2.1 지면의 진동

지표면을 전파하는 주된 진동파는 종파와 횡파 및 레일리파가 있는데, 이는 매질 입자의 진동 방향과 진행 방향이 일치하는 종파(P파, Primary wave)와 매질의 진동 방향과 파의 진행 방향이 직각을 이루는 횡파(S파, Secondary wave), 진동파의 진폭이 지표면에서의 깊이가 깊어짐에 따라 급격히 작아지는 레일리파(R파, Rayleigh wave)로 구분할 수 있다. 한편, 지표면에서 발파 작업 시, 발생하는 탄성파 에너지는 R파가 전체 에너지의 67%를 차지하지만, 횡파와 종파는 각각 26%, 7%로 탄성파 에너지가 작다. 따라서, Table 1과 같이 진동공해의 문제에 있어서는 R파가 가장 중요한 의미를 가지므로 R파를 감소시키는 것이 진동저감의 핵심이라 할 수 있다.

P파, S파, R파의 속도 관계는 포아송비($\nu$)에 따라 변화하는데, Fig. 1은 $\nu$=0.25의 경우에 대하여, 지상에서 원형의 충격을 가했을 때, 파의 전파 상황을 나타낸 것이다.

먼저, P파가 구면상으로 빠르게 전파되고, 뒤를 따라 S파가 P파와 동일한 구면파로서 전달되며, R파는 가장 늦게 원통파 형태로서 전달된다. P파는 매질의 체적변화에 대한 저항이 원인이 되어 생기는 파로서, 기체 중의 음파에 해당하는 압축파, 소밀파로도 불리며, 전파속도가 가장 빠른 특징이 있다. 또한, 파의 진폭은 지중에서는 거리 $r$에 반비례하여 감쇠하고, 지표면에서는 거리의 제곱 $r^{2}$에 반비례하여 작아진다.

한편, S파는 P파와 유사한 특징을 보이는데, 지표면에 연하여 S파가 전달될 때, 매질이 연직 방향으로 진동하게 되면서 발생하는 파를 SV파, 수평방향으로 진동하면서 발생하는 파를 SH파로 구별하기도 하며, 이러한 P파와 S파를 총칭하여 실체파라고 부른다.

지표면은 일반적으로 암석 및 토양의 종류에 따라 균일하지 않기 때문에 지면을 균일한 진동 전파매질로 생각할 수 없는 경우가 많다. 따라서, P파, S파, R파는 진동전파매질의 최대 입자속도의 감쇠 영향을 받아서 파의 속도가 달라진다. 또한, 표면파인 R파는 표면을 따라 전파하는데, 1~2파장 정도만 겨우 땅속으로 침투되므로, 지표면에서의 깊이가 깊어짐에 따라 진폭이 급격히 감소하는 특징을 보인다.

Fig. 1 Wave propagation condition in case of impact on ground

2.2 진동파의 거리감쇠

진동원으로부터의 거리 감쇠는 진동파의 종류나 지반의 상태 등에 따라 달라질 수 있는데, 일정한 지반에 대해서 진동파의 전달에 따른 에너지의 분산과 지반매질의 마찰에 따른 감쇠를 고려하여 식 (1)에 대입하여 계산할 수 있다.

여기서, $L_{r}$은 거리 $r$만큼 떨어진 점의 진폭, $L_{0}$는 거리 $r_{0}$만큼 떨어진 점의 진폭, $\lambda$는 지반의 감쇠정수, $n$은 표면파(1/2)이다.

3.1 실험계획

본 연구에 사용된 폴리머 콘크리트의 배합사항은 Table 3과 같으며, 플레인을 포함한 기본 시험체용 콘크리트의 배합사항은 Table 4와 같다. 실험사항으로 동특성은 주파수 응답함수와 동탄성계수를 측정하였다. 폴리머 콘크리트(이하, PC)는 에폭시를 주제와 경화제 5:1의 질량비로 혼합한 후, 골재 2, 에폭시 8의 비율로 혼합하여 제작하였으며, 골재는 규사로서 결정의 크기가 다른 4호(0.85~1.2 mm)와 6호(0.25~0.6 mm)를 1:2 질량 비율로 혼합하여 사용하였고, 폴리머 콘크리트는 혼합비를 20%로 하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 폴리머 콘크리트(^{Kim et al., 2020})는 물리적 특성으로 압축강도 56.2MPa, 휨강도 17.3MPa, 인장강도 9.1MPa였으며, 플레인 콘크리트의 경우는 압축강도 27MPa, 슬럼프 150mm, 공기량 4.5±1.5%의 레미콘 제품을 사용하였다.

3.2 사용재료

에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 A사 제품을 사용하였으며, 물리적 특성은 Table 6과 같다. 골재는 KS F 2567을 만족하는 조립율(F.M) 3.48, 1.71의 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 7과 같다. 본 실험에 사용된 폴리우레탄 패드 및 고무 패드는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 C사 제품을 사용하였으며, 물리적 특성은 Table 8과 같다.

3.3 시험체 제작 및 실험 방법

일반 콘크리트를 이용하여, Photo 1의 a)와 같이 가로 2.4m, 세로 2.0m, 높이 2.5m, 내부 벽체 두께 0.2m의 구조시험체를 제작하였다. 시험체 종류로 폴리머 콘크리트는 PC(Polymer Concrete), 폴리우레탄 패드는 PU_M(Polyurethane Mat), 고무 패드는 RU_M(Rubber Mat), CN(Plain)로 표기하였다.

폴리머 콘크리트는 형틀을 이용하여 b)와 같이 0.5x1.0m 크기로 제작하여, c)와 같이 구조시험체의 외부 벽면에 설치하였으며, PU_M, RU_M도 d)와 같이 부착하여 제작하였다.

한편, Photo 2 a) ,b)는 제작된 시험체를 설치하기 위한 지반 조성작업과 시험체 이동과정을 나타내며, 제작된 시험체는 c)와 같이 지반 내부에 안착시킨 후, d)와 같이 시험체 주변에 흙을 매립하여 시험체 주변에 지반을 형성하였다. e)는 PC, PU_M, RU_M이 부착된 시험체 및 CN을 포함한 시험체의 설치 현황을 나타내며, f)는 지반가진에 의한 진동측정용 센서 부착과정을 나타낸다. g)는 100kg의 하중추를 낙하시켜 가진하는 과정을 나타내며, h)는 본 시험에 사용된 지반가진기(APS 400 with APS 0412)로 각 위치에서 가진하는 과정을 나타낸다.

Photo 1 Production of test specimens

Photo 2 Experiment method

Photo 3 a) 는 본 실험에서 충격가진을 위해 100kg 무게로 300×300×600 크기이며, 일반적인 강철 재료를 이용하여, 제작하였다. b)는 본 실험에서 실제 지반진동을 모사하기 위해 도입한 가진장치(APS 400 with APS 0412)로 상세 사양은 Table 9와 같다.

무게추와 가진장치는 Photo 4와 같이 각 시험체로부터 2.0m 떨어진 위치에서 가진하며, 각 시험체의 진동가속도 및 주파수를 측정하기 위해, 가진 위치로부터 1.0, 2.0m 위치에 Sensor 1, 2를 설치하였다. 각각의 방진시스템이 부착된 콘크리트면 내측에 센서를 Photo 4와 같이 설치하였으며, 무게추에 의한 가진 시험의 경우는 도르레와 밧줄을 이용하여, 높이 1.5m까지 들어올린 후에, 목재 하중판(300×500×150mm)에 자유낙하시키는 방식으로 지반에 충격을 가하도록 하였다.

Photo 3 Excitation device for ground vibration measurement

Photo 4 Sensor installation to measure ground vibration

4.1 충격가진 방식에 따른 지반진동 특성

Photo 5 a)의 는 지반에 매립된 시험체로부터 수평으로 2.0m 및 높이 1.5m 위치에서 100kg의 추를 자유낙하시켜, 지반을 진동 가진하는 방식을 나타낸다.

Fig. 2는 충격가진에 의한 시험체 종류별 진동가속도를 나타낸 것으로, 시편의 감쇠능력을 시간응답으로 구하는 방법 중에는 Peak에서 다음 Peak로 넘어갈때 그 진폭의 크기를 통해 직관적으로 알아보는 방법이 가장 적합하다. 측정결과, PC는 진동가속도가 0.0054m/s$^{2}$로 에너지 흡수능력이 가장 컸으며, RU_M, PU_M, CN 순으로 작아지는 것으로 나타났다. CN의 경우 0.071m/s$^{2}$로 PC에 비해 진동가속도가 11배 이상 크게 나타나 진동저감성능이 제일 작은 것으로 나타났다.

Fig. 3은 Fig.2에 나타난 응답을 FFT(Fast Fourier Transform) 하여 주파수별 크기에 따라 나타낸 그래프로, 각각의 시험체에 대해 3회에 걸쳐 동일한 측정을 진행하였다. 측정결과, PC, PU_M, RU_M, 그리고 CN의 30~200Hz 범위에 대한 각 실험차수의 dB Sum 평균은 26.6, 33.4, 35.1, 46.1dB로 나타났다. PC의 경우, CN에 비해 20dB정도 줄어들었으며 다른 시편에 비해서도 7~9dB 더 우수한 진동저감 성능을 보였다. 이로써 패드재료에 형성된 기공의 감쇠성능보다 폴리머와 규사의 결합에 의한 성능이 더 우수한 것임을 확인할 수 있다.

Fig. 2 Vibration acceleration change by specimen type

Fig. 3 Autospectrum magnitude change by specimen type

Photo 5 Ground vibration measurement by impact load

4.2 동적가진 방식에 따른 지반진동 특성

Photo 4 b)의 는 CN을 포함한 PC, PU_M, RU_M 각각의 방진시험체가 부착된 시험체를 지반에 매립한 후, 시험체로부터 2.0m 떨어진 위치에서, 지반가진기(APS 400 with APS 0412)로 지반을 진동가진하는 방식을 나타낸다.

Fig. 4는 지반가진기에 의한 시험체 종류별 진동가속도를 구조전달음 관점 평가 방법 중 바닥충격음 평가 방법 KS F 2863과 비교 검토를 하기 위해 1/1 옥타브로 변환하여 나타내었다.

검토 결과 PC의 경우가 시공 벽체의 진동 수준이 가장 낮은 것으로 확인되었으며, 콘크리트 벽체인 CN과 비교할 경우, 63~125Hz 보다는 250~500Hz 대역에서 진동저감 성능이 더 큰 것으로 나타났다. 한편, 방진패드 중 RU_M은 250~500Hz 대역에서는 CN보다 더 높은 진동수준이 확인되어 적용 시 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 5는 지반가진기에 의한 시험체 진동가속도를 주파수별로 구분하여 나타낸 것으로, PC의 경우는 63~500Hz 전대역에서 진동가속도가 0.014~0.0004m/s$^{2}$로 가장 낮은 것으로 나타나, 진동저감 성능이 가장 우수한 것으로 확인되었다. PU_M의 경우는 63~125Hz 대역에서는 0.018~0.008m/s$^{2}$로 진동가속도가 다소 높은 경향을 보였으나, 250~500 Hz 대역에서는 PC와 유사한 경향을 보였다.

한편, RU_M은 PU_M과는 반대로 63~125Hz 대역에서는 진동가속도가 PC와 거의 유사한 성능을 보였으나, 250~500 Hz 대역에서 진동가속도가 0.0017~0.0034m/s$^{2}$로 CN보다도 큰 값을 보였다. CN의 경우는 진동가속도가 전 주파수대역에서 0.026~0.0016m/s$^{2}$로 대체적으로 높게 나타나, 진동저감 성능은 가장 낮은 것으로 확인 되었다. 따라서, 지반으로부터 전달되는 진동을 차단하기 위해서는 일반적인 콘크리트 구조체만으로는 원하는 성능을 얻기 어려우므로, 토압 등을 받는 상황에서의 지반진동 저감을 위해서는 폴리머 콘크리트와 같은 추가적인 방진시스템이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 4 Vibration acceleration by specimen type

Fig. 5 Vibration acceleration by frequency