KR100256667B1 - 폐타이어를이용한철도방진장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

철도방진장치

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 폐타이어 조각편을 이용하여 철도진동을 감쇠시키는 철도방진장치를 제공함에 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 상부면에 소정 깊이의 함몰 구간이 형성된 지반층; 상기 지반층의 함몰구간 상부에 설치되며 철도의 궤도를 부설하기 위한 노반층; 상기 지반층의 함몰 구간에 소정크기의 폐타이어 조각편이 다수 포설되어, 상기 노반층의 하단 외주면 가장자리에 소정폭 크기의 표면 노출부를 형성하여 상기 노반층을 타고 전파되는 표면파를 제거하는 진동흡수층; 상기 노반층 상부에 설치되며 소정 공극을 가지는 자갈쇄석층; 및 상기 자갈쇄석층 상부와 레일 사이에 설치된 침목을 포함하는 철도방진장치를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 폐타이어 조각을 이용하여 진동저감재로 사용하므로서 지상 또는 지하 구조물의 균열 등을 방지할 수 있으며, 폐타이어를 대량으로 소비하여 심각한 환경 문제로 대두되고 있는 폐타이어의 환경 오염 피해를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

Description

폐타이어를 이용한 철도방진장치{RAILROAD VIBRATION-ABSORBER USING A USED CAR}

본 발명은 철도 및 철도에 인접한 도로상에서 열창의 운행으로 발생되는 진동을 감소시키는 철도방진장치에 관한 것으로, 특히 철도상의 진동을 최대한 저감시키고 시공성과 경제성이 우수한 폐타이어 조각편을 활용한 철도방진장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열차 주행시 차륜과 레일의 동적인 상호작용 및 마찰로 인하여 발생된 진동 및 소음이 레일과 궤도시스템을 거쳐 지반에 가해지는데, 이에따라 지반을 통해 수진구조물의 기초지반에 전달되는 철도진동은 지상 및 지하에 위치한 각종 구조물에 전파시켜 구조적인 손상을 일으킬 수 있다. 또한, 진동에 예민한 기계류 또는 전기·전자제품에 오작동 등의 기능장애를 유발하여 경제적인 손실을 가져올 뿐만 아니라, 철도 주변의 진동이 미치는 건물(이하 수진구조물 이라함) 등에서는 철도 진동으로 인해 구조물에 균열을 발생시키거나 인체 및 가축 등에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다.

상기의 진동에 의한 영향을 평가하기 위해서는 수진구조물이나 사람 또는 가축 등 대상체에 미치는 영향을 평가하여 진동허용 규제치를 상회하는 부분에 대해서는 진동저감량을 산정하고, 이에 필요한 진동저감대책을 마련해야 한다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 종래에는 진동을 차단하거나 저감시키기 위한 대책으로 진동원 자체의 발생을 억제하는 방법, 전파경로에서 진동을 차단하는 방법, 진동원의 발생을 제어하기 어려운 경우 수진점에서 진동유입을 차단하는 방법 등이 제안되어 있다.

그중에서 진동원 자체의 발생을 억제하는 방법이 가장 적극적이고 효과적인 방법이며, 수진점에서 진동유입을 차단하는 방법은 소극적인 방법이라 할 수 있다. 또한 진동에너지가 확산하는 곳에서는 대규모 대책을 수립해야 하므로 가능한 한 발생원 가까운 곳에서 진동 방지대책을 수립하는 것이 효율적이다.

기존의 철도방진공법중 진동원 자체의 진동 발생을 억제시키는 방법으로 널리 쓰이고 있는 것은 레일이음 용접, 장대레일 사용, 레일 체결구패드, 침목패드, 도상매트, 방진 슬래브패드 등이 있으나, 유지보수 및 시공이 어려운 문제점을 내포하고 있다.

또한, 전파경로에서 진동을 차단하는 방법은 가진원과 수진점 사이의 진동전파 경로상의 지반내에 응력파 저항특성이 다른 재료를 이용한 이질 매질층을 설치함으로써 진동파의 간섭, 산란, 흡진, 반사현상을 이용하여 이질층 경계에서 투과에너지를 감소시킴으로써 수진구조물 쪽으로 전달되는 진동파를 저감시킬수 있도록 하며, 이러한 목적으로 설치되는 차단구조물은 진동에너지의 대부분을 차지하는 레일리(raylieigh)파가 수진점(구조물, 인체, 정밀장비 등)에 미치는 영향을 감소시키기 위해 사용된다.

이와 같이 전파경로에서 진동을 차단하는 방법으로 가장 대표적인 구조물은 개방식 방진구로서, 지반을 참호(trench)(19) 형태로 일정 깊이까지 파내고 굴착된 공간의 공기층 자체를 하나의 이질층으로 이용하여 표면파 에너지의 대부분을 반사시켜 방진효과를 얻는 방법이 진동을 차단하는 데는 가장 효과적이나, 이와 같은 방법은 굴착벽의 함몰로 시공깊이에 제약이 있어 적용에는 한계가 따르는 문제점이 있고,상기 개방식 방진구에는 도 1에 도시한 바와같이 벤토나이트액, 스티로폴, 벤토나이트 시멘트 등과 같은 이질재(18)를 채워서 시공하는데 경제성과 시공이 복잡한 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 폐타이어 조각편을 진동저감재로 지반에 포설하여 철도진동을 저감시키는 철도방진장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 심각한 환경 문제로 대두되고 있는 폐타이어를 대량 소비하여 환경오염의 피해를 줄이는 철도방진장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 철도방진장치의 구성을 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 폐타이어를 이용한 철도방진장치의 일실시예 구성을 나타낸 단면도.

도 3은 현장모형실험에 의한 폐타이어층과 흙지반의 롤러 진동에 대한 거리별 최대 입자속도(Peak Particle Velocity:PPV)를 나타낸 그래프도.

도 4는 발파실험에 의한 폐타이어층과 흙지반의 발파진동에 대한 거리별 최대입자 속도(Peak Particle Velocity:PPV)를 나타낸 그래프도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 폐타이어층 12 : 노반

13 : 자갈 또는 자갈쇄석층 14 : 침목

15 : 레일 16 : 지반

17 : 수진구조물 18 : 이질재

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부면에 소정 깊이의 함몰 구간이 형성된 지반층; 상기 지반층의 함몰구간 상부에 설치되며 철도의 궤도를 부설하기 위한 노반층; 상기 지반층의 함몰 구간에 소정크기의 폐타이어 조각편이 다수 포설되어, 상기 노반층의 하단 외주면 가장자리에 소정폭 크기의 표면 노출부를 형성하여 상기 노반층을 타고 전파되는 표면파를 제거하는 진동흡수층; 상기 노반층 상부에 설치되며 소정 공극을 가지는 자갈쇄석층; 및 상기 자갈쇄석층 상부와 레일 사이에 설치된 침목을 포함하는 철도방진장치를 제공한다.

또한, 상부면에 소정 깊이의 함몰 구간이 형성된 지반층; 상기 지반층 상부에 설치되며 철도의 궤도를 부설하기 위한 노반층; 상기 노반층 상부에 설치된 자갈 또는 자갈쇄석층; 및 상기 자갈 또는 자갈쇄석층 상부와 레일 사이에 설치된 침목을 포함하는 철도방진장치에 있어서, 상기 노반층에서 소정 거리 만큼 이격된 수진구조물 주위의 지반에 소정 크기로 함몰된 진동흡수층이 형성되며, 상기 진동흡수층에 폐타이어 조각편이 포설된 방진구조체를 더 포함하는 철도방진장치가 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 폐타이어 조각을 이용한 철도방진장치의 일실시예를 설명하기로 한다.

도 2를 참조하여 본 발명의 구조를 설명하면, 철로를 지반(16)위에 가설할 때 지반의 소정 부분을 함몰시킨후 함몰된 부분에는 철도 진동을 감쇠시키기 위한 이질재료인 폐타이어 조각편을 소정 크기로 절단하여 적층한 폐타이어층(11)을 포설한 후, 그 상부에는 철도 궤도를 부설하기 위한 노반층(12)을 설치하며, 그 상부에는 진동을 흡수하는 자갈 또는 자갈쇄석층(13)을 소정 폭으로 포설한 후에 침목(14)과 레일(15)을 설치하는 구조로 되어있다. 이때 상기 폐타이어층(11)은 노반층을 타고 전파되는 표면파를 제거하기 위해 50∼80cm의 폭이 표면에 노출되게 노출부(A)를 두어 표면파를 상기 노출부로 유도하여 공기중으로 전파시킨다. 즉, 열차가 레일위를 운행함으로써 발생되는 각종 소음과 진동이 상기 레일(15)의 하부에 형성된 상기 자갈쇄석층(13)에 1차적으로 전달되게 되고, 상기 자갈쇄석층(13)에 전달된 진동과 소음은 상기 자갈쇄석층(13)사이에 형성된 소정의 공극 사이를 통과하면서 서로 상쇄되어 1차로 흡수되는 것입니다. 또한, 상기 자갈쇄석층(13)을 통과하면서 흡수되지 않은 잔여의 진동과 소음은 상기 노반층(12)을 통해 탄성체인 폐타이어 조각편으로 형성된 상기 진동흡수층(11)에 전달되어 2차로 흡수되어 신뢰성 있게 열차의 운행으로 유발되는 각종 진동과 소음을 괴멸시킬 수 있는 것입니다. 또한, 상기 진동흡수층(11)에 소정길이 만큼 대기와 접하는 노출부(A)가 형성되어 상기 노반층(12)을 타고 전파되는 표면파까지 상기 노출부를 통하여 공기중으로 전파하여 열차의 운행으로 인한 각종 진동과 소음을 확실히 제거할 수 있는 것입니다.

그리고, 본 발명에 따른 폐타이어 조각편을 이용한 진동 저감방식에는 진동방지층 포설방식과 방진벽체 방식으로 구분할 수 있으며, 진동방지층 포설방식은 철도노반 하부에 20∼50cm의 폐타이어 조각편층을 두어 철로 및 노반을 거쳐 인가되는 진동을 탄성체인 폐타이어 조각편에서 진동파 에너지를 흡수시켜 진동을 감소시키는 방법이다. 상기와 같은 방법은 폐타이어층을 진원에 가깝게 설치하여 진동파에너지의 발산량을 줄이는 방법이다.

그리고, 방진벽체 방식은 수진부 및 철도주변에 방진벽을 굴착하고 채움재인 폐타이어 조각편을 채워 지반을 매개로 하여 전파되는 진동을 감소시키는 방법으로, 상기와 같은 방법은 폐타이어층이 진원에서 떨어져 진동저감이 요구되는 수진부에서 진동을 막는 방법이다.

한편, 시공시 본 공법의 적용에 주의할 점은 진동방지층 포설방식의 경우 폐타이어 조각층 포설후 철도노반에서, 지름이 30cm의 재하판(載荷板)을 사용하여 실시하는 시험인 평판재하시험(plate bearing test)에 의한 K₃₀값이 7kg/cm³이상이 되도록 요구하며, K₃₀값이 7kg/cm³미만일 경우는 폐타이어층의 포설두께를 고려한 양질의 성토 재료를 일정 높이로 포설하여 철도규정에서 허용하고 있는 허용기준치 이상으로 해야만 안정적이고 신뢰성있는 철도노반이 될 수 있는 것으로, 상기 조건을 만족하는 충분한 지지력이 확보되는가를 평판재하시험을 통하여 평가하여야 한다.

그리고, 상기와 같은 방진벽체 방식의 경우는 지반 깊이별 진동의 전파특성을 고려하여 현장여건에 맞는 방진벽체의 높이와 폭을 결정하여야 하는데 상기 방법의 가장 큰 장점은 기존 철도방진장치에 비해 시공성이 뛰어나며 폐타이어를 가로×세로가 5∼10cm 정도의 크기로 절단만하는 공정으로 제품을 생산하므로 특별한 가공기술이 필요치 않으며, 추가의 특별한 장비가 필요없이 기존 장비를 이용하여 수진부 및 철도 주변의 장진에 적용하면 된다.

한편, 폐타이어 조각층의 진동저감효과를 분석하기 위하여 실제 철도노반과 유사한 철도 모형노반을 제작하여 실험한 모형실험은 철도 원형모델과 가장 유사한 형태를 만들기 위해 철도규정을 만족하는 폐타이어 조각층 포설단면의 결정, 철도차량과 유사한 주파수 대역을 갖는 가진원의 선정, 선정된 가진원에 의한 원형 철도 성토체와 유사한 형태를 보이는 성토체 단면 설정 등에 대한 조사 분석의 바탕위에서 수립되었고, 가진원의 선정은 국내 철도차량의 진동 주파수 대역인 20∼40Hz의 범위를 갖는 11t 진동롤러로 선정하였으며, 이때 측정된 탁월주파수 대역은 진동의 강약 조절에 의해서 20∼33Hz로 나타나 철도차량의 탁월주파수 대역과 유사한 것으로 평가되었다. 폐타이어 조각편층의 철도진동저감 평가는 선정된 가진원을 이용하여 토사 모형체와 폐타이어 모형체 2종을 성토하여 진동의 크기를 변화시켜 가며, 각 주파수 대역별 진동저감효과와 거리감쇠 효과를 동시에 측정하여 비교 분석하였다.

도 3에서는 현장모형실험에 의한 폐타이어층과 흙지반의 롤러진동에 대한 거리별 최대입자속도(PPV)를 도시한 것으로서 흙지반만을 투과한 진동과 폐타이어층을 투과하여 저감된 진동의 차이를 보여준다. 도 3에서 보듯이 진동은 대략 5m까지는 급격한 감소추세를 보이다가 그 이후에는 완만한 경향을 보이며, 현장계측 결과인 철도 원형지반의 감소 추세와 유사한 추세를 나타내어 실물 모형성토체의 제작이 잘 이루어 졌음을 알 수 있다.

특히, 폐타이어 조각층에 의한 진동저감효과는 가진원으로부터 3m인 지점에서 23Hz일 때 폐타이어 조각층을 20cm 포설한 경우 16%, 폐타이어 조각층을 50cm 포설한 경우 24%, 33Hz 일 때 폐타이어 조각층을 20cm 포설한 경우 30%, 폐타이어 조각층을 50cm 포설한 경우 36%로 평가되어 폐타이어 조각층의 진동저감은 진동수 33Hz 일 때가 진동수 23Hz 일 때 보다 더 효과적인 것으로 평가되었다. 이러한 폐타이어의 진동저감 효과는 폐타이어의 재료 특성에 기인한 것으로 가진원에 의해 진동이 작용했을 때 폐타이어 성토체내에서는 마찰과 진동에 의해서 외력에 의한 에너지가 소산되고, 이때 폐타이어와 같은 감쇠특성을 가진 재료는 진동의 소산에 효과적이라는 것을 의미한다. 상기 내용을 표 1을 이용하여 요약하면 다음과 같다.

진동수	No-tire층의최대입자속도(mm/sec)	폐타이어층의최대입자속도(mm/sec)	진동저감효과
		20cm층	50cm층	20cm층	50cm층
23Hz	9.50	7.98	7.22	16%	24%
33Hz	12.00	8.40	7.68	30%	36%

또한, 폐타이어 포설두께에 따른 감쇠정도는 실험대상 주파수에서 포설두께가 20cm인 경우에는 16∼30%로 되고, 50cm인 경우에는 24∼36%로 포설두께가 클수록 효과적인 것으로 판명되었고, 따라서 폐타이어 조각을 활용한 철도방진공법은 철도진동저감에 큰 효과가 있다.

그리고, 철도노반 하부에 폐타이어층을 포설하는 방식은 신설 철도에서 사용이 유용하고, 기존 철도주변의 수진구조물의 방진을 위해서는 폐타이어층 포설방식 보다는 진동원과 수진구조물 사이에 방진벽을 형성하는 방진벽 포설방식이 더 효율적이다.

그리고 도 4는 발파진동에 의한 거리별 최대입자속도(PPV)를 나타낸 것으로서, 상기와 같은 방진벽 포설방식을 터널 진입부의 발파현장에 폐타이어 조각편을 포설하여 발파시 진동을 계측하여 진동저감효과를 분석하였는데, 대략 50m까지는 급격한 감소 추세를 보이다가 그 이후에는 완만한 형태로 나타낸다. 상기의 발파진동이 폐타이어 통과지점에서 폐타이어가 포설되지 않은 원지반과 폐타이어층이 포설된 지반의 최대입자속도는 각각 40.0mm/sec, 34.5mm/sec로 평가되어 그 진동저감효과가 그리 크지 않는 것으로 나타났으나, 각 방향별 폐타이어층에 의한 진동저감효과는 거리에 따른 감쇠효과를 무시하고 볼 때 대략 22%(횡방향 입자속도의 경우 34%) 정도로 평가되어 폐타이어가 발파진동의 저감에도 효과적인 것으로 평가되었다.

이상에서 설명한 폐타이어 조각편을 이용한 철도방진장치는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐타이어 조각을 이용한 철도방진장치는 폐타이어 조각을 진동저감재로 사용하므로써 지상 또는 지하 구조물의 균열 등을 방지할 수 있으며, 경제성이 뛰어난 폐타이어를 대량으로 소비하여 심각한 환경 문제로 대두되고 있는 환경 오염 피해를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

Claims (8)

1. 상부면에 소정 깊이의 함몰 구간이 형성된 지반층;

   상기 지반층의 함몰구간 상부에 설치되며 철도의 궤도를 부설하기 위한 노반층;

   상기 지반층의 함몰 구간에 소정크기의 폐타이어 조각편이 다수 포설되어, 상기 노반층의 하단 외주면 가장자리에 소정폭 크기의 표면 노출부를 형성하며 상기 노반층을 타고 전파되는 표면파를 제거하는 진동흡수층;

   상기 노반층 상부에 설치되며 소정 공극을 가지는 자갈쇄석층; 및

   상기 자갈쇄석층 상부와 레일 사이에 설치된 침목

   을 포함하는 철도방진장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 진동흡수층은 노반층과 진동흡수층 사이에 7Kg/cm³이상의 재하하중을 견딜 수 있는 성토재하층이 더 형성된 철도방진장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 진동흡수층은 5∼10cm의 크기의 폐타이어 조각편을 절단하여 형성된 철도방진장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 노반층에서 소정거리만큼 이격된 수진구조물 주위의 지반에 형성된 함몰구간과, 상기 함몰구간에 소정크기의 폐타이어 조각편을 충진시킨 제2 진동흡수층을 더 포함하는 철도방진장치.
5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 진동흡수층은 20 ~ 50 Cm의 깊이로 포설되며, 상기 표면노출부의 폭은 50 ~ 80 Cm를 갖는 철도방진장치.
6. 상부면에 소정 깊이의 함몰 구간이 형성된 지반층;

   상기 지반층 상부에 설치되며 철도의 궤도를 부설하기 위한 노반층;

   상기 노반층 상부에 설치된 자갈 또는 자갈쇄석층; 및

   상기 자갈 또는 자갈쇄석층 상부와 레일 사이에 설치된 침목을 포함하는 철도방진장치에 있어서,

   상기 노반층에서 소정 거리 만큼 이격된 수진구조물 주위의 지반에 소정 크기로 함몰된 진동흡수층이 형성되며, 상기 진동흡수층에 폐타이어 조각편이 포설된 방진구조체를 포함하는 철도방진장치
7. 제 6항에 있어서,

   상기 진동흡수층은 소정 크기의 폐타이어 조각편을 충진시켜 이루어진 철도방진장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 진동흡수층은 5∼10cm의 크기로 절단되어 이루어진 철도방진장치.

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