R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C152289-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 철도운행장애 예방 및 미세먼지 저감을 위한 통기형 방음터널기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-19 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 최상현 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
17명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 271,000,000 원 기업 : 91,000,000 원 계 : 362,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 600,000,000 원 기업 : 201,000,000 원 계 : 801,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국교통대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 산업의 발달에 따른 인구의 도시 집중이 심화됨에 따라 도심지역의 교통 문제를 완화하기 위한 방안으로 정시성과 대량 수송성, 에너지효율성 등의 장점을 갖춘 도시철도망이 꾸준히 확충되어 왔음 ○ 철도는 도로 분야에 비해 에너지 효율성 및 환경오염에 대한 사회적 비용 등 경제적인 가치뿐만 아니라, 타 교통수단 대비 지형, 생태 등 자연환경에 대한 영향 측면에서도 많은 이점이 있으나, 열차의 선로운행에 따른 소음발생 문제가 지속적으로 발생하고 있는 실정임 ○ 특히 국내의 경우 도시철도의 접근성이 생활 편이성의 주요 지표로 부상되면서 철도 인근을 중심으로 주거지역과 상가 등이 밀집되는 형태로 발전하였고, 최근 열차의 고속화 및 증편, 노선의 증가로 열차 운행에 따른 철도 주변 거주인원의 소음공해 노출 및 피로도가 크게 증가하고 있는 상황임 ○ 이 같은 소음 피해를 해소하는 방안으로 민원이 발생하는 주거지역 및 상가 인근 철도에 다양한 형태의 방음벽을 설치하고 있음 ○ 또한 계속되는 도심지 개발에 따라 철도에 근접한 및 택지개발에 따른 인구 집중 및 퇴근 후 삶의 질 향상에 따른 방음시설의 설치 필요성이 증가하고 있음 ○ 그러나 현재 가장 많이 활용하고 있는 소음제거 기술인 방음벽의 경우 아파트 및 빌딩의 고층화에 따라 수음점이 소음원보다 높거나 소음원이 수음점보다 낮아 방음벽에 의한 소음저감 효과가 미비해 이를 극복하기 위해 방음벽의 높이를 상향하여 시공하고 있는데, 높이 상향에 따른 설치비용의 급증 및 방음벽의 설계/시공 조건상 약 15m의 한계높이가 있으며, 소음원으로부터 직진음으로 방음 불가지역이 발생하고 저층지역에서는 음의 회절로 인한 방음효과가 저하되는 현상이 발생해 원천적인 민원해결에 한계가 있을 뿐 아니라 저층지역의 조망권/일조권에 대한 문제가 발생함 ○ 이에 최근에는 방음벽의 높이 증설의 한계 극복과 쾌적한 생활환경의 제공을 위해 높은 설치비용에도 불구하고 실질적인 대안으로 떠오르는 방음터널은 소음원으로부터 발생하는 직진음을 차단하여 방음효과가 상승하고, 저층지역에서도 음의 회절을 차단해 충분한 방음효과를 확보할 수 있으며, 방음시설의 높이 저감으로 경관 저해요인 최소화 및 구조적 안전성 확보 및 터널구조에 의한 미세먼지 저감효과를 기대할 수 있어 방음터널의 설치요구가 꾸준히 증가하고 있는 상황임 ○ 이러한 방음터널의 높은 효과에도 불구하고 철도 적용시 여러 가지 문제점이 발생할 수 있는데, 대표적으로 터널구조에 따른 환기문제 및 여름철 폭염에 따른 터널내 온실효과로 레일장출(bucking of rail, 온도상승에 의해 레일이 팽창하여 그 압축력이 횡 저항력보다 커져서 궤광이 횡축방향으로 급격히 부풀어나오는 현상)에 의한 열차의 탈선이나 옥외온도 40℃ 이상에서 전차선, 전기 및 통신시설 등 전력시스템 장애 등의 원인으로 운행장애를 유발1)할 수 있어 방음터널의 적용시 터널 내부의 온도 제어가 매우 중요한 것으로 판단됨 1) 전기용품, 전차선 및 통신시설에 대한 기술기준의 성능요건은 대부분 최고 대기온도를 40℃로 규정하고 있음 ○ 실제로 2014년 5월 31일 경북 의성군 및 2018년 7월 24일 대전 조차장 인근에서 폭염에 의해 철도 레일이 휘어져서 화물열차 바퀴가 레일을 벗어나는 사고가 발생하기도 하였는데, 이때 경북 의성 지역의 최고 온도가 36.3℃로 기차의 레일온도가 55℃까지 올라갔던 것으로 확인되었음 ○ 방음터널 구조의 경우 여름철 폭염에 의한 터널 내 온도상승에 대해 사전 연구한 바로는 터널의 형상에 따라 차이는 있지만 외기온도 38.4℃에서 내부의 온도가 47~53℃까지 상승하는 것으로 나타났으며, 최근 이상기온에 따른 여름철 폭염 발생빈도의 증가 및 최대온도 상승으로 이러한 문제는 더욱 중요시 될 것으로 판단됨 ○ 또한 자갈궤도에서 중량의 열차 통과로 인하여 발생하는 미세먼지의 경우 선로 주변으로 확산되어 주민 생활의 불편을 야기하고 있으며, 이러한 차원에서 방음터널은 미세먼지 증가를 원천 차단할 수 있는 시설임 ○ 결과적으로 기존의 방음기술은 방음판의 내외부 통기가 불가능하거나 통기시 소음 감소효과가 떨어지지만, 본 연구를 통해 개발되는 통기형 방음터널 기술은 방음성능의 저감 없이 방음판의 내외부 통기가 가능해 공기흐름의 차단 없이 실질적인 소음에 대한 감소만이 이루어지기 때문에 방음터널 내부의 온도상승 및 선로 주변 미세먼지 농도 증가 문제를 획기적으로 저감할 수 있을 것으로 판단됨 [최종목표] - 철도 운행장애 예방 및 미세먼지 저감을 위한 통기형 방음터널기술 개발 본 연구를 통해 철도 방음터널에 대해 하절기 폭염 조건에서 터널 내부의 온도 증가에 따른 레일장출(bucking of rail) 또는 전력시스템의 장애 발생에 의한 운행장애 및 교통안전 문제를 해결하기 위해 방음성능을 유지하면서 방음터널 내외부 통기가 가능한 개방형 방음판을 개발하고 열 방출이 용이한 방음터널 설계기법을 연구하고자 함 - 수치해석과 소음실험을 수행하여 기존 방음기준을 충족하는 방음성능이 확보되고 방음판 내외부 공기순환이 가능한 방음터널용 통기형 방음판 설계기법 개발 - 철도 방음터널내 온도분포 및 소음특성을 고려한 통기형 방음시스템의 해석모델 및 설계절차 수립 - 실험실 환경 내에서 bench scale 규모의 실험을 수행하여 방음터널 구조 및 실 적용환경을 고려한 철도 방음터널내 상호작용 해석기법 개발 - 사업화 방안 검토 [연구내용 및 범위] 1차 연도 ① 개발 목표 - 주관연구기관(교통대학교): 통기형 방음시스템 해석모델 작성 및 방음터널 공명효과 분석 - 공동연구기관((주)에스코알티에스): 통기형 방음판 해석모델 작성 ② 개발 내용 및 범위(그림을 이용하여 시스템 구성도, 구조 등을 구체적으로 표현) - 주관연구기관(교통대학교): 선행연구 사례조사를 통한 기존 연구사례 분석 설계인자가 반영된 해석모델 작성 간략해석을 통한 방음터널 내 온도/소음 패턴 분석 공기순환 및 공명효과 분석을 통한 방음터널 시스템내 상호작용 분석 - 공동연구기관((주)에스코알티에스): 선행연구 사례조사를 통한 기존기술 및 보유기술 조사/분석 공명현상 이론연구를 통한 설계인자 및 이론식 도출 수치해석을 통한 해석모델 작성 시작품 제작 및 성능시험을 통한 가능성 제시 2차 연도 ① 개발 목표 - 주관연구기관(교통대학교): 통기형 방음시스템 설계인자 연계/최적화 및 영향인자 상호작용 해석기법 개발 - 공동연구기관((주)에스코알티에스): 통기형 방음구조 개선 및 시험품 성능 분석 ② 개발 내용 및 범위(그림을 이용하여 시스템 구성도, 구조 등을 구체적으로 표현) - 주관연구기관(교통대학교): 설계인자별 수치해석 결과 도출을 통한 각 설계인자별 효과 분석 설계인자가 연계된 방음터널 시스템 기반 해석모델 작성 영향인자를 반영한 시뮬레이션을 통한 최적화 설계 Bench scale규모 해석 모델 작성 및 성능시험/분석 해석-시험값간 상호 보정을 통한 해석기법 정교화 - 공동연구기관((주)에스코알티에스): 영향인자 검토를 통한 개선된 수치해석 모델 작성 개선된 시험품 제작 및 성능 확인 방음터널 적용을 위한 구조 최적화 3차 연도 ① 개발 목표 - 주관연구기관(교통대학교): 통기형 방음시스템 설계기법 개발 및 상호작용 해석기법 입증 - 공동연구기관((주)에스코알티에스): 최종시험품 성능검증 및 설계기법 최적화, 사업화방안 검토 ② 개발 내용 및 범위(그림을 이용하여 시스템 구성도, 구조 등을 구체적으로 표현) - 주관연구기관(교통대학교): 방음성능 결정인자 도출 및 반영을 통한 최적설계안 확정 해석 및 실험을 통한 결과 입증 후 방음시스템 설계절차서 작성 Bench scale규모 저감효과 입증 및 상호작용 해석기법 정립 - 공동연구기관((주)에스코알티에스): 설계변수 및 데이터 분석을 통한 설계인자 보정 최종 시험품 제작을 통한 성능 입증 최적화 설계기법 정립 사업화를 위한 비즈니스 모델 수립 및 원가분석, 매뉴얼, 시방서 작성 |
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| 색인어 | 한글 | 방음판 | 방음터널 | 통기형 | 교통소음 | 철도운행장애 |
| 영문 | soundproof panels | nioseproof tunnel | air transparent type | traffic noise | railway incidents | |
| 최종보고서 | 철도운행장애 예방 및 미세먼지 저감을 위한 통기형 방음터널 기술 개발_최종보고서.pdf | |||||