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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.2 pp.58-66
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.2.058

Experimental Verification of a TMD based Vibration Mitigation Method for a Railroad Station Using a Bench Scale Structure

Yeonsoo Moon1, Minseu Kim2, Chanyoung Lee3, Yongsoo Ji4, Gyu-Sei Yi5, Sanghyun Choi6
1Researcher, Department of Eng. Research, ESCO RTS Co,. Ltd, Anyang, Korea
2Researcher, Institute of Railroad Convergence Technology, Korea National University of Transportation, Uiwang, Korea
3Chief Researcher, Department of Eng. Research, ESCO RTS Co,. Ltd, Anyang, Korea
4Director, Department of Eng. Research, ESCO RTS Co,. Ltd, Anyang, Korea
5Professor, Department of Civil Eng., Sunmoon Univ., Asan, Korea
6Professor, Department of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National Univ. of Transportation, Uiwang, Korea
Corresponding author: Choi, Sanghyun Department of Railroad Facility Engineering, Korea National University of Transportation, 157 Cheoldobangmulgwan-ro, Uiwang-si, Gyeonggi-do, Korea +82-31-460-0564, +82-31-462-8205schoi@ut.ac.kr
June 1, 2017 June 12, 2017 June 12, 2017

Abstract

Recently, measures for reducing noise and vibration of a railroad station are actively being developed to enhance its property value and comfort level of passengers. In this paper, the applicability of the recently developed vibration mitigation method utilizing a platform TMD (Tuned Mass Damper) by installing a spring-damper system beneath the platform is experimentally verified using a bench scale structure. The two-story bench scale structure is built to simulate a real railroad station, and vibration reduction effect is verified by comparing acceleration before and after applying the platform TMD at the 2nd floor of the structure. The design parameters of the platform TMD system is determined based on vibration analysis result and the MTMD (Multiple TMD) theory recently developed to enhance the effectiveness of the platform TMD method. The vibration is excited to the bench-scale structure using a vibrator. The performance test result for a spring-damper system is also presented. The result of the experiment reveals that the platform TMD method can reduce the vibration of the bench-scale structure by greater than 5dB(V).


Bench Scale 구조물을 이용한 TMD 기반 철도역사 진동저감 기법의 실험적 검증

문 연수1, 김 민수2, 이 찬영3, 지 용수4, 이 규세5, 최 상현6
1에스코알티에스 기술연구소 연구원
2한국교통대학교 철도융합기술연구소 연구원
3에스코알티에스 기술연구소 수석연구원
4에스코알티에스 기술연구소 이사
5선문대학교 토목공학과 교수
6한국교통대학교 철도인프라시스템공학과 교수

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    16CTAP-C098111-02

    1서 론

    국가 경제 발전으로 인하여 일부 도심지에 인구가 집 중되는 현상이 심화되고 있으며, 도심 지역에서는 교 통 문제가 빈번히 발생하고 있다. 이러한 교통 문제 를 완화하기 위해서는 정시성과 대량 수송성, 에너지 효율성 등의 장점을 갖춘 도시철도망 구축이 요구되 고 있으며, 현재 꾸준히 증가되고 있는 추세이다. 철 도는 도로 교통 산업에 비해 에너지 효율성 및 환경 에 대한 사회적 비용 등 경제적 가치가 뛰어날 뿐 만 아니라 타 교통 수단에 비해 지형, 생태 등 자연환경 에 대한 영향적인 측면에서도 많은 이점이 있다. 하 지만, 최근에 열차의 고속화 및 증편, 콘크리트 궤도 로의 점진적인 교체, 신설 및 개량 노선의 증가 등으 로 인해 소음 및 진동에 대한 민원 또한 증가하고 있 다. 특히, 역사내 공간 활용차원으로 위치한 백화점, 마트 등과 같은 다양한 상업 및 업무 시설에서 종사 하는 종사자들과 열차를 이용하는 이용객들로부터 역 사 환경에 대한 요구가 높아지고 있다(Koh et al., 2017). 이러한 역사 내 소음⋅진동 문제를 해소시키고 자 플로팅 궤도 등 궤도와 구조물에 적용할 수 있는 진동저감 공법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으 나, 과다한 시공 비용 및 열차 운행에 지장을 주는 한계로 제한적으로 적용되고 있다. 그러므로 철도 역 사 구조물의 구조 변경을 최소화하고, 경제적인 시공 이 가능한 진동 저감 방안이 필요한 상황이다.

    최근 승강장 하부에 스프링-감쇠시스템을 적용하 여 TMD(Tuned Mass Damper)화하고 철도역사의 진동을 저감하는 기법이 제안된 바 있다(Yoo, 2016; Kim et al., 2017). 이 연구에서는 승강장 TMD에 적 용되는 스프링-감쇠 시스템의 성능시험 결과와 Bench Scale 실험체를 이용하여 제안된 승강장 TMD 기술의 적용성을 검토한 결과를 제시하였다. Bench Scale 실험체는 철도역사 구조물을 모사하여 복층으로 제작하였으며, 열차 운행으로 인하여 발생하 는 진동은 가진기를 이용하여 작용시켰다. Bench Scale 실험체에 적용된 승강장 TMD는 상용프로그램 인 ABAQUS를 이용하여 작성한 해석모델과 최근 제 안된 MTMD(Multi TMD) 이론(Kim et al., 2017)을 적용하여 설계하였다. 승강장 TMD의 적용에 따른 진동 감소 효과는 2층 외측 슬래브의 가속도 비교를 통하여 검토하였다.

    스프링 강성 및 감쇠를 포함한 TMD 설계파라미터를 결정하기 위해 ABAQUS를 이용하여 제작한 수치해 석모델에 대한 자유진동해석을 수행하였다. Fig. 1은 해석모델이며, TMD 설계파라미터 결정을 위한 모달 응답은 응답크기가 가장 큰 중앙 슬래브(①)의 위치 의 값을 사용하였다(Fig. 2). 위치 ①의 모달 응답은 20.05Hz, 103.10Hz, 198.69Hz에서 크게 발생하였으며, Fig. 3은 각 주파수에서의 모드 형상이다. 구조물의 모달 응답을 감안하여 TMD의 설치 위치를 결정하였 으며 STMD(Single TMD)와 MTMD의 진동저감효 과를 비교하기 위하여 두 개의 승강장에 TMD를 설 치하는 것으로 설계하였다(Fig. 4). TMD 설계파라미 터는 최근 Kim et al.(2017)이 제안한 MTMD 이론 을 적용하여 결정하였다. j번째 모드에 대하여 TMD 의 질량비(μTMD)j, 강성(kTMD)j, 및 감쇠비(ξTMD)j에 대한 초기 값은 Eqs. (1)∼(3)을 이용하여 결정할 수 있다.(2)

    ( μ T M D ) j = φ j T T T D [ ( m T M D ) j ] T φ j φ j T m s t r φ j
    (1)

    ( k T M D ) j = ( m T M D ) j [ ( ω T M D ) j ] 2
    (2)

    ( ξ T M D ) j = 3 ( μ T M D ) j 8 [ 1 + ( μ T M D ) i ] 3
    (3)

    여기서, φjj번째 모드벡터, T 는 변환행렬, D[(mTMD)j]는 j번째 모드에 동조하는 TMD의 질량을 대각요소로 갖는 대각행렬, mstr 은 구조물의 질량이 다. TMD 설계파라미터는 다음 목적 함수를 이용하 여 최적화할 수 있다.(4)

    X R M S ( u ¨ t ) < e
    (4)

    여기서, X R M S ( u ¨ t ) 는 구조물 가속도 응답의 RMS (Root Mean Square)값이고 e는 설정된 목표 진동 값이다. 최적화된 TMD 시스템의 설계파라미터는 Table 1에 정리하였다.

    3마찰형 스프링-감쇠 시스템의 성능시험

    구조물의 변위 제어 등을 위하여 건물, 교량 등의 하 부에 적용되는 받침 시스템은 크게 고무를 주재료로 사용하는 탄성형과 마찰형이 있으나, 승강장 TMD는 진동감소를 위한 감쇠 및 탄성 조절이 용이한 마찰형 시스템을 기반으로 개발되었다. 승강장 TMD 시스템 에 적용되는 스프링-감쇠 장치는 수직 및 수평 스프 링과 상부 플레이트, 마찰 감쇠를 위한 EP블록 (Engineering Plastic Block)으로 구성된다. 수직 및 수평 스프링은 탄성 복원 거동을 위한 강성체의 역할 을 한다. 상부 플레이트의 경사면과 EP블록 경사면의 마찰 거동으로 감쇠 기능이 발휘되며, EP블록 경사면 의 기울기와 마찰계수에 따라 감쇠 성능을 조정할 수 있다. 또한, 수평 스프링의 교체가 용이하게 고안하여 스프링-감쇠 시스템의 요구 성능에 따라 장치의 강성 을 조절 가능하도록 설계하였다. 외부로부터 가해지는 하중은 상부 플레이트 및 EP블록의 경사면의 각도와 수직 및 수평 스프링의 강성, 마찰계수, 변위의 관계 로부터 거동방정식이 구성되며 Eq. (5)와 같이 나타 낼 수 있다(Choi et al., 2012).

    P = [ k c + 2 k s S 2 2 S μ ] z
    (5)

    여기서, P는 연직방향 하중, kc는 수직 스프링의 강성, ks는 수평 스프링의 강성, μ는 EP블록의 마찰 계수, S 는 상부 플레이트 및 EP블록의 경사면 기울 기, z는 작용되는 하중에 대한 연직 변위량이다. 설계 된 마찰형 스프링-감쇠 장치의 모델 및 시제품 사진 은 Fig. 5와 같다.

    설계 제작된 마찰형 스프링-감쇠 시스템의 성능을 확인하기 위해서 정적 및 동적 시험을 수행하였다.

    장치의 기본 특성인 강성을 확인하기 위한 정적 시험 은 2kN/sec 미만의 가력 속도로 특성 시험을 진행하 였다. Fig. 6과 같이 설계 식으로 산출된 거동 그래프 와 설계된 마찰형 스프링-감쇠 장치의 거동을 비교하 였으며, 장치의 강성은 약 4% 정도의 오차가 발생하 는 것을 확인하였다. 이는 스프링의 강성이 설계치보 다 작게 제작되어 발생한 것으로 보이며 스프링의 제 작 오차 범위인 ±10%를 만족한다. 또한, 장치의 동적 거동을 확인하기 위해 동적 시험을 진행하였다. 보통 열차 진출입시 역사 내에서 발생되는 진동수 범위는 약 4Hz∼21Hz정도이다. 열차에 의해 역사 내에 발생 되는 진동수 범위에 대한 동적 거동의 변화를 확인하 기 위해 주파수별 시험을 진행하였다. 동적 하중에 의한 장치의 강성 및 감쇠비는 Eqs. (6)과 (7)로 도출 할 수 있다. 여기서, 강성은 장치 설계의 용이성을 고 려하여 압축 거동시의 하중-변위 관계로부터 도출되 는 값으로 결정하였다. 각 시험 주파수별 시험 변수 에 따른 장치의 강성 및 에너지 소산량(Energy Dissipation of Cycle, EDC), 감쇠비는 Table 2에 정 리하였다.

    k = F c , max F c ,  min d c ,  max d c ,  min
    (6)

    k

    : Compressive Stiffness

    Fc,max

    : Compressive Maximum Load

    Fc,min

    : Compressive Minimum Load

    dc,max

    : Compressive Maximum Displacement

    dc,min

    : Compressive Minimum Displacement

    β = A r e a o f E D C 2 π k d 2 × 100 ( % )
    (7)

    β

    : Damping Ratio (%)

    d

    : Range of Vertical Displacement

    장치의 강성은 각 진동에 대해 거의 일정하며 설 계 강성과의 오차율은 약 5% 이내인 것을 확인하였 다. 감쇠비의 경우에는 진동수가 증가할수록 커지는 경향을 확인하였으나, 속도를 일정하게 유지하고 변위 를 줄여 가진 주파수를 조정하는 시험 조건에 대해 장치의 강성이 일정한 것을 보아 하중-변위 관계의 이력 거동 특성으로 인한 것으로 판단된다. 즉, 동적 거동

    시에도 장치의 특성이 유지되므로 구조물에 장치 를 적용하였을 때의 거동 예측 및 설계에 문제가 없 을 것으로 판단된다.

    4Bench Scale 실험

    4.1개요

    실제 역사에 마찰 스프링-감쇠 장치를 적용하여 검증 하기에는 어려움이 있기 때문에 Bench Scale 실험체 를 제작하였다. 실험체는 실제 역사의 진동 전달 경 로를 구현하기 위해 실제 역사와 유사하게 복층으로 제작된 Bench Scale 구조체 및 8개의 승강장 블록과 승강장 기초 사이에 설치된 마찰형 스프링-감쇠 장 치, 실제 역사에 부설된 궤도를 모사하기 위한 콘크 리트 판으로 구성되어 있다(Fig. 7). Bench Scale 철 도 역사 실험체의 제원은 다음 Table 3과 같다.

    4.2실험 방법

    스프링-감쇠 시스템의 적용에 따른 진동 저감 효과를 비교하기 위한 가진 실험을 진행하였다. 실제 열차가 이동하거나 멈췄을 때 발생하는 진동을 모사하기 위 해 가진기 내부 혹은 외부의 이동 질량에서 발생하는 관성력으로 가진하는 관성 질랑형 가진기(Electro Magnetic Actuator Inertial Mass, EMAIM)를 사용 하였다(Fig. 8). 가진기의 용량은 최대 500N이며 10Hz에서 500Hz까지의 넓은 주파수 범위를 작동시킬 수 있는 특성을 가지고 있다. 가진기는 콘크리트 궤 도부로 모사된 패널 위에 Fig. 8 및 Fig. 9와 같이 설 치하였으며, 가진에 의해 발생되는 가속도를 검출하기 위해 스프링-감쇠 시스템을 적용할 승강장 밑 부분 및 슬래브 외측 등 진동이 전달되는 경로로 예상되는 곳에 가속도계 6개를 Fig. 9와 같이 설치하였다. Table 4는 실험에 대한 가진 조건이며 스프링-감쇠 시스템의 적용 유무에 따른 특성을 파악하기 위해 구 조물의 고유주파수(Fig 3 b))와 가진기의 성능이 안 정화된 구간(Fig 8 b))을 고려하여 20Hz에서부터 110Hz까지 10Hz의 간격으로 총 10가지의 가진 조건 을 고려하여 실험을 진행하였다.

    4.3실험 결과

    보통 열차에 의한 진동은 궤도부 전체에 걸쳐 발생하 나, 가진기를 이용하는 실험 여건상 진동 전달이 용 이한 특정 위치를 선정하여 실험을 진행하였다. 가진 부 슬래브(①)와 스프링-감쇠 시스템이 적용될 승강 장 하부(②, ③) 및 슬래브 외측(④), 가진원 반대편 슬래브(⑤), 가진원 반대편 슬래브 외측(⑥)에 설치된 가속도계의 응답 가속도를 측정하였다. Table 5는 측 정된 응답 가속도의 실효값으로부터 산출된 진동 분 석 결과이며, 스프링-감쇠 시스템의 적용 유무를 NonTMD와 STMD, MTMD로 구분하였다. STMD 는 Fig. 4의 TMD-2(Fig. 9에서 ③ 위치의 승강장) 만을 TMD화 시킨 경우이며 MTMD는 Fig. 4의 TMD-1과 TMD-2(Fig. 9에서 ②, ③ 위치의 두 승 강장)를 TMD화 시킨 경우이다. STMD ②∼⑥, MTMD ②∼⑥은 각 측정 위치에서 TMD 적용 유무 에 따른 진동 저감량이며 궤도 패널의 영향으로 가진 력을 정확히 파악하기가 어렵기 때문에 가진부에 가 까운 슬래브(①)에서 측정된 값을 기준으로 각 실험 조건에 대해 비교 분석을 진행하였다. NonTMD의 경 우에는 전반적으로 가진부의 진동 크기 대비 각 계측 부에서 그대로 전달 또는 증폭되는 경향을 보이고 있 다. STMD 및 MTMD에서는 70Hz, 80Hz와 같은 특 정 주파수 대역을 제외하고 가진부 중앙 슬래브(①) 보다 진동 전달 경로인 슬래브 외측(④)에서 진동이 증폭되는 경향을 보이나, 진동 전달 경로 상에 위치 한 TMD 승강장 하부 가속도는 감소한 것으로 보아 구조물 고유 모드의 영향을 가장 크게 받는 부분으로 판단되며, 추후 세밀한 구조물의 고유 모드 분석을 통해 특정 주파수의 모드 형상에 따른 가속도의 증폭 여부에 대해 확인해야할 필요가 있다. Fig 10은 진동 수에 따른 진동 저감량을 각 측정 위치에서 비교한 결과이다. STMD에서는 30Hz, 60Hz, 110Hz에서 증 폭되는 경향을 확인하였으며, MTMD에서는 40Hz, 60Hz, 110Hz에서 확인하였다. 이는 스프링-감쇠 시스 템이 구조물의 강성에 기여하고 볼트 연결이 되어있 는 궤도부 패널의 공진으로 인한 영향으로 보인다.

    하지만, 전반적으로 스프링-감쇠 시스템이 없는 NonTMD에 비하여 스프링-감쇠 시스템이 적용된 STMD, MTMD의 진동이 상당량 저감되는 것을 확 인하였다. 특히, STMD의 70Hz에서는 슬래브 외측에 서 약 5dB(V)정도 저감되었으며 스프링-감쇠 시스템 이 적용된 승강장 하부(③)에서는 약 9dB(V)정도 저 감된 것을 확인하였다. 또한, MTMD의 70Hz에서는 슬래브 외측에서 약 10dB(V)이상 저감되었으며, 스프 링-감쇠 시스템이 적용된 승강장 하부(②, ③)에서는 4dB(V), 9dB(V) 이상 감소하였다. 이러한 결과로부 터 스프링-감쇠 시스템의 주파수와 가진 주파수가 동 조되어 진동이 크게 저감된 것으로 판단된다. Fig. 11 은 각 Hz에서 STMD와 MTMD의 진동 저감량에 대 한 결과를 비교 분석한 그래프이다.

    STMD와 MTMD는 전반적으로 거의 유사한 거 동을 보이는 것을 확인하였다. 그러나, Fig. 11(c)에서 70Hz의 진동 저감 성능이 약 2배 이상 차이나는 것 을 확인하였으며, Fig 11(d), (e)에서도 진동 저감량이 현저히 차이나는 것을 확인하였다. Fig 11(b)에서 70Hz의 진동 저감 성능은 동일하지만 Fig 11(a)에서 70Hz의 진동 저감 성능이 차이나는 것을 보아 TMD 거동에 의해 진동이 저감되는 것을 확인할 수 있으며, MTMD가 STMD보다 TMD에 의한 진동 저감 효과 를 더 크게 볼 수 있는 것으로 판단된다.

    5결 론

    이 연구에서는 철도역사의 진동 저감을 위하여 최근 개발된 승강장 TMD 기법의 진동저감 성능을 Bench Scale 실험체를 이용하여 검토하였다. 또한, 승강장 TMD에 적용된 스프링-감쇠 시스템에 대한 성능시험 을 수행하고 결과를 제시하였으며, 가진기를 이용하여 승강장 TMD 유무에 따른 진동 실험을 수행하고, 결 과 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 승강장을 TMD화하여 역사에 적용시 가진부 슬래브의 진동에는 효과가 적었으나, 실험 모형의 고 유 주파수 대역으로 예상되는 70Hz 가진시에는 가진 부 슬래브 대비 승강장을 통과한 위치에서의 응답이 5dB(V) 이상 저감되었다. 이는 승강장 TMD의 동조 질량감쇠기 효과로서, 슬래브로부터 전달되는 경로에 서 진동 절연효과가 발휘된 것으로 판단된다.

    • 2) 일부 주파수 대역에서는 크지는 않지만 가진부 대비 증폭된 응답이 발견되었으며, 이는 실험 중 안 전을 위해 승강장-슬래브간, 궤도패널-슬래브간 체결 조건을 강결함에 따른 강성 증가 및 스프링-감쇠 장 치 연결에 따른 강성 변화 등에 기인되어 공진대역이 발생된 것으로 판단된다.

    • 3) STMD와 MTMD 적용 유무에 따라 승강장 하부의 진동이 차이를 보였으며, 외측 슬래브 및 반 대편 슬래브, 반대편 외측 슬래브에서 진동 저감량의 차이가 현저한 것을 보아 STMD보다 MTMD를 적 용하였을 때 훨씬 더 큰 효과를 확인할 수 있는 것으 로 판단된다.

    • 4) 승강장 TMD화에 의해 특정 주파수 대역에서 진동 전달 경로의 진동이 저감됨에 따라 열차 궤도부 를 중심으로 양측에 승강장이 있는 역사 형식에서 보 다 큰 진동 저감 효과를 발휘할 수 있는 기술로 판단 된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비 지원(16CTAP-C098111-02)에 의해 수행되었 습니다.

    Figure

    KOSACS-8-58_F1.gif

    Numerical model for a bench scale structure

    KOSACS-8-58_F2.gif

    Frequency domain modal response at ①

    KOSACS-8-58_F3.gif

    Mode shapes

    KOSACS-8-58_F4.gif

    Locations of TMDs

    KOSACS-8-58_F5.gif

    Friction type spring-damper device

    KOSACS-8-58_F6.gif

    Load-displacement curve of static test

    KOSACS-8-58_F7.gif

    Bench scale structure

    KOSACS-8-58_F8.gif

    Shape, characteristics and installation of the shaker

    KOSACS-8-58_F9.gif

    Location of accelerometer and shaker

    KOSACS-8-58_F10.gif

    Comparison of vibration reduction

    KOSACS-8-58_F11.gif

    Vibration reduction comparison of STMD with MTMD

    Table

    Optimized TMD system design parameter

    Dynamic load test result

    Dimension of bench scale specimen

    Experimental condition

    Result of bench scale test

    Reference

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