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1. 서 론

국내에서 철도환경소음에 대한 연구는 1990년대부터 시작하여 간헐적으로 수행되었으며, 한국철도기술연구원을 중심으로 경부와 호남고속철도 그리고 원주강릉선 개통을 앞두고 활발한 연구가 수행되고 있다. 환경소음과 관련해서도 다수의 연구가 진행되어왔으며, 대표적으로 고속철도 소음저감 기술 개발(1997~1998)[1], 철도소음진동의 효율적 저감방안 연구(1997~2000)[2], 고속철도 400 km/h 운행을 위한 환경소음 저감 핵심기술 개발(2010~2015)[3], 철도 소음/진동 저감기술개발(2012~2018) 등이 있다. 한편, 고속철도를 안전하면서도 보다 빠르게 하는 것이 전 세계적인 목표이며 Fig. 1과 같이 중국에서는 상업운행속도 394 km/h를 자랑한 바 있다. 국내에서도 400 km/h급 고속철도 차량인 HEMU-430X와 400 km/h 운행을 위한 인프라 시험선로가 호남고속철도 구간에 구축되어 있고, 현재도 시험운전을 진행하고 있다. 반면 열차의 속도가 증속될수록 환경소음은 크게 발생하게 되며, 300 km/h에서 400 km/h로 증속되는데 약 6~7dB의 소음이 증가되는 것으로 알려져 있다[4].

Fig. 1.

Development of high-speed railway.

그러나 고속철도 속도증가 추세에 따라 높아지는 환경소음을 저감하기 위해서는 저소음차량을 개발하여 문제를 해결하는 데는 한계가 있으며, 기존 선로 변 벽체(방음벽 포함)의 높이를 증가시켜 소음문제를 해결하는 것도 여러 가지 제약사항으로 인해 쉽지만은 않다. 고속철도 속도증가에 따른 방음벽 높이 증가를 최소화하기 위한 대안으로 연구단계에서 제안된[5] 선로 변 방음벽 벽체 상부에 설치하여 회절음을 줄이는 상단장치나 궤도에 설치하여 슬래브 반사소음을 저감하는 슬래브도상 흡음블럭 개발을 진행하여, 최근 호남고속철도 시험구간에 부설을 완료하였다. 본 연구에서는 400 km/h 고속철도 소음을 줄이기 위해서 개발된 벽체 상단장치에 대해 호남고속철도 운행구간에서 지속적인 모니터링을 통해 소음저감성능을 검증하고, 벽체 상단에 설치됨으로 인해 우려되는 풍압에 대한 예측과 실측하여 검증하였다. 풍압에 대한 예측은 PowerFlow 3.5 c를 이용하였으며, 예측 값을 확인하기 위해 호남고속철도 시험선로에 설치된 벽체 상단시설에 풍압센서를 설치하여 실측을 수행하여 구조안정성을 검증하였다.

2. 고속철도 용 벽체 상단장치개발

400 km/h 고속차량인 HEMU-430X이 경부고속철도에서 시운전 시 125 Hz 주파수대역의 저주파성분 소음과 500~2000 Hz 주파수 대역에서의 소음값이 높은 것으로 분석되었다. 이러한 측정분석결과를 바탕으로 저주파성분 및 고주파 성분의 소음을 모두 저감할 수 있는 상단장치설계에 대한 연구를 수행하였다. 연구를 통해 음의 간섭원리에 근거한 내부격자구조를 이용해 저주파성분을 저감시키고, 400km/h 고속철도에 소음원에 적합하게 외곽형상 및 회절각을 조절한 상단장치를 개발하였다. 간섭원리에 근거한 내부격자 설계는 Fig. 2와 같이 간섭주파수가 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz에 튜닝되도록 내부구조를 결정하였다.

Fig. 2.

Initial shape design using resonance principle.

소음저감장치의 성능검증을 위해 시제품을 제작하기 전소음해석기법을 이용하여 성능예측을 수행하였다. 해석방법은 2차원 경계요소법(BEM) 중간 간섭법(indirect method)을 이용하였다[6]. 이때 소음저감장치 설치 전후의 감음량은 옥외 및 현장시험과의 비교평가를 위해 현장여건과 동일하게 설정하였다. 한편 시제품 평가의 경우 소음저감장치 설치 후의 높이가 설치 전에 비해 0.5 m 높아지는데, 이러한 높이 증가에 따른 소음저감효과의 증가현상을 고려해 평가를 해야한다. 본 연구에서는 높이증가 효과를 고려하기 위해 도로교통연구원[7]에서 연구한 바와 같이, 소음저감장치 설치 후에 대한 예측 및 평가 시에는 일반방음벽의 예측시보다 음원 및 수음점 높이를 소음저감장치 높이(0.5 m)만큼 높여 가정한 후 예측 및 평가를 수행하여 높이 증가효과를 방지하였다. Fig. 3(a)와 같이 다양한 형상에 대한 시뮬레이션을 통해 Lab. test에 필요한 소음저감장치 내부형상을 도출하였으며, 도출된 내부격자구조 및 외부형상들에 대해 Fig.3(b)처럼 무향실 실험을 수행하여 가장 효과가 좋은 내부격자구와 외부형상을 찾아내었다. 최종적으로는 Fig. 3(c)와 같이 선정된 소음저감장치에 대해 성능확인을 위한 옥외시험 후 상단흡음을 결정하고, 호남고속철도 개통 전 현장 스피커시험을 통해 3.5 dB(A)의 성능을 확인하였다[8].

Fig. 3.

The step summary of the process for developing new noise reduction device.

3. 소음저감성능 및 풍압안전성 평가방법

3.2. 풍압안전성 시뮬레이션 및 평가방법

선로 연변에 설치되는 시설의 경우 구조문제가 발생할 경우 상당히 심각한 결과를 초래 할 수 있다. 본 연구에서는 구조안정성을 만족하는 부재치수 산정을 위해 보수적이지만 선로 변 철도방음벽 시설물 설치에 따른 설계하중에 고속열차가 400 km/h로 주행 시 상단장치에 작용하는 풍압을 합산하였다. 설계하중으로 계산한 후 Fig. 6과 같은 상단장치의 구조부재를 선정하였다. 한편 고속열차가 400 km/h로 운행 시의 풍압을 산정하기 위해 풍동실험을 통해 시뮬레이션에 필요한 설계변수를 도출한 후, 수치시뮬레이션을 통해 시험시공구간에 개발된 상단장치를 적용했을 때 상단장치에 작용하는 풍압을 산정하였다.

Fig. 6.

Devices developed considering design load pressure.

3.2.1. 풍압산정을 위한 시뮬레이션 및 결과

풍압에 대한 시뮬레이션 커널은 2 방정식 RNG 난류 모델과 결합된 Lattice Boltzmann Method (LBM)로 알려진 수치 체계를 기반으로 한 PowerFLOW 3.5c를 이용하였으며, 이 기법을 이용하여 400 km/h 고속철도가 벽체구간을 통과할 때 발생하는 압력변동을 산정하였다. 열차의 모델은 단순화 하여 가정하였고, 전두부의 각도는 45도로 주었다. 방음벽 상단장치의 풍압은 골조물의 면 데이터를 이용하여 3초 동안의 데이터를 평균해 계산하였다. 속도경계층의 분포를 확인한 결과, Fig. 7과 같이 전두부와 후두부에서 압력파가 발생하였다. 이를 통해 열차의 전두부와 후두부가 지나갈 때 상단장치에 가해지는 압력의 크기가 크다는 것을 확인하였다. 상단장치에 가해지는 압력해석 결과, Fig. 8과 같이 상단장치의 하부(point 3)보다 정면부(point 1)에 걸리는 압력이 가장 크고 풍압은 0.0056 kgf/cm²로 나타났다.

Fig. 7.

Pressure layer distribution at 400 km/h speed.

Fig. 8.

The pressure acting on each point of development device.

3.2.2. 풍압안전성 평가방법

설계단계에서 400 km/h 속도의 열차풍압에 대한 구조적 안정성을 구조해석과 유동해석을 통하여 평가하였다. 검증을 위한 측정분석시스템은 Fig. 9와 같이 Accelerometer(속도), Microphone(음압), Strain gage(변위), Wind pressure(풍압) 등을 기록 분석할 수 있는 LMS SCADAS Mobile(벨기에)을 사용하였으며, 풍압센서는 계측범위가 lpsi-6.89kPa, electrical connector-10-32인 PCB 106B52를 사용하였다.

Fig. 9.

Measurement system for wind pressure analysis.

이와 같은 계측시스템을 이용하여 HEMU-430X 운행 시상단장치에 작용하는 열차풍압을 측정하고 평가를 수행하였다.

4. 평가결과

4.1. 소음저감성능 평가결과

400 km/h 급 고속철도인 HEMU-X 운행 시 Fig. 10과 같이 설치구간과 미설치구간의 동시 현장측정시스템을 구축하고, 2015년 1월부터 2017년 9월까지 소음저감성능을 확인하기 위한 모니터링을 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 수행하였다.

Fig. 10.

Measurement sight for performance test.

성능평가결과 Table 1 및 Fig. 11과 같이 170~414 km/h의 속도대역에 걸쳐서 선로 중앙 25 m (H = 1.2 m, H = 3.5 m)에서 평균소음 저감량은 TEL 3.9 dB(A)로 평가되었다.

Table 1.

Measurement results for performance test

Fig. 11.

The comparison results of train passing time history.

Fig. 12와 같이 HEMU-430X의 소음특성은 63~125 Hz와 500~2000 Hz가 지배적인 것으로 평가되었다. 한편, 고속철도가 300 km/h에서 400 km/h 증속 시 약 6~7 dB(A)의 소음이 증가하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 방음벽과 상단장치의 영향을 받지 않는 높이(8.0 m)에서 측정된 속도대역 별 총 32개의 측정자료)를 이용하여 Fig. 13과 같은 y = 79.80458 + 0.0650X의 회귀 식을 얻었으며, 300 km/h에서 400 km/h로 증속할 때 TEL 5~6 dB(A) 정도가 상승하는 것을 확인하였다.

Fig. 12.

The noise frequency characteristics at 400 km/h speed.

Fig. 13.

The noise level per speed range of HEMU-430X. (TEL, O.A. Freq. 31.5~10 kHz).

4.2. 풍압안전성 평가결과

400 km/h 인프라 시험선로가 구축되어 있는 호남선 시험구간에서 Fig. 14와 같이 풍압센서를 설치하고 HEMU-430X운행 속도 별로 개발된 상단장치에 작용하는 풍압을 실측하였다.

Fig. 14.

Measurement sight for wind pressure.

HEMU-430X가 400 km/h 운행 시 Fig. 15와 같이 0.6 kPa의 압력이 측정되었으며, 수치해석을 통해 도출된 0.56 kPa과 유사한 결과를 얻었다. 현재 “철도방음시설물 풍압관련 설계기준(2015)”에서 가장 높은 곳은 여수 및 속초지역에 적용되는 2.0 kPa이고, 설계기준에 열차풍압을 더해도 2.6kPa이다. 실제 태풍 등 큰 풍압이 있을 때는 열차가 속도를 낮추어 운행하기 때문에 태풍 시 열차에서 발생하는 풍압은 크게 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 15.

The comparison results of wind pressure time history.

한편, 도로교통연구원에서 제한하는 “방음벽 상단 소음저감장치 품질기준”에서도 최대등급 하중이 3.4 kPa이다. 본 연구에서는 철도와 도로 모두 적용 가능하도록 3.4 kPa 이상의 하중에 견디는 상단장치를 개발하기 위해 Fig. 16과 같은 시뮬레이션을 통해 구조부재의 치수를 결정하였다.

Fig. 16.

The numerical analysis for structural design.

또한 본 연구에서는 “방음벽 상단 소음저감장치 품질기준”에서 제시하는 시험방법에 따라 Fig. 17과 같은 시험을 실시하였다. 시험결과, 3.6 kPa의 하중에서도 15.2 mm(허용기준 50.0 mm 이하) 처짐을 보여 풍압안전성에 만족하는 것을 시험을 통해 확인하였다.

Fig. 17.

Test view of the wind pressure safety.

5. 결 론

1) 400 km/h 용 선로 변 벽체 상단장치의 소음저감성능을 호남고속철도 STA. 116k560~780에 부설하고, 다년간 모니터링한 자료를 분석한 결과 설치 전/후 TEL 3.9 dB(A)의 소음저감성능을 갖는 것을 확인하였다.

2) 400 km/h 고속철도 선로 변 벽체(높이 4.5 m)에 설치되는 상단장치에 작용하는 풍압을 RNG 난류 모델과 결합된 Lattice Boltzmann Method (LBM)로 예측하고 실측을 통해 검증한 결과, 상단장치에 600Pa 정도의 풍압이 작용하는 것으로 평가되었다.

3) 본 연구를 통해 HEMU-430X가 300 km/h에서 400 km/h로 속도를 높여 운행할 때 약 TEL 5~6 dB(A)의 소음이 증가하는 것을 확인하였다.

4) 본 연구를 통해 400 km/h 고속철도 소음저감성능 및 풍압에 대한 구조안정성이 검증된 상단장치는 향후 국내외 고속철도 증속시 효율적인 소음저감대책으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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