다. 신경주역사는 차량 통과 시 m ax는 약 70 dB(A)에 는 약 63 ~ 66 dB(A) 수준으로 조 사되었다. 오송역사는 차량 통과 시 m ax는 약 74 dB(A)에 는 약 67 ~ 74 dB(A) 수준으로 조사되 었다. 신경주역사의 가 구조적 특성이 서로 상이한 받침지지 구간이 강결지지 구간보다 약 4 dB(A) 정도 낮게 조사되었는데 이는 KTX 차량 주행 시 발생하는 소음이 역사내부로 전파될 때 고체음 과 공기 전달음으로 진행되면서 받침지지 위치에 설치된 방진장치로 인하여 저주파의 고체음이 상당부 분 차단되어 강결지지 위치보다 낮은 소음도를 보이고 있다고 판단된다. 도표 6. 역사 내부의 KTX 차량 통과 시 소음 크기(단위 : dB(A)) No. 역사 1 2 3 4 5 평균 6 7 평균 천안아산 m ax 70.2 68.1 68.8 - - - 69.0 67.7 67.2 67.8 - - - 67.56 신 경 주 m ax 68.7 70.4 66.4 69.0 68.3 68.6 65.0 64.3 64.7 67.4 67.1 63.8 66.2 66.4 66.2 63.4 63.6 63.5 오 송 m ax 74.4 67.5 68.2 - - - 70.03 74.1 66.9 67.0 - - - 69.3 3. 결론 본 연구는 구조 형식이 서로 다른 경부고속철도 구간의 세 역사에 대하여 진동 및 소음을 측정함으로 써 역사 내에 적용된 교량 받침별 진동 및 소음 저감 효과를 비교 검토하였으며 도출된 결과는 아래와 같다. 신경주역사 기준 대합실의 진동가속도는 바닥슬래브가 기둥으로 연결되어 있는 위치보다 진동저감형 디스크 받침에 의해서 탄성지지된 위치에서의 가속도가 약 4배 정도 작게 나타났다. 따라서 진동에 민 감한 기계장치 또는 장시간 근무하는 근무자가 상주하는 바닥의 슬래브는 탄성지지를 통하여 진동가속 도를 감소시킬 수 있어 상당한 도움이 될 것으로 판단된다. 현장 실측 결과 대합실의 경우 천안아산역사는 통과소음도가 평균적으로 67.5 dB(A), 신경주역사는 63.5 dB(A), 오송역사는 69.3 dB(A)로 신경주역사 대합싱의 소음도가 천안아산역사와 오송역사 보다 소 음 저감효과가 우수한 것으로 나타났다. 세 곳 역사의 대합실 구조 및 크기가 상이하여 직접적인 비교 는 불가능하지만 진동저감형 디스크 받침의 폴리우레탄 디스크에 의한 탄성지지가 천안아산역사의 GERB SYSTEM과 오송역사의 라멘구조에 의한 지지보다 대합실의 소음도를 줄이는데 어느 정도는 효과 가 더 있는 것으로 판단된다. 참고문헌 1. 한국철도시설공단, “경부고속철도 신경주역사 신축설계 진동연구 중간보고서,” 2005. 2. 에스코알티에스, “진동저감형 디스크 받침을 이용한 철도교량 소음 저감 공법,” 2010. 3. 한국철도시설공단, “고속철도 환경소음 기준 및 진동 기준에 대하 연구(진동대책편),” 1995. 4. 한국소음학회지, “고속철도가 환경에 미치는 영향,” 1993.
