1. 서 론
주 하중이 보행 하중이며 장지간화와 경량화가 가능한 보도교는 진동 사용성에 대한 문제가 꾸준히 제기되고 있음에도 불구하고, 현재 관련 설계기준들에서 보도교의 진동 사용성을 위한 명확한 기준, 설계 방법, 그리고 평가 방법을 제시하지 못하고 있어 보도교는 진동에 취약한 실정이다. 진동에 취약한 보도교는 장기적으로 구조 안전성 저하가 발생할 수 있으며, 보행자는 사용에 심리적 불안감을 가중할 수 있다.
Reiher and Meister (1931)는 차량 탑승자의 진동 영향성에 관한 실험적 연구를 실시하여 주파수에 의존하는 인체의 진동 체감과 허용곡선을 제시하였다. 이후 Zeller는 최초로 주파수에 의존하는 진동 영향 평가 기준을 1956년에 제안하였으며, Dieckmann (1958)은 진동 사용성에 미치는 가장 큰 인자가 주파수라는 것을 1958년에 입증하였다(Ahn and Lee, 2003). 국제표준기구는 진동 사용성에 영향을 미치는 진동 응답 주파수, 가속도, 방향 등의 여러 요소를 정리하여 1974년 진동이 인체에 미치는 영향을 객관화한 ISO 2631을 발표하였으며, 자동차와 열차 제작에 활용하였다(Park et al., 2006).
국내에서는 1990년대부터 인체의 진동 영향에 관한 연구 결과가 발표되기 시작하였다. Lee (1992)는 진동이 인체에 미치는 영향이라는 연구를 통해 주파수, 진동 축 그리고 진동 지속시간에 대해 인체가 어떻게 반응하는지 분석하였다. KICT (2000)에서는 교량의 진동⋅처짐에 대한 평가 절차 수립에 관한 연구를 수행하였다. Kim et al. (2001)은 국내의 철도 진동에 관한 탑승자 영향 조사 연구를 통해 철도 차량에서 진동 노출량을 측정하여 진동에 의해 인체에 미치는 영향 정도를 제시하였다. Ahn and Lee (2003)는 교량 진동 실험으로부터 얻어진 자료를 바탕으로 진동 사용성 평가 기준을 제시하였다. Seong et al. (2007)은 보도교에 TMD (Tuned Mass Damper)의 적용성을 평가하기 위해 보도교의 보행자들에 대한 진동 사용성 평가 기준을 조사하였다. Kim et al. (2018)은 보행자의 진동에 대한 영향을 최소화하는 방법으로 능동형 진동 제어 장치인 TMD를 설치한 사례를 중심으로 그 적용 효율성을 발표하였다. 그리고 보도교의 진동 사용성을 확보하기 위해 TMD를 활용한 연구 이외에도 다양한 형태의 연구가 진행되고 있다(Choo et al., 2017; Soria et al., 2017; Qin et al., 2018; Zhu et al., 2019). Park et al. (2009)과 Lee (2008)는 ISO 2631과 Reiher-Meister 진동 곡선 평가 기준을 이용해 강합성 상자형 교량을 사용하는 보행자에게 차량진동이 어떤 영향을 끼치는지를 분석하였다. 또한, PSC 구조형식을 갖는 일반 도로교의 진동 사용성을 검토하는데 ISO 2631 평가 기준이 적정한지에 관한 연구를 수행하였다(Ahn, 2007; Kang et al., 2009; Kang et al., 2010; Kim, 2010).
본 연구의 목적은 보행자 전용 강합성 목교를 대상으로 보행자의 통행 유형에 따라 발생하는 진동 가속도 응답과 탁월진동수를 측정 및 분석하고, 수정 Reiher-Meister 진동 곡선에 근거한 보도교 구조물 관점의 진동 영향 평가를 수행하는데 있다. 본 연구에 사용된 “구조물 관점의 진동 영향 평가”란 통행자에 의해 발생된 구조물의 진동응답을 측정하고, 그 측정값에 근거하여 진동 발생원인 통행자의 진동 사용성을 평가하는 프로세스를 의미한다.
2. 이론적 고찰
일반적으로 교량의 시간 이력 변위 응답과 고유진동수를 분석하여 Table 1의 Reiher-Meister의 지각단계별 진동 인지 수준과 Fig. 1의 Reiher-Meister 진동 곡선을 이용하여 진동 사용성을 간단하게 평가할 수 있지만, 장대교량과 같이 형하고가 높을 때는 변위계를 설치하기가 어려워 신뢰성 있는 시간 이력 변위 응답을 얻기 어렵다. 이에 따라 Fig. 2와 같이 ISO 2631, Eurocode 1, 독일의 DIN, 영국의 BS 5400 등에서는 가속도 시간 이력 응답에 따른 고유진동수의 진동 허용 기준을 세분화하여 제시하고 있으며, 미국의 AISC, 일본의 Footbridge Design Code 등에서는 고유진동수와 관계없이 일정 수준의 진동치를 기준값으로 제시하고 있다.
Table 1
Vibration Perceptual Level by Perceptual State of Reiher-Meister
| Perceptual Level | Vibration Perception |
|---|---|
| A | Very disturbing |
| B | Disturbing |
| C | Strongly perceptible |
| D | Distinct perceptible |
| E | Slightly perceptible |
| F | Not perceptible |
Ahn and Lee (2003)는 교량의 동적 변위를 사용하여 진동 사용성을 평가하기 어려운 환경에 대한 문제점을 해결하기 위해 가속도 시간 이력 응답을 활용하는 Fig. 3의 수정 Reiher- Meister 진동 곡선을 제시하였다. 교량의 가속도 시간 이력 응답은 변위에 비해 상대적으로 쉽게 구할 수 있으며 시간 이력 변위 응답이 일정한 형태의 정현파에 가까워질수록 가속도계 센서로부터 얻어진 응답은 높은 신뢰도를 확보할 수 있다.
3. 진동 사용성 평가 실험
3.1 실험개요
본 연구의 실험 대상 교량은 4경간의 총연장 119 m, 폭 2.3 m의 보도교로써 상부구조는 강합성 목교, 교대는 역T형, 교각은 강관 파일로 이루어졌다. Fig. 5는 실험 대상인 보도교의 전경이다.
Fig. 3의 수정 Reiher-Meister 진동 곡선은 진동 인지 수준을 Level A부터 F까지 6단계로 구분하고 진동수와 진동가속도를 함께 고려하고 있으며 진동 사용성 평가에 객관성을 인정받고 있다. 따라서 본 연구에서도 대상 보도교의 진동 사용성 평가를 위해 수정 Reiher-Meister 진동 곡선을 이용하였다.
3.2 실험방법
대상 보도교의 진동 응답 특성을 분석하기 위한 데이터를 취득하기 위해 Transducer 타입의 가속도계를 사용하였다. 본 실험을 위한 진동 응답 측정체계는 Fig. 6에 보이는 것과 같으며, 보행자 진동 실험을 위해서는 가속도계, 계측기기 그리고 보행 하중이 필수 요소로 고려되어야 하며, 이중 보행 하중을 변수화하여 구조물의 실제 거동과 진동 사용성, 보행자의 체감 수준과 비교하였다.
3.2.1 측정 위치
보행 하중에 의한 교량의 동적 거동을 파악하는 것은 실제 교량이 가지고 있는 진동 사용성의 한계를 평가하는 데 매우 중요하다. 이와 같은 목적을 위해 실시되는 보행자 진동 실험은 보행 하중의 주행 때문에 유발되는 동적 효과 및 제반 동 특성을 추정하여 조사 대상 교량의 안전성 및 진동 사용성 평가를 위한 기초 자료를 도출하고자 실시한다. 보행자 진동 실험은 교량의 구조형식, 진동 형태, 보행자 패턴을 고려하여 실행되었으며, 교량의 진동 가속도 응답 계측은 Figs. 7과 8에 보이는 2경간과 3경간 중앙부에서 이루어졌으며 3축 방향 진동 가속도 응답을 동시에 측정하였다.
3.2.2 보행자 진동 실험 Case
보행자 진동 실험은 보행자 보행 유형을 고려한 경우의 수를 산정하고, 체중 670 N~1,150 N을 갖는 남성 8명이 참여하였다. 교량의 설계하중에 대해 13.4%~23% 수준이며, 자유로운 진동을위해 발맞춤은 실시하지 않았다.
실험을 위한 보행 하중은 case 별로 1인~8인이 참여하여 Fig. 9의 실험 case 표기 방법에 보이는 것과 같이 교량의 시점에서 종점 또는 종점에서 시점까지 한 방향으로만 걸어가기(OW), 한 방향으로만 뛰어가기(OR), 양방향으로 서로 마주 보고 걸어가기(TW), 양방향으로 서로 마주 보고 뛰어가기(TR), 발을 떼지 않고 제자리에서 체중을 이용한 구르기(SU), 발을 떼지 않고 제자리에서 체중을 이용해 좌우로 흔들기(SS), 제자리에서 체중을 이용해 뛰기(SJ)로 세분화하여 Table 2에 보이는 것과 같이 총 37회 반복하였다. Fig. 10은 OR_5-1 실험 진행 전경을 보여준다.
Table 2
Experimental Cases
3.3 실험 결과 및 분석
보행 하중 형태에 따른 총 37회 진동 응답 측정 실험 결과를 2경간과 3경간 측정 위치에 따라 정리하였으며, 진동 응답은 최대 가속도 값(m/s2)과 진동 가속도 응답의 탁월진동수(Hz)로 나타내었다.
3.3.1 A 단면에서의 진동 가속도 측정 결과 및 분석
한 방향으로만 걸어가기(OW) case는 연직방향의 진동 가속도 응답이 교축방향과 교축직각방향에 비해 상대적으로 크게 얻어졌다. 이러한 경향을 보이는 이유는 보행할 때 진동 가력원의 연직방향 성분이 지배적으로 발생하기 때문이다. 연직방향 최대 가속도 응답값은 0.025 m/s2로 측정되었으며, FFT 분석에 의한 탁월진동수는 1.9~2.0 Hz의 일정한 수준을 나타내고 있어 보행자가 걷는 유형으로 통행하는 경우 보행자가 발생시키는 탁월진동수는 2.0 Hz 내외로 분석되었다. 한 방향으로만 뛰어가기(OR) case는 연직방향의 진동 가속도 응답이 상대적으로 크게 얻어졌다. 연직방향 최대 가속도 응답값은 0.133 m/s2으로 측정되었으며, FFT 분석에 의한 탁월진동수는 2.5~3.1 Hz로 일정한 수준을 나타내고 있어 보행자가 한 방향으로 뛰는 유형으로 통행하는 경우 보행자가 발생시키는 탁월진동수는 2.7 Hz 내외로 분석되었다. 양방향으로 서로 마주 보고 걸어가기(TW) case는 연직방향의 진동 가속도 응답이 교축방향과 교축직각방향에 비해 상대적으로 크게 얻어졌다. 연직방향 최대 가속도 응답값은 0.042 m/s2으로 측정되었으며, FFT 분석에 의한 탁월진동수는 1.9~2.0 Hz로 일정한 수준으로 나타나, 보행유형이 비슷한 한 방향으로만 걸어가기(OW) Case에 대한 탁월진동수와 유사한 결과를 보였다. 양방향으로 서로 마주 보고 뛰어가기(TR) case에 대한 연직방향의 진동 가속도 응답이 상대적으로 크게 얻어졌다. 연직방향 최대 가속도 응답값은 0.145 m/s2으로 본 연구를 위한 실험 Cases에서 가장 큰 값이다. FFT 분석에 의한 탁월진동수는 1.9~2.01 Hz로 일정한 수준으로 나타나, 양방향으로 보행자가 뛰는 유형으로 통행하는 경우 보행자가 발생시키는 탁월진동수는 2.0 Hz 내외로 분석되어 한 방향으로만 뛰는 경우와는 다소 편차가 있는 것으로 나타났다. 발을 떼지 않고 제자리에서 체중을 이용한 구르기(SU), 발을 떼지 않고 제자리에서 체중을 이용해 좌우로 흔들기(SS), 제자리에서 체중을 이용해 뛰기(SJ) case는 8명이 제자리에 서서 보행자의 체중을 이용하여 위⋅아래로 구르는 경우에 최대 가속도 응답이 0.123 m/s2으로 측정되었다. FFT 분석에 의한 탁월진동수는 교축직각방향인 횡방향으로 구르기를 제외하고 2.0 Hz 내외로 분석되었다. 이러한 원인은 구조물이 고유하게 보유하고 있는 고유진동수와 같은 진동 특성에 비해 보행자가 발생시키는 가력 진동 영향력이 미미하여 보도교의 동적 응답 특성을 변화시키지 못하기 때문이라 판단된다.
Table 3과 Fig. 11은 A 단면에서의 진동 가속도 측정 결과와 분석데이터의 대표인 OR case에 관한 계측한 최대 가속도 응답값과 주파수 분석을 통한 탁월진동수를 보여주며, Fig. 12는 OR case 중 OR_8-1의 진동 가속도 응답 시간 이력과 주파수 분석 결과를 보여주고 있다.
Table 3
Experimental Result : OR Case
3.3.2 B 단면에서의 진동 가속도 측정 결과 및 분석
A 단면과 같이 한 방향으로만 걸어가기(OW) case, 한 방향으로만 뛰어가기(OR) case, 양방향으로 서로 마주 보고 걸어가기(TW) case, 양방향으로 서로 마주 보고 뛰어가기(TR) case, 그리고 발을 떼지 않고 제자리에서 체중을 이용한 구르기(SU), 발을 떼지 않고 제자리에서 체중을 이용해 좌우로 흔들기(SS), 제자리에서 체중을 이용해 뛰기(SJ) case를 적용하였으며, A 단면에서 얻은 진동 가속도 측정 결과와 같은 경향을 나타내고 있어 계측 위치에 따른 편차는 발생하지 않았다.
3.4 고유진동수
대상 보도교에 가속도계를 부착하여 보행자가 발생시키는 강제진동이 소진된 이후 자유진동에 해당하는 가속도-시간에 대한 이력 곡선을 획득하고, 이를 FFT 분석하여 실측 고유진동수를 얻었으며, 구조해석 프로그램을 이용하여 구조물의 고유진동수를 해석적 방법으로 산출하였다. 범용 유한요소 해석 프로그램인 MIDAS를 사용하여 고유치 해석을 수행한 결과 모드별 고유진동수는 Table 4에 보이는 것과 같다.
Table 4
Natural Frequency by Analysis
가속도계에서 얻어진 진동 가속도 응답의 자유진동 부분을 분석하여 얻은 실측에 의한 고유진동수 fe = 2.29 Hz, 구조물을 모델링하여 해석을 통해 얻은 고유진동수는 fn = 2.36 Hz로 얻어졌다. 이는 해석을 위한 모델링 과정이 적정하였음을 의미하며, 구조물 동적 거동을 예측하는 데 무리가 없음을 나타낸다. 여기에서 의미하는 고유진동수는 모두 연직방향의 고유진동수를 의미한다.
구조물의 연직방향 고유진동수 fn = 2.36 Hz는 분석된 연직방향 최대 가속도 응답과 조합되어 진동 사용성 평가를 위해 2. 이론적 고찰에서 제시한 평가 기준과 비교하는 과정에서 사용된다.
4. 진동 사용성 평가
4.1 수정 Reiher-Meister 진동 곡선에 의한 진동 사용성 평가
대상 보도교의 보행자 보행 유형에 따라 발생하는 진동가속도를 실험을 통해 최대 진동가속도 응답과 탁월진동수를 얻었으며 이를 이용하여 수정 Reiher-Mesiter 진동 곡선을 이용하여 대상 보도교의 진동 사용성을 평가하였다. 이에 관한 결과는 Table 5와 Fig. 13에 보이는 것과 같다. 여기서 보행자가 진동을 강하게 느끼는 수준인 Level C에 해당하는 CASE에 대해 진동에 대한 사용성을 확보하고 있지 못한 것으로 평가하였다.
Table 5
Vibration Serviceability Evaluation according to Walking Type
| Walking Type | VSE* | A | B | C | D | E | F |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| OW | Level D~E | ||||||
| OR | Level C~D | ||||||
| TW | Level C~E | ||||||
| TR | Level C~D | ||||||
| SU | Level C | ||||||
| SS | Level C~D | ||||||
| SJ | Level C |
전체적으로 보행자의 보행 유형에 따라 진동 사용성의 분포는 Level C~Level E로 넓게 분산되어 있다. 특히 보행 유형이 TW인 경우 Level이 3단계(Level C~Level E)에 걸쳐 분포하는 것으로 나타나 진동 발생 위치가 일정하지 않다는 것을 확인하였다. 이처럼 진동 응답 크기가 보행자의 위치에 따라 중첩되어 나타날 때는 진동 사용성을 평가하는 데 주의를 기울여야 할 것이다.
보행 유형이 OW와 TW에서는 보행자가 진동을 약하게 느끼거나 진동을 명확하게 느끼는 Level D 또는 E 수준으로 진동에 대한 사용성 측면에서는 별다른 문제점은 없는 것으로 평가되었다. 그러나 OR과 TR에서는 보행자가 진동을 강하게 느끼거나 진동을 명확하게 느끼는 수준인 Level C 또는 D 수준으로 평가되었으며, SU와 SJ에서는 보행자가 진동을 강하게 느끼는 수준인 Level C에 해당하여 진동에 대한 사용성을 확보하고 있지 못한 것으로 평가되었다.
보행 유형에 따라 발생하는 진동의 크기와 탁월진동수가 다양하게 분포하는 경우 보행자가 체감하는 진동은 실제 발생하는 진동보다 크게 느껴질 수 있다. 본 연구 대상 보도교가 갖는 고유진동수 2.29 Hz는 보행자가 통행하면서 발생시키는 고유진동수 2.0~3.0 Hz 사이에 있다. 이에 따라 본 연구 대상 보도교는 보행자의 통행이 연속되는 경우 공진현상이 발생할 가능성을 가지고 있다. 따라서 구조물의 안전성을 지속해서 유지하고, 사용성을 개선하기 위해서는 진동을 제어하기 위한 연구가 필요하다.
4.2 국외 기타 진동 영향 평가 기준에 따른 진동 사용성 평가
Figs. 14와 15는 2경간과 3경간에서 계측된 진동 가속도 응답을 국외 기타 진동 영향평가 기준과 비교하여 실험 대상 보도교의 진동 사용성 여부를 판단한 결과이다. 본 연구에서는 국외에서 적극적으로 활용되고 있는 10가지의 평가 기준을 단일 그래프로 표현하고 이 그래프 위에 계측된 진동 응답을 표시 함으로써 진동 사용성 확보 여부를 확인하였는데 실험 대상 보도교의 진동 사용성은 충분한 여유를 가진 상태에 있는 구조물임을 확인하였다.
국외의 진동 영향평가 기준 가운데 2 Hz 이하의 저주파 대역에서 가장 엄격한 Ontario Bridge Code ONT83을 적용한 상태에서도 보행 유형과 동시 보행자 수에 상관없이 모두 진동 사용성을 확보한 것으로 나타났다. 이러한 결과를 보이는 이유는 보행자가 발생시키는 진동은 차량이나 열차, 건설장비, 기계장치의 운동으로 인해 발생하는 진동에 비해 크기가 상대적으로 작고, 진동 가속도 주파수도 저주파 대역의 특정 범위에 집중되기 때문으로 판단된다. 따라서 Figs. 14와 15에서 보이는 국외의 다양한 평가 기준은 진동 발생원이 보행자인 보도교의 진동 영향평가를 목적으로 사용하는 것은 부적합하다는 것을 의미한다.
5 결 론
본 연구에서는 보행자 전용 강합성 목교를 대상으로 보행자의 통행 유형에 따른 구조물 관점의 진동 영향 평가를 Reiher-Meister 진동 곡선에 근거하여 수행하였다.
1. 구조물은 보행자의 통행 유형에 따라 진동을 강하게 느끼는 수준인 Level C에서부터 진동을 감지하는 수준인 Level E 단계에 까지 폭넓게 분포하였다. 특히 양방향으로 걷는 통행 유형(TW) 반복 실험에서는 진동 사용성 수준 Level이 3단계에 거쳐 넓게 분산된 결과를 보였다.
2. 걷거나 뛰는 형태의 보행 유형에 비해 제자리에서 구르거나(SU) 제자리에서 동시에 점프하는 경우(SJ)에도 대부분 진동을 강하게 느끼는 수준인 Level C에 해당하여 진동에 대한 사용성을 확보하고 있지 못하는 것으로 평가되었다.
3. 구조물 관점의 진동 영향 평가는 사용자의 통행 유형이 반영된 형태로 보완되어야 하며, 보행자의 통행 유형 표준화에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
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