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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(2); 2022 > Article
강관트러스 적용 막구조 방음터널의 실물스케일 실험기반 구조 안전성

Abstract

In this study, the structural performances of membrane structural soundproof tunnels using circular steel tubes are investigated. Full-scale specimens are manufactured for monotonic and cyclic loading tests for snow and wind loads, and their combination. A full-scale experiment is performed to gain insights into the loading test details while considering the effects of membrane tension and the steel tube truss frame. Parametric results show that the soundproof tunnel structures proposed herein satisfy the requirements for structural safety as well as afford a lighter and more aesthetic design.

요지

본 연구는 강관 트러스를 적용한 막구조 방음터널의 구조적 성능을 규명하였다. 설하중 및 풍하중, 그리고 조합하중에 대한 단조 및 반복가력 시험을 위하여 실물 크기의 시험체를 제작하였다. 실물 스케일 시험은 막구조 및 강관 트러스 프레임에 대한 효과를 고려하고 세분화된 가력에 대하여 상세규명하기 위하여 수행되었다. 새로운 매개변수 결과는 본 연구에서 제안한 방음터널 구조가 경량 및 미관적인 디자인일 뿐 아니라 구조적 안전성 측면에서도 만족하는 것을 보여주었다.

1. 서 론

대도시를 중심으로 도로변 빌딩 및 아파트의 고층화, 교통량 증가 및 통행차량의 속도 증가 등으로 인한 주민 민원 증가로 최근 방음터널에 대한 수요가 급증하고 있는 추세이다. 특히, 도심지내 고속화도로의 증가로 교량상 방음터널 설치에 대한 필요성이 대두되고 있으며, 기존 교량상의 구조적 안전성 문제로 인하여 초경량 방음터널 시스템이 요구된다. 기존 방음터널 구조물은 중압감 및 단순한 형상으로 인하여 도심지의 경관측면에서 불리하며, 주거지역 경관에 대한 주민의 관심 증가로 다양한 디자인에 반영된 방음터널 형상이 개발될 필요가 있다.
최근 국내외적으로 방음벽 및 방음터널 관련하여 다양한 연구가 진행되었다. 대표적으로 소음저감 효과를 증진하기 위한 설계 방향 연구와 튜브형 방음벽을 사용하여 성능 및 경제성을 증가시키는 연구가 있다(Kim et al., 2015; Lee and Kim, 2015; Kim, 2016; Lee, 2018 ). Ahn et al. (2016)은 파이프 트러스빔을 이용한 경량방음터널의 설계적합성 평가를 수행하였다. You et al. (2018)은 고속도로 방음터널의 풍하중 작용 특성을 분석하였으며, Yu et al. (2019)는 설하중 작용 분포를 고려하여 풍터널 시험 및 유동해석을 수행하였다. 또한, Son et al. (2021)은 비대칭 형상을 갖는 방음터널의 유동해석을 수행하였다. 그러나 전술한 바와 같이 도심지의 교량상에 주로 시공되는 방음터널은 보다 경량화되고 미관상으로도 개선되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 과다설계, 누수 및 중량문제를 해결할 수 있는 신개념의 방음터널 구조와 소재적용을 제안하고자 한다.
본 연구에서 제안하는 방음터널의 뼈대는 고강도 강관을 사용한 트러스 형식을 적용하며, 지붕부는 기존 방음판을 대체한 막소재(Membrane)을 적용하여 경량화 및 경관 디자인 측면에서 장점을 갖도록 한다. 방음판 소재로는 목재, 알루미늄, 강판, 그리고 폴리카보네이트 등을 다양하게 사용하고 있으나 초경량 막소재를 사용한 예는 찾기 어렵다. 그러나, 이러한 신개념의 방음터널 구조는 우선적으로 구조적인 안전성을 확보하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 강관트러스 및 막소재를 적용한 실물 크기의 방음터널 시험체를 제작하였으며, 단계별 설계 설하중 및 풍하중을 반복 재하하여 구조적 안전성을 상세 검증하는 것을 연구목표로 한다.

2. 막구조 적용 방음터널

2.1 막구조 기본이론

막구조는 얇은 단면 두께를 따라 균일하게 같은 값으로 분포하는 인장 또는 압축응력을 받는 부재로 정의한다. 이러한 응력을 막응력(Membrane stress)라고 하는데, 얇은 쉘이나 막구조에서 쉘 면내의 압축응력이나 인장응력만으로 외력과 평형을 이루는 상태를 의미한다(Fig. 1 참조).
Fig. 1
Membrane Stresses Occurred from a Thin Shell Member
kosham-2022-22-2-163gf1.jpg
내부 압력을 받는 얇은 일반화된 구형 쉘 구조는 Fig. 1에서와 같이 자오선 방향과 평행 방향의 두 곡률 RθRφ에 대하여 정의한다. 매우 얇은 쉘 구조의 경우 두께 방향 응력은 매우 작으므로 무시하며, 접선 뱡향과 원주방향으로의 표면 막응력은 두께방향으로 일정하게 분포하는 것으로 가정한다. 막구조는 다양한 형식이 존재하며, 골조막구조, 현수막구조 및 공기막구조 등으로 구분된다(Ko et al., 2008). 골조막구조는 골조 위에 막을 형성하는 방식이며, 구조적인 안정감과 개구부를 자유롭게 만들 수 있다. 경제성이 뛰어나 규모에 관계없이 다양하게 활용된다. 현수막구조는 응력이 집중되는 곳에 케이블로 보강하고 막재료에 장력을 주는 방식이며, 시각적 효과가 높은 구조이다. 공기막구조는 내부와 외부의 기압차에 의해 막재료에 장력을 주는 구조이며, 계속해서 일정 기압을 유지해야 한다.

2.2 강관트러스 및 막구조 적용 방음터널

전술한 막구조는 초경량으로 기존 지붕부의 방음판 소재를 대체하여 사용하는 경우 방음터널의 중량감소 및 경관성 형상 등의 효과를 도모할 수 있다. Fig. 2는 본 연구에서 제안한 강관트러스 적용 막구조 방음터널의 3차원 형상 및 세부 제원을 보여준다.
Fig. 2
Details of Soundproof Tunnels Using Steel Tube Trusses and Membrane Materials Proposed in This Study
kosham-2022-22-2-163gf2.jpg

3. 시험체 제작 및 성능시험

3.1 막구조 방음터널 시험체 제작

본 연구에서 제안한 신개념 막구조 방음터널에 대하여 실물스케일 재하실험을 통한 구조안전성을 검증하고자 한다. 시험체는 주기둥 사이 길이 한계로 지주간격은 4 m로 설치계획하였으며, 측벽판은 당초 Fig. 3(a)와 같이 5 m로 계획하였으나, 가력프레임의 길이한계로 4 m로 수정하여 제작하였다. 또한, 막소재의 단위 면적당 하중조건, 하중값 및 체결구에 전달되는 하중값은 구조계산을 통하여 결정하였다. 시험체 규격은 높이 5.7 m, 폭 12 m, 그리고 길이는 4 m이다. 강관 트러스 상현재는 직경 165.2 mm, 두께 6.0 mm, 하현재는 직경 139.8 mm, 두께 4.5 mm, 트러스 간격재는 직경 76.3 mm, 두께 3.2 mm를 각각 적용하였다. 지주부재의 직경은 165.2 mm, 두께는 6.0 mm이며, 횡부재의 직경은 139.8 mm, 두께는 4.5 mm이다. 또한, 막소재는 PVF 1.2 mm를 적용하였다.
Fig. 3
Details of Soundproof Tunnels for Full-Scale Experiments
kosham-2022-22-2-163gf3.jpg
Fig. 3은 시험체 제작 상세를 나타내며, Fig. 4는 시험체 제작과정을 보여준다.
Fig. 4
Manufacturing Procedure
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3.2 실물스케일 구조성능 시험 및 분석

Fig. 5는 실물스케일 시험체에 대한 성능시험 전경이며 Fig. 6은 지붕부에 적용된 막구조의 장력도입 전후 전경을 각각 보여준다. 가력하중은 Fig. 7(a)에서 보는 바와 같이 설계 설하중의 정수배 하중, 설계 풍하중의 정수배 하중, 그리고 조합하중(설하중+풍하중)의 정수배 하중을 순차적으로 가력하는 시나리오로 구성하였다. Fig. 7(b)는 변위 측정 위치를 보여준다.
Fig. 5
Experimental Setup
kosham-2022-22-2-163gf5.jpg
Fig. 6
Tensile Force Conditions of Membrane Structures
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Fig. 7
Loading Scenario and Locations of Measuring Displacements
kosham-2022-22-2-163gf7.jpg
Table 1은 막소재의 장력도입 여부에 따른 막구조 방음터널의 강성평가 결과를 요약한 것이다. 장력 도입 전후 설계하중을 가력한 후, 처짐과 횡방향 변위값을 측정하여 강성 변화 평가하였다. 장력 도입 후 횡방향 강성은 약 9.5%, 수직방향 강성은 약 6.3% 증가하는 것으로 분석되었다. Fig. 8은 각 위치별 단조 및 반복하력하의 설하중-수직처짐 곡선을 비교한 것이다. 단조가력의 경우, 설계하중의 4배(4 × PD)까지는 탄성거동이며, 설계하중의 5배(5 × PD) 가력 단계에서 가력지그 변형 발생으로 가력을 종료하였다.
Table 1
Stiffness Evaluation for before and after Tension of Membrane Parts
Location Transverse stiffness (kN/mm) Location Vertical stiffness (kN/mm)
Before tension After tension Before tension After tension
LVDT1 10.495 11.383 LVDT4 9.573 9.6109
LVDT2 10.981 12.140 LVDT5 9.098 10.064
LVDT3 9.916 10.282 LVDT6 9.176 9.932
LVDT7 9.003 10.423 - - -
Ave. 10.098 11.057 Ave. 9.282 9.869
(%) - +9.5 (%) - +6.3
Fig. 8
Comparison of Snow Load Versus Vertical Displacement Curves
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Fig. 9는 풍하중에 의한 횡변위 곡선을 비교한 것이다. 설계하중의 4배(4 × PD)까지는 탄성거동, 설계하중의 8배(8 × PD) 가력 단계에서 극한 하중이 발생하였다. Figs. 10, 11은 조합하중에 대한 하중-변위 곡선 및 가력부에서의 각 변위를 비교한 것이다. 조합하중의 가력 절차는 설하중(n × PDs) 가력 → 설하중 홀드 + 풍하중(n × PDw) 가력 → 설하중 제거 → 풍하중 제거의 순서로 진행하였다. 가력결과, 설계하중의 4배(4 × PD) 수준인 (설하중, 풍하중) = (215.27 kN, 145.55 kN)까지 탄성거동을 보이는 것으로 분석되었다. 한편, 가력 시나리오에 따른 각 계측위치에서의 변형 거동(횡변위 vs 처짐) 변화는 설계하중의 4배(4 × PD) 수준으로 평균 처짐은 약 23.06 mm, 평균 횡변위는 29.67 mm로 나타났다. 이는 설계하중의 4배(4 × PD) 수준의 수직 방향 처짐 허용기준인 40 mm (= L/300)를 만족하는 것으로 구조적성능에서 우수한 것으로 분석되었다.
Fig. 9
Comparison of Wind Load Versus Transverse Displacement Curves
kosham-2022-22-2-163gf9.jpg
Fig. 10
Comparison of Combination Loads Versus Displacement Curves
kosham-2022-22-2-163gf10.jpg
Fig. 11
Comparison of Actuator Displacements for Wind Load Versus Snow Load
kosham-2022-22-2-163gf11.jpg
상기실험 결과를 종합적으로 분석하면, 수평방향 풍하중 가력 시 수직방향 처짐 변화는 매우 작고, 단일하중과 조합하중의 풍하중 가력 값은 하중단계마다 동일 수준으로 가력되었기 때문에 조합하중으로 인한 처짐은 단일하중과 크게 다르지 않는 것을 알수 있다. 다만, 조합하중은 ‘설하중 가력 → 설하중 ACT 변위 고정 → 풍하중 가력’의 절차로 가력되기 때문에 설하중 ACT 변위 고정에 따라 단일 설하중 대비 풍하중과 조합된 설하중의 ACT 하중 값이 약간 크게 발생하게 된다. 또한, 조합하중의 풍하중 가력 시, 수직방향 설하중에 의한 횡방향 변위가 추가되어 횡방향 변위는 단일하중 대비 크게 증가함을 알 수 있다.
Fig. 12는 풍하중 가력 시 최종 파괴모드를 보여준다. 설계하중의 설계하중의 8배(8 × PD) 가력 단계에서 지주 지점부 항복으로 극한 하중 발생하며 시험 종료되었다.
Fig. 12
Failure Modes after Final Loading
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4. 결 론

본 연구에서는 방음터널의 경량화 및 미관향상을 위하여 지붕부는 기존 방음판을 대체하여 막소재를 적용하였으며, 뼈대는 고강도 강관트러스 구조를 결합한 신개념 방음터널 형식을 제안하였다. 제안한 방음터널 구조에 대하여 실물스케일 성능 시험을 수행하여, 구조적 성능을 상세규명하였다. 본 연구를 통하여 도출한 결과 및 결론을 요약하면 다음과 같다.
  • (1) 막소재의 장력 도입 후 방음터널의 횡방향 강성은 약 9.5%, 수직방향 강성은 약 6.3% 증가하였다. 또한, 하중 단계별 단조가력 시험 결과, 설하중은 216.75 kN (설계하중의 4.2배)까지, 풍하중은 261.69 kN (설계하중의 7.3배)까지 하중저항 성능을 보여서 구조적으로 우수한 성능을 보임을 알수 있었다.

  • (2) 단조 가력 시험 결과, 설하중의 경우 설계하중의 4배까지는 탄성거동을 보이며, 풍하중의 경우 설계하중의 4배까지 탄성거동하여 기준치를 크게 초과하였다. 또한, 하중 단계별 수직방형 처짐은 설계하중의 4배 가력단계까지 허용기준(L/300)을 만족하여 구조적으로 안전하였다.

  • (3) 조합하중 가력 결과, 설계하중의 4배 수준까지 탄성거동을 보이며, 수직방향 허용 처짐기준을 만족하였다. 또한, 단일하중 및 조합하중 가력 결과, 횡방향 풍하중 가력 시 수직방향 처짐 변화는 매우 작고, 조합하중으로 인한 수직방향 처짐은 단일하중 값과 크게 다르지 않았다. 이는 단일하중과 조합하중의 풍하중 가력 값은 하중 단계마다 동일 수준으로 가력되었기 때문으로 판단된다.

  • (4) 조합하중의 풍하중 가력 시, 수직방향 설하중으로 인한 횡방향 변위가 추가되어 횡방향 변위는 단일하중 가력때 보다 크게 증가하므로 유의해야 한다.

결론적으로 본 연구에서 제안한 신개념 막소재 및 강관트러스 적용 방음터널은 구조적인 안전성 측면에서 타당한 것으로 판단된다. 향후 막재에 작용하는 정확한 풍하중 및 막재와 강관트러스의 접합부에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 또한, 향후 현장시험시공을 통하여 현장 적용성에 대한 추가적인 검증이 수행되어야 할 것이다.

감사의 글

본 연구는 (주)포스코와 (주)동아스트의 공동 지원 사업으로 수행되었음.

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