2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S161

콘크리트 강화 노반층(HSB)의 특성에 따른

콘크리트 궤도슬래브의 진동특성

The Analytical Study Of Vibration Characteristics Of Concrete Slab System On HSB

정우영*†, 이성혁***, 주부석**, 전선표*

Woo-Young Jung*†, Seong-Hyeok Lee***, Bu-Seog Ju**, Seon-Pyo Jeon*

Abstract Vibration occurred during train operation impact the noise and ride comfort, and eventually influences the surrounding structures. Intensive researches are being conducted in the high-speed train; minimization of track vibration is a key to increase the train ride comfort. Typically, concrete track has lower ability to remove vibration than gravel track. Therefore it is important to investigate on the vibration reduction method in the train track. Current study investigated to characterize the vibration occurred along with train movement load, with change of reinforced concrete slabs installed in the lower layer under the concrete track slab structure, using a 3-dimensional finite element method.

Keywords : PST, HSB, Finite Element Analysis, Vibration

초 록 열차가 주행 시 진동이 발생하게 되며 이는 소음 및 승차감, 주변 구조물에 영향을 미친다. 점점 고속화 열차의 연구가 집중되는 가운데 열차의 속도를 높이고 승차감을 좋게 하기 위해서는 궤도의 진동이 적게 발생하는 것이 중요하다. 콘크리트 궤도는 자갈궤도에 비해 진동제거 능력이 낮은 편이다. 그렇기 때문에 궤도의 진동을 줄이기 위해 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 3차원 유한요소 프로그램을 사용하여 콘크리트 궤도 슬래브 구조상 슬래브 하층부에 설치되는 콘크리트 강화 노반층의 변화에 따라 열차의 이동하중으로 인해 발생된 진동의 변화특성을 연구 하였다.

주요어 : PST, HSB, 유한요소해석, 진동

1. 서 론

열차의 주행 시 진동으로 인하여 소음이 발생하고 승차감이 나빠지므로 진동의 발생을 최

소한으로 할 필요가 있다. 진동의 평가 척도는 Peak Value, R.M.S. 값, 평균값, 평균값, 가

속도, 속도, 변위 등을 통하여 평가를 할 수 있다. 본 연구에서는 열차의 주행으로 발생되

는 진동의 가속도의 특성을 분석하여 평가 하였으며 3차원 유한요소 해석 프로그램 ABAQUS

를 사용하여 해석 하였다.해석에 사용된 모델은 PST를 택하였으며 Slab모델은 화성궤도㈜에

서 개발되어진 모델을 사용하여 해석을 진행하였다.

† 교신저자: 강릉원주대학교 공과대학 토목공학과(woojung@gwnu.ac.kr)

* 강릉원주대학교 공과대학 토목공학과

** 강릉원주대학교 방재연구소 전임연구원 *** 한국철도기술 연구원 첨단인프라연구단 TFT

2. 본 론

2.1 제원 및 모델링

모델은 Ground, HSB층, Grout층, Slab, Rail로 이루어져 있으며 HSB층의 탄성계수의 변화

는 23,055MPa와 Grout층의 탄성계수인 11,528MPa 그리고 그 사잇값인 17,292MPa의 물성치를

사용하여 해석하였으며 두께는 150mm, 300mm, 450mm의 변화를 주었다. 각 재료별 Damping

값은 논문 WANG et al. (2005)에서 제시한 물성치를 비교 검토를 통하여 인용하였다. 각층

의 연결은 Tie를 통하여 연결 되었으며 전체적으로 Linear Dynamic으로 해석을 하였으며 모

델링은 Full 모델과 Half 모델의 검증을 통하여 Half 모델을 사용하였다.

측정 지점은 Figure2 와 같이 레일 아래지점을 측정하였다.

Fig. 1 3D FE Full, Half Model and Description of Super Structure PST (Full) Of The Trackbed System

Fig. 2 Measurement Point

2.2 진동 영향성 평가 기준

진동의 영향을 알아보기 위하여 0.002초 간격으로 5초 동안 측정 하였다. 진동효과를 분

석하기 위하여 두 가지 매개변수를 사용하였다. 하나는 열차 주행 시 나타나는 복잡한 신호

의 경우 진폭은 주어진 시간간격 동안에 신호가 도달하는 최고값인 Peak값과 진동 신호의

에너지 함량을 추정해 진동크기를 평가 하는 대표값인 RMS(Root Mean Square) 값을 측정하

였다. RMS는 해석을 통한 데이터를 다음 식에 적용하여 구하였다.

2

nRM S

aA

n (1)

따라서 RMS(Root Mean Square) 값은 시간에 대한 변화량을 고려하고, 진동의 파괴적 능력

을 나타내는 에너지량과 직접 관련된 진폭을 나타냄으로 진동의 크기를 표현하는데 가장 적

합하다. 또한 Peak값은 짧은 시간에 일어나는 충격 등과 같은 크기를 나타내기에 유용하다.

그러나 이 값은 순간의 최대치만을 나타내며 시간에 대한 변화량은 나타내지 않기 때문에

전체적인 진동크기에 대한 비교는 어렵다.

2.3 설계 이동 하중

하중은 레일위에 등분포하중을 100km/h로 이동시키는 방법을 사용하였으며, Figure 3과

같이 등분포하중은 HL-25 표준 활하중을 적용하였다. Eq 2는 동적 하중 재하식이다.

Fig. 3 HL-25 Standard Live-Load

0 0(1 / )

2501.5(1 0.2) 225

2

cP P i P P

kNkN

(2)

여기서, 0P :정적 윤하중(kN), 설계 축하중의 1/2

cP : 곡선부에서 원심하중에 의한 윤하중 증가분(kN)

i : 동적 충격률

22255.769 /

1000 39

등분포 하중

P kNN mm

A mm mm (3)

ABAQUS 적용된 하중은 1m 간격으로 35등분한 등분포 하중 5.769N/mm2을 Amplitude를 사용

하여 35m를 통과시켜 하중을 적용하였다. Figure 4는 ABAQUS에 Amplitude를 사용하여 동적

하중을 적용하는 그림이다.

Fig. 4 ABAQUS Dynamic Load

2.3 해석 결과 및 분석

HSB층의 두께의 변화와 탄성계수의 변화에 따라 Figure2 의 지점의 측정된 가속도 값은

다음 Figure5 와 같으며 Table 1은 HSB층의 변화에 따른 Apeak와 ARMS 의 측정된 값이다.

Fig. 5 Monitored Vibration

Table 1 Comparison of Vibration Values : Apeak and ARMS

Thickness Elastic Modulus (MPa) Apeak(m/s2) ARMS(m/s2)

150mm

11528 17.388 0.739

17292 11.778 0.503

23055 8.933 0.388

300mm

11528 15.203 0.678

17292 9.328 0.434

23055 6.293 0.366

450mm

11528 14.252 0.607

17292 8.440 0.406

23055 5.930 0.333

진동가속도의 값은 HSB층의 탄성계수 값이 증가 할수록 두께가 두꺼워 질수록 Apeak와

ARMS 값이 감소하는 것으로 측정 되었다. 전체 적인 데이터를 보았을 때 탄성계수의 변화로

인한 감소폭은 약 14%에서 9%의 감소폭을 보이며 두께의 변화로 인한 감소폭은 평균적으로

30%의 감소폭을 보인다. 이는 탄성계수와 강화 노반층의 두께 모두 상부 구조물에 발생되는

진동 가속도에 영향을 주는 요인으로 볼 수 있으며, 탄성계수 값의 기준은 Grout층의 탄성

계수와 HSB층의 탄성계수를 기준으로 하였고 두께는 기존 300mm에서 0.5배와 1.5배를 비교

하였기에 본 연구에서는 두께의 증감이 탄성계수의 변화보다 영향이 미치는 것으로 판단된

다.

3. 결 론

HSB층의 탄성계수 변화와 두께의 변화는 상부 구조물인 Slab에 발생되는 진동 가속도에

영향을 주며 탄성계수 값이 커질수록 두께가 증가할수록 Apeak와 ARMS 값이 감소하는 경향을

보였다. 이는 상부 구조물의 진동저감에 탄성계수의 특성과 두께가 영향을 주는 것으로 판

단 된다. 이후 해석에 있어 각층의 Contact 모델을 사용함에 있어서 Friction Contact의 사

용과 기하 비선형 해석을 통한 비선형 해석의 필요성과 관측 지점의 상부 구조물을 포함한

지반 및 강화 노반층의 진동특성 또한 측정이 필요할 것으로 보이며 이후 나아가 HSB층과

아스팔트 층의 비교 또한 필요할 것으로 보인다.

참고문헌

[1] Korea Structural Analysis & Diagnosis ENG, (2002), Study On Assessment Of Building Damage

Due to Vibration, Ministry of Environment

[2] Charles O. Frederick, (1978) The Effect of Lateral Loads on Track Movement, Railroad Track

Mechanics and Technology

[3] Korea Rail Network Authority, (2012), Design Criteria For Railroad (KR CODE 2012)

[4] Wang et al, (2005) Three – Dimensional Finite Element Simulations of Ground Vibration Generated

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[5] Judith Wang, Xiangwu Zeng, (2001) Simulations of Vibration Attenuation of High-Speed Train

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[6] Judith C. Wang, Xiangwu Zeong, (2006) Influence of Temperature and Pressure on The Dynamic

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[8] ABAQUS User's Manual