1. 서 론
보행자 보호와 보행자 편의성 그리고 관광 활성화를 목적으로 보행자 전용 교량인 보도교의 수요가 증가하는 추세이다. 보도교는 진동 사용성에 대한 문제는 꾸준히 제기되고 있으나 구조안전성과 균열, 처짐을 제어하기 위해 진동 사용성은 중요성 측면에서 2차적인 문제로 인식되는 실정이다. 이러한 요인들로 인해 보도교를 설계할 때 구조적 안정성에 초점을 맞추어 설계하여 진동에 취약한 구조물로 설계되는 경우가 빈번하다. 진동에 취약한 구조물은 장기적인 관점에서 구조안전성 저하 문제로 확대될 수 있으며, 보행자는 보도교를 통행할 때 심리적 불안감을 과장되게 느낄 수 있다. 또한 설계기준 측면에서도 도로교 설계기준 교량의 진동 기준을 활하중 및 충격에 대한 처짐 값으로 제시하고 있으며, 이것 또한 진동 사용성 기준보다는 구조적 안전성의 측면에서 접근하고 있다고 볼 수 있다.
국제표준화기구 ISO (2001)에 따르면 Fig. 1과 같이 인체에 전달되는 진동방향에 따라 인체가 반응하고 체감하는 응답차가 달라진다. 인체가 진동에 노출되면 인체는 심리적⋅물리적인 응답이 생기나 이들이 단독으로 발생하는 것이 아니고 상호 연관되어 지속된다. 진동이 신체의 일부분에 공진을 일으킬 때는 근육의 긴장을 높이고 이는 생리적인 응답으로 연결되어 물리적인 측면의 문제와 심리적인 문제를 동시에 일으킨다. 또한 Fig. 2에 외부에서 작용하는 진동이 인체 각 부위로 어느 정도의 크기로 전달되는가를 보여주는 진동 전달률을 나타내었다.
진동으로 인해 사람들이 체감하는 감각 정도를 평가하는 연구는 다양한 분야에서 진행됐다. 대표적으로 Reiher-Meister의 진동곡선을 들 수 있다. 이 기준은 교량의 진동을 평가하기 위한 목적으로 작성된 것은 아니지만 피실험자들을 대상으로 체감하는 진동의 수준을 파악하여 분류한 후 차트로 제시한 것으로 진동 사용성 평가의 기준이 될 정도로 객관성을 인정받아 왔다.
Reiher와 Meister는 실험자를 대상으로 교통 진동의 3~100 Hz 대역의 진동수 영역에 대해 연구를 수행하였다. 그 결과 지각 한계를 Table 1과 같은 6단계를 정의하였다.
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 |
Fig. 3의 Reiher-Meister의 진동곡선은 진동의 수준을 매우 불쾌한 수준인 A에서부터 진동을 감지하지 못하는 F까지 진동 Level을 6단계로 구분하고 있다. 또한 주파수 특성을 반영한 상태에서 진동을 평가하기 위하여 진동수(Hz)와 변위를 같이 고려하고 있다.
일반적으로 교량의 시간이력 변위 응답과 고유진동수를 분석하여 Fig. 3의 Reiher-Meister 곡선에 적용하면 진동 사용성을 간단하게 평가할 수 있지만, 변위계를 설치하기가 쉽지 않은 조건, 즉, 형하고가 높고 장대교량일 경우 실제 교량으로부터 신뢰성 있는 시간이력 변위 응답을 얻어내는 것은 신뢰도 측면에서 쉽지 않다.
이에 비해 교량의 가속도 시간이력 응답은 변위에 비해 상대적으로 쉽게 구할 수 있으며 가속도계 센서로부터 얻어진 응답은 신뢰할 만하다. 교량의 동적 변위를 사용하여 진동 사용성을 평가하기 어려운 문제점을 해결하기 위한 고민을 거듭해 왔다. Ahn and Lee (2003)는 그 해결 방안으로 Fig. 3의 Reiher-Meister 곡선이 조화진동에 근거한 진동곡선이라는 점을 고려하여 변위 축을 가속도 값으로 변환한 후 Fig. 4와 같은 수정된 Reiher-Meister 진동곡선을 제시하였다. 수정된 Reiher-Meister 진동곡선은 주파수를 고려하여 그 값을 2회 미분함으로써 얻을 수 있다. 이 결과는 시간이력 변위 응답이 일정한 형태의 정현파에 가까워질수록 신뢰도를 확보할 수 있다.
수정된 Reiher-Meister의 진동곡선에 가속도를 기준으로 교량의 사용성을 평가하는 다른 진동 기준들을 한 그래프상에 비교하여 교량구조물의 진동 사용성 평가를 위한 가능성을 제시하였다. Fig. 5에 비교된 기준들은 Conn에 의해 제시된 기준, 헝가리 기준(MSW 15021), Goldman챠트 (1948) 등이다. Fig. 5에서도 확인할 수 있는 것과 같이 비교 결과 가속도 응답을 진동 사용성 평가 기준으로 사용하고 있는 기타의 기준들과 유사한 기준값들을 보이고 있으며, 이로부터 수정된 Reiher-Meister의 허용곡선이 교량의 진동 사용성 평가에 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 보행자 전용 보도교에서 구조적 안전성이나 구조물의 진동과 보행자의 관계가 아닌 진동의 발생원임과 동시에 진동을 느끼는 보도교를 통행하는 보행자가 직접 체감하는 진동 수준을 보행 유형에 따라 평가하고자 한다. 따라서 체감형 진동 사용성 평가를 위해 보행자를 개별적으로 모니터링 하고 이를 기존의 진동 사용성 평가 기준과 상호 비교 분석하였다.
2. 문헌연구
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 사용성 평가 기준을 1956년에 제안하였으며, Dieckmann은 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).
3. 체감형 진동 사용성 평가
3.1 실험개요
3.2 실험방법
체감형 진동 사용성 평가는 실제 참여자들이 보행을 실시하고, 보행 실험에 참여한 8명과 실험을 주관한 2명이 참여하여 10명으로부터 보행 유형에 따라 발생하는 진동을 각자가 체감하는 진동 영향 수준을 표현하도록 하는 방법으로 진행되었다. 여기서 실험에 참여한 하중은 대상 교량 설계하중의 13.4%~23%이며, 자연스런 환경 조성을 위해 자유로운 진동으로 실험을 진행하였다.
보행 유형에 따라 실험에 참여한 10명이 각자 느끼는 체감 진동 응답을 정리하였으며, 체감 정도는 실험 결과의 상호 비교를 위하여 실험자들에게 6단계를 사전에 설명하여 보행자가 인지하도록 한 상태에서 보행자가 보도교를 통과하는 동안 느낀 진동 영향 수준 가운데 가장 심하게 체감된 진동 영향 수준을 기록하도록 하였으며, Table 1의 Reiher-Meister 진동 수준에서 정의하는 수준과 동일하게 A~F로 표현하였다.
3.2.1 실험 CASE 선정
실험은 보행 유형을 7가지로 분류하였으며 총 37회 실시하였다. CASE에 사용된 기호에 대한 설명은 Table 2에 나타냈으며, Fig. 7에 CASE의 명칭 표기 방법을 나타내었다. 보행 유형을 표기하는 문자열의 3번째 숫자는 하중 발생원인 보행자의 숫자를 의미한다. Fig. 8은 실제 실험을 실시하는 전경이다.
Table 2
Experimental CASE Types
3.3 실험결과
Table 3에 보행 유형에 따라 실험에 참여한 10명이 각자 느끼는 체감 진동 응답을 정리하였다.
Table 3
Result of Vibration Sensory
실험 CASE 별로 체감하는 진동은 1~4단계로 분산되어 나타나고 있다. 그중에서 TR, SS, SU의 경우에는 4단계 Level로 분산 정도가 넓게 분포하고 있는 것으로 나타나 보행자가 체감하는 진동은 개인차가 있는 것으로 나타났다.
보행 유형별로 보행자의 체감 진동 수준을 막대그래프 형태의 농도로 표현하여 유형별 비교를 쉽게 하였다. Fig. 9는 OW 체감 진동 수준을 나타낸다. 막대그래프에서 진동 체감이 심할수록 진한 농도를 갖는다.
4. 체감 진동 보정 지수
사용성 평가 실험에서 보행자가 체감하는 진동 수준을 수정된 Reiher-Meister 진동 사용성 평가 기준에서 구분하고 있는 6단계(A~F)로 Table 3에 보이는 것과 같이 표현하고, 여기에서 얻어진 체감 진동 수준을 수정된 Reiher-Meister 진동 사용성 평가 기준과 비교하였다. 체감 진동 수준은 같은 보행 유형 안에서 넓게는 3~4단계에 거쳐 분포하고 있으므로 비교 평가를 위해서 단순화하였다.
Fig. 10은 체감 진동 수준과 기존의 진동곡선에 의해 평가된 진동 영향 수준을 비교하기 위해 수정된 Reiher-Meister 진동 사용성 평가 기준에서 저주파수 대역만을 한정하여 나타내어 체감 진동 수준과 기존의 진동곡선에 의해 평가된 진동 영향 수준을 비교하였다. 또한 각각의 보행 유형에 해당하는 실험 CASE에 따라 체감 진동은 빈도에 따른 백분율로 표시하였다.
Fig. 10으로부터 진동 영향의 분포 정도는 보행자가 체감하는 진동 영향 수준이 수정된 Reiher-Meister 진동곡선에 비해 상대적으로 넓게 분포하고 있음을 확인하였으며, 보행자를 대상으로 하는 진동 평가는 실험에 참여한 참여자들의 개인차를 고려해야 하므로 기존의 진동 사용성 평가 기준을 사용하여 보행자가 느끼는 진동 수준을 평가하기 위해서는 일정 부분 보정이 필요하다고 판단하였다.
본 연구에서는 진동 영향을 평가하기 위해 진동 사용성 평가 기준을 정량화된 형태로 표현하기 위하여 상호 간의 편차를 수치로 나타내었다. 비교로부터 얻어진 수준 차이를 A부터 F를 단순 비교하여 수준 차이를 단계당 숫자 1의 크기로 나타내었다.
보행자가 보행 유형에 따라 발생시킨 진동 가속도 응답으로부터 실제 체감하는 진동 수준이 B에 해당하는 수준이고, 수정 Reiher-Meister 진동곡선에 의한 진동 영향 수준이 D에 해당하면 수준 차이는 +2로 표현하며, 체감 수준이 D, 수정 Reiher-Meister 진동곡선에 의한 진동 영향 수준이 B인 반대의 경우라면 수준 차이는 -2로 표현하였다.
Fig. 11에서 x축은 탁월 체감 진동 수준에서 수정 Reiher- Meister 수준을 제한값으로써 +값 영역의 보행 유형에서는 보행자가 느끼는 체감 진동 수준이 수정 Reiher-Meister 진동곡선에서 제시하고 있는 진동 수준보다 불안하게 느낀다는 것을 의미하며, - 값 영역의 보행 유형은 그 반대의 경우를 의미한다.
본 연구에서 보행자가 체감하는 진동 수준과 수정 Reiher- Meister의 진동곡선과의 차이를 체감 진동 보정 지수(Apparent Vibration Correction Index)를 Eq. (1)과 같이 체감 진동 보정 지수(AVCI)로 정의하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 정리하였다.
(1)
AVCI = DAVL - MRVL (1)
If, AVCI > 0 : disturbance
AVCI < 0 : stability
AVCI = 0 : equality
AVCI : Apparent Vibration Correction Index
DAVL : Dominant Apparent Vibration Level
MRVL : Modified Reiher-Meister Vibration Level
Fig. 11에 나타난 것과 같이 보행자가 한 방향 혹은 양방향으로 보통의 걸음으로 보행하는 유형(OW, TW)으로 인해 발생하는 진동은 AVCI가 -2~0 범위의 값을 보이는 것으로부터 수정된 Reiher-Meister 진동곡선이 체감 진동에 비해 과다 평가하는 경향을 나타난 것을 확인하였다. 따라서 Reiher- Meister 진동곡선을 사용하여 진동 영향을 검토하는 경우 보행자가 실제 체감하는 진동보다 상대적으로 불안하게 평가하고 있다고 판단하였으며, Fig. 11의 다른 보행 유형인 한 방향 혹은 양방향으로 뛰어가기(OR, TR)에서는 수정 Reiher-Meister 진동곡선에 의한 진동 사용성 평가 수준보다 1단계 혹은 2단계의 높은 수준으로 진동을 불쾌하고 불안하게 체감하는 것으로 나타났다.
4.1 체감형 진동 사용성 평가 곡선
AVCI와 기존 수정된 Reiher-Meister 진동곡선과 체감 진동 사이의 편차 보정을 위해 정량화된 수치를 제시하기 위해 보행 유형별로 보정이 필요한 경우와 필요하지 않은 경우로 나누어 보행 유형별 체감 진동 사용성 평가 곡선을 제시하였다. Fig. 12는 본 연구에서 제안한 체감 진동 사용성 평가 곡선으로써 한 방향 혹은 양방향으로 보통의 걸음으로 보행하는 유형(OW, TW)에 대해서 적용할 수 있다.
또 다른 보행 유형인 “한방향 혹은 양방향으로 뛰어가기(OR, TR)”에서는 Reiher-Meister 진동 곡선에 의한 진동 영향 평가 수준보다 1단계 혹은 2단계의 높은 수준으로 진동을 불쾌하고 불안하게 체감하는 것으로 나타나 보정이 필요한 것으로 나타났다.
보행자가 진동을 발생시키는 특이한 유형인 제자리에서 위아래로 구르기(SU), 제자리에서 좌우로 구르기(SS)로 인한 체감 진동 수준은 AVCI는 평균적으로 +2라는 결과로부터 상대적으로 불안감 혹은 불쾌감을 극대화하는 것으로 나타났다. 실험에 참여한 인원 8명이 동시에 발생시키는 특이한 형태의 진동은 진동을 유발하는 최초 발생한 진동 응답 사이클에 맞춰 추가 진동을 가하게 되는 집단행동 특성으로 인해 공진 발생 가능성이 크며, 결과적으로 변위 응답은 증폭되어 나타나기 쉽다. 이러한 진동 응답은 보행자의 심리적인 불안감을 증폭시킬 수 있다. 또한 보도교의 특성상 교축 직각 방향의 강성이 상대적으로 약한 특성이 반영된 결과라 할 수 있다. Fig. 13에 나타난 곡선은 제자리에서 위아래로 구르기(SU), 제자리에서 좌우로 구르기(SS) 형태의 보행 유형에 대해서 적용할 수 있다.
제자리에서 점프하기(SJ)에 의해 발생된 진동 수준은 보행자 다수가 동시에 점프하는 경우라도 점프에 의한 진동은 동일한 주기로 발생시키기 힘들뿐 만 아니라, 오히려 불규칙한 점프는 진동 응답을 감소시키는 요인으로 나타났다.
이러한 체감형 진동 사용성 평가 곡선들로부터 보행 유형에 따른 AVCI를 정량화하기 위해 수정된 AVCI를 Fig. 14와 같이 제안한다.
본 연구에서 제안한 체감형 진동 사용성 평가 방법과 체감 진동 보정지수는 보행으로 발생한 진동이 보도교의 구조시스템을 통해 보행자에게 최종 체감된다는 점에서 구조형식에 제한받지 않고 적용이 가능할 것이나, 인체의 진동 체감은 물리적인 측면 뿐만 아니라 심리적인 측면이 크게 영향을 미친다는 사실을 간과할 수 없는 것 또한 사실이므로 거더교 형식의 보도교에 제한적으로 적용할 것을 제안한다.
5. 결 론
본 연구는 보행자 전용 보도교를 대상으로 체감형 진동 사용성 평가를 하였다. 보행자의 보행 유형에 따라 결과를 수정된 Reiher-Mesiter 진동곡선과 비교하여 보행자의 보행 유형에 중점을 두고 제한적인 체감 진동 보정이 이루어졌다.
수정된 Reiher-Mesiter와 비교⋅분석한 결과 한 방향 또는 양방향으로 걸어갈 때와 제자리에서 점프하는 유형의 경우 수정된 Reiher-Mesiter 진동 수준이 과다하게 평가하고 있었으며, 한 방향 또는 양방향으로 뛰어갈 때와 제자리에서 구르기 좌우로 흔들기의 경우에는 수정된 Reiher-Mesiter 진동 수준이 과소하게 평가하고 있다는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 실험자들이 체감한 결과로부터 체감형 진동 사용성 평가 곡선을 제시하였으며, 제시한 체감형 진동 사용성 평가 곡선들로부터 보행 유형에 따른 AVCI를 정량화하기 위해 수정된 AVCI를 제안하였다.
또한 보행자의 중량, 보행자의 성별, 보행자의 연령대, 보도교의 바닥판 형식, 난간의 형태, 보도교의 설치 목적 및 위치 등이 모두 변수화될 수 있을 것이다. 그러나 이러한 변수들을 모두 반영하여 진동 영향을 평가하는 것은 현실적으로 불가능하며, 오히려 정제되지 않은 변수들의 반영은 진동 사용성 평가 결과를 왜곡시킬 가능성 또한 무시할 수 없다. 향후의 연구에서는 보행자의 성별과 연령을 반영한 체감 진동 사용성 평가의 보정이 이루어질 수 있도록 보완되어야 할 것이다.
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