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1. 서론

최근 소득 증대로 인한 정온한 환경에 대한 요구가 증가하면서 철도망의 확대 추세와 함께 도심지에 건설된 철도역사 및 선로 주변의 소음·진동 문제가 심각하게 대두되고 있어 관련 연구의 중요성도 높아지고 있다(Choi et al., 2015a). 특히 도심지에 위치한 철도역사의 경우 백화점, 마트 등 다양한 상업시설의 입주로 대형화, 복합화하고 있어 역사 내부의 소음·진동을 저감할 수 있는 기술은 이용객의 편의성 뿐 아니라 시설의 가치와도 직접적으로 관계하므로 관련 연구가 더욱 필요한 상황이다. 철도 역사 내부에 발생하는 소음·진동을 효과적으로 저감하기 위해서는 열차 운행으로 발생하는 소음·진동을 보다 정확히 예측하는 기술의 개발이 필수적이다.

선하역사는 노반이 고가구조물로 건설되는 구간에 선로하부 공간을 이용하여 조성되는 철도역사 형식으로 열차가 역사건물 위로 운행하므로 열차의 진동이 역사 내부로 직접 전달되므로 다른 형식의 역사보다 소음·진동의 수준이 높은 구조이다(Choi et al., 2014). 선하역사 실내의 소음의 경우 차량-궤도에서 발생하는 진동의 전달로 인하여 발생하는 고체소음(structure borne noise)이 큰 비중을 차지하므로(Lee, 2014)선하역사 내부에 발생하는 소음 저감을 위해서는 진동을 감소시키는 것이 중요하다(Choi et al., 2015a).

플로팅궤도 시스템(Floating Track System)은 도심통과구간이나 선하역사와 같이 철도로 인한 소음과 진동에 민감한 구간에 적용하며, 진동 저감 효과가 비교적 큰 공법으로 알려져 있다(Jang et al., 2010). 해외의 경우 다양한 플로팅궤도 시스템이 개발되어 왔으며, 국내에서도 최근 관련 연구를 통하여 개발된 플로팅궤도 시스템을 함안역사에 부설한 바 있다(Jang et al., 2013). 그러나 현재 국내에서 연구된 플로팅궤도 시스템은 현장타설형 궤도슬래브를 사용하므로 공용중인선하역사에 적용하기 곤란한 단점이 있다. 이 논문에서는 수치해석을 이용하여 최근 개발 중인 방진장치 일체형 프리캐스트 플로팅 궤도 시스템(Precast Floating Track System, 이하 PFTS)의 진동 저감 특성을 분석하였다(Koh et al., 2016).해석 대상 역사는 지상 2층 지하 1층으로 구성된 선하역사인 장항선의 대천역으로 역사의 길이는 122 m, 폭은 32 m이다.진동 저감 성능 검토를 위한 수치해석은 상용프로그램인ABAQUS를 이용하여 수행하였다.

2. PFTS의 개요

개발 중인 방진장치 일체형 PFTS는 궤광과 더불어 이산지지 방식의 궤도시스템으로 프리캐스트로 제작·운반·시공되는 플로팅 슬래브 패널과 궤광 및 패널 하부에서 궤도시스템을지지하고 진동을 저감 및 전달하는 방진장치가 일체화된 시스템이다(Koh et al., 2016). Fig. 1과 Fig. 2는 각각 PFTS 및 방진장치의 개념도이다.

Fig. 1

Layout of the precast floating slab system

Fig. 2

Layout of the anti-vibration device

PFTS는 60 kgKR 레일, System 300-1 레일체결장치, 콘크리트 슬래브 패널, 가로보 및 방진장치로 구성되어 있는 것으로 가정하였다. 방진장치는 콘크리트 슬래브 패널당 6개 배치하였다. PFTS는 30 Hz~50 Hz의 진동수 저감을 목표로 설계되었으며, 구성 요소의 제원은 Table 1과 같다.

Table 1

Properties of the PFTS

3. 열차-궤도-구조물 상호작용 해석모델

역사구조물의 진동을 보다 정확히 해석하기 위해서는 열차-궤도-구조물 상호작용을 고려한 해석모델의 적용이 필요하다. 열차 주행으로 인한 역사구조물의 진동 해석은 GTDAP(Yang, 2009) 등 열차-궤도 상호작용(Fig. 3) 전문해석 프로그램을 이용하여 산정한 하중을 별도로 모델링한 구조물에 작용시키는 방식으로 수행된 바 있다(Jang et al., 2010). 그러나 보다 정확한 해석을 위해서는 열차-궤도-구조물의 상호작용을 동시에 고려할 필요가 있다. 이 논문에서는 범용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 열차, 궤도 및 역사구조물을 모델링하고 열차 주행 시뮬레이션을 수행하였다. 열차-궤도-구조물 상호작용 해석을 위하여 차체, 대차, 차륜, 현가장치 등을 포함한 열차, 차륜과 레일의 조도 및 접촉강성, 레일, 침목 등을 포함한 궤도와 역사 구조물을 모델링하였다.

Fig. 3

Train-track interaction simulation model (Jang et al., 2010)

4. 수치해석을 이용한 진동특성 분석

PFTS의 적용에 따른 역사의 진동저감 특성을 분석하기 위하여 자갈도상궤도가 부설되어 있는 대천역사를 모델링하고 PFTS 부설 시의 동적응답과 비교하였다.

4.1 열차-궤도-구조물 상호작용을 고려한 주행 해석

열차-궤도-구조물 상호작용을 고려한 해석을 위하여 새마을호 열차, 자갈도상궤도 및 PFTS와 역사 구조물을 모델링하였다. 참고로 대천역에 운행하는 열차의 종류는 화물열차, 무궁화호 및 새마을호 열차가 있으나, 이 중 차량 구성요소의정보가 가장 확실히 알려져 있는 새마을호 열차만을 모델링하였다. 새마을호 열차는 전·후에 동력차 각 1량과 7량의 객차로 구성된 9량 편성으로 모델링하였으며, 동력차와 객차를 구성하고 있는 요소의 물리량은 Table 2와 같다. 열차는 역사진입속도 60 km/hr, 감속가속도 2 m/sec²로 역사에 정차하는 것을 가정하여 시뮬레이션하였다. Fig. 4는 ABAQUS를 이용하여 작성한 열차해석모델이다.

Table 2

Properties of the Saemaeul Train

Fig. 4

Analysis model for the Saemaeul Train

4.2 궤도 및 역사 모델

대천역은 자갈도상궤도도 부설된 역사이므로 PFTS 설치이전의 자갈도상궤도도 모델링하였다. 자갈도상궤도의 제원은 Table 3과 같다. Fig. 5와 6은 각각 궤도와 역사 구조물에 대한 해석모델이다. Fig. 5(a)는 자갈도상궤도에 대한 모델이며, Fig. 5(b)는 PFTS에 대한 모델이다. 열차가 주행하는 2층과 중2층 및 1층으로 구성된 대천역사는 슬래브는 Shell 요소, 기둥은 Beam 요소, 벽체는 Shell 요소로 모델링하였으며, 감쇠비는 5%를 적용하였다. Fig. 7은 역사 구조물로 전달되는 하중을 나타낸다.

Table 3

Track properties of the ballast track

Fig. 5

Analysis model for tracks

Fig. 6

Analysis model for Daecheon Station

Fig. 7

Loads transferred to railroad station model

4.3 해석 결과 분석

PFTS의 진동저감 효과는 역사 구조물의 가속도 응답을 1/3옥타브밴드 해석으로 분석하여 비교하였다. Fig. 8은 2층과 1층 슬래브의 응답 비교 개소이다. Fig. 9, 10 및 11은 각각 2층, 중2층 및 1층 슬래브에서 PFTS 적용 전·후의 응답 비교 결과이다. Fig. 9에서 2층의 연직방향 가속도 응답은 약 30 Hz보다 작은 주파수에서는 거의 저감효과가 없었으나, 30 Hz 이상의 모든 주파수에 걸쳐 진동이 감소하였으며, 위치에 따라 최대 약 20 dB~25 dB, 평균 10 Hz~15 Hz 정도의 진동저감효과를 나타냈다. 이는 PFTS 설계 시 30 Hz~50 Hz 사이의 진동저감을 목표로 하였기 때문으로 판단된다. Fig. 10에서 중2층 연직방향 가속도 응답의 경우도 30 Hz 이상에서만 전체적으로 진동저감 효과가 있으며, 최대 20 dB, 평균 10 dB 정도의 진동저감 효과를 나타냈다. Fig. 11에서 1층 연직방향 가속도응답의 경우도 30 Hz 이상에서만 전체적으로 진동저감 효과가 있으며, 최대 20 dB, 평균 10 dB 정도의 진동저감 효과를 나타냈다.

Fig. 8

Response comparison locations

Fig. 9

Vibration mitigation effect of PFTS for locations in the 2^nd floor

Fig. 10

Vibration mitigation effect of PFTS at Location 3 in the mid-2^nd floor

Fig. 11

Vibration mitigation effect of PFTS at Location 4 in the 1^st floor

5. 결론

이 논문에서는 열차-궤도-구조물 상호작용을 고려한 해석을 통하여 PFTS 적용에 따른 선하역사의 진동감소 특성을 검토하였다. ABAQUS를 이용한 수치해석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

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