KR101932039B1 - 철도 승강장 설치구조와 이를 갖는 철도 역사 및 철도 승강장의 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열차 통과 시 역사구조물에 발생하는 진동이 이중의 진동감쇠 과정 또는 이중동조질량감쇠 과정을 거쳐 감소되는 것과 동시에 철도 승강장 표면부재의 진동은 최소화할 수 있는 이중동조질량감쇠 기법이다.
상기 철도 승강장을 이용한 철도 역사구조물의 진동감소 방법은 철도 역사구조물의 유한요소해석모델을 정하는 과정, 상기 유한요소해석모델을 이용하여 (또는 실제 철도 역사구조물에서 측정한 응답을 이용하여) 철도 역사구조물 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하는 과정 및 시간이력해석을 통하여 상기 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 과정을 포함한다.
상기 철도 승강장을 이용한 철도 역사구조물의 진동감소 방법은 철도 승강장 설치구조의 유한요소해석모델을 정하는 과정, 상기 유한요소해석모델 또는 상기 유한요소해석모델의 구조를 갖는 실제 철도 역사구조물에서 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하는 과정 및 시간이력해석을 통하여 상기 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 과정을 포함하는 구성을 한다.
상기 철도 승강장을 이용한 철도 역사구조물의 진동감소 방법은 철도 역사구조물의 유한요소해석모델을 정하는 과정, 상기 유한요소해석모델을 이용하여 (또는 실제 철도 역사구조물에서 측정한 응답을 이용하여) 철도 역사구조물 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하는 과정 및 시간이력해석을 통하여 상기 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 과정을 포함한다.
상기 철도 승강장을 이용한 철도 역사구조물의 진동감소 방법은 철도 승강장 설치구조의 유한요소해석모델을 정하는 과정, 상기 유한요소해석모델 또는 상기 유한요소해석모델의 구조를 갖는 실제 철도 역사구조물에서 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하는 과정 및 시간이력해석을 통하여 상기 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 과정을 포함하는 구성을 한다.
Description
본 발명은 철도역사의 진동을 감소시키면서 자체적인 진동은 증가하지 않는 승강장 구조와 승강장을 이용하여 철도 역사의 진동을 개선할 수 있는 기법에 관한 것으로, 특히 열차가 역사건물 위로 통과하는 선하 역사의 시공에 적합하게 적용될 수 있는 철도 승강장에 관한 것이다.
최근 들어 인구밀도가 높은 지역을 통과하는 노선이 증가하고, 철도의 고속화 중량화가 진행됨에 따라 열차 통과로 인한 진동과 소음문제가 심화되고 있다. 그리고 역사 내 상업, 업무시설 등이 증가하고 있어 역사 내부 공간의 가치를 제고할 필요성이 커지고, 승객 및 철도역사 시설에 상주하는 종사자의 환경 만족도 요구수준이 높아짐에 따라 소음 및 진동의 저감이 더욱 중요해지고 있다. 철도역사의 진동문제는 진동에 의한 직접적인 피해뿐만 아니라 2차적인 소음 문제를 유발하는 원인이 될 수 있으므로 철도역사의 진동을 예측 및 방지하는 기술의 확보가 필요하다.
철도역사 등의 구조물의 수직진동을 감쇠하는 종래기술로는 공개번호 10-2005-0037154호(발명의 명칭: 수직진동 감소 베어링, 발명자: 조영철, 이하, "종래기술 1"이라 함), 특허등록번호 10-0757228(발명의 명칭: 철도궤도로부터 발생되는 진동 및 소음을 방지하기 위한 철도궤도용 방음 및 방진매트, 발명자: 홍병남, 이하 "종래기술 2"라 함), 10-0708484(발명의 명칭: 프리캐스트 플로팅 슬래브궤도 구조 및 그의 시공방법, 발명자: 장승엽, 이하 "종래기술 3"이라 함) 및 10-1688427(발명의 명칭: 프리캐스트 슬래브 부유철도궤도구조 및 그의 시공방법, 발명자: 전진택, 김동완, 정영도, 이하 "종래기술 4"라 함) 의 등록특허공보에 게시된 것이 있다.
도 1은 일반적인 철도역사 중 선하역사의 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참고하면, 철도역사(10)는 역무원이 근무하는 사무실(35), 승객이 이용하는 대합실(36)과 매점(37) 등이 설치되는 역사구조물(30)과 역사구조물(30) 위에 설치되고 레일(22)을 통해 열차(40)가 통과하는 궤도(20)로 구분된다. 이러한 철도역사(10)에서는 열차(40)의 주행으로 인한 진동이 궤도(20)을 거쳐 역사구조물(30)로 전달되어 상당한 크기의 진동이 발생하며, 이러한 진동으로 인한 소음으로 철도역사 역무원 및 이용객에게 큰 불편을 주고 있다.
한편, 승강장(50)은 역사구조물(30) 상에 단순 지지된 상태로 설치되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같은 철도역사(10)에 열차(40)가 진입하여 정차하였다가 출발하거나 바로 통과할 때 역사구조물(20)에 수직방향 및 수평방향 진동이 발생하고, 승강장(50)도 역사구조물(30)에 단순 지지된 상태로 역사구조물(30)과 함께 진동한다. 종래기술 1의 경우 궤도(20)를 지지하는 슬래브(31)와 수직부재(32) 사이에 수직진동저감장치(33)를 설치하여 궤도(20)에서 슬래브(31)로 전달되는 진동이 수직부재(32)로 전달되는 양을 감소시키는 것으로 슬래브(31)와 수직부재(32)가 분리된 일부 역사구조물(30)의 경우에만 적용이 가능하다. 종래기술 2, 3, 4의 경우 궤도(20)와 슬래브(31) 사이에 방진매트를 설치하거나(종래기술 2), 수직진동저감장치를 설치하여 열차(40)의 정차, 출발 및 통과 시 발생하는 진동을 궤도(20)와 슬래브(31) 사이에서 저감시키는 기술로 본 기술과는 차이가 있다.
한편, 본 기술과 유사하게 구조물의 진동을 제어하기 위한 장치로는, 공개번호 10-2014-0081035호(발명의 명칭: 건설구조물의 진동제어장치, 발명자: 서주원, 조의경, 이하, "종래기술 5"라 함)의 공개특허공보에 게시된 건설구조물의 진동제어장치가 알려져 있다. 여기에 개시된 건설구조물의 진동제어장치는 별도의 질량체를 가지는 동조질량 감쇠장치(Tuned Mass Damper)로서, 상부구조물의 하중을 지지하는 지지장치와는 별도로 설치된다. 동조질량 감쇠장치(Tuned Mass Damper)의 진동감쇠 원리는 기존에 잘 알려져 있다. 이에 따라 종래기술 5에 따르면 구조물 전체의 무게가 증가할 뿐만 아니라 공간도 많이 차지하고 비용도 증가한다.
최근 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper, 이하 TMD) 기술을 승강장에 적용하여 철도역사의 진동을 보다 경제적으로 저감할 수 있는 기술이 제안된 바 있다(유용, 권순정, 최상현 (2016). 철도역사 진동 저감을 위한 승강장의 동조질량감쇠기화 기법 개발, 한국방재학회논문집, 16권, 2호, pp.77-82 참조, 이하 "종래 기술 6"). 이 기술은 도 2의 역사구조물(60)의 상부 슬래브(61)에 단순 지지된 승강장(70) 하부에 스프링-감쇠시스템(80)을 설치하여 동조질량감쇠기(TMD)화하여 역사구조물(60)의 진동을 저감하는 것이다. 그러나 이 기술은 승강장(70)의 진동이 증가하여 철도이용객의 불편을 초래할 수 있다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 승강장을 동조질량감쇠기(TMD)화 하는 데 따른 종래 기술 6의 문제점을 해결할 수 있도록 위한 것으로, 철도 역사 구조물의 진동을 감소시키면서도 철도 승강장의 동조질량감쇠기(TMD)화에 따라 승객이 이용하는 철도 승강장의 진동이 증가하는 것을 감소시킬 수 있는 철도 승강장의 진동감소방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 승강장을 동조질량감쇠기(TMD)화 하여 철도 역사 구조물의 진동을 감소시키면서도 승객이 이용하는 철도 승강장의 진동이 증가하는 것을 줄여줄 수 있는 철도 승강장 설치구조 및 이를 이용한 철도 역사를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 열차 통과 시 철도 역사 구조물에서 발생하는 진동을 최대한 감소시켜서 철도 승강장으로 전달될 수 있도록 하여 철도 승강장의 진동을 줄일 수 있는 철도 승강장 설치구조 및 이를 이용한 철도 역사를 제공하는 데 있다.
본 발명자는 종래 기술 6에 제안된 승강장을 이용한 동조질량 감쇠기(TMD)의 실용성을 제고하기 위하여 다중 동조질량감쇠기(Multiple TMD) 기술 중 하나인 직렬 동조질량감쇠기(Serial TMD) 기술을 응용하여 승객이 이용하는 승강장 상부의 진동 증가량을 최소화하면서 하부 역사구조물의 진동을 감소시킬 수 있는 기술을 제안한다. 본 발명에 따른 직렬 동조질량 감쇠기 기술은 두 개의 동조질량을 직렬로 연결한 이중 동조질량감쇠기(Dual Layer TMD)로 승객이 이용하는 최상층 동조질량의 진동 증가가 최소화되도록 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조는 열차가 주행하는 레일이 설치된 궤도를 지지하는 역사구조물; 상기 역사구조물 위에 배치되는 승강장 내부부재; 상기 역사구조물에 설치되고 상기 승강장 내부부재를 탄성적으로 지지하여 상기 승강장 내부부재가 상기 역사구조물의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으키도록 하는 제1진동감쇠 지지수단; 상기 승강장 내부부재 위에 배치되는 승강장 표면부재; 및 상기 승강장 내부부재에 설치되고 상기 승강장 표면부재를 탄성적으로 지지하여 상기 승강장 내부부재의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으키도록 하면서 상기 승강장 표면부재의 진동을 저감하도록 하는 제2진동감쇠 지지수단을 포함하여 구성되고, 상기 역사구조물의 진동은 동조질량감쇠하는 상기 내부부재에 의해 감소되며, 상기 승강장 표면부재의 진동은 최소화하도록 이중의 진동감쇠 지지수단을 갖춘 구성을 한다.
상기 제1진동감쇠 지지수단은 상기 역사구조물에 설치되어 상기 승강장 내부부재를 탄성적으로 지지하는 제1스프링 및 상기 역사구조물에 설치되고 상기 승강장 내부부재에 연결되어 상기 역사구조물의 진동을 감쇠시키기 위한 제1진동감쇠기를 구비하여 구성된 것이 바람직하다.
상기 제2진동감쇠 지지수단은 상기 승강장 내부부재에 설치되어 상기 승강장 표면부재를 탄성적으로 지지하는 제2스프링 및 상기 승강장 내부부재에 설치되고 상기 승강장 표면부재에 연결되어 상기 승강장 내부부재에 대한 상기 승강장 표면부재의 진동을 감쇠시키기 위한 제2진동감쇠기를 구비하여 구성된 것이 좋다.
상기 승강장 내부부재의 질량은 상기 역사구조물의 질량보다는 작고 상기 승강장 표면부재의 질량보다는 큰 것이 바람직하다.
상기 제1, 제2진동감쇠 지지수단은 각각 진동감쇠기를 구비하고, 상기 진동감쇠기는 공압 댐퍼 또는 오일 댐퍼인 것이 좋다.
본 발명에 따른 철도 역사는 본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조를 포함하는 구성을 한다.
본 발명에 따른 철도 승강장 및 철도 역사구조물의 진동감쇠 방법에 있어서, 철도 역사구조물의 유한요소해석모델을 정하는 과정; 상기 유한요소해석모델 또는 상기 유한요소해석모델의 구조를 갖는 철도 역사구조물에서 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하고 본 발명에 따른 제1 및 제2진동감쇠 지지수단 등의 초기 설계파라미터를 결정하는 과정; 및 시간이력해석을 통하여 상기 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 제1 및 제2진동감쇠 지지수단 등의 최적 설계파라미터를 산정하는 과정을 포함하는 구성을 한다. 철도 역사구조물의 목표위치에서의 스펙트럼응답은 유한요소해석이 아닌 측정을 통해서도 구할 수 있다.
상기 초기 설계파라미터를 결정하는 과정은, 아래 (식 1)을 이용하여 설계된 철도 승강장 역사구조물의 응답 출력밀도를 산출하는 과정; 아래 (식 2)를 이용하여 주파수영역 
에서 목적위치에 대한 출력밀도함수의 RMS(Root Mean Square)를 산정하는 과정; 
를 최소화하는 
는 승강장 내부부재 질량 
의 동조주파수 
의 초기 값으로 결정하는 과정; 아래의 (식 3)을 이용하여 승강장 내부부재 질량 
, 승강장 표면부재 질량 
와 역사구조물의 질량 
간의 질량비 
, 
를 산정하는 과정; 및 아래의 (식 4a) 내지 (4c)를 통해 
과 
의 초기 스프링 강성, 초기 감쇠비, 초기 감쇠 
, 
, 
를 결정하는 과정을 구비하고, 여기에서, 
- (식 1), 
- (식 2), 
, 
- (식 3), 
- (식 4a), 
- (식 4b), 
- (식 4c)이고, 
는 전달함수, 
는 입력하중이다.
상기 최적 설계파라미터를 산정하는 과정은, 아래의 식 (5)를 이용하여 시간이력해석결과 산정된 목적위치에 대한 가속도응답의 RMS(Root Mean Square)를 산정하는 과정; 아래의 식 (6)을 통해 승강장 표면부재 목표위치에서의 가속도응답의 RMS, 
와 역사구조물에서 가속도응답의 RMS, 
가 각각 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부를 판단하는 과정; 및 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부를 판단하는 과정의 판단결과 설정된 목표진동 값 이내이면 사용된 파라미터를 설계 파라미터로 정하고, 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부를 판단하는 과정의 판단결과 
, 
라면 식 (7a) 내지 식 (7c)의 최적화 알고리즘에 의한 최적화 과정을 수행하여 목표진동 값을 만족하는 설계 파라미터를 찾는 과정을 포함하고, 여기에서, 
- (식 5), 
, 
- (식 6), 
- (식 7a), 
- (식 7b), 
- (식 7c)이고, 
는 설정된 목표진동 값, 
은 
번째 갱신된 동조주파수, 
는 최적화 알고리즘에 의해 결정되는 동조주파수의 
번째 증분으로 
와 
의 목표진동 값 
, 
와의 차이를 통해 계산되는 값, 그리고 
, 
는 각각 
번째 갱신된 스프링 강성 값, 진동 감쇠 값이다.
상기 
, 
는 갱신된 
을 이용하여 계산되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 철도 역사 구조물의 진동을 줄이기 위해 승강장을 동조질량감쇠기(TMD)화 할 때 승강장의 진동이 증가하는 문제점을 해결할 수 있도록 하여 철도 구조물의 진동을 줄일 수 있으면서도 승객이 이용하는 철도 승강장 표면부재의 진동이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 열차 통과 시 철도 역사구조물에 발생하는 진동은 내부부재 질량의 동조를 통하여 감소시키며, 표면부재의 진동은 제2진동감쇠 지지수단으로 인하여 저감될 수 있다.
도 1은 일반적인 철도역사 구조를 설명하기 위한 예시도,
도 2는 종래기술 6의 적용방법과 본 발명의 차이를 설명하기 위한 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 이중동조질량감쇠 철도 승강장 설치구조를 가지는 철도 역사의 부분 단면도,
도 4는 도 2의 변형 예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 이중 동조질량감쇠기에 대한 개념도,
도 6은 철도 승강장 설치구조의 세 가지 해석모델을 나타낸 도면,
도 7은 시간에 따른 반응가속도를 나타낸 그래프로, 도 7(a)는 역사구조물에 대한 그래프, 도 7(b)는 승강장 표면부재에 대한 그래프,
도 8은 RMS 및 반응 최댓값을 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 8(a)는 역사구조물에 대한 그래프, 도 8(b)는 승강장 표면부재에 대한 그래프,
도 9는 진동감쇠 지지수단의 다른 예를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 사용될 수 있는 진동감쇠 지지수단의 또 다른 예를 나타낸 사시도,
도 11은 도 10의 I-I에 따른 단면도,
도 12는 도 10의 J-J에 따른 단면도,
도 13은 본 발명에 사용될 수 있는 진동감쇠 지지수단의 또 다른 예를 나타낸 사시도,
도 14는 도 13에 나타낸 진동감쇠 지지수단의 분리사시도,
도 15 내지 17은 도 13에 나타낸 진동감쇠 지지수단의 평면도, 정면도 및 우측면도이다.
도 2는 종래기술 6의 적용방법과 본 발명의 차이를 설명하기 위한 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 이중동조질량감쇠 철도 승강장 설치구조를 가지는 철도 역사의 부분 단면도,
도 4는 도 2의 변형 예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 이중 동조질량감쇠기에 대한 개념도,
도 6은 철도 승강장 설치구조의 세 가지 해석모델을 나타낸 도면,
도 7은 시간에 따른 반응가속도를 나타낸 그래프로, 도 7(a)는 역사구조물에 대한 그래프, 도 7(b)는 승강장 표면부재에 대한 그래프,
도 8은 RMS 및 반응 최댓값을 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 8(a)는 역사구조물에 대한 그래프, 도 8(b)는 승강장 표면부재에 대한 그래프,
도 9는 진동감쇠 지지수단의 다른 예를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 사용될 수 있는 진동감쇠 지지수단의 또 다른 예를 나타낸 사시도,
도 11은 도 10의 I-I에 따른 단면도,
도 12는 도 10의 J-J에 따른 단면도,
도 13은 본 발명에 사용될 수 있는 진동감쇠 지지수단의 또 다른 예를 나타낸 사시도,
도 14는 도 13에 나타낸 진동감쇠 지지수단의 분리사시도,
도 15 내지 17은 도 13에 나타낸 진동감쇠 지지수단의 평면도, 정면도 및 우측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 동조질량감쇠 철도 승강장 설치구조를 가지는 철도 역사의 부분 단면도이다.
본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조(100)를 가지는 철도 역사(101)에는 열차가 주행하는 레일(R)이 설치된 레일설치 구조물 또는 궤도(103)를 지지하는 철도 역사구조물(110)이 설치된다.
본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조(100)는 중간 질량체의 역할을 하는 승강장 내부부재(130)를 갖춘다. 이 승강장 내부부재(130)는 역사구조물(110) 위에 배치되는 것으로 역사구조물(110)의 질량보다는 작은 질량을 가진다.
본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조(100)는 제1진동감쇠 지지수단(140)을 갖춘다. 이 제1진동감쇠 지지수단(140)은 역사구조물에 설치되어 상기 승강장 내부부재를 상기 역사구조물(110)에 탄성적으로 지지함과 아울러 역사구조물(110)에 대한 승강장 내부부재(130)의 상하진동을 허용하여 승강장 내부부재(130)가 역사구조물(110)의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으킬 수 있도록 한다.
제1진동감쇠 지지수단(140)은 내부부재(130)를 역사구조물(110)에 탄성적으로 지지하는 제1스프링(141)과 역사구조물(110)에 설치되고 내부부재(130)에 연결되어 역사구조물(110)의 진동을 감쇠시키기 위한 제1진동감쇠기(143)를 구비한다. 제1스프링(141)으로는 코일 스프링이 사용된 것을 예시하였으나 여타의 스프링이 사용될 수 있다. 제1진동감쇠기(143)로는 공기 또는 오일이 채워진 실린더와 실린더 내부를 따라 이동 가능케 설치되고 공기 또는 오일이 통과될 수 있는 구멍이 형성된 피스톤 및 실린더의 일측 단부를 관통하여 피스톤과 연결된 로드를 갖추어 구성된 공압 댐퍼 또는 오일 댐퍼가 적당하다. 공압 댐퍼나 오일 댐퍼 대신 여타의 댐퍼가 사용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조(100)는 승강장 표면부재(150)를 갖춘다. 이 승강장 표면부재(150)는 승강장 내부부재(130) 위쪽으로 승강장 내부부재(130)와 이격되어 설치되는 것으로, 승객들이 이동 또는 대기하는 플랫폼의 표면을 구성하는 부분이다. 이러한 승강장 표면부재(150)의 질량은 일반적으로 승강장 내부부재(130)의 질량보다 작다.
위와 같은 승강장 표면부재(150)는 제2진동감쇠 지지수단(160)의 지지를 받는다. 제2진동감쇠 지지수단(160)은 승강장 내부부재(130)에 설치되어 승강장 표면부재(150)를 탄성적으로 지지함과 아울러 승강장 내부부재(130)에 대한 승강장 표면부재(150)의 상하 진동을 허용하며, 승강장 내부부재(130)의 동조질량감쇠 시 승강장 표면부재(150)의 진동이 감소될 수 있도록 한다.
제2진동감쇠 지지수단(160)은 승강장 내부부재(130)에 설치되어 승강장 표면부재(150)를 탄성적으로 지지하는 제2스프링(161) 및 승강장 내부부재(130)에 설치되고 승강장 표면부재(150)에 연결되어 승강장 내부부재(130)에 대한 승강장 표면부재(150)의 진동을 감쇠시키기 위한 제2진동감쇠기(163)를 구비하여 구성된다. 나머지는 제1진동감쇠기(140)에서와 같다.
이에 따라 본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조(100)에서는 역사구조물(110)의 진동이 이중으로 감쇠되어, 바람직하게 이중동조질량감쇠 과정을 거쳐 승강장 표면부재(150)에 전달되게 하여 승강장 표면부재(150)의 진동이 현저히 감쇠되도록 한다.
도 4는 도 3의 변형 예를 나타낸 도면이다.
때에 따라, 제1진동감쇠 지지수단(140)은 제1스프링(141)의 스프링강성의 크기를 조정하기 위한 스프링강성 조정수단(142)을 가질 수 있다. 스프링강성 조정수단(142)으로는 수나사부재(142a)와 암나사부재(142b)를 이용하여 제1스프링(141)의 길이를 조정할 수 있게 하는 것, 제1스프링(141)의 설치 개수를 늘리거나 줄일 수 있게 하는 것 등등 다양한 것이 사용될 수 있다. 이는, 제2진동감쇠 지지수단(160)에서도 마찬가지이다.
나머지는 도 3을 통해서 설명한 것과 같다.
도 3와 4를 통해 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 철도 승강장 설치구조(100)에서는 열차의 통과에 따라 역사구조물(110)에 발생되는 진동이 이중의 제1, 제2진동감쇠 지지수단(140, 160)을 거쳐 승강장 표면부재(150)로 전달되므로 승강장 표면부재(150)의 진동이 종래의 것에 비해 현저히 감소한다.
본 발명은 앞에서 도 3과 4을 통해 설명한 철도 승강장 설치구조에 진동을 더욱 효과적으로 줄이기 위해 다중 동조질량 감쇠기(MTMD) 기술 중 하나인 직렬 동조질량 감쇠기(Serial TMD) 기술을 응용하여 승객이 이용하는 승강장 상부의 진동 증가량을 최소화하면서 하부 역사구조물의 진동을 줄일 수 있도록 한다. 이를 도 3과 4를 함께 참고하면서 설명한다.
도 3과 4에서 설명한 본 발명에 따른 승강장 구조를 도 5와 같이 단순화하여 두 개의 동조질량을 직렬로 연결한 이중동조질량감쇠기(DLTMD, Dual Layer TMD)로 구성하고, 본 발명에서 하나의 동조질량으로 작용하는 승객이 이용하는 승강장 표면부재의 진동 증가가 최소화되도록 설계한다. 제안된 기법의 적절성은 단순 구조물에 대한 수치해석을 이용하여 검토하였다. 검토를 위한 구조물은 단순보이며, 새마을 열차가 시속 130km로 이동 시의 동적해석을 통하여 검토하였다. 동적해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다.
본 발명에서 제안한 이중동조질량감쇠 이론은 기존 연구에서와는 달리 승객이 이용하는 승강장의 특성을 감안하여 최상층부 동조질량의 진동을 최소로 할 수 있도록 개발하였다. 제안된 기법은 먼저 유한요소해석모델을 이용하여 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하고, 시간이력해석을 통하여 산정된 응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 방법으로 열차 등의 이동하중과 같이 하중재하 위치가 시간에 따라 변화하는 경우에 적합한 방법이다.
도 6은 철도 승강장 설치구조의 세 가지 해석모델을 나타낸 도면이다. NonTMD는 TMD화 되지 않은 승강장이 설치된 경우, STMD(Single TMD)는 종래 기술 6에 따른 TMD화된 승강장이 설치된 경우, DLTMD는 본 발명에 따른 이중동조질량감쇠된 승강장이 설치된 경우이다.
도 5에 나타낸 바와 같은 승강장 내부부재(130)의 질량을 
, 승강장 표면부재(150)의 질량을 
로하고, 
은 역사구조물(110)과 동조하여 응답이 증폭되도록 하고, 
의 응답은 최소화하도록 강성 및 감쇠 등의 TMD 설계파라미터가 결정되도록 한다.
해석 또는 측정을 통해 산정된 구조물 응답의 출력밀도함수 
는 다음과 같이 산정할 수 있다(Bandivadekar, T.P., and Jangid, R.S. (2012). Mass distribution of multiple tuned mass dampers for vibration control of structures. International Journal of Civil and Structural Engineering, Vol.3, No.1, pp.70-84 참조).
여기서, 
는 전달함수, 
는 입력하중을 각각 나타낸다.
주파수영역 
에서 목적위치에 대한 출력밀도함수의 RMS(Root Mean Square)는 다음과 같다.
참고로 
를 최소화하는 
는 승강장 내부부재(130)의 질량 
의 동조주파수 
의 초기 값으로 결정한다.
다음 식을 통해 
과 
의 초기 스프링 강성, 초기 감쇠비, 초기 감쇠 
, 
, 
를 결정할 수 있다(Daniel, Y., Lavan, O. (2013). Allocation and Sizing of Multiple Tuned Mass Dampers for Seismic Control of Irregular Structures, Seismic Behaviour and Design of Irregular and Complex Civil Structures, Vol. 24 of the Series Geotechnical, Geological and Earthquake Engineering, pp 323-338 참조).
시간이력해석결과 산정된 목적위치에 대한 가속도응답의 RMS(Root Mean Square)는 다음과 같다.
최적파라미터의 결정은 승강장 표면부재(150) 목표위치에서의 가속도응답의 RMS, 
와 역사구조물(110) 목표위치에서의 가속도응답의 RMS, 
가 각각 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부에 따라 판단한다.
여기서, 
는 설정된 목표진동 값이다.
만약 
, 
라면, 목표진동 값을 만족하는 설계파라미터를 찾기 위해 최적화 알고리즘에 의한 최적화 과정을 수행한다.
여기서, 
은 
번째 갱신된 동조주파수이다. 
는 최적화 알고리즘에 의해 결정되는 동조주파수의 
번째 증분으로 
와 
의 목표진동 값 
, 
와의 차이를 통해 계산되는 값이다. 그리고 
, 
는 각각 
번째 갱신된 스프링 강성, 진동 감쇠 값으로 갱신된 
을 이용하여 계산할 수 있다.
- 수치해석 검토 -
도 6은 수치해석에 적용된 유한요소해석모델을 각각 나타낸 도면이다.
제안된 이중동조질량감쇠 알고리즘의 역사구조물과 승강장에 대한 진동저감효과는 수치해석을 이용하여 검토하였다. 수치해석에 적용된 유한요소모델은 30m 길이의 단순보 모델로 중앙에 승강장이 위치하는 것으로 가정하였다. 열차하중은 현재 국내 역사들에 주로 운행하는 열차 중 새마을 열차를 적용하였다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다.
수치해석 모델 중 역사구조물(110) 부분은 단순보 형태로 빔(Beam)요소를 사용하여 모델링하였으며(표 1) 열차 하중은 새마을 열차가 시속 130km로 통과하는 것으로 하였다.
- 진동저감 효과 검토 -
도 7은 시간에 따른 반응가속도를 나타낸 그래프로, 도 7(a)는 역사구조물에 대한 그래프, 도 7(b)는 승강장 표면부재에 대한 그래프이다.
제안된 알고리즘에 의해 설계된 이중동조질량감쇠의 진동저감효과 검토는 역사구조물(110) 중앙 위치와 승강장 표면부재(150) 위치에서의 응답 비교를 통하여 수행하였다. 표 2는 제안된 알고리즘에 의해 최적화된 설계파라미터이다.
도 7은 각 케이스에 대한 시간이력해석 결과를 나타낸다. 역사구조물의 응답을 비교한 도 7(a)에서 STMD(종래 기술 6)와 DLTMD(본 발명의 이중동조질량감쇠 기술) 모두 유사한 진동감소효과를 보이고 있으며, 승강장 표면부재(150)의 응답을 비교한 도 7(b)의 경우 STMD는 진동의 크기가 증가했으나 DLTMD는 TMD 설치 전과 유사한 진동 수준을 나타내었다.
도 8은 RMS 및 반응 최댓값을 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 8(a)는 역사구조물에 대한 그래프, 도 8(b)는 승강장 표면부재에 대한 것을 나타낸 그래프이다.
도 8은 각 케이스별 응답의 RMS(Root Mean Square) 및 최댓값을 비교한 결과이다. 도 8(a)에서 STMD 및 DLTMD 적용 시 역사구조물(110)의 응답은 RMS 및 최댓값 모두 유사하게 감소하는 것으로 나타났다. 도 8(b)에서 승강장 표면부재(150)의 응답은 STMD 적용 시 상당량 증가했으나, DLTMD 적용 시 거의 증가하지 않는 것으로 나타났다. 표 3은 TMD 시스템 적용 전·후 응답을 정량적으로 비교한 결과이다.
표 3에서 역사구조물(110)의 응답은 STMD 적용 시 RMS 28%, 최대값 43%, DLTMD 적용 시 RMS 32%, 최대값 44% 수준이며, 승강장 표면부재(150)의 응답은 STMD 적용 시 RMS 151%, 최대값 133%, DLTMD 적용 시 RMS 99%, 최대값 104% 수준으로 나타났다.
이 수치해석 검토에서는 이중동조질량감쇠 기술을 응용하여 승객이 이용하는 승강장 상부의 진동 증가를 최소화하면서 하부 역사구조물의 진동을 감소시킬 수 있는 기술을 제안하였다. 이동하중이 작용하는 단순보에 대한 수치해석을 이용한 검토를 통하여 나타난 결과에서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
(1) 제안된 이중동조질량감쇠 기법은 승강장 표면부재(150)의 진동 증가를 최소화하면서 역사구조물(110)의 진동을 감소시킬 수 있도록 최적화된 TMD 설계파라미터를 해석 또는 측정을 통해 산정된 역사구조물(110)의 응답을 이용하여 결정할 수 있어 실용적이다.
(2) 단순보에 대한 수치해석을 통해 검토한 결과 역사구조물(110)의 진동 감소 수준은 STMD 적용 시 RMS 28%, 최댓값 43%이며, 이중동조질량감쇠 적용 시 RMS 32%, 최댓값 44%로 나타나 이중동조질량감쇠의 효율이 약간 감소하나 큰 차이를 보이지 않았다.
(3) 승강장 표면부재(150)의 가속도 응답은 STMD 적용 시 RMS 51%, 최대값 33% 증가하나, 이중동조질량감쇠 적용 시 RMS 1% 감소, 최댓값 4% 증가하여 거의 응답이 증가하지 않는 것으로 나타났다.
도 9는 진동감쇠 지지수단의 다른 예를 나타낸 도면이다.
때에 따라, 역사구조물(110)과 승강장 내부부재(130) 사이에 설치되는 제1진동저감 지지수단(140)으로는 도 9에 나타낸 바와 같이 스프링(144)과 쐐기지지구(WS)를 조합한 것이 사용될 수 있다. 이 경우, 제1진동저감 지지수단(140)의 스프링강성 조정수단(142)으로는 경사면을 가지는 상하 두 경사면부재(142c, 142d) 사이에 좌우로 간격을 두고 쐐기(W)를 설치하되 두 쐐기(W) 사이에 탄성체(E)를 설치하고, 두 쐐기(W)를 연결하는 축부재(S)와 축부재(S)에 나사결합하는 너트(N) 등을 통해 두 쐐기(W)의 최대 좌우 간격을 강제로 조정함으로써 탄성체(E)의 압축 정도를 조절하여 스프링(144)과 쐐기기구(WS)의 조합에 따른 제1진동감쇠 지지수단(140)의 상하방향 스프링강성을 조정할 수 있다. 도 9의 실시 예에서는 쐐기지지구(WS)가 스프링강성 조정수단(142)에 해당한다.
승강장 표면부재(150)의 높이가 설계와 맞지 않는 경우에는, 바람직하게, 높이조정수단(170)을 이용하여 승강장의 높이를 조정한다. 높이조정수단(170)으로는 수나사부재(172)와 여기에 나사결합하는 암나사부재(174)가 이용될 수 있다.
이러한 제1진동감쇠 지지수단(140)은 제2진동감쇠 지지수단으로 사용될 수 있음은 물론이다. 제2진동감쇠 지지수단은 단지 제1진동감쇠 지지수단(140)보다 지지할 수 있는 용량이 작은 것을 사용하면 될 것이다.
나머지는 도 3을 통해 설명한 것과 같다.
도 10는 본 발명에 사용될 수 있는 진동감쇠 지지수단의 또 다른 예를 나타낸 사시도, 도 11은 도 10의 I-I에 따른 단면도, 도 12는 도 10의 J-J에 따른 단면도이다.
도 10 내지 12에 나타낸 진동감쇠 지지수단(200)은 스프링(210)을 갖춘다. 이 실시 예의 스프링(200)으로는 머스프링(Mass Energy Regulator Spring)을 사용한 예를 나타낸다.
이 실시 예에서도, 진동감쇠 지지수단(200)으로는 스프링 강성의 크기를 조정하기 위한 스프링 강성 조정수단을 가지는 가변스프링강성 스프링-마찰 댐퍼를 사용한다. 스프링의 강성 조정수단으로는 마찰저항기구(220)가 사용된다. 이 마찰저항기구(220)에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 진동감쇠 지지수단(200)은 승강안내 가압기구(230)를 사용하는 것이 바람직하다. 이 승강안내 가압기구(230)는 상판(240)과 하판(250) 사이에 설치되어 상판(240)이 일정 이상 상방으로 들리는 것을 방지하는 부반력 저항기능과 상판(240)의 승강운동을 안내하는 역할도 한다.
이 승강안내 가압기구(230)는 상판(240)에 부착되고 걸림턱(231a)을 가지며 상하로 관통된 관통구(231b)가 형성된 걸림턱부(231), 상판(240)에 형성된 통공(241)을 통해 관통구(231b)로 삽입되어 하판(250)에 결합되고 상판(240)이 일정 이상 상승하지 못하도록 하는 걸림턱(231a)에 걸리는 머리(232a)를 가지는 승강안내부재(232)를 구비한다. 이러한 승강안내부재(232)로는 그 하단에 나선을 형성하여 하판(250)에 나사결합하는 볼트를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따라 승강안내부재(232)를 하판(250)에 나사결합하는 정도에 따라 스프링(210)을 압축하는 정도가 조정된다.
때에 따라 승강안내부재(232)는 용접 등 여타의 방법을 통해 하판(250)에 고정될 수 있음은 물론이다. 이렇게 하는 경우에, 그 자체로는 스프링(210)을 압축하는 압축력을 조정할 수 없으므로, 특정 용처에 최적으로 세팅된 경우, 이렇게 제작하여 사용될 수 있다.
스프링(210)이 결합되는 부위의 승강안내부재(232)는 외주면은 매끄럽게 구성하여 스프링(210)이 원활하게 신축할 수 있도록 한다. 걸림턱부(231)의 관통구(231b) 내주면에는, 바람직하게, 승강안내부재(232)의 외주면의 안내를 받기 위한 안내부재(233)가 설치된다. 안내부재(233)로는 황동으로 만든 것이 좋고, 그 내주면에 작은 홈들을 형성하고, 이 홈들에 흑연 등의 미끄럼재를 채워둔 것이 적당하다.
위와 같은 본 발명에 따른 진동감쇠 지지수단(200)은 상하로 뒤집힌 상태로 설치될 수 있다. 이 경우, 상판(240)은 하판이 되고, 하판(250)이 상판이 된다.
마찰저항기구(220)는 상판(240)에 연결되고 양면에 마찰면을 가지는 제1마찰부재(221), 하판(250)에 연결된 가압구 장착부재(222), 제1마찰부재(221)의 마찰면에 접촉된 마찰면을 가지는 제2마찰부재(223) 및 가압구 장착부재(222)에 설치되어 제2마찰부재(223)를 가압함으로써 접촉된 마찰면끼리 탄성적으로 가압되도록 하는 탄성가압구(224)를 구비하여 구성된 것이 바람직하다.
제1마찰부재(221)로는 제1마찰면(221a)을 따라 중앙부에 장공(221b)이 형성된 것이 바람직하고, 가압구 장착부재(222)는 제1마찰부재(221)가 삽입되어 이동할 수 있는 유동홈(222a)과 탄성가압구(224)가 제1마찰부재(221)의 유동방향에 수직한 방향으로 장착될 수 있는 가압구 장착부(222b)를 가지는 것으로, 좌우로 분리할 수 있게 구성된 것이 좋다.
제1마찰부재(221)의 마찰면은 양측에 내측으로 오목한 요면으로 형성하여 제1마찰부재(221) 두께가 상하 중심부에서 위쪽 및 아래쪽으로 갈수록 점점 두꺼워지도록 형성하는 것이 바람직하지만, 반드시 두께가 변하여야 하는 것은 아니고 일정한 두께의 것도 사용될 수 있다.
탄성가압구(224)는 제1마찰부재(221)의 마찰면에 접촉되는 마찰면을 가지는 제2마찰부재(223), 제2마찰부재(223) 바깥으로 바깥에서 제2마찰부재(223)를 감싸며 가압구 장착부(222b)를 따라 좌우 이동 가능케 설치되는 내측 가압부재(225), 탄성체(226), 외측 가압부재(227)를 구비한다. 바람직하게, 이들은 제1마찰부재(221)의 좌우 양측에 좌우 대칭으로 쌍을 이루며 배치되고, 축부재(228)는 이들을 관통하며 장공(221b)과 가압구 장착부(222b)를 통과하여 설치되고, 축부재(228)의 단부에 너트(229)가 결합된다. 이에 따라 너트(229)의 체결정도를 조정함으로써 탄성체(226)의 가압정도를 조정할 수 있고, 이에 따라 제2마찰부재(223)가 제1마찰부재(221)를 가압하는 힘을 조정할 수 있다.
도 13은 본 발명에 사용될 수 있는 진동감쇠 지지수단의 또 다른 예를 나타낸 사시도, 도 14는 도 13에 나타낸 진동감쇠 지지수단의 분리사시도, 도 15 내지 17은 도 13에 나타낸 진동감쇠 지지수단의 평면도, 정면도 및 우측면도이다.
도 13 내지 17에 나타낸 진동감쇠 지지수단(300)은 하부 받침판(310)을 갖춘다. 이 하부 받침판(310)은 바닥부(311)와 바닥부(311) 양측 가장자리에서 상방으로 돌출된 안내벽부(313)를 구비한다. 바닥부(311)와 안내 벽부(313)의 내부 표면에는 스테인리스 스틸판 등의 미끄럼재(ST)가 부착되어 있다. 이러한 받침판(310)의 중앙부에 체결공(315)이 형성되어 있다. 또한, 받침판(310)의 외면에는 구멍이 뚫린 플랜지(317)가 설치되어 있다. 이는 앵커 볼트 등을 통해 받침판(310)을 필요한 위치에 고정할 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 진동감쇠 지지수단(300)은 체결공(315)에 나사결합되는 승강안내부재(320)를 구비한다. 이 승강안내부재(320) 외주면에 수직 스프링(321)과 쐐기부재(330)가 장착된다. 수직 스프링(322)은 쐐기부재(330)를 탄성적으로 지지한다. 이 실시 예에서 수직 스프링(322)으로는 코일 스프링을 사용한 것을 보여준다.
쐐기부재(330)는 양 측면에 하방으로 갈수록 점점 좁아지는 쐐기면(331)을 갖추고 있고, 중앙부에 승강안내부재(320)가 삽입될 수 있는 구멍과 승강안내부재(320)의 상단에 나사결합되는 너트(N)가 안착되는 너트안착부(333)를 구비한다. 또한, 쐐기부재(330)의 상면에는 체결홈(335)이 형성되어 있다. 이 체결홈(335)에 결합되는 볼트(B)들을 통해 상판(340)이 쐐기부재(330) 상면에 결합된다.
본 발명에 따른 진동감쇠 지지수단(300)은 쐐기면(331)과 면접촉되는 경사면(351)을 구비하는 한 쌍의 이동부재(350)를 구비한다. 바람직하게, 이 경사면(351)에도 미끄럼부재가 부착된다. 이 한 쌍의 이동부재(350)는 하부 받침판(310) 내부에 간격을 두고 장착되어 쐐기부재(330)의 승강에 따라 안내 벽부(313)의 안내를 받으며 서로 가까워지거나 멀어지는 운동을 한다.
이 한 쌍의 이동부재(350)는 경사면(351)이 마주보는 상태로 간격을 두고 배치된다. 이 이동부재(350) 각각에는 한 쌍의 축공(353)과 한 쌍의 스프링 삽입홈(355)이 각각 형성되어 있다. 또한, 이동부재(350)의 전후 양 측면에는 안내 벽부(313) 내면에 미끄럼 접촉할 수 있도록 하기 위한 PTFE 등의 미끄럼재(SM)가 부착되어 있다. 필요 시 이동부재(350)의 저면에도 미끄럼재가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 진동감쇠 지지수단(300)은 한 쌍의 수평축(360)을 구비한다. 이 한 쌍의 수평축(360)은 축공(353)에 각각 삽입되어 이동부재(350)의 이동을 안내하는 역할을 한다. 이러한 수평축(360)의 양단에는 바람직하게 나선이 형성된다.
본 발명에 따른 진동감쇠 지지수단(300)은 스프링 삽입홈(355)에 삽입되어 수평축(360)의 둘레로 배치되는 수평 스프링(370)과 수평축(360)의 양단에 나사결합하는 너트(N)를 구비한다. 바람직하게, 너트(N)와 수평 스프링(370) 사이에 수평 스프링(370)보다 큰 면적을 가지는 판 또는 캡(371)이 개재된다. 너트(N)는 쐐기부재(330)가 마주보는 경사면(351)에 탑재된 상태를 유지할 수 있도록 한 쌍의 이동부재(350)의 간격을 조정할 수 있도록 하고, 수평 스프링(370)은 너트(N)의 가압력을 받아 이동부재(350)를 쐐기부재(330)를 향해 탄성적으로 가압하는 역할을 한다.
도 13 내지 17에 나타낸 바와 같은 진동감쇠 지지수단(300)에서, 상판(340)에 하중 또는 진동이 가해지면 쐐기부재(330)가 상하로 진동하게 되고, 쐐기면(331)과 경사면(351) 간에 마찰이 발생되어 마찰에 의한 진동감쇠가 이루어진다.
또한, 쐐기부재(330)가 상하로 진동하면 수직 스프링(322)과 수평 스프링(370)이 신축되면서 충격을 완충하고, 진동에너지도 소산시킨다.
이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시가 가능하고, 이들은 모두 본 발명의 범위에 속한다. 특히, 본 발명에 사용되는 진동저감 지지수단은 사용되는 스프링의 종류와 스프링강성을 조정하는 방식에 따라 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.
본 발명은 진동과 소음이 적게 발생하는 철도역사를 건설하는 데 이용될 수 있으며, 기존 철도역사의 진동과 소음을 저감시키는 데 이용될 수 있다.
100: 철도 승강장 설치구조 101: 철도 역사
110: 역사구조물 130: 승강장 내부부재
140: 제1진동감쇠 지지수단 150: 승강장 표면부재
160: 제2진동감쇠 지지수단 170: 높이조정수단
200, 300: 진동감쇠 지지수단
110: 역사구조물 130: 승강장 내부부재
140: 제1진동감쇠 지지수단 150: 승강장 표면부재
160: 제2진동감쇠 지지수단 170: 높이조정수단
200, 300: 진동감쇠 지지수단
Claims (10)
- 열차가 주행하는 레일이 설치된 궤도를 지지하는 역사구조물;
상기 역사구조물 위에 배치되는 승강장 내부부재;
상기 역사구조물에 설치되고 상기 승강장 내부부재를 탄성적으로 지지하여 상기 승강장 내부부재가 상기 역사구조물의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으키도록 하는 제1진동감쇠 지지수단;
상기 승강장 내부부재 위에 배치되는 승강장 표면부재; 및
상기 승강장 내부부재에 설치되고 상기 승강장 표면부재를 탄성적으로 지지하여 상기 승강장 내부부재의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으키도록 하면서 상기 승강장 표면부재의 진동을 저감하도록 하는 제2진동감쇠 지지수단을 포함하여 구성되고,
상기 제1진동감쇠 지지수단은 상기 역사구조물에 설치되어 상기 승강장 내부부재를 탄성적으로 지지하는 제1스프링 및 상기 역사구조물에 설치되고 상기 승강장 내부부재에 연결되어 상기 역사구조물의 진동을 감쇠시키기 위한 제1진동감쇠기를 구비하여 구성되고,
상기 제2진동감쇠 지지수단은 상기 승강장 내부부재에 설치되어 상기 승강장 표면부재를 탄성적으로 지지하는 제2스프링 및 상기 승강장 내부부재에 설치되고 상기 승강장 표면부재에 연결되어 상기 승강장 내부부재에 대한 상기 승강장 표면부재의 진동을 감쇠시키기 위한 제2진동감쇠기를 구비하여 구성되고,
상기 제1진동감쇠 지지수단과 상기 제2진동감쇠 지지수단은 상기 역사구조물의 진동이 동조질량감쇠하는 상기 승강장 내부부재에 의해 감소되면서 상기 승강장 표면부재의 진동이 최소화하도록 유한요소해석을 통해 최적화된 것이고,
상기 승강장 내부부재의 질량은 상기 역사구조물의 질량보다는 작고 상기 승강장 표면부재의 질량보다는 큰 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 철도 승강장 설치구조. - 제1항에 있어서, 상기 제1진동감쇠기와 상기 제2진동감쇠기는 공압 댐퍼 또는 오일 댐퍼인 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 철도 승강장 설치구조.
- 제1항 또는 제2항의 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 철도 승강장 설치구조를 가지는 철도 역사.
- 철도 승강장을 이용한 진동감쇠 방법에 있어서,
열차가 주행하는 레일이 설치된 궤도를 지지하는 역사구조물; 상기 역사구조물 위에 배치되는 승강장 내부부재; 상기 역사구조물에 설치되고 상기 승강장 내부부재를 탄성적으로 지지하여 상기 승강장 내부부재가 상기 역사구조물의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으키도록 하는 제1진동감쇠 지지수단; 상기 승강장 내부부재 위에 배치되는 승강장 표면부재; 및 상기 승강장 내부부재에 설치되고 상기 승강장 표면부재를 탄성적으로 지지하여 상기 승강장 내부부재의 진동에 대한 동조질량감쇠를 일으키도록 하면서 상기 승강장 표면부재의 진동을 저감하도록 하는 제2진동감쇠 지지수단을 포함하여 구성되고, 상기 역사구조물의 진동은 동조질량감쇠하는 상기 내부부재에 의해 감소되면서 상기 승강장 표면부재의 진동은 최소화하도록 하기 위한 상기 제1진동감쇠 지지수단과 상기 제2진동감쇠 지지수단을 가지는 철도 승강장 설치구조의 유한요소해석모델을 정하는 과정;
상기 유한요소해석모델 또는 상기 유한요소해석모델의 구조를 갖는 실제 철도 역사구조물에서 목표위치에서의 스펙트럼응답을 산정하여 초기 설계파라미터를 결정하는 과정; 및
시간이력해석을 통하여 상기 스펙트럼응답을 기초로 최적화 과정을 수행하여 최적 설계파라미터를 산정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법. - 제4항에서, 상기 초기 설계파라미터를 결정하는 과정은,
아래 (식 1)을 이용하여 설계된 철도 승강장 역사구조물의 응답 출력밀도를 산출하는 과정;
아래 (식 2)를 이용하여 주파수영역에서 목표위치에 대한 출력밀도함수의 RMS(Root Mean Square)를 산정하는 과정;
를 최소화하는
는 상기 승강장 내부부재의 질량
의 동조주파수
의 초기 값으로 결정하는 과정;
아래의 (식 3)을 이용하여 상기 승강장 내부부재의 질량, 상기 승강장 표면부재의 질량
와 상기 역사구조물의 질량
간의 질량비
,
를 산정하는 과정;
아래의 (식 4a) 내지 (식 4c)를 통해과
의 초기 스프링 강성, 초기 감쇠비, 초기 감쇠
,
,
를 결정하는 과정을 구비하고,
여기에서,- (식 1),
- (식 2),
,
- (식 3),
- (식 4a),
- (식 4b),
- (식 4c)이고,
는 전달함수,
는 입력하중인 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법.
- 제4항에서, 상기 최적 설계파라미터를 산정하는 과정은,
아래의 식 (5)를 이용하여 시간이력해석결과 산정된 목표위치에 대한 가속도응답의 RMS(Root Mean Square)를 산정하는 과정;
아래의 식 (6)을 통해 상기 승강장 표면부재의 목표위치에서의 가속도응답의 RMS,와 상기 역사구조물에서의 가속도응답의 RMS,
가 각각 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부를 판단하는 과정; 및
상기 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부의 판단결과 상기 설정된 목표진동 값 이내이면 사용된 파라미터를 설계 파라미터로 정하고, 상기 설정된 목표진동 값 이내가 되는지 여부의 판단결과,
라면 식 (7a) 내지 식 (7c)의 최적화 알고리즘에 의한 최적화 과정을 수행하여 목표진동 값을 만족하는 설계 파라미터를 찾는 과정을 포함하고,
여기에서,- (식 5),
,
- (식 6),
- (식 7a),
- (식 7b),
- (식 7c)이고,
는 설정된 목표진동 값,
은
번째 갱신된 동조주파수,
는 최적화 알고리즘에 의해 결정되는 동조주파수의
번째 증분으로
와
의 목표진동 값
,
와의 차이를 통해 계산되는 값, 그리고
,
는 각각
번째 갱신된 강성 값, 감쇠 값인 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법.
- 제6항에서, 상기,
는 갱신된
을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법.
- 제4항에서, 상기 유한요소해석모델을 정하는 과정은,
상기 제1진동감쇠 지지수단으로 상기 역사구조물에 설치되어 상기 승강장 내부부재를 탄성적으로 지지하는 제1스프링 및 상기 역사구조물에 설치되고 상기 승강장 내부부재에 연결되어 상기 역사구조물의 진동을 감쇠시키기 위한 제1진동감쇠기를 구비하여 구성된 것을 사용하여 철도 승강장 설치구조의 유한요소해석모델을 정하는 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법. - 제4항에서, 상기 유한요소해석모델을 정하는 과정은,
상기 제2진동감쇠 지지수단으로 상기 승강장 내부부재에 설치되어 상기 승강장 표면부재를 탄성적으로 지지하는 제2스프링 및 상기 승강장 내부부재에 설치되고 상기 승강장 표면부재에 연결되어 상기 승강장 내부부재에 대한 상기 승강장 표면부재의 진동을 감쇠시키기 위한 제2진동감쇠기를 구비하여 구성된 것을 사용하여 철도 승강장 설치구조의 유한요소해석모델을 정하는 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법. - 제4항에서, 상기 유한요소해석모델을 정하는 과정은,
상기 승강장 내부부재의 질량은 상기 역사구조물의 질량보다는 작고 상기 승강장 표면부재의 질량보다는 크게 하여 철도 승강장 설치구조의 유한요소해석모델을 정하는 것을 특징으로 하는 철도 승강장을 이용하여 철도 역사구조물의 진동을 감소시키는 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020170078493A KR101932039B1 (ko) | 2017-06-21 | 2017-06-21 | 철도 승강장 설치구조와 이를 갖는 철도 역사 및 철도 승강장의 이중동조질량감쇠 진동감쇠방법 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109736466A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-05-10 | 湖南大学 | 用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器 |
| CN110593025A (zh) * | 2019-10-22 | 2019-12-20 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 一种用于波磨钢轨的动力吸振器 |
| CN118551515A (zh) * | 2024-07-26 | 2024-08-27 | 中国铁路设计集团有限公司 | 一种地铁车站站台框架的建模方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2000129601A (ja) * | 1998-10-21 | 2000-05-09 | Kajima Corp | 躯体兼用フローティングスラブ軌道 |
| CN205503848U (zh) * | 2016-03-29 | 2016-08-24 | 国网重庆市电力公司电力科学研究院 | 一种配变电设施整体式专用双层隔振台 |
-
2017
- 2017-06-21 KR KR1020170078493A patent/KR101932039B1/ko active Active
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