R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C129768-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 폐목분 및 나노신소재를 활용한 합성침목대체 가능 침목재료 원천기술개발 및 유한요소법을 통한 침목 최적설계 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 임중연 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 220,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 동국대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | 979-11-960855-3-7 (PDF) | |||||
| 주요 내용 |
기존에 일반적으로 쓰였던 목침목은 방진성과 방음성이 좋다는 장점을 가지고 있으나 임산자원의 고갈문제와 환경문제가 가장 큰 문제로 대두되었고 현재 가장 널리 쓰이는 콘크리트계 침목은 건조수축에 의한 균열이 가장 큰 단점이며 무겁고 취급이 용이하지 않아 도상작업 시 파손의 위험이 있고 전기절연성이 목침목에 비해 떨어지는 단점이 있다. 이에 최근에는 국내외로 신재를 이용한 합성침목의 개발이 이루어지고 있으며 대표적으로는 미국의 Primix사의 폐타이어 폐플라스틱 활용 철도침목과 일본의 Seikisui 사의 강화 폼 우레탄 철도 침목이 있다. 미국의 폐타이어 폐플라스틱 활용 철도 침목의 경우에는 제조 공정이 복잡하여 가격경쟁력이 떨어진다는 단점이 있으며 타 침목대비 강성이 낮아 강도를 요하지 않는 범위에 부분적으로 사용되었다. 일본의 강화 폼 우레탄 철도 침목의 경우 온도변화와 대기 중의 습도에 영향을 받지 않으면서 목침목의 성능을 유지할 수 있어 각광받으며 오스트리아 빈의 Zollamt Bridge 궤도에 사용되며 유럽 철도에 이용되었지만, 주요 재료에 유리섬유가 사용되어 재활용이 불가능하다는 단점이 존재하였다. 국내에서는 한국화이바에서 일본과 유사한 유리섬유와 폴리우레탄을 혼합한 철도 침목을 개발하였으나 경제성 및 해외 제품에 의한 시장 경쟁력 미비로 계속적인 생산을 하지 않았으며, 폐플라스틱 등을 활용한 침목은 개발이 되고 있지 않은 것으로 파악되었다. 그러나 새로 건설되는 철도에는 1km에 약 1500~2200개의 침목이 필요하며 이 외에도 교체가 필요한 침목들을 고려하면 상당한 수의 침목이 필요하고 지속적인 연구개발을 통해 시장 점유가 가능한 경쟁력 있는 신기술을 확보해야 한다. 또한, 최근 철도 시스템이 고속철도화 됨에 따라 기존의 직육면체의 형상에서 벗어난 새로운 궤도시스템을 필요로 하고 있다. 열차의 주행 시 궤도의 안정성, 내구성 및 부설에 따른 용이성, 친환경적이며 경제적이고 곡선반경이 작은 특수한 지역조건을 충족하며 향후 유지관리 등의 측면에서 효과적이고 경쟁력 있는 궤도시스템이 필요하다. 이에 국내에서는 Y형 강재침목의 적용에 관한 연구를 진행하였고 국외에서는 하중부담이 적은 부분의 형태를 변형함으로써 재료를 효율적으로 사용하고 침목의 무게를 줄이는 등의 연구를 진행하였다. 따라서 기존의 직육면체의 형상이 아닌 유한요소해석을 통한 침목 구조의 최적화는 궤도시스템 개선에 필수적 요소로 여겨진다. 따라서 본 기초연구에서는 나노 신소재와 재활용 소재를 활용하여 기존 침목의 문제점을 해결할 수 있는 고기능성 그린 철도 침목용 복합소재를 개발하고자 한다. 그린 철도 침목용 복합소재는 결과물뿐만 아니라 복합소재 제조공정에서도 친환경적 요소를 고려하며 본 과제에서 소재 개발과 함께 수행될 침목 형상의 최적구조설계는 소재개발 완료 시 산업에 빠르게 이용될 수 있는 교두보 역할을 할 수 있을 것이다. [최종목표] ○ 자연계 나노소재인 Cellulose nano crystal은 높은 인장강도를 가진 신소재로 개발하고자 하는 복합재에 첨가하여 기계적 성능 향상의 정량적 평가와 철도 침목에 적합한 나노 소재가 첨가된 침목 소재를 개발하고자 한다. 개발된 소재는 환경오염과 수명이 짧은 목재 침목을 대체하며 가격과 성능 면에서 콘크리트계 침목을 대체 가능할 것이다. 개발될 최종 성과물은 나노소재의 첨가량 및 그 방법에 따라 5배~10배의 기계적강도 향상을 기대할 수 있으며 개발하고자 하는 목적에 부합하는 나노소재 첨가량을 정하고 기 수행 하였던 유사과제 (FRP/합성목재 대체 친환경 복합소재 및 건설 자재 제조기술 개발)의 결과물과의 기계적 강도 비교평가를 통해 나노소재가 첨가된 재료의 복합소재 침목개발을 위한 재료로써의 정량적 평가가 가능할 것이다. 고기능성 그린 나노소재개발을 위한 세부 연구주제는 다음과 같다. 1) Nano-Recycle 소재 연구 ● 나노소재의 제작 방법에 따른 특성변화 연구 ● 재활용 소재와 나노 소재 간의 분산성 향상 연구 ● 나노소재의 첨가량에 따른 기계적 물성 변화 연구 ● 나노소재를 활용한 복합재 제조 시 유발 되는 환경오염 요소 연구 ● 개발된 나노-재활용 신소재의 침목 적용을 위한 연구 ○ 침목은 철도의 고속화, 수송량의 증가에 따라 궤도시스템 설계의 핵심요소로 부상하였다. 이에 침목은 일반적으로 직육면체의 형태를 고수해 왔으나 국내의 Y자형 침목개발 및 해외의 곡선형 침목 개발 사례 등을 볼 때 침목의 형태는 침목의 필요조건인 횡방향 저항력을 높이고 철도의 진동을 지면으로 효율적으로 전달하며 소음을 저감시킬 수 있는 구조의 개발이 이루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 철도 침목 형상의 기본 기능에 기반 한 기초 설계 및 침목에 가해지는 하중을 고려하고 진동 및 소음 저감을 구현한 침목 구조설계를 위해 유한요소해석 기법을 통해 최적화된 침목 형상을 도출한다. 철도 침목 형상 최적화를 위한 세부 연구주제는 다음과 같다. 2) 궤도시스템 내의 철도 침목 최적설계 및 해석 ● 침목의 기본 기능에 기반 한 기초 설계 및 수직 레일좌면하중에 기반 한 침목 설계 ● 침목과 도상 간의 접촉압력분포와 시간에 따른 변화, 레일 좌변에서 침목지지의 유효길이를 고려한 침목 구조 설계 및 해석 ● 침목의 진동/소음 저감 설계 및 해석 ● 나노-재활용 신소재를 이용한 침목 내의 내부 보강재 설계 [연구내용 및 범위] 1차년도 □ 침목 재료 연구팀 ● 셀룰로오스기반의 나노소재를 기반으로 한 복합재 제조 사례를 조사하고, 선행연구의 연구 수행 방법 및 결과물을 정리함 ● 철도 침목 조건을 만족하기 위한 연구 결과를 선정하여 목표 성능을 설정 ● 나노 셀룰로오스 소재와 폐목분 및 폐플라스틱을 혼합한 복합재료를 제작하고 이종재료간의 결합력을 높일 수 있는 제조 공정 연구 ● 제조 공정 확립 후 나노소재의 함량비에 따른 복합재의 성능평가 □ 침목 설계 연구팀 ● 한국철도 표준 규격인 KRS TR 0007-15(R)을 기반으로 한 침목 기초설계 및 기초해석으로 주요 설계인자 도출을 위한 수치해석을 수행함 ● 구조설계상 내적 안정성이나 외적 안정성 등의 설계 사양을 만족하는 침목 설계 ● 최적설계는 최적화 이론을 설계에 적용한 개념으로 기본적으로 최적화 이론에서 사용하는 문제정식화 과정을 따라 최적설계 문제를 구성 ● 강도 증가 및 재료 결합 향상을 위한 최적화된 구조의 내부 보강제 설계 2차년도 □ 침목 재료 연구팀 ● 나노신소재-폐목분-폐플라스틱을 활용한 기초 복합재의 침목 적용을 위한 내부 보강재 재료 연구 ● 나노신소재-폐목분-폐플라스틱 소재에 금속소재, 석재 등의 강도증가를 위한 강화재료 도입에 따른 복합재의 성능 비교 평가 ● 공정방법의 변화에 따른 결과물의 친환경적 요소를 종합적으로 평가하기 위해 내독성, 내연성 등의 지표를 도입하고 기계적 물성 평가법에 환경적 요소를 도입한 후 물성변화를 평가함 □ 침목 설계 연구팀 ● 다중 하중조건에 따른 접촉압력분포, 레일좌면에서 침목지지의 유효길이를 고려한 침목 구조 설계 및 해석 ● 진동해석, 과도응답해석을 통한 신뢰성과 내구성을 확보하고 장기간 사용 시 침목의 응답과 변형을 예측 ● 주파수응답해석을 통한 공진예방과 진동을 저감할 수 있는 최적의 설계를 도출 ○ Cellulose Nano Crystal은 자연에서 추출한 나노신소재로써 추출 방법에 따라 그 형태 및 특성이 변화하며 기존 재료의 첨가제로써 사용될 경우 소량의 첨가에도 5배에서 10배의 기계적 강도 향상을 보인다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 타 신소재에 비해 연구의 진행정도나 산업상의 이용이 저조한 실정이다. Cellulose Nano Crystal의 특성을 산업 이용 목적에 맞게 추출하여 복합재를 제조할 수 있는 공정조건을 확립하게 된다면 철도침목 뿐만 아니라 건설자재 및 생활용품 등의 분야에 광범위하게 쓰일 수 있다. 또한, 신소재와 결합하는 소재는 폐목분, 폐플라스틱 등의 재활용된 소재를 활용함으로써 친환경성을 높임과 동시에 활용도를 높이는 혁신적 원천기술개발이다. |
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| 색인어 | 한글 | 폐목분 | 나노셀룰로오스 | 합성침목 | 친환경소재 | 유한요소해석 |
| 영문 | Waste wood powder | Nano cellulose | Composite materials sleeper | Eco-materials | Finite Element Analysis | |
| 최종보고서 | 국토부_폐목분과제_최종 결과보고서_ISBN_전자책.pdf | |||||