교량 진동에 의한 인체감성의 평가연구 지도교수 박 연 수 전남대학교 대학원 토목공학과 석사과정 정 태 형

목 차 서 론 인체진동의 기본적 이론 인체하중-지속시간에 따른 이상화 결 론

서 론 차량이 교량위를 시속 60km 및 80km주행시를 가상으로 설정하고 인체감성 영향평가 연구를 수행하고자 한다 서 론 차량이 교량위를 시속 60km 및 80km주행시를 가상으로 설정하고 인체감성 영향평가 연구를 수행하고자 한다 인체보행하중이 구조물에 미치는 영향과 차량 주행시 사람이 보행, 달리기, 자전거 타기등에 대한 인체등감도 평가를 교량 구조물에 대해 이상화한 모델하중으로 실시 하고자한다.

인체진동의 기본적 이론 인체에 미치는 진동 인체진동(Human Vibration)은 진동에 대한 인체의 반응(Human Respon se to Vibration)의 줄임말로써, 차량, 선박, 항공기 등과 같은 탑승환경과 주거 환경, 그리고 작업환경에서 발생하는 진동이나 충격이 인체에 미치는 물리적, 심리적 영향을 측정, 평가 하는 것을 주요 연구대상으로 하는 것이다. 인체진동의 분류 인체를 지지하는 물체의 표면으로부터 진동이 작용하는 경우 인체의 어느 국소에 진동하는 경우 인체가 진동하는 매체에 존재하고 있는 경우

인체진동의 기본적 이론 인체진동의 발생환경 탑승환경 주거환경 작업환경 가상현실 인체진동 기술의 활용분야 승차감 평가 및 고안락성 시트개발 산업차량의 작업성 평가 수완계(Hand-arm) 진동 평가 및 개선 거주 환경 영향 평가 멀미현상의 규명 및 예방 소음과 진동의 상대적 중요도 평가

인체진동의 기본적 이론 진동의 전달 방향(ISO 국제표준화기구) <ISO 진동방향>

인체진동의 기본적 이론 진동의 수용체 기능 파시니안소체 : 인체의 말초신경에 약간의 변화를 주어도, 즉 피부나 조직에 산재될 지각신경 종말에 의해 물리적인 자극이 신경의 활동변위로 변환되는 진동의 수용기 마이스너소체 : 촉각ㆍ압력감각에 의해 지배받는 수용기

인체진동의 기본적 이론 인체의 생리적인 응답 진동수용기에서 발생한 신호는 지각신경다발을 통해 큰골의 피질로 전달되기 앞서 신경다발의 가지가 뇌간망양체(腦幹網樣体)에 연락하고 있어 신호에 의해서 뇌간망양체를 흥분시켜 다시 큰골의 의식수준을  높이는데 있어 작용하는 활동을 뇌간망양체 부화계(braistem reticular activation system)이다.

인체진동의 기본적 이론 인체의 심리적인 응답 가진기 : 각종 주파수와 진폭이 고려된 진동을 발생시킨 장치 ISO 의 특성곡선 : 인간의 특선곡선을 ISO 에서 규정했는데 이 곡선은 수직진동과 수평진동(horizontal vibration)에서 8시간 폭로시 허용한계를 나타냄 진동의 계속시간 :만일 충격성의 진동에 폭로될 경우에 생긴 진동크기에 따른 감각은 진동의 지속시간과 관계가 있으며, 충격 정현진동의 지속시간에 따라 크기의 감각량이 변화한다. 인체의 물리적인 응답 : 인체는 외계(外界)로부터의 진동자극에 따라 물리적인 응답을 나타내서 어떤 주파수의 진동을 감쇠시키나 가해진 진동의 주파수가 인체의 특정한 부분의 고유진동수에 일치하면 진동을 증폭시켜 공진(共振)을 일으켜서 그 부분의 진동은 아주 높게 된다.

인체진동의 기본적 이론 진동에 의한 피해 생리적인 악영향 : 인체에 유의(有意)적인 생리적 악영향을 나타낼 수 있는 진동레벨은 90㏈ 이상 심리적인 악영향 : 인간의 심리적인 악영향을 줄 수 있는 진동레벨은 60㏈ 구조물의 악영향 : 문지방이 비틀리거나 건물붕괴와 논바닥이 갈라지는 등의 재산상 피해가 발생될수 있는 진동레벨은 70㏈이상 작업능률 저하 : 진동에 의한 작업 능률피해는 눈을 사용한 작업에서 시력의 저하, 작업시간 연장, 초점 맞추기의 곤란, 근육운동의 방해, 대화의 방해, 복잡한 작업의 정확도가 떨어져서 불량품의 발생률이 증대된다.

인체진동의 기본적 이론 인체진동영향평가 방법 국제표준화기구(ISO)의 평가법 : 이 평가는 항공․육상․수상용의 수하물과 공업․농 업용의 기계류에 대한 진동이 인간의 쾌적성이나 작업능률에 미치는 악영향을 평가 하는데 한계로 규정되었으며, 주로 전신진동이 대상으로 되고 있다 . 적용범위 진동의 주파수범위는 1~80Hz 이며, 이 주파수 범위 내에서 주기적․랜덤․비주기 적인 진동에 적용되며, 잠정적으로는 연속충격형인 진동에도 적용된다. 진동의 방향과 양 진동은 심장(heart)을 위치한 원점으로 하여 직교좌표(orthogonal coordinate system)이며, 진동량은 가속도실효치(rms : m/sec2)로 나타낸다.

인체진동의 기본적 이론 진동평가지침 피로 및 능률감퇴 경계(fatigue-decreased froficiency boundary) 폭로한계(exposure limit) 쾌감감퇴경계(reduced comfort boundary) 기타평가기준 British 5400 평가기준 , 혼슈시코쿠 연락교 평가기준

인체하중-지속시간에 따른 이상화 P(t) = P0sin(πt/td) P(t) =0.5{sin(2πt-π/t)+1) P(t) =| t-td / 2 |+Pmax < 반사인파 (half-cycle sine pulse) > < 하버사인파 (harvesine pulse) > < 삼각파 (symmetrical triangular pulse) >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 이상화파형의 적용 차량의 경우 < 시속 60km주행시-반사인파 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 이상화파형의 적용 인체의 경우 < 보행-반사인파 > < 조깅-반사인파 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 이상화파형의 적용 인체의 경우 < 자전거-반사인파 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 구조물의 이상화 교량 제원 구조물모델링

인체하중-지속시간에 따른 이상화 해석결과 차량진동영향평가 < 설계속도 60km/hr 주행시 응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 5.85219 2.04044 28.19983 5.28009 0.21007 min(-) 2.26022 1.94785 4.4972 7.1572 1.7291 속도(cm/s) 3.75693 0.7998 9.27899 4.34689 0.76588 3.31921 1.04817 13.0693 4.44365 0.74626 가속도(cm/s2) 0.04413 0.1601 0.17906 0.08903 0.0183 0.05874 0.0188 0.14689 0.07688 0.0165 주파수(Hz) 0.156 0.313 0.352 < 설계속도 60km/hr 주행시 응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.58759 0.17445 2.53106 0.90474 0.54798 min(-) 0.28097 0.18649 0.72614 0.58513 0.15822 속도(cm/s) 1.16632 0.17669 1.33343 1.01699 1.21713 1.28356 0.19893 1.34898 0.73238 0.26073 가속도(cm/s2) 13.72344 3.68721 9.39362 11.0661 13.38526 18.138 2.58438 17.9349 17.7588 17.4275 주파수(Hz) 3.711 3.477 3.691 3.672 < 속도 80km/hr 주행시 응답 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 인체진동영향평가 < 보행시 교량응답 > < 조깅시 교량응답 > ① ② ③   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.00158 0.00043 0.0073 0.00195 0.0038 min(-) 0.00065 0.0005 0.00375 0.00161 0.00052 속도(cm/s) 0.00547 0.00128 0.01004 0.00394 0.00349 0.00622 0.00121 0.01246 0.00591 0.00539 가속도(cm/s2) 0.046 0.00872 0.04952 0.05228 0.00414 0.05217 0.01047 0.05429 0.04857 0.04114 주파수(Hz) 0.981 0.985 2.5 1.016 1.013 < 보행시 교량응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.00179 0.00113 0.0058 0.00169 min(-) 0.00053 0.00045 0.00283 0.00125 속도(cm/s) 0.00515 0.00097 0.01004 0.00334 0.00343 0.00623 0.00084 0.01246 0.00418 0.00302 가속도(cm/s2) 0.03923 0.00803 0.04928 0.02687 0.03181 0.05841 0.00606 0.04801 0.03462 0.03647 주파수(Hz) 3.312 1.322 3.334 2.665 3.336 < 조깅시 교량응답 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 < 자전거 주행시 교량응답 > 차량 주행시-인체진동 영향평가   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.0025 0.00071 0.01066 0.00372 0.00219 min(-) 0.00116 0.00081 0.00389 0.0006 속도(cm/s) 0.00547 0.00128 0.01004 0.00394 0.00349 0.00622 0.00121 0.01246 0.00591 0.00539 가속도(cm/s2) 0.02736 0.0135 0.09842 0.02455 0.02515 0.07924 0.01032 0.10073 0.0691 0.06943 주파수(Hz) 2.084 2.009 2.032 2.025 < 자전거 주행시 교량응답 > 차량 주행시-인체진동 영향평가   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.57633 0.19176 2.69565 0.95087 0.59454 min(-) 0.31727 0.18474 0.6381 0.73371 0.195 속도(cm/s) 0.70257 0.25527 1.46334 0.69603 0.9986 1.22826 0.21232 1.93303 1.28646 0.62424 가속도(cm/s2) 14.11199 2.28481 14.3782 14.1149 13.81951 13.4689 2.83446 16.5182 13.4688 15.3563 주파수(Hz) 4.712 4.781 4.735 4.750 5.000 < 60km/hr 차량주행과 보행시 응답 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 < 60km/hr 차량주행과 조깅시 응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.57651 0.19194 2.69611 0.94977 0.59476 min(-) 0.31818 0.18488 0.64003 0.73373 0.19506 속도(cm/s) 0.70293 0.25497 1.46392 0.69566 0.99903 1.2272 0.21121 1.93281 1.28533 0.62463 가속도(cm/s2) 14.14658 2.28673 14.37933 14.10153 13.82202 13.4692 2.83303 16.5256 13.459 15.358 주파수(Hz) 4.712 4.781 4.735 4.750 5.000 < 60km/hr 차량주행과 조깅시 응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.57686 0.19182 2.69495 0.95044 0.5948 min(-) 0.31801 0.18449 0.64199 0.73208 0.19487 속도(cm/s) 0.70554 0.25479 1.46345 0.69581 0.99879 1.22794 0.21083 1.93113 1.28473 0.62421 가속도(cm/s2) 14.11562 2.28716 14.37813 14.10783 13.82037 13.5115 2.83024 16.5166 13.4631 15.3567 주파수(Hz) 4.711 4.781 4.735 4.750 5.000 < 60km/hr 차량주행과 자전거주행시 응답 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 < 80km/hr 차량주행과 보행시 응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.58841 0.18193 2.51752 0.90137 0.54837 min(-) 0.2803 0.18617 0.73687 0.58397 0.16306 속도(cm/s) min(+) 1.16659 0.19499 1.26532 0.8446 1.00316 max(-) 1.28554 0.19969 1.32937 0.68076 1.29781 가속도(cm/s2) 13.74555 3.69156 9.08107 11.69307 13.66229 18.1437 2.58553 17.5452 17.5613 17.5106 주파수(Hz) 3.718 3.623 3.684 3.435 < 80km/hr 차량주행과 보행시 응답 >   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.58849 0.18209 2.51763 0.90138 0.54813 min(-) 0.28025 0.18615 0.73676 0.58418 0.16304 속도(cm/s) min(+) 1.16684 0.19473 1.2649 0.69566 0.84485 max(-) 1.28789 0.20042 1.32889 1.28533 0.68005 가속도(cm/s2) 13.7114 3.69412 9.08855 11.68721 13.66204 18.1327 2.58049 17.5493 17.5615 17.5096 주파수(Hz) 3.718 3.623 3.687 3.435 < 80km/hr 차량주행과 조깅시 응답 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 < 80km/hr 차량주행과 자전거주행시 응답 > ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm)   ① ② ③ ④ ⑤ 변위(cm) max(+) 0.58841 0.18226 2.51893 0.90184 0.54831 min(-) 0.28168 0.18661 0.73829 0.58497 0.16329 속도(cm/s) min(+) 1.1781 0.19496 1.26139 0.84275 1.00346 max(-) 1.28542 0.20044 1.32929 0.68043 1.29728 가속도(cm/s2) 13.73697 3.69091 9.09219 11.69228 13.66105 18.1326 2.5812 17.547 17.5589 17.5097 주파수(Hz) 3.718 3.623 3.684 3.435 < 80km/hr 차량주행과 자전거주행시 응답 >

인체하중-지속시간에 따른 이상화 인체감성평가 해석결과를 보면 차량이 시속 80km로 주행시 보행하고 있을 때 절점 ①의 가속도가 18.1437(cm/s2)로써 가장 높게 나왔다. 주파수는 차량이 시속 60km로 주행시에만 저주파수이고 인체하중이 포함된 경우는 거의 2~5hz의 분포를 보이고 있다. ISO 2631의 평가기법 보행의 경우 인체가 24hr이상(진동 가속도 응답 35dB), 조깅의 경우 인체가 24hr이상(진동 가속도 응답 35dB), 자전거 타기의 경우 인체가 24hr이상(진동 가속도 응답 40dB) 폭로시 쾌감을 상실한다고 판단되어진다.

인체하중-지속시간에 따른 이상화 인체감성평가 British 5400 평가기준 BS 5400의 경우는 가속도 상한값 0.05G(0.49m/s2)를 만족하는지를 평가하는 것으로 본 교량에 유발되어지는 진동에 의한 가속도의  최대 값이 0.02G(0.18m/s2)이므로 충분히 만족시킨다고 판단되어진다. 혼슈시코쿠 연락교 평가기준 혼슈시코쿠 연락교의 평가기준이 BS 5400 보다 훨씬 더 광범위한 허용범위를 나타 내고또한 마찬가지로 본 교량에 유발되어지는 진동에 의한 가속도의 최대 값이 0.02G(0.18m/s2) 이므로 충분히 만족시킨다고 판단되어진다.

결 론 1. 차량이 시속 80km로 주행시 보행하고 있을 때 가속도가 0.02G(0.18m/s2)로써 가장 높게 나왔다. 2. 주파수는 차량이 시속 60km로 주행시에만 저주파수이고 인체하중이 포함된 경우는 거의 2~5hz의 분포로써 수직진동의 일반적인 주파수 값을 보이고 있다. 3. 성인 남성 편균 보행속도 3km/hr를 기준으로 판단한다면 20.4분을 통과시간으로 잡았을 때 본 교량에서 발생되는 진동은 보행의 경우 조깅, 자전거 타기 모든 경우가 인체 쾌감을 상실하지 않고 통과가 가능하다고 판단되어진다.