KR20060103492A - 철도용 다공성 콘크리트 흡음블록 - Google Patents

Abstract

고도의 경제성장으로 도시화 및 교통량이 증가하면서 철도가 지속적으로 신설 또는 증설되고 있으며, 유지보수 측면에서 자갈도상에 비하여 유리한 콘크리트 도상의 건설이 증가추세에 있다. 이러한 콘크리트 도상은 특히 소음에 취약한 단점으로 승객들의 불쾌감을 초래하여 민원이 증가하고 있으므로 철도 승객의 안락한 환경을 위한 소음저감 대책마련이 시급한 실정이다.

본 발명은 소음에 취약한 콘크리트 슬래브 궤도 구간의 열차소음 특성에 적합하며 흡음성능이 뛰어나고 경제성이 우수한 바닥 설치형 다공성 콘크리트 흡음블록을 제공하여 소음저감을 통해 쾌적한 철도 이용에 기여할 수 있도록 한 것이다.

상기의 목적을 구현하기 위하여 본 발명은 콘크리트 슬래브 궤도에 설치하여 열차소음의 고주파 대역뿐만 아니라 저주파 성분의 주요 소음원까지의 저감성능이 뛰어나고 친환경적이며, 유지보수 및 배수가 용이하고 경제성이 우수한 바닥 설치형 다공성 콘크리트 흡음블록을 제공하는 것을 목적으로 한다. 다공성 콘크리트 흡음블록은 판 진동형 흡음블록(B01)과 공명기형 흡음블록(B02)으로 구성되고 각각의 흡음블록들은 콘크리트 흡음재로 제작된다. 다공성 콘크리트 흡음재는 다공질의 천연 또는 인공 경량골재와 물, 시멘트, 발포제를 배합하여 만들어지며, 이러한 흡음재는 주로 고주파 성분의 흡음성능을 제공한다. 그리고, 열차소음의 저주파 성분은 흡음블록의 판 진동과 내장된 공명기기의 공명에 의해 저감되어 흡음효과를 극대화하도록 하였다.

철도, 소음저감, 콘크리트 슬래브 궤도, 경량골재, 다공성 콘크리트

Description

철도용 다공성 콘크리트 흡음블록{A Sound Absorbing Porous Concrete Block for the Reduction of Railway Noise}

도 1은 본 발명에 의한 다공성 콘크리트 흡음블록 예시도

도 2는 본 발명에 의한 흡음블록 설치 예시도

도 3은 국내 고속철도 소음 특성 예시도

도 4는 본 발명에 의한 다공성 콘크리트를 이용한 판 진동형 흡음블록의 진동모드 결과도

도 5는 터널구간에서의 열차소음 전달 경로 개념도

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

B01: 다공성의 콘크리트를 이용한 판 진동형 흡음블록

B02: 다공성의 콘크리트를 이용한 공명기형 흡음블록

고도의 경제성장으로 도시화 및 교통량이 증가하면서 철도가 지속적으로 신설 또는 증설되고 있다. 또한 유동인구와 물류량이 급증하고 열차운행 횟수의 증가, 열차의 고속화 및 중량화로 인해 자갈도상에서 유지보수 측면에서 유리한 콘크리트 도상으로 전환되고 있는 추세이다.

콘크리트 도상은 안락한 승차감, 레일의 선형유지 향상, 유지보수비 절감, 레일좌굴에 대한 저항력 향상, 급곡선부에서도 레일의 장대화가 가능함 등 다수의 장점으로 인하여 건설이 증가하고 있으나, 자갈도상에 비해 초기 시공비용이 높고 지반진동 및 소음에 취약한 단점이 있으며, 특히 소음으로 인한 승객들의 불쾌감으로 인하여 민원이 증가하고 있다. 따라서 고속철도 승객의 안락한 환경을 위한 소음저감 대책마련이 시급한 실정이다.

본 발명은 소음에 취약한 콘크리트 슬래브 궤도 구간에서의 열차소음 특성에 적합하며 흡음성능이 뛰어나고 경제성 및 유지보수 용이성을 확보한 흡음블록을 제공하고자 하는 것이다.

다공성 콘크리트는 밀실한 콘크리트와는 달리 연속된 공극을 가지고, 내부 표면적 크기 때문에 여러 가지의 기능을 가진 콘크리트로서 친환경적인 환경 부하 저감형 재료로서 기대되고 있으며, 특히 소음 저감 재료로서 주목받고 있다. 다공성 콘크리트는 음파를 흡수하는 흡음성능이 우수한 것으로 알려져 있으며, 이러한 흡음은 음파를 흡수한다는 것으로서, 매질 입자의 운동에너지가 재료에 진동 등을 유발시켜 열 에너지로 전환되는 것을 말한다. 다공성 콘크리트는 표면과 내부에 연속된 공극을 갖도록 제작되기 때문에, 입사음의 일부는 반사 에너지로 되고, 연속 공극을 통하여 내부로 침투한 음은 공극 내의 주위 벽과의 마찰이나 점성 저항 및 소섬유의 진동 등에 의해 음 에너지는 열 에너지로 소비된다. 또한 다공성 콘크리트 표면에서 반사된 음과 한번 내부로 침투하여 역투과한 음 사이에 판 두께에 의한 위상차가 발생하여, 그 효과에 의해 발생하는 간접효과에 의해 음이 감소한다. 이러한 다공성 콘크리트의 흡음성능은 고음역에 비하여 저음역에서 떨어지는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 소음을 저감시키기 위해서는 소음원에 대한 적절한 대책방안을 세우는 것이 가장 효율적이다. 그러나 소음원에 대한 대책방안이 어렵기 때문에 소음이 전달되는 경로를 차단하거나 제거하는 방법이 주로 사용되고 있다. 콘크리트 궤도 터널의 소음전달 과정을 차단하는 방법으로 지하철도에서는 콘크리트 궤도 터널단면을 확대하거나, 터널벽면에 숏크리트를 분사하거나, 흡음판을 부착하여 소음을 저감하고자 하였다. 그러나 콘크리트 터널의 단면을 증가시키면 시공비용이 증가하고, 고속철도의 경우에는 미기압파의 영향 등으로 추가적인 문제점이 발생될 수 있으며 차량 및 주행속도에 따라 소음의 탁월주파수 대역이 상이하기 때문에 일반적인 흡음판은 소음저감 효과를 기대하기 어렵다.

지하철도의 경우 터널 주행시 차량소음의 전달경로에서 감소시키는 방법으로 흡음재 및 방음벽 등을 이용하고 있다. 그러나 아직까지 국내 철도에는 흡음재가 적용 된 사례는 없으며, 소음을 저감하기 위하여 다수의 흡음 블록이 국내 지적재산권으로 출원 또는 등록되었으나, 열차소음 특성에 적합한 흡음성능을 발휘할 수 있도록 소음특성 파악 및 설계기술이 적용된 제품은 없으며, 흡음성능에 대한 검증이 이루어지지 못함으로 인하여 실제 사용하기에는 무리가 따른다. 또한 가격이 고가이거나, 친환경적(방염성, 비산방지성, 가스 유해성, 방수성, 내후성 등)을 충분히 만족하지 못하는 경우가 많으며, 궤도 바닥에 설치하였을 때 유지보수 및 배수가 충분하지 않은 구조로 되어 있다.

본 발명은 콘크리트 슬래브 궤도 구간의 열차소음 특성에 적합한 다공성 콘크리트 흡음블록을 콘크리트 슬래브 궤도의 중앙과 측면에 설치함으로써, 고음역대 뿐만 아니라 저음역대의 우수한 흡음성능으로 차내로 유입되는 반사소음을 저감하여 차량 실내소음 및 선로 주변의 소음을 저감하는데 목적이 있다.

콘크리트 슬래브 궤도는 자갈궤도에 비하여 소음에 취약하며, 특히 콘크리트 궤도로 이루어진 터널구간의 고속주행 시 승객들은 소음으로 인하여 불쾌감 및 정서적 불안 등을 느끼고 있으므로, 열차 운행 시 콘크리트 궤도 구간에서의 소음문제를 해결하기 위한 적절한 소음저감 대책이 절실한 실정이다.

철도용 흡음블록은 열차의 소음특성에 맞추어 제작되어야 우수한 흡음성능을 발휘할 수 있으며, 열차의 소음특성은 열차, 궤도구조의 특성 및 주행구간의 주변여건 등에 따라 큰 차이가 있다. 특히 열차의 특성에 따라 소음특성이 큰 차이가 있는데, 콘크리트 궤도 터널 통과 시 프랑스 TGV 및 유로스타 등은 50Hz ~ 250Hz 대의 탁월주파수 대역을 나타내고 있다. 그리고, 일본 신간선은 터널구간 통과 시 주로 315Hz의 주파수 영역에서 소음성분이 크게 나타나고 있으며, 독일 ICE 차량의 소음은 주로 250Hz ~ 3,150Hz의 고주파 영역에서 큰 경향을 보이고 있다. 국내 고속철도(KTX) 차량의 소음특성은 해외의 고속열차 소음특성과 다른 것으로 알려져 있는데, 한국철도기술연구원의 보고서에 따르면 초기 KTX는 국내 고속철도 터널 구간 주행 시 주요 소음은 60Hz ~ 80Hz의 저주파 성분의 소음이 주요 소음원이었으나 2005년부터 소음레벨의 저감을 위하여 차량의 머드플랩을 개선한 뒤 현재는 250Hz의 소음 성분이 저주파대의 주요 소음원으로 작용하고 있는 것으로 보고되고 있다.

다공성 콘크리트의 흡음성능은 고음역에 비하여 저음역에서 떨어지며, 다공성 콘크리트의 두께가 증가할 수록 저음역의 성능이 향상되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 철도용 흡음블록을 궤도 콘크리트 슬래브 도상에 설치할 경우, 열차의 주행 안전성에 영향을 미치지 않기 위하여 10cm 내외의 설치높이 제한으로 인하여 충분한 두께를 확보할 수 없기 때문에 저음역대의 성능을 효과적으로 거둘 수 없다.

따라서 본 발명은 다공성 콘크리트의 재질을 이용하여 열차의 주행 안전성에 영향을 미치지 않는 협소한 높이 내에서 콘크리트 슬래브궤도 구간의 열차 소음 특성에 적합한 흡음성능을 발휘하여 열차소음의 고음역뿐만 아니라 저주파 성분의 주요 소 음원을 저감하여 우수한 소음저감 성능을 발휘하고, 친환경적이며 유지보수와 배수가 용이하며 경제성이 우수한 다공성 콘크리트 흡음블록을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 국내 철도의 콘크리트 슬래브 궤도상 상면에 설치할 수 있는 바닥 설치 형 다공성 콘크리트 흡음블록을 제공함에 있어서, 궤도 내부에 설치되는 판 진동형 흡음블록(B01)과 공명기형 흡음블록(B02)으로 구성된다. 흡음블록들은 콘크리트 흡음재로 제작되며, 다공성 콘크리트 흡음재는 다공질의 천연 또는 인공 경량골재와 물, 시멘트, 발포제 등을 배합하여 만들어지며, 이때 재료의 감쇠 및 흡음성능 증대와 균열억제를 위하여 탄소섬유 등을 함께 혼합하여 제작할 수 있다. 흡음률은 이런 재료들의 배합비에 의해 결정되며, 다공성 콘크리트 흡음재는 주로 고주파 성분의 흡음성능을 제공한다.

흡음성능이 우수한 다공성 콘크리트 흡음재를 이용하여 도면 1과 같은 형상으로 판 진동형 흡음블록(B01)과 공명기형 흡음블록(B02)을 제작하고, 철도의 콘크리트 슬래브 궤도상 상면에 도면 2와 같이 설치하여 열차소음을 효과적으로 흡수하여 차량으로의 전달 소음을 감소시킴으로서 승객들의 소음에 의한 불쾌감을 해소하는 수단을 제공한다.

궤도 내부에 설치되는 다공성 콘크리트 재질의 판 진동형 흡음블록(B01)에 열차 소 음이 부딪히면 다공성 콘크리트 판에 진동이 발생하며, 이러한 진동은 열로 소산되거나 주변 지반진동으로 방사됨으로서 소음에너지를 저감시킨다. 이러한 흡음블록의 진동은 특정 저주파수대에 우수한 흡음성능을 발휘하며, 저음역의 소음저감성능 향상을 위하여 판 진동형 흡음블록(B01)의 1차 고유진동수를 저음역대 소음의 주파수에 일치시켜 제작함으로써 흡음블록의 공진주파수에서 저음역의 흡음성능을 극대화 한다. 그리고 고음역대의 흡음성능은 다공성 콘크리트 재질을 통하여 얻음으로써, 고음역대 뿐만 아니라 저음역대의 열차소음에 대하여 우수한 흡음성능을 발휘한다.

궤도의 양 측면에 설치되는 다공성 콘크리트 재질의 공명기형 흡음블록(B02)은 콘크리트 흡음재 내부 공동들의 구멍에 소음이 입사하면 공동의 형상에 의해 정해지는 공명 주파수 부근에서 구멍 내부의 공기가 공명을 일으켜 소음 에너지가 마찰열로 소비되어 저음역대의 흡음성능을 얻는 것으로 공명기 공동의 면적 및 구멍 단면적과 길이 등의 특성으로 결정되는 공명 주파수로 흡음을 위한 주요 대상 소음의 주파수가 결정된다. 그리고 고음역대의 흡음성능은 다공성 콘크리트 재질을 통하여 얻음으로써, 고음역대 뿐만 아니라 저음역대의 열차소음에 대하여 우수한 흡음성능을 발휘한다.

도면 3은 국내 고속철도의 실내 소음 특성을 나타낸 것으로서 250Hz 대역에 높은 소음이 발생되며, 소음 저감을 위한 중요 대상이 된다.

도면 4는 다공성 콘크리트 판 진동형 흡음블록의 고유치 해석을 통한 모드형상을 나타낸 것으로서, 고유치 해석을 통하여 판 진동형 흡음블록의 1차 고유진동수가 국내 고속철도의 주소음원인 250Hz 대역과 거의 일치하는 것을 확인하였다. 다른 열차의 효율적인 소음저감을 위해서는 열차소음의 탁월주파수에 판 진동형 흡음블록(B01)의 고유진동수를 맞추어야 하며, 이러한 고유진동수는 다공성 콘크리트의 강도, 흡음블록의 두께 및 바닥 접착면의 거리 등의 변화를 통하여 조절할 수 있다. 그리고, 배합시 고감쇠 고무 분말 등을 혼합하여 판 진동형 흡음블록을 제작함으로써 감쇠능력을 향상시키면, 저음역대 흠음성능 주파수대역을 넓히고 진동의 진폭을 감소시키는 효과를 거둘 수 있다.

본 발명은 철도 콘크리트 슬래브궤도 구간의 특성에 적합하며 소음저감이 뛰어나고 경제성이 우수한 철도 소음저감용 흡음블록을 제공하고자 하는 것으로, 흡음 소재는 흡음성능이 뛰어난 다공질의 천연 또는 인공 경량골재 사용하여 경량골재의 입도 선정 및 시멘트 등과의 최적 배합비로 흡음율을 극대화하고 동결저항성, 강도, 마모, 난연성 등이 우수한 다공성 콘크리트 흡음재를 사용한다.

흡음블록은 궤도구조, 유지보수, 시공성 등이 고려되어 설계되었으며, 철도 콘크리트 슬래브 궤도상에서의 열차주행시 양력 및 끌림으로 인한 흡음블록의 안정성을 위해 부착에 필요한 접착제 그리고 블록간의 핀 체결방식을 고려하여 설계되었다. 그리고, 흡음블록의 표면형상에 따라 흡음효과를 향상시킬 수 있다. 흡음블록의 제작에 사용되는 다공성 콘크리트 흡음재는 충분한 역학적, 재료적 내구성과 강도를 보유함으로써, 사용수명을 향상시키고 흡음블록 파손으로 인해 열차의 주행안정성에 영향이 없도록 하였다.

본 발명의 대상인 다공성 콘크리트 흡음블록은 도면 5에서 보이는 바와 같이 콘크리트 슬래브 궤도의 상면에 설치되어 차량으로 전달되는 반사 소음을 흡수함으로써 열차 실내소음을 저감하여 열차 승객들의 불쾌감을 해소시킨다. 토공구간의 콘크리트 슬래브 궤도에 적용시에는 열차 실내소음 저감뿐만 아니라, 인근 지역에 전파되는 소음을 저감하는 효과를 거둘 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 다공성 경량골재를 사용한 바닥 설치 형 다공성 콘크리트 흡음블록은 설치 높이에 제약이 있는 콘크리트 슬래브 궤도 구간에 설치되어 고음역 뿐만 아니라 저음역의 철도 소음을 효과적으로 저감하여, 소음으로 인한 철도 승객들의 불쾌감을 해소하고 안락한 승차 환경을 제공하여 철도 이용의 활성화에 기여할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 지하철도 및 일반철도의 소음특성에 맞도록 활용 가능하여 우수한 흡음성능으로 인한 철도 승객들의 불쾌감을 해소하고 안락한 승차 환경을 제공하여 철도 이용의 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

Claims (4)

1. 다공성 콘크리트를 이용한 판 진동형 흡음블록을 콘크리트 슬래브 궤도 중앙에 설치하고, 공명기형 흡음블록을 궤도 측면 바닥에 각각 설치함으로써, 고음역 및 저음역대의 열차 소음을 효율적으로 저감하는 것을 특징으로 하는 철도용 흡음블록.
2. 제 1 항에 있어서,

   다공성 콘크리트는 다공질의 천연 또는 인공 경량골재와 물, 시멘트, 발포제를 배합하여 제작함으로서 우수한 흡음율로 열차소음의 고음역대를 저감하도록 한 흡음블록.
3. 제 1 항에 있어서,

   판 진동형 흡음블록은 철도소음의 고음역대 소음저감 효과를 제공하기 위하여 다공성 콘크리트로 제작되며, 열차소음의 주요 저주파수대와 동일한 고유진동수를 갖도록 판 진동형 흡음블록을 제작하여 저음역대의 열차 소음저감을 극대화한 흡음블록.
4. 제 1 항에 있어서,

   공명기형 흡음블록은 철도소음의 고음역대 소음저감 효과를 제공하기 위하여 다공성 콘크리트로 제작되며, 다공성 콘크리트 흡음재 내부에 헬름홀츠 공명기 특성을 갖도록 내부공간과 연결 통로를 두어 열차소음의 주요 저주파수 성분의 소음저감을 향상시킨 흡음블록.

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