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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.1 pp.94-101
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.1.94

Research on Vibration and Noise Characteristics of Steel Plate Girder Bridge with Embedded Rail Track System

Jeung-Geun Park1, Hyo-In Koh2, Yun-Suk Kang3, Young-Do Jeong4, Seong-Tae Yi5*

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:yist@inhatc.ac.kr Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Inha Technical College, Incheon, South Korea
12/09/2018 26/09/2018 11/10/2018

Abstract


Most of the existing rail structures have undergone a lot of aging since a considerable period of time has passed from completion. In particular, among existing railway bridges, many of the plate girder bridges are older bridges that have lived 40 to 60 years or more. Since the treadmill is directly connected to the girder without the ballast, the running load of the vehicle is directly transmitted to the bridge. Therefore, the shock and noise applied to the bridge are larger than those of the ballast bridge, and the dynamic shock and vibration are also relatively large. Therefore, it is very urgent to develop appropriate maintenance, repair and reinforcement technology for existing steel plate bridge. In this study, the authors introduced the characteristics of embedded rail (ERS) developed for improving the performance of the existing plate girder bridge and the techniques solving the vibration and noise problems. In order to evaluate the vibration and noise reduction performance of ERS, a non-ballast plate girder bridge with 5m length of sleepers installed and a plate girder bridge with ERS were fabricated. And, then, the vibration response generated under the same excitation condition was measured and analyzed. Also, the radiated noise analysis was performed using the vibration response data obtained from the experiment as the input data of the acoustic analysis model. As a result of experiments and analyses, it was confirmed that the plate girder bridge’s vibration using ERS was reduced by 15.0~18.8dB and the average noise was reduced by 7.7dB(A) more than the non-ballast bridge.



레일매립궤도 시스템이 적용된 판형교의 진동 및 소음특성에 대한 연구

박 정근1, 고 효인2, 강 윤석3, 정 영도4, 이 성태5*
1정회원, ERS 대표
2정회원, 한국철도기술연구원 책임연구원
3정회원, 한국철도기술연구원 책임연구원
4정회원, (주)포스코건설 SMART기술연구그룹 과장
5정회원, 인하공업전문대학 토목환경과 교수

초록


기존 선로구조물의 대부분은 준공된 지 상당한 시일이 경과되어 노후화가 많이 진행된 상태이다. 특히 기존 철도교량 중 판형교는 상당수가 준공으로부터 40~60년 이상 경과된 노후교량이며 도상 없이 거더에 침목이 직결되어 있어서 차량의 주행하중이 교량에 직접 전달되 므로 유도상 교량과 비교하여 교량에 가해지는 충격 및 소음이 클 뿐만 아니라 동적인 충격과 진동도 상대적으로 크다. 따라서 기존선 판형교에 대한 적절한 유지관리 및 보수, 보강기술의 개발이 매우 시급하다. 본 연구에서는 기존선 판형교의 성능개선과 소음, 진동 문제 해결을 위해 기 개발된 레일매립궤도 시스템의 특징을 소개하고, 레일매립궤도의 진동 및 소음 저감 성능을 평가하기 위해 길이 5m 침목이 설치되어 있는 무 도상 판형교와 레일매립궤도를 적용한 판형교를 제작하여 동일한 가진 조건에 따라 발생되는 진동응답을 측정하고 분석하였다. 또한 실험에 서 얻은 진동응답 데이터를 음향해석 모델의 입력데이터로 사용하여 방사소음해석을 수행하였다. 실험 및 해석 결과 레일매립궤도를 적용한 판형교가 무도상 판형교 보다 진동에서는 15.0~18.8dB정도 감소하고 소음의 경우 평균 7.7dB(A)정도 감소하는 것으로 확인되었다.



    1. 서 론

    판형교는 철도교의 초기단계로서 2010년 1월을 기준으로 하여 국내에 철도교량은 약 2,600여개가 부설되어 있으며 이 중에서 판형교는 약 27% 정도를 차지하고 있다. 2000년도부 터 판형교의 유도상화 개량사업이 많이 진행되었지만 아직 700여개의 교량이 무도상 교량으로 남아 있다(Lim, 2011).

    무도상 판형교는 도상없이 거더에 침목이 직결되어 있어서 열차의 주행하중이 교량에 직접 전달되기 때문에, 유도상 교 량에 비교해 교량에 가해지는 충격 및 소음이 크게 발생하며 동적인 충격과 진동도 상대적으로 크다(Cho et al., 2006).

    무도상 판형교의 개량을 위한 초기 연구로는 무도상 판형 교의 유도상화 연구에서 대두된 사하중의 증가 문제를 개선 하고 사용성과 내구성을 확보할 수 있는 방진궤도시스템의 적용성에 대한 연구(Park et al., 2006)를 들 수 있다. 그리고 무 도상 판형교의 동적성능개선을 위해 판형교 하부에 6종류의 수평브레이싱을 보강한 모델을 적용하여 교량의 동적거동 특 성을 분석하는 연구(Hwang et al., 2007)가 수행되었고, 외부 후 긴장 보강공법을 무도상 판형교에 적용하여 긴장력이 교 량의 동적거동에 미치는 영향에 대해 분석한 연구사례(Park et al., 2008)도 있다. 또한 판형교의 거더에 PC-Slab를 합성하 여 보강하고 유도상화시킴으로서 경제성을 추구하는 공법의 개발이 수행되었다(Min et al., 2010).

    이 연구에서는 철도의 소음과 진동을 대폭 저감시키고자 철 골철근콘크리트(SRC, Steel reinforced concrete) 구조에 수지고 정형 레일체결구를 적용한 레일매립궤도 시스템(Embedded rail track system, ERS)의 개발을 수행하고 있다. 즉, 이 시스템의 진동 및 소음특성을 분석하기 위해 무도상 판형교를 비교 대상 으로 하여 진동측정 실험을 수행하였고 측정데이터를 이용하여 방사소음해석을 통하여 무도상 판형교와 레일매립궤도가 적용 된 판형교의 진동 및 소음특성을 분석하였다.

    2. 레일매립궤도

    레일매립궤도는 무도상 판형교의 소음 및 진동 문제를 개 선하기 위해 개발되었다. 레일매립궤도의 도상은 Fig. 1과 같 이 강재프레임으로 구성되어 있고, 레일홈을 철근콘크리트가 둘러싸고 있는 철골철근콘크리트 구조이며, 레일체결장치는 폴리코크(polycork)를 적용한 수지고정형 레일체결구로 조립 되어 있어 기존선 판형교 개량 시 대규모의 하부구조 보강없 이 적용될 수 있도록 자중을 최소화한 구조로 구성되어 있다.

    레일매립궤도는 폴리코크가 레일을 감싸며 연속적으로 탄성 지지를 하고 있어 레일의 진동을 최소화함으로서 소음발생원에 대한 근본적인 저감방식을 적용했으며 레일매립궤도 하부에 진 동격리 탄성층을 설치함으로써 레일로부터 전달되는 진동을 차 단하여 진동에 의해 발생하는 구조기인 소음(Structure-borne noise)을 획기적으로 저감시키는 특징을 가지고 있다.

    3. 진동실험

    3.1 진동실험 개요

    이 논문에서는 레일매립궤도를 적용한 판형교와 무도상 판 형교의 진동특성을 파악하기 위해 Fig. 2와 같이 길이 5m의 실험체들을 제작하여 동일조건의 가진 하중에 대한 진동응답 특성을 비교하였다. 판형교는 SS400 강재를 사용하였고. 레 일매립궤도의 재료 물성치는 Table 2와 같다. Table 1

    3.2 진동측정 방법

    여기서 선택한 진동측정 방법은 sine sweep 주파수(30~ 500Hz) 가진을 통한 방법과 tapping machine 가진을 통한 측 정 방법이다. 사용된 가진 장비는 Table 1과 같다.

    Sine sweep 주파수 가진의 목적은 동일한 sine sweep 주파 수의 가진을 통한 두 교량의 거동을 비교하기 위함이며, 실험 시에는 EMAI 주파수 shaker가 사용되었다. 가진시에는 30Hz 부터 500Hz까지 일정하게 주파수를 증가시키면서, 주파수 대 역 당 동일한 힘으로 레일 상부를 가진하였다. Fig. 3은 sine sweep 주파수 가진기를 이용한 측정 모습을 나타내며 측정하 고자 하는 센서의 종류와 부착위치는 두 교량 모두 동일하고 상세 내용은 Fig. 4 및 Table 3과 같다.

    Tapping machine 가진 실험에는 Type 3204의 tapping machine이 사용되었다. 이 충격발생기는 수직방향으로 레일 상부를 가진하며, 500g의 hammer가 40mm 높이에서 낙하하 여 1초간 10회 충격을 발생시켰다. 측정하고자 하는 센서의 부착위치와 종류는 sine sweep 주파수 가진 실험과 동일하며, Fig. 5는 tapping machine 가진기를 사용한 측정 모습을 나타 낸다.

    3.3 진동실험 결과

    Fig. 6~Fig. 82가지의 가진 방법으로 무도상 판형교와 레 일매립궤도를 적용한 판형교에 대한 진동측정 결과를 측정 위치별로 나타낸 것이다. 판형교 부재 중 가진기에 의해 발생 하는 진동이 거더 복부로 전달되는 정도가 중요하기 때문에 본 논문에서는 거더 복부에 설치한 센서 Ch05~Ch07의 측정 결과값을 분석하였다. Fig. 7

    거더 복부의 수평방향 진동가속도 레벨을 측정한 결과 전 반적으로 저주파 대역에서 고주파 대역으로 갈수록 무도상 판형교 대비 레일매립궤도를 적용한 판형교의 진동가속도 레 벨이 감소하는 경향을 나타내고 있으며, sine sweep 주파수 가 진 방법에 의한 측정결과 보다 tapping machine으로 가진한 경우의 진동가속도의 레벨이 더 크게 발생하였다.

    Ch05 위치에서는 무도상 판형교에 sine sweep 주파수 가진 시 진동가속도 레벨은 최대 80dB, 최소 25dB이 발생하였으며 평균은 52.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교 의 경우에는 최대 59dB, 최소 16dB이 발생하여 평균은 37.5dB 이 측정되었다. tapping machine 가진의 경우 무도상 판형교에 서는 진동가속도 레벨이 최대 90dB, 최소 35dB 발생하였고 평 균적은 62.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교 의 경우에는 최대 65dB, 최소 23dB이 발생하여 평균 44dB로 무 도상 판형교의 경우 보다 18.5dB의 진동가속도 레벨이 평균적 으로 작게 발생하는 것을 확인하였다.

    Ch06 위치에서는 무도상 판형교 sine sweep 주파수 가진 시 진동가속도의 레벨은 최대 84dB, 최소 35dB이 발생하였으며 평균은 59.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교 의 경우에는 최대 70dB, 최소 18dB이 발생하여 평균은 44dB이 측정되어 무도상 판형교의 경우 보다 15.5dB의 진동가속도 레 벨이 평균적으로 작게 발생하는 것을 확인하였다. tapping machine 가진의 경우, 무도상 판형교에서는 진동가속도 레벨 이 최대 90dB, 최소 46dB 발생하였고 평균적으로는68dB로 측 정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우에는 최대 73dB, 최소 22dB이 발생하여 평균 47.5dB로 측정되었다.

    Ch07의 위치에서도 Ch05, Ch06과 유사한 경향이 나타났 다. 무도상 판형교에 sine sweep 주파수 가진 시 진동가속도 레벨은 최대 82dB, 최소 29dB이 발생하였으며 평균은 55.5dB 로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우에는 최대 62dB, 최소 20dB이 발생하여 평균은 41dB이 측정되어 무도상 판형교의 경우 보다 14.5dB의 진동가속도 레벨이 평 균적으로 작게 발생하는 것을 확인하였다. Tapping machine 가진의 경우, 무도상 판형교에서는 진동가속도 레벨이 최대 92dB, 최소 35dB 발생하였고 평균은 63.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우에는 최대 67dB, 최소 25dB이 발생하여 평균 46dB로 무도상 판형교의 경우 보다 17.5dB의 진동가속도 레벨이 평균적으로 작게 발생하는 것을 확인하였다.

    4. 방사소음해석

    4.1 방사소음해석 개요

    방사소음해석에서는 앞서 진동실험에 사용된 길이 5m의 무 도상 판형교와 레일매립궤도가 적용된 판형교를 대상으로 했으 며 사용한 해석 프로그램은 Simens Virtual Lab Ver. 13.7이고 BEM 모듈을 사용하였다. 기 수행된 진동실험 중 sine sweep 주 파수 가진에 의해 측정된 진동데이터를 BEM(Boundary element method) 해석모델의 경계조건으로 입력하여 해석을 수행하였 다.(Fig. 9(a), Fig. 9(b)). 또한 방사소음 발생 특성에 대한 분석을 위해 해석결과의 평가 영역을 Fig. 9(c) 및 Fig. 9(d)와 같이 설정하 여 주파수별 방사소 음해석을 수행하였다.

    4.2 해석 입력 자료

    Simens Virtual Lab 프로그램은 방사소음해석을 위해 경계 조건으로 진동속도를 입력하게 되어 있다. 따라서 본 연구에 서는 sine sweep 주파수 가진에 의해 측정된 진동가속도 데이 터를 적분과정을 통해서 진동속도 데이터로 변환하고 방사소 음해석에 필요한 경계조건으로 입력하여 해석을 수행하였다. Fig. 10은 입력된 진동속도 데이터를 나타낸다.

    4.3 방사소음해석 결과

    Fig. 11과 같이 각 위치별 소음레벨을 분석한 결과, 교량의 레일면 상부(P1) 위치에서는 레일매립궤도를 적용한 판형교 에 최대 41dB(A)가 발생하였고 무도상 판형교의 경우 최대 49dB(A)가 발생하여 최대 발생 소음 레벨을 기준으로 8dB(A) 의 소음감소를 확인하였다. 교량의 측면부(P2)에서는 레일매 립궤도를 적용한 판형교에 최대 44dB(A)가 발생하였고 무도 상 판형교의 경우 최대 50dB(A)가 발생하여 최대 발생 소음 레벨을 기준으로 6dB(A)의 소음이 감소하였다. 또한, 교량의 하부(P3) 위치에서는 레일매립궤도를 적용한 판형교에 최대 41dB(A)가 발생하였고 무도상 판형교의 경우 최대 50dB(A) 가 발생하여 최대 발생 소음 레벨을 기준으로 9dB(A)의 소음 이 감소하는 것으로 해석되었다.

    5. 결 론

    무도상 판형교와 레일매립궤도를 적용한 판형교의 진동 및 소음특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 판형교의 복부에서 발생하는 수평 가속도는 레일매립궤 도의 감쇠특성과 방진특성이 반영되어 레일매립궤도를 적용한 판형교의 진동가속도 레벨이 sine sweep 주파수 가진의 경우 평균적으로 15.0dB이 감소되고 tapping machine 가진의 경우에는 평균적으로 18.8dB이 감소되 는 것으로 나타났다.

    • 2) 방사소음해석 결과, 레일면 상부(P1)에서는 레일매립궤 도를 적용한 판형교가 무도상 판형교 보다 방사소음이 8dB(A) 감소하였고, 교량의 측면부(P2)에서는 6dB(A) 감소하였다. 또한, 교량의 하부(P3)에서는 9dB(A) 낮게 해석결과가 나왔다. 즉, 평균 7.7dB(A)가 감소되는 것으 로 나타났다.

    • 3) 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우, 이것이 가진 감 쇠 및 방진특성으로 외부하중에 의한 진동을 흡수하여 얇은 박판의 판형교 부재에서는 진동이 작게 발생하였 고 진동에 의해 발생하는 방사소음도 작게 발생하였다. 따라서 향후 무도상 판형교의 유도상화에 레일매립궤도 를 적용하면 진동과 소음에 유리할 것으로 판단된다.

    • 4) 본 연구에서는 임의 가진을 통해 무도상 판형교 대비 레일 매립궤도를 적용한 판형교의 진동과 소음을 평가하였지 만 향후에는 공용중인 무도상 판형교를 대상으로 침목을 제거하고 실제 레일매립궤도를 적용함으로서 실제 열차 하중에 의한 진동 및 소음 발생 특성을 연구할 예정이다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 철도기술연구개발사업의 연구비지 원(17RTRP-B072484-05)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    JKSMI-23-94_F1.gif

    Embedded rail track system

    JKSMI-23-94_F2.gif

    Vibration target bridge (unit : mm)

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    Measurements using sine sweep frequency exciter

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    Sensor attaching position

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    Measurements using a tapping machine vibrator

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    Vibration measurement response data (Ch05 sensor)

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    Vibration measurement response data (Ch06 sensor)

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    Vibration measurement response data (Ch07 sensor)

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    Modeling for radiated noise analysis

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    Vibration velocity measurement data obtained from radiated noise analysis

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    Radiated noise analysis results

    Table

    Measuring equipments

    Material property

    Type of sensor used for measurement

    Reference

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