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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(5); 2017 > Article
이중 TMD 기술을 이용한 철도역사의 진동감소 성능 검토

Abstract

In this paper, the practicality of the recently developed vibration mitigation method for a railroad station by applying DLTMD (Dual Layer Tuned Mass Damper) technology to a platform is verified. Unlike the existing DLTMD technique, which consists of two vertically connected tuning masses, the DLTMD platform method designs the vibration of the top mass can be minimized, and only the bottom mass can resonate with the station structure, to minimize the vibration of the top surface of the platform. The DLTMD platform method is verified via a numerical example of an elevated railroad station, known as suffering higher vibration level than other types of railroad stations. The verification is performed by comparing the vibration level of three cases with a usual, a STMD (Single TMD), and a DLTMD platform, respectively. The verification result shows that the DLTMD platform can reduce the vibration of the railroad station similar level to the STMD platform, while it can significantly reduce the vibration level of the platform top.

요지

이 논문에서는 승강장에 DLTMD(Dual Layer Tuned Mass Damper) 기술을 적용하여 철도역사의 진동을 저감할 수 있는 기법의 실용성을 검토하였다. 기존 DLTMD 기법은 상하 직렬로 연결된 두 개의 동조질량을 이용하며 진동을 저감하는 기술이나, DLTMD 승강장은 승강장 표면의 진동이 최소화되도록 하부질량 만이 철도역사의 진동과 동조하고 상부질량은 움직임이 최소화되도록 설계한다. DLTMD 승강장을 이용한 진동저감 기법의 실용성은 다른 형식에 비하여 진동수준이 높은 것으로 알려진 선하역사 해석모델을 이용하여 검증하였다. 검증은 일반 승강장, STMD(Single TMD) 및 DLTMD 승강장 설치 시의 세가지 경우에 대하여 열차 통과로 인해 발생하는 진동수준을 비교하여 수행하였다. 검토 결과 DLTMD 승강장 설치 시 철도역사의 진동 저감 수준은 STMD 승강장 설치 시와 유사하나, 승강장 표면의 진동은 크게 감소하는 것으로 나타났다.

1. 서론

최근 도심지 철도역사의 이용객들을 위한 내부 편의시설은 점차 대형화하고 있으며 백화점 등의 입점 등 철도역사가 단순한 여객과 화물의 상⋅하차를 위한 시설에서 도심의 상업중심지로 탈바꿈함에 따라 역사건물의 구조적 안전성 뿐 아니라 소음⋅진동 실내 소음⋅진동의 최소화를 통한 사용성 및 실내공간의 효용성 증대의 필요성도 높아지고 있다. 철도역사에 발생하는 소음⋅진동의 주요 원인 중 하나는 열차 운행으로 인해 발생하는 진동이며, 선하역사와 같이 역사건물 위로 열차가 통과하는 구조의 경우 발생하는 소음의 가장 큰 원인이 진동으로 인한 구조소음으로 알려져 있다(Kim et al., 2016). Fig. 1은 12개 고속, 도시 및 일반철도 역사의 대합실에서 측정된 평균 소음⋅진동 수준이다(Korail, 2015). 그림에서 일부 역사의 소음수준은 미국 ANSI 권장기준의 공장에 해당하는 수준으로 상당히 높으며, 대부분의 역사 내부 소음⋅진동이 정온한 수준과 동떨어져 있음을 알 수 있다.
Fig. 1
Measured Noise and Vibration in Various Railroad Stations (Korail, 2015)
KOSHAM_17_05_001_fig_1.gif
철도역사의 소음⋅진동을 감소시키기 위한 기법으로는 플로팅궤도, 방진체결구, 방진침목, 댐퍼 등이 있으나, 최근 승강장 하부에 스프링-감쇠 시스템 설치를 통하여 TMD(Tuned Mass Damper, 동조질량감쇠기)화하여 철도역사의 진동을 감소시킬 수 있는 STMD(Single TMD) 승강장 기법이 제안된 바 있다(Yoo et al., 2016). Kim et al.(2017a)은 철도승강장의 특성을 반영한 MTMD(Multiple TMD) 알고리즘을 개발하였으며, Moon et al.(2017)은 Bench Scale 실험을 통하여 실효성을 검토한 바 있다. 이후 Kim et al.(2017b)은 승강장의 진동이 증가하는 TMD 승강장 기법의 단점을 보완할 수 있는 DLTMD(Dual Layer TMD) 승강장 알고리즘을 제안하였으나, Kim et al.(2017b)의 연구는 단순보를 이용한 검토 만이 수행되었으며 실제 역사 적용 시의 실효성에 대한 연구는 수행되지 않았다.
이 논문에서는 철도역사에 대한 유한요소해석을 통하여 DLTMD 승강장 알고리즘의 적용성을 검토하였다. 해석대상 철도역사는 열차가 역사건물 상부로 운행하여 구조적으로 진동수준이 가장 높은 것으로 알려진 2층 선하역사이다(Kim et al., 2016). 철도역사 및 승강장의 진동감소 수준 비교는 일반 승강장, STMD 및 DLTMD 승강장 설치 경우에 대한 해석 결과를 이용하여 수행하였다.

2. DLTMD 이론

1950년대 중반 처음 정식화된 TMD 이론은 1970년대 말까지 첨두주파수에 동조하는 STMD 설치를 통한 건물의 진동 감소에 대한 연구가 주로 수행되었다(McNamara, 1977). 1980년대 초 동조이탈에 대한 대책으로 시작된 MTMD (Multiple TMD)에 대한 연구(Iwanami and Seto, 1984; Joshi and Jangid, 1997; Li, 2000)는 이후 Active TMD(Daniel and Lavan, 2013), Series TMD(Zuo, 2009) 및 ATMD(Asymmetric TMD)(Ko et al., 2014) 등 다양한 형태로 발전해 왔다(Fig. 2).
Fig. 2
Types of TMDs (Kim et al., 2017b)
KOSHAM_17_05_001_fig_2.gif
Kim et al.(2017b)이 제안한 DLTMD 알고리즘은 Series TMD의 일종으로 기존 방식과 달리 승객이 이용하는 승강장의 특성을 감안하여 최상층부 동조질량의 진동을 최소로 할 수 있도록 개발하였다. 제안된 기법은 먼저 유한요소해석모델을 이용하여 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하고, 시간이력해석을 통하여 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 방법으로 열차 등의 이동하중과 같이 하중재하위치가 시간에 따라 변화하는 경우에 적합한 방법이다.
DLTMD는 Fig. 3과 같이 중간 질량체 m1과 상부 질량체 m2로 구성되며, 전술한 바와 같이 m1은 구조물과 동조하여 응답이 증폭되도록 하고, m2의 응답은 최소화하도록 강성 및 감쇠 등의 TMD 설계파라미터가 결정되도록 한다(Kim et al., 2017b).
Fig. 3
Schematic Diagram of a Dual Series TMD Model
KOSHAM_17_05_001_fig_3.gif
m1, m2와 구조물의 모드질량ms간의 질량비μ1, μ2는 다음과 같이 정의할 수 있다.
(1)
μ1=m1ms,μ2=m2ms
m1m2의 초기 강성, 초기 감쇠비 및 초기 감쇠κn,0, ξn,0, cn,0 는 다음 식을 이용하여 결정할 수 있다(Daniel and Lavan, 2013).
(2a)
kn,0=mn,0(ωn,0)2(n=1,2)
(2b)
ξn,0=3μn,08(1+μn,0)3(n=1,2)
(2c)
cn,0=2mn,0ξn,0ωn,0(n=1,2)
최적파라미터의 결정은 구조물 목표위치에서의 응답에 대한 RMS, XRMS(u2)와 상부 질량체에서 응답에 대한 RMS, XRMS(u2)가 각각 설정된 목표진동값 이내가 되는지 여부에 따라 판단한다.
(3)
XRMS(u2)<O2,XRMS(us)<Os
여기서, u1, u2us는 각각m1, m2와 구조물의 응답이며, O는 설정된 목표진동값이다.
만약XRMS(u2)> O2, XRMS(us)>Os 라면, 목표진동값을 만족하는 설계파라미터를 찾기 위해 최적화 알고리즘에 의한 최적화 과정을 수행한다. 참고로 최적화에 사용된 응답은 변위, 속도 및 가속도가 될 수 있으며, 이 연구에서는 변위를 기준으로 최적화를 수행하였다.

3. 수치해석을 이용한 검토

3.1 수치해석 개요

철도역사에 대한 DLTMD 승강장 알고리즘의 효용성은 선하역사에 대한 수치해석을 이용하여 검토하였다. 선하역사는 열차의 운행에 따라 발생하는 진동이 선로 하부에 위치한 역사구조물로 직접 전달되므로 소음⋅진동 수준이 높으며, TMD 설치 효과가 가장 큰 역사 형식이다. 이 연구에서는 국내 선하역사 중 가장 대표적인 형식인 2층 구조를 수치해석 예제로 DLTMD의 성능을 검토하였다(Choi et al., 2015b). 역사구조 모델은 2층의 경전선 군북역사를 참고하여 작성하였으며, 궤도 형식은 자갈궤도로 하였다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다.
Fig. 4는 역사구조물의 횡단면도, Fig. 5는 유한요소해석 모델이다. 참고로 해석모델에서 역사건물에 접속되어 있는 교량은 등가의 스프링으로 고려하였다(Choi et al., 2015a). 역사 상부에 부설된 자갈궤도는 Cho et al.(2013)의 연구를 참조하여 Table 1에 제시된 물성치를 갖는 등가 스프링으로 모델링하였으며, 역사구조물은 철근콘크리트에 대한 일반적인 값을 사용하였다.
Fig. 4
Dimensions of Analysis Model
KOSHAM_17_05_001_fig_4.gif
Fig. 5
Numerical Analysis Model
KOSHAM_17_05_001_fig_5.gif
Table 1
Properties of the Analysis Model
Properties Value
 Structure (reinforced concrete)  E(N/m2)  2.850×1010
ρ (kg/m3) 2.350×103
Ballast stiffness [MN/m] 31.9×106
Rail pad stiffness [MN/m] 27.0×102
 damping coefficient [MN·s/m]  0.20×102
해석은 새마을호가 통과할 때 발생하는 하중을 적용하여 수행하였다. 열차의 역사건물 진입 및 통과를 모사하기 위하여 역사 접속교량 방향으로 30 m씩 레일을 연장하여 모델링하였다(Choi et al., 2015b). 역사건물은 선로 진행방향으로 신축이음(Expansion Joint, EJ)에 의해 3부분으로 분할되어있으며 이중 중앙 부분을 진동저감의 주 대상으로 하여 TMD들을 설치하였다(Fig. 6). 열차 통과로 인한 진동해석은 TMD화되지 않은 승강장 설치 시와 일반적인 STMD 및 DLTMD 승강장이 설치된 3가지 경우에 대하여 수행하고 진동저감 성능에 대한 검토를 수행하였다.
Fig. 6
Installation of the TMD Platform
KOSHAM_17_05_001_fig_6.gif

3.2 주파수응답 분석

TMD 설치를 통한 역사건물의 제어 대상 응답은 연직방향 진동이므로 자유진동해석 결과에서 연직방향 진동에 대한 질량참여율을 검토하였다. Fig. 7에서 연직방향 질량참여율은 19.81 Hz의 모드에서 최대값이 산정되었다. 해당 대역에 새마을 열차의 통과에 따른 진동이 주요주파수 성분을 가지게 되는 속도는 135 km/h이며, 해당 열차 하중을 레일 위치에 재하하여 주파수응답 분석을 수행한 결과 19.66 Hz에서의 수직응답이 가장 크게 나오는 것을 확인하였다(Fig. 8).
Fig. 7
Free Vibration Analysis Results
KOSHAM_17_05_001_fig_7.gif
Fig. 8
Frequency Response Analysis Results
KOSHAM_17_05_001_fig_8.gif
TMD의 설계는 각각 STMD와 DLDTMD의 중간 질량이 역사구조물의 FRF결과의 수직진동을 제어하도록 하며, DLTMD의 상부 질량의 진동은 최소화하도록 최적화하였다. 참고로 STMD의 설계파라미터는 Eq. (2)를 이용하여 결정하였다.
승강장의 TMD화를 위한 스프링-감쇠시스템의 설계파라미터(강성과 감쇠계수)는 2장에 제시된 알고리즘을 이용하여 Table 2와 같이 산정하였다.
Table 2
Design Parameters of the TMD Systems
Properties TMD
 STMD   DLTMD (mid mass)   DLTMD (top mass) 
MSTR(kg) 21,467,890
MTMD(kg) 39,580 26,050 31,803
μ 0.0018 0.0012 0.0015
ω TMD(Hz) 19.58 19.61 2.99
ξ TMD 0.037 0.030 0.033
KTMD(MN/m) 59.92 39.54 1.12
CTMD(MN-s/m)  0.036 0.019 0.004

3.3 시간이력해석

시간이력해석 시 응답측정 위치는 Fig. 9에 나타내었다. P1~P3은 승강장 직하부의 2층 슬래브 위치이며 이 중 P2는 2층 슬래브 위치 중 각 경우별로 비교 대상 승강장 혹은 STMD, DLTMD 승강장의 설치 대상이 되는 위치이다. P4는 일반 승강장, STMD, DLTMD 각각의 경우의 승강장 상부이며, P5는 궤도 슬래브 부설 위치이다.
Fig. 9
Response Measurement Points
KOSHAM_17_05_001_fig_9.gif

3.4 동조질량감쇠기화 전후 저감효과 분석

열차 하중에 의한 슬래브의 주요 거동형상은 연직방향으로 발생하므로 각 지점에서 주요 거동형상에 대한 수직방향의 변위응답을 이용하여 진동저감 효과를 검토하였다. 135 km/h의 새마을 열차 통과 시 각 경우 별 시간이력해석 결과는 Fig. 10과 같다. Table 3은 각 경우 별 응답의 RMS와 최대값 및 TMD 설치로 인한 진동변화량(dB(V))이다. 참고로 Table 3은 열차 통과 시와 열차 통과 후의 응답을 구분하여 제시하였다.
Fig. 10
Comparison of Time History Responses
KOSHAM_17_05_001_fig_10.gif
Table 3
Analysis Results of Numerical Simulation
Displacement (dB)
During train passing (1.5~7 sec) After train passing (9~15 sec)
NonTMD  STMD  DLTMD  NonTMD  STMD  DLTMD 
P1 RMS (dB) 126 126 126 108 104 104
Max. (dB) 134 134 134 117 115 114
Difference (RMS) - 0 0 - -4 -4
Difference (Max.) - 0 0 - -2 -3
P2 RMS (dB) 126 126 126 111 104 104
Max. (dB) 133 132 132 119 114 115
Difference (RMS) - 0 0 - -6 -7
Difference (Max.) - -1 -1 - -5 -5
P3 RMS (dB) 127 127 127 113 108 110
Max. (dB) 135 134 134 125 117 121
Difference (RMS) - 0 0 - -5 -3
Difference (Max.) - 0 0 - -7 -4
 P4  RMS (dB) 115 116 116 107 106 84
Max. (dB) 120 123 121 114 116 95
Difference (RMS) - 1 1 - -1 -23
Difference (Max.)  - 3 1 - 2 -19
P5 RMS (dB) 140 140 140 114 105 105
Max. (dB) 148 148 148 122 115 118
Difference (RMS) - 0 0 - -9 -8
Difference (Max.) - 0 0 - -6 -4
Figs. 10(a) ~ 10(c)Fig. 10(e)에서 열차 통과 중 구조물의 응답(P1 ~ P3, P5)은 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 이는 Table 3에서도 확인할 수 있다. 열차 통과 시 승강장 상부(P4)에서의 응답은 STMD 설치 시 최대 3 dB, DLTMD 설치 시 1 dB 증가하는 것으로 나타났다.
Table 3에서 열차 통과 후 응답의 경우 STMD와 DLTMD 설치 시의 저감량은 큰 차이가 없었으며, TMD 설치 위치인 P2에서 RMS 기준 6~7 dB, 최대값 기준 5 dB 정도가 저감된 것으로 나타났다. TMD 설치 위치에서 선로 진행방향으로 약 10 m 가량 떨어져 있는 P1과 P2에서는 RMS 기준 3~ 5 dB, 최대값 기준 2~7 dB 가량 응답이 감소하는 것으로 나타났다. 궤도 부설 위치인 P5에서는 RMS 기준 8~9 dB, 최대값 기준 4~6 dB 감소하는 것으로 나타났다. 승강장 상부인 P4에서 STMD 설치 시의 진동 변화량은 RMS 기준 1 dB 저감, 최대값 기준 2 dB 증가하는 것으로 나타났으나, DLTMD 설치 시 RMS는 23 dB, 최대값은 19 dB 감소하는 것으로 나타났다.

4. 결론

이 논문에서는 TMD 원리를 이용하여 철도 역사구조물의 진동은 저감하면서 승강장 상부의 진동 증가를 방지할 수 있는 DLTMD 알고리즘의 적용성을 철도역사에 대한 수치해석을 통하여 검토하였다. 수치해석은 국내 가장 일반적인 선하역사인 자갈도상이 부설된 2층 철도역사에 대한 해석모델을 이용하여 수행하였으며, 일반 승강장, STMD 및 DLTMD 승강장 설치 시 열차 통과로 인해 발생하는 진동 발생량을 비교⋅검토한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
  • (1) TMD 설치 여부에 따른 열차 통과 중 발생하는 진동은 큰 변화가 없었으며, 승강장 상부의 진동은 약간 증가하는 것으로 나타났다.

  • (2) TMD 설치로 인하여 열차 통과 직후 역사구조물 슬래브에 발생하는 진동 감소량은 STMD와 DLTMD의 경우 모두 큰 차이가 없었으며, TMD 설치 위치에서 RMS 기준 6~7 dB, 최대값 기준 5 dB 가량 저감되는 것으로 나타났다.

  • (3) TMD 설치 위치에서 선로 진행방향으로 10 m 가량 떨어진 거리에서는 열차 통과 직후부터 발생하는 진동의 저감효율이 감소하며, RMS 기준 3~5 dB, 최대값 기준 2~7 dB 가량 저감되는 것으로 나타났다.

  • (4) TMD 설치 위치에 인접한 궤도 부설 위치의 슬래브에서는 열차 통과 직후부터의 진동이 RMS 기준 8~9 dB, 최대값 기준 4~6 dB 감소하는 것으로 나타났다.

  • (5) 승강장 상부에서는 STMD 설치 시의 진동 변화량은 RMS 기준 1 dB 저감, 최대값 기준 2 dB 증가하는 것으로 나타났으나, DLTMD 설치 시 RMS는 23 dB, 최대값은 19 dB 감소하는 것으로 나타났다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업(16CTAP-C098111-02)과 2017년 한국교통대학교의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.

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