Dynamic Effect Evaluation Method for Calculating Durability Performance of Railway Noise Barrier

수연 최; 민수 김; 상현 최

doi:10.9798/KOSHAM.2023.23.2.73

Abstract

The extension of the railway noise barrier, the construction of which began in the mid-1980s, has currently reached a total of 800 km. As the aging rate is expected to increase rapidly, maintenance through reasonable performance evaluation is required. In this study, a technique for evaluating the durability of railway noise barriers is proposed, considering the dynamic effect of train wind, which is generated when trains pass through noise barriers. The proposed method is based on the equivalent static load for the dynamic effect acting on the noise barrier, as presented in EN 16727-2-2, which considers the train speed, number of passages, length, height, natural frequency of the noise barrier, and distance from the center of the track in reviewing the dynamic effect; moreover, it calculates the durability performance using a performance rating matrix based on the number of trains passing per day and dynamic effects. It is expected that the proposed technique can be used to evaluate the performance of railway noise barriers according to the Railway Construction Act.

Keywords: Railway Noise Barrier, Dynamic Effect, Durability Performance, Train Wind, Fatigue Life

요지

1980년대 중반부터 건설이 시작된 철도방음벽은 총연장이 800 km에 이르고 있으나, 노후화 비율의 급속한 증가가 예상됨에 따라 합리적인 성능평가를 통한 유지관리가 필요한 상황이다. 이 논문에서는 열차 통과 시 발생하는 열차풍이 방음벽에 미치는 동적 효과를 고려하여 철도방음벽의 내구성능을 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 EN 16727-2-2에 제시된 방음벽에 작용하는 동적 효과에 대한 등가정적하중을 근간으로 열차 속도 및 통과 횟수, 방음벽의 길이, 높이 및 고유진동수와 궤도 중심으로부터의 거리를 고려하여 동적효과를 검토할 수 있으며, 일당 열차 통과 횟수와 동적 효과에 따라 결정되는 성능등급 매트릭스를 이용하여 내구성능을 결정할 수 있다. 제안된 기법은 철도건설법에 따른 철도방음벽의 성능평가에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

핵심용어: 철도방음벽, 동적효과, 내구성능, 열차풍, 피로수명

1. 서 론

친환경, 고효율 교통수단에 대한 요구가 높아짐에 따라 철도 건설이 증가하고 있으나, 도심지의 경우 철도 소음에 대한 인근 주민들의 불편 호소와 민원이 증가하고 있어 철도망 확대에 주요한 장애 요소가 되고 있다. 철도소음 해결을 위해 가장 선호되는 방안으로 철도방음벽이 건설되어 왔으며, 1980년대 중반부터 건설이 시작되어 현재 고속철도 약 150 km, 일반철도 약 650 km를 포함한 총 800 km 길이에 걸쳐 설치되어 있다(Kim et al., 2021). 그러나 30년 이상 노후 철도방음벽 연장이 현재는 약 20 km로 2.5%에 불과하나, 5년 후 8.5%, 10년 후에는 약 40%에 이르게 되어 보다 적극적인 유지관리 대책 수립을 통한 안전성 확보가 필요한 상황이다(Fig. 1).

Fig. 1

Construction Year of Railway Noise Barriers

국토교통부는 2018년 3월 ｢철도건설법｣을 ｢철도의 건설 및 유지관리에 관한 법률｣(이하 ｢철도건설법｣)로 개정하고, 노후화되고 있는 철도시설의 체계적인 관리를 위하여 정기적인 점검 및 진단과 함께 성능평가를 수행하도록 한 바 있다(MOLIT, 2021). 철도방음벽도 ｢철도건설법｣의 하위 행정규칙인 ｢철도시설의 정기점검등에 관한 지침｣(이하 ｢철도건설법 지침｣)(MOLIT, 2022) 별표 1에 제시된 25개 유지관리 대상 구조물에 포함되어 있어 점검, 진단 및 성능평가가 필요한 상황이다. ｢철도건설법 지침｣ 별표 3은 방음벽을 포함한 구조물에 대하여 안전성능, 내구성능 및 사용성능에 기반한 성능평가를 위한 공통 기준을 제시하고 있으나, 방음벽의 유지관리를 위한 기준으로는 미흡한 상황이다. 특히 열차 통과 시 발생하는 열차풍으로 인하여 철도방음벽에 작용하는 동적효과는 철도방음벽의 장기적인 기능 유지에 크게 영향을 미치는 요소로 철도건설법이 요구하는 내구성능 평가에 반드시 고려되어야 할 항목이나, 성능평가를 위한 명확한 기준이 없어 열차 통과 횟수, 열차 속도, 선로와의 거리 등 동적효과에 영향을 미치는 요소들을 종합적으로 고려할 수 있는 평가기준의 개발이 필요한 상황이다.

이 연구에서는 철도방음벽의 특성 및 국내⋅외 설계기준 분석 등을 통하여 열차 통과 시 발생하는 열차풍이 방음벽에 미치는 동적효과를 고려할 수 있는 내구성능 평가 기법을 제안하였다. 제안한 내구성능 평가 기법은 유지보수 업무 시 적용이 용이하도록 회귀해석을 이용하여 간단한 수식 형태로 제시하였다.

2. 방음벽의 구조적 특성

방음벽의 구조는 Fig. 2와 같이 일반적으로 기초부, 지주 및 방음판으로 구성되며, 철근콘크리트로 만들어지는 기초부 상면에 강재 지주가 앵커볼트로 고정되고 방음판이 지주 사이에 클립 또는 볼트 등으로 고정되는 형태로 시공된다. 방음벽은 소음 저감 원리에 따라 흡음형, 반사형, 간섭형 및 공명형으로 구분할 수 있으나, 흡음형과 반사형이 가장 흔하게 적용되는 형식이다. Table 1은 KR C-02060 (KNR, 2020a)에 제시된 방음판의 크기이다.

Fig. 2

Schematic of a Typical Noise Barrier

Table 1

Dimensions of a Sound Proof Panel

Category	Width (mm)	Length (mm)
Metallic absorbing	2,000, 3,000, 4,000	400, 500
Transparent reflection	500, 1,000, 2,000	2,000
Others	any	any

흡음형 방음벽의 경우 흡음성이 있는 재료를 직접 이용하여 건설하기도 하나, 구조재로 부적합한 흡음재를 사용할 경우 금속재(알루미늄, 아연도금강판 등), 목재 또는 콘크리트 등의 보호 구조 내부에 흡음재를 넣은 방음판을 이용하여 건설된다. 반사형 방음벽은 콘크리트, 목재, 금속재 등의 재료로 제작되기도 하나, 최근에는 강화유리, 폴리카보네이트, 아크릴 등으로 제작된 투명형 방음판을 이용하여 건설되고 있다.

지주는 일반적으로 H형강이 많이 사용되며, H형강의 치수는 방음벽의 높이, 지주 간격, 설계하중에 따라 결정한다(KNR, 2016). KR C-02060은 강재의 세장비로 압축재 150, 인장재 240 이하를 사용하도록 하고 있으며, 지주 간격은 2.0 m, 3.0 m 및 4.0 m를 기준으로 하되 토공부는 4.0 m, 교량부는 2.0 m를 기본으로 제시하고 있다. KR SD C-02060 (KNR, 2020b)은 풍하중 크기, 방음벽 높이 및 지주 간격에 따른 지주 규격을 제시하고 있다.

기초부와 지주 간 연결은 일반적으로 베이스플레이트와 앵커볼트를 이용하여 고정한다. KR C-02060은 기초부 옹벽의 돌출높이를 시공기면에서 500 mm로 제시하고 있다. KR SD C-02060은 말뚝형과 L형 매립형 기초를 기본으로 풍하중 강도 및 방음판 높이에 따른 기초 표준도, 지주규격, 베이스 플레이트 및 리브 플레이트, 용접치수와 앵커볼트 규격을 제시하고 있다.

3. 방음벽에 작용하는 동적효과

열차가 고속으로 주행할 때 차체와 방음벽과 같은 인접 시설에 열차풍으로 인한 압력이 작용하게 된다. 방음벽에 작용하는 압력은 Fig. 3과 같이 열차 측면으로부터 밖으로 향하는 양압으로 시작하여 양압이 정점에 이르면 곧 열차 측면 방향으로 향하는 음압의 정점으로 변화하고 열차 통과 후 소멸하는 분포를 보인다(UIC, 1996). 양압과 음압의 분포, 최대값 간의 차이 및 시간 간격 등 압력의 특성은 열차의 속도 및 공기역학적 형상, 시설물의 기하학적 형상, 선로와의 이격거리 등과 함께 열차 차체와 방음벽에 발생하는 작용을 결정하는 중요한 인자이다(Yeom, 2011).

Fig. 3

Pressure Distribution Due to Train Wind (UIC, 1996)

EN 16727-2-2 (CEN, 2016)는 열차 통과 시 발생하는 열차풍이 방음벽에 미치는 동적효과를 고려하기 위한 등가정적하중 q_DS를 다음과 같이 제시하고 있다.

(1)

±qDS=ϕLϕHϕdyn q1k

여기서, ϕ_L 는 공기압력파의 열차 진행 방향 영향 범위를 고려하기 위한 길이계수(length factor), ϕ_H 는 연직방향 높이 변화에 따른 공기압력파의 변화 고려를 위한 높이계수(height factor), ϕ_dyn 는 공기압력파 작용에 따른 동적 효과 고려를 위한 동적계수(dynamic factor), q_1k는 EN 1991-2 (CEN, 2003) 6.6.2에 제시된 연직면에 작용하는 열차풍압을 각각 의미한다(Fig. 2).

EN 1991-2 6.6.2에 제시된 q_1k 에 대한 식은 다음과 같다.

(2)

q1k=k1cp(V3.6)211600

(3)

cp=1.5(d+0.25)2+0.02

여기서, k₁는 열차의 공기역학적 형상을 고려하기 위한 계수로 화물열차의 경우 1.0, 일반열차 0.85, 고속열차는 0.60을 적용한다. d는 궤도 중심으로부터 연직면까지의 거리, V는 열차속도를 나타낸다.

3.1 길이계수

길이계수 ϕ_L는 열차 통과 시 발생하는 공기압력파가 방음벽에 영향을 미치는 길이 방향의 범위를 고려하기 위한 계수이다. EN 16727-2-2는 지주 간 거리 또는 방음판의 폭으로 결정되는 영향길이와 방음벽의 높이로 길이계수를 결정할 수 있는 표를 제시하고 있다.

3.2 높이계수

높이계수는 레일 상면으로부터 연직방향 높이에 따른 공기압력파의 변화를 고려하기 위한 계수로 다음 식으로 산정할 수 있다.

(4)

ϕH=1−(1−ϕH1)(zh)2

여기서, z 는 레일 상면으로부터의 높이( z< 0일 때 ϕ_H = 1.0), h는 방음벽의 높이, ϕ_H1는 z/h가 1.0일 때의 ϕ_H 이다.

3.3 동적계수

동적 효과 고려를 위한 동적계수 ϕ_dyn는 Eq. (6)의 k_t를 이용하여 Eq. (5)와 같이 산정할 수 있다.

(5)

0≤κt≤0.5,ϕdyn=3.250.5≤κt≤1.5,ϕdyn=1.1+2.15(0.735κt2−2.470κt+2.051)κt>1.5,ϕdyn=1.10

(6)

κt=sDSfV

여기서, s_DS 는 최대 반력을 위한 공기압력파 하중모델 간의 수평간격, f 는 방음벽의 첨두고유진동수이다.

4. 성능등급 매트릭스

이 연구에서는 4장에 제시된 등가정적하중 작용 시 방음벽에 발생하는 내력과 피로수명 산정을 통하여 열차풍이 방음벽에 발생시키는 동적효과를 결정할 수 있는 간략식과 성능등급 매트릭스를 제안하였다. 방음벽의 성능평가를 위한 성능등급 매트릭스을 도출하는 과정은 다음과 같다.

① Eq. (1)의 q_DS 산정을 위한 회귀식 작성

② 방음벽에 발생하는 최대 전단력( V_max) 및 최대 모멘트( M_max) 산정

③ 다중회귀분석을 이용한 응력범위에 대한 회귀식 작성

④ 피로수명 및 일당 열차통과량을 이용한 성능등급 매트릭스 작성

4.1 등가정적하중

Eq. (1)의 등가정적하중 q_DS 은 EN 16727-2-2에 제시된 절차에 따라 3장에 제시된 계수(길이계수, 높이계수, 동적계수 및 q_1k)들을 이용하여 결정할 수 있으나, 유지관리 실무자들이 사용하기 용이하지 않으므로 간소화가 필요하다. 이 연구에서는 등가정적하중에 대한 회귀해석을 통하여 동적효과에 대한 회귀식을 작성하였다. 등가정적하중 결정을 위한 각 계수들에 대한 회귀식은 Fig. 3과 같다.

Figs. 4(a)와 (b)는 각각 방음벽의 높이 별( h = 1 m~5 m)로 도시된 길이계수 및 높이계수에 대한 회귀곡선이다. 길이계수 산정 시의 영향길이는 국내 방음벽 설치 현황을 고려하여 2 m~8 m 범위를 적용하였다. Figs. 4(c)와 (d)는 동적계수와 q_1k 에 대한 회귀곡선이다. 동적계수 산정을 위한 s_DS의 범위는 영향길이의 범위를 이용하여 8.3~9.4, V는 120 km/h~300 km/h, f 의 경우 0.5 Hz~10 Hz로 하였다.

Fig. 4

Regression Curves for the Factors to Determine q_DS

산정된 ϕ_L, ϕ_H, ϕ_dyn, q_1k를 활용하여 등가정적하중 q_DS를 계산한 결과는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Pseudo-static Equivalent Load, q_DS

Fig. 5의 q_DS 데이터는 약 34만 개이며, 오름차순정렬 하였다. Fig. 5의 가로축은 레이블링(labeling)한 각각의 데이터를 의미하며 세로축은 q_DS 의 크기를 나타낸다.

4.2 최대 전단력 및 최대 모멘트

최대 전단력( V_max) 및 최대 모멘트( M_max) 계산을 위한 유효영향길이 L_m 에 대한 회귀식과 지주에 작용하는 하중은 다음과 같다.

(7)

Lm=−0.044×L2+0.826×L−0.53

(8)

qpost=qDS×Lm

V_max 과 M_max 은 Eqs. (7) 및 (8)을 이용하여 다음과 같이 산정할 수 있다.

(9)

Vmax=qpost×h

(10)

Mmax=qpost×h22

4.3 응력범위 및 피로수명

방음벽에 발생하는 응력범위 Δσ_i 는 다음과 같이 산정할 수 있다.

(11)

σmax=MmaxZ

(12)

σmin=−MminZ

(13)

Δσi=σmax−0.7×σmin

여기서, Z는 지주의 단면계수, M_min는 최소 모멘트이다.

Δσ_i 에 대한 회귀식 결정을 위하여 Δσ_i 의 크기에 직접적으로 영향을 미치는 파라미터인 영향길이 L, 방음벽 높이 h, 열차속도 V, 방음벽의 고유진동수 f, 방음벽에서 궤도중심까지의 거리 d 와 Δσ_i 간에 경사하강법(gradient descent)을 이용한 다중선형회귀분석을 수행하였으며, 결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Comparison of Stress Ranges Using EN 16727-2-2 and the Regression Equation

산정된 다중회귀분석 결과는 Fig. 6의 주황색 곡선인 Δσ' ₁ 이다. 파란색 곡선인 q_DS 는 분석 대상인 원데이터로 Fig. 4에서 산정한 결과이다. Fig. 6은 산정된 다중회귀분석 결과의 적절성 확인을 위하여 Δσ' ₁ 에 대한 오름차순 정렬 결과이며, 두 곡선 간 차이는 다중회귀분석 결과의 응력범위 오차를 의미한다. 다중회귀분석을 이용하여 산정한 Δσ_i 에 대한 회귀식은 다음과 같다.

(14)

Δσi'=−137.1+13.985L+46.141h+3.027V −7.565f−29.554d

Eq. (14)를 이용하여 피로수명 Y 는 다음 식으로 계산할 수 있다(Wu et al., 2021).

(15)

Y=(Δσi)−βC•365•a•ni

여기서, a는 1일간 열차 통과 횟수이며, C 와 β는 각각 피로산정을 위한 치수계수(dimension factor) 및 피로산정을 위한 파라미터로 부재 간의 연결 방법 등에 따라 Table 2를 이용하여 결정할 수 있다(MCC, 2003).

Table 2

Parameters C and β

Category	1	2	3	4	5	6	7	8
C (×10¹²)	1940	861	3.26	2.18	1.47	0.96	0.65	0.41
β	4	4	3	3	3	3	3	3

4.4 성능등급 매트릭스

피로수명 추정값은 Eq. (14)의 Δσ' _i 를 Eq. (15)의 Δσ_i 에 대입하여 산정하였다. C 와 β 는 지주와 기초부의 연결구조를 고려하여 Table 2의 Category 2에 해당하는 값인 861 × 10¹²와 4를 각각 적용하였다(MCC, 2003). 동적효과 DA 는 구조물의 내구성에 미치는 영향을 직관적으로 확인할 수 있도록 회귀식으로부터 산정한 피로수명 예측값인 Y 의 최대값을 1로 스케일 조정한 값이다.

(16)

DA=−0.612+0.062L+0.206h+0.014V−0.034f−0.132d

열차속도 V는 대상 방음벽에 가장 근접한 본선을 통과하는 열차들의 속도를 이용하여 KR C-14020 (KNR, 2018)에 제시된 열차종별 자승평균법을 이용하여 산정할 수 있다.

(17)

V=∑iNniVi2N

여기서, n_i 와 V_i 은 각각 i 번째 열차 종별의 통과 수 및 속도, N 은 전체 통과 열차 수이다.

일당 열차 통과 횟수 N_D 와 동적 효과 DA 를 고려한 성능등급 매트릭스는 Table 3에 제시하였다. N_D 는 20회 간격으로 등급을 나누었다. DA 의 경우 a~e등급의 구성 비율이 균일하도록 5단계(0~20%, 20~40%, 40~60%, 60~80%, 80~100%)로 구분하였다.

Table 3

Matrix for Dynamic Effect

DA	Number of train passage a day, N_D (#/day)
DA	1 ≤ N_D ≤ 20	20 ≤ N_D ≤ 40	40 ≤ N_D ≤ 60	60 ≤ N_D ≤ 80	80 < N_D
DA ≤ -1.0	a	a	a	a	a
-1.0 < DA ≤ -0.317	a	a	b	b	b
-0.317 < DA ≤ 0.362	b	b	b	c	c
0.362 < DA ≤ 1.045	c	c	c	c	d
1.045 < DA ≤ 1.723	d	d	e	e	e
1.723 < DA	d	d	e	e	e

5. 결 론

이 연구에서는 EN 16727-2-2에 제시된 방음벽에 작용하는 동적 효과에 대한 등가정적하중을 근간으로 열차 속도 및 통과 횟수, 방음벽의 길이, 높이 및 고유진동수와 궤도 중심으로부터의 거리를 고려하여 철도방음벽의 내구성능을 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 성능등급 매트릭스에 따라 일당 열차 통과 횟수와 동적 효과에 따라 내구성능을 결정할 수 있다.

이 연구를 통하여 제시된 내구성능 평가기법은 노후화되고 있는 철도방음벽의 내구성능을 평가할 수 있어 철도건설법에 따른 철도방음벽의 성능평가에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

제안된 기법을 이용한 내구성능 평가의 신뢰도와 정확도를 제고하기 위하여 향후 방음판의 동적특성 등 현재 공용 중인 국내 철도방음벽의 특성을 고려하기 위한 실험 및 해석을 포함한 추가적인 고도화 연구가 필요할 것으로 판단된다.