3.1 진동실험 개요

이 논문에서는 레일매립궤도를 적용한 판형교와 무도상 판 형교의 진동특성을 파악하기 위해 Fig. 2와 같이 길이 5m의 실험체들을 제작하여 동일조건의 가진 하중에 대한 진동응답 특성을 비교하였다. 판형교는 SS400 강재를 사용하였고. 레 일매립궤도의 재료 물성치는 Table 2와 같다. Table 1

Fig. 2

Vibration target bridge (unit : mm)

Table 1

Measuring equipments

Table 2

Material property

3.2 진동측정 방법

여기서 선택한 진동측정 방법은 sine sweep 주파수(30~ 500Hz) 가진을 통한 방법과 tapping machine 가진을 통한 측 정 방법이다. 사용된 가진 장비는 Table 1과 같다.

Sine sweep 주파수 가진의 목적은 동일한 sine sweep 주파 수의 가진을 통한 두 교량의 거동을 비교하기 위함이며, 실험 시에는 EMAI 주파수 shaker가 사용되었다. 가진시에는 30Hz 부터 500Hz까지 일정하게 주파수를 증가시키면서, 주파수 대 역 당 동일한 힘으로 레일 상부를 가진하였다. Fig. 3은 sine sweep 주파수 가진기를 이용한 측정 모습을 나타내며 측정하 고자 하는 센서의 종류와 부착위치는 두 교량 모두 동일하고 상세 내용은 Fig. 4 및 Table 3과 같다.

Fig. 3

Measurements using sine sweep frequency exciter

Fig. 4

Sensor attaching position

Table 3

Type of sensor used for measurement

Tapping machine 가진 실험에는 Type 3204의 tapping machine이 사용되었다. 이 충격발생기는 수직방향으로 레일 상부를 가진하며, 500g의 hammer가 40mm 높이에서 낙하하 여 1초간 10회 충격을 발생시켰다. 측정하고자 하는 센서의 부착위치와 종류는 sine sweep 주파수 가진 실험과 동일하며, Fig. 5는 tapping machine 가진기를 사용한 측정 모습을 나타 낸다.

Fig. 5

Measurements using a tapping machine vibrator

3.3 진동실험 결과

Fig. 6~Fig. 8은 2가지의 가진 방법으로 무도상 판형교와 레 일매립궤도를 적용한 판형교에 대한 진동측정 결과를 측정 위치별로 나타낸 것이다. 판형교 부재 중 가진기에 의해 발생 하는 진동이 거더 복부로 전달되는 정도가 중요하기 때문에 본 논문에서는 거더 복부에 설치한 센서 Ch05~Ch07의 측정 결과값을 분석하였다. Fig. 7

Fig. 6

Vibration measurement response data (Ch05 sensor)

Fig. 7

Vibration measurement response data (Ch06 sensor)

Fig. 8

Vibration measurement response data (Ch07 sensor)

거더 복부의 수평방향 진동가속도 레벨을 측정한 결과 전 반적으로 저주파 대역에서 고주파 대역으로 갈수록 무도상 판형교 대비 레일매립궤도를 적용한 판형교의 진동가속도 레 벨이 감소하는 경향을 나타내고 있으며, sine sweep 주파수 가 진 방법에 의한 측정결과 보다 tapping machine으로 가진한 경우의 진동가속도의 레벨이 더 크게 발생하였다.

Ch05 위치에서는 무도상 판형교에 sine sweep 주파수 가진 시 진동가속도 레벨은 최대 80dB, 최소 25dB이 발생하였으며 평균은 52.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교 의 경우에는 최대 59dB, 최소 16dB이 발생하여 평균은 37.5dB 이 측정되었다. tapping machine 가진의 경우 무도상 판형교에 서는 진동가속도 레벨이 최대 90dB, 최소 35dB 발생하였고 평 균적은 62.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교 의 경우에는 최대 65dB, 최소 23dB이 발생하여 평균 44dB로 무 도상 판형교의 경우 보다 18.5dB의 진동가속도 레벨이 평균적 으로 작게 발생하는 것을 확인하였다.

Ch06 위치에서는 무도상 판형교 sine sweep 주파수 가진 시 진동가속도의 레벨은 최대 84dB, 최소 35dB이 발생하였으며 평균은 59.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교 의 경우에는 최대 70dB, 최소 18dB이 발생하여 평균은 44dB이 측정되어 무도상 판형교의 경우 보다 15.5dB의 진동가속도 레 벨이 평균적으로 작게 발생하는 것을 확인하였다. tapping machine 가진의 경우, 무도상 판형교에서는 진동가속도 레벨 이 최대 90dB, 최소 46dB 발생하였고 평균적으로는68dB로 측 정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우에는 최대 73dB, 최소 22dB이 발생하여 평균 47.5dB로 측정되었다.

Ch07의 위치에서도 Ch05, Ch06과 유사한 경향이 나타났 다. 무도상 판형교에 sine sweep 주파수 가진 시 진동가속도 레벨은 최대 82dB, 최소 29dB이 발생하였으며 평균은 55.5dB 로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우에는 최대 62dB, 최소 20dB이 발생하여 평균은 41dB이 측정되어 무도상 판형교의 경우 보다 14.5dB의 진동가속도 레벨이 평 균적으로 작게 발생하는 것을 확인하였다. Tapping machine 가진의 경우, 무도상 판형교에서는 진동가속도 레벨이 최대 92dB, 최소 35dB 발생하였고 평균은 63.5dB로 측정되었다. 레일매립궤도를 적용한 판형교의 경우에는 최대 67dB, 최소 25dB이 발생하여 평균 46dB로 무도상 판형교의 경우 보다 17.5dB의 진동가속도 레벨이 평균적으로 작게 발생하는 것을 확인하였다.

4.1 방사소음해석 개요

방사소음해석에서는 앞서 진동실험에 사용된 길이 5m의 무 도상 판형교와 레일매립궤도가 적용된 판형교를 대상으로 했으 며 사용한 해석 프로그램은 Simens Virtual Lab Ver. 13.7이고 BEM 모듈을 사용하였다. 기 수행된 진동실험 중 sine sweep 주 파수 가진에 의해 측정된 진동데이터를 BEM(Boundary element method) 해석모델의 경계조건으로 입력하여 해석을 수행하였 다.(Fig. 9(a), Fig. 9(b)). 또한 방사소음 발생 특성에 대한 분석을 위해 해석결과의 평가 영역을 Fig. 9(c) 및 Fig. 9(d)와 같이 설정하 여 주파수별 방사소 음해석을 수행하였다.

Fig. 9

Modeling for radiated noise analysis

4.2 해석 입력 자료

Simens Virtual Lab 프로그램은 방사소음해석을 위해 경계 조건으로 진동속도를 입력하게 되어 있다. 따라서 본 연구에 서는 sine sweep 주파수 가진에 의해 측정된 진동가속도 데이 터를 적분과정을 통해서 진동속도 데이터로 변환하고 방사소 음해석에 필요한 경계조건으로 입력하여 해석을 수행하였다. Fig. 10은 입력된 진동속도 데이터를 나타낸다.

Fig. 10

Vibration velocity measurement data obtained from radiated noise analysis

4.3 방사소음해석 결과

Fig. 11과 같이 각 위치별 소음레벨을 분석한 결과, 교량의 레일면 상부(P1) 위치에서는 레일매립궤도를 적용한 판형교 에 최대 41dB(A)가 발생하였고 무도상 판형교의 경우 최대 49dB(A)가 발생하여 최대 발생 소음 레벨을 기준으로 8dB(A) 의 소음감소를 확인하였다. 교량의 측면부(P2)에서는 레일매 립궤도를 적용한 판형교에 최대 44dB(A)가 발생하였고 무도 상 판형교의 경우 최대 50dB(A)가 발생하여 최대 발생 소음 레벨을 기준으로 6dB(A)의 소음이 감소하였다. 또한, 교량의 하부(P3) 위치에서는 레일매립궤도를 적용한 판형교에 최대 41dB(A)가 발생하였고 무도상 판형교의 경우 최대 50dB(A) 가 발생하여 최대 발생 소음 레벨을 기준으로 9dB(A)의 소음 이 감소하는 것으로 해석되었다.

Fig. 11

Radiated noise analysis results