ㅇ 재활용 재료를 이용하여 제조한 철도 레일부속품의 사용을 증진하기 위함과 더불어 안전성 향상을 목적으로 FRA(미연방철도국)에서는 TTCI(교통기술센터)측에 플라스틱 합성 침목의 성능검토를 요청함

ㅇ 북미지역 철도에서 플라스틱 합성침목의 사용은 지난 15년 동안 점차 증대되어 왔음

ㅇ 그러나 지금까지 합성침목에 대한 검사 및 평가는 모두 새로운 침목 디자인에 대한 사항이거나, 합성침목의 설치도 철도 노선에서 대단히 짧은 구간에 불과하였음

ㅇ 더욱이, 기존의 목재침목을 이 플라스틱 합성침목으로 교체하는 것은 비용문제와 장, 단기적인 성능문제로 인하여 대단히 제한적이었음

ㅇ 비록 플라스틱 합성재료로 제조된 침목의 철도레일 사용은 지난 15년 동안 증가하여 왔지만 일부 사용처에서 이 플라스틱 침목을 궤도에 설치 및 작업시 손상이 발생되었다는 보고를 함

ㅇ 2008년 봄 "AREMA(미국 철도기술 및 유지관리협회) 위원회 30" 미팅에서 일부 철도노선에서 플라스틱 합성침목의 설치과정에서 해당 침목이 실재 철도하중을 받기 이전에 손상을 받는 비율이 20%에 달한다는 사실을 보고함

ㅇ 플라스틱 합성침목의 설치 및 작업 방법은 현재 목재침목에서 적용하는 방법을 기반으로 하고 있음

ㅇ 보고된 손상들에는 낙하, 고정(Spiking) 및 궤도 부설시 균열 및 파손 등이 포함되며 이 밖에 다양한 손상이 발생됨

ㅇ 비록 다른 설치방법을 적용할 경우 이러한 손상의 가능성을 감소시킬 수 있으나, 이러한 변경된 설치방법은 설치작업의 속도를 저하시키고, 비용을 증대시켜 플라스틱 합성침목을 사용하는 경제적 이점을 일부 상쇄시키게 됨

ㅇ 이보다 더 중요한 점은 설치과정에서 발생하는 균열 등과 같은 보이지 않는 손상 등은 플라스틱 합성침목의 사전손상을 유발시켜 안전성 및 장기적 경제성에 영향을 주게 됨

ㅇ 현재 대부분의 AREMA 침목 적정성 시험(Screening Test)은 일단 침목이 궤도에 설치된 후에 재하되는 철도 차량하중에 기반을 두고 수행됨

ㅇ 만일 침목이 이보다 더 큰 하중을 받는다면 설사 설치 중 단 한번 이러한 과도한 하중이 재하되어도 이러한 일부 AREMA 시험조건들(Parameters)은 침목설계의 적정성 평가에 불충분할 것이라고 볼 수 있음

ㅇ 본 연구는 플라스틱 합성침목이 작업 및 설치 시에 받는 하중이 AREMA 적정성 시험에서 사용하는 수치를 넘는지에 대한 판단을 위해 수행됨

ㅇ 만일 이러한 하중이 현재 AREMA 에서 수행되는 적정성 시험 하중을 초과한다면 시험절차를 개선하거나 플라스틱 합성침목과 같은 대체 침목재료 및 설계에 대한 적정한 평가를 보장하기 위한 새로운 검사방법을 개발하여야 함

ㅇ TTCI(교통기술센터)는 플라스틱 합성침목의 작업 및 설치시 발생하는 손상과 관련된 모든 문제점을 도출할 것이며, 이러한 손상을 유발시키는 하중이 실험실에서 수행하는 침목적정성 시험에 적용할 수 있는지를 판단할 것임

ㅇ 이 분야의 후속 과업에는 플라스틱 합성 침목이 궤도에 설치될 때 반드시 견디어야 하는 높은 일시적 하중에 대한 시뮬레이션 용도로 설계된 “실험실 침목성능 시험”을 개발하고 이를 시연하는 내용이 포함됨

ㅇ 플라스틱 합성침목의 작업 및 설치 시에 발생하는 손상과 관련된 문제점을 도출하는데 도움이 되도록 이 침목을 사용하는 철도노선 운영자들에게 설문조사를 수행하였음

ㅇ 설문조사 결과는 경험적으로 파악된 작업 및 설치시 플라스틱 합성침목에 손상을 입히는 부위에 어느 정도의 하중이 작용하는지를 파악하기 위한 계획수립에 사용됨

ㅇ 계측장치가 부착된 플라스틱 합성침목을 사용하여 침목을 이동하고, 낙하시키거나 설치하는 일련의 작업들을 수행하여 하중을 측정함

ㅇ 만일 설문결과가 기존의 침목적정성 시험에 대해 광범위하게 변화 또는 개선이 필요한 것으로 나타날 경우, 후속 프로그램에서 “실험실 침목 적정성 시험절차”를 개선하도록 하고, 일부의 경우에 대해서는 침목시험설비를 제안하도록 함

ㅇ TTCI는 플라스틱 합성침목을 사용하는 작업자들을 조사하여 침목의 작업 및 설치시 손상을 유발하는 행위들 뿐 만 아니라 여러가지 문제점 등에 대해서도 도출함

ㅇ 이러한 조사결과를 바탕으로 TTCI는 침목에 손상을 주는 원천이라고 판단되는 행위가 이루어지는 동안 가해지는 하중을 측정할 수 있는 시험을 개발함

ㅇ 그 다음으로 TTCI는 시험결과를 평가하고 플라스틱 합성침목의 작업 및 설치시 발생하는 하중을 처리하는 “실험실 철도침목 적정성 시험”을 개발하고 시연하는데 필요한 추가적 조치에 대해 제안함

ㅇ 플라스틱 합성 철도침목을 사용하는 사람들에 대한 설문조사를 통해 획득한 주요 검토결과 내용은 플라스틱 철도침목의 제조공정 마지막 단계부터 침목을 궤도에 부설하는 단계까지 가해지는 하중을 측정하는 방법을 개발하기 위한 후속 추가 작업수행을 위해 활용됨

ㅇ 이러한 후속 과업(follow-on work)에는 플라스틱 합성침목에 변형율 게이지를 부착하고 다루는 방법을 기술하고, 하역시의 철도침목 낙하를 재현하며, 일반적인 침목 설치시와 고정작업시의 몇 군데 주요 부위를 모니터링 하는 작업이 포함됨

ㅇ 플라스틱 합성침목의 작업 및 설치시 손상의 발생은 많은 철도노선에서 보고됨

ㅇ 미국 철도기술 및 유지관리협회 (AREMA)의 권고에 대한 응답으로 미국철도국(FRA)에서는 보고된 문제점들에 대한 조사를 교통기술센터(TTCI)에 위뢰함

ㅇ 조사의 목적은 본 연구결과를 이용하여 필요할 경우에는 AREMA 엔지니어링 메뉴얼의 합성침목편(5편)의 “30장(Chapter 30) 침목 편”의 내용을 개정하는 것임

ㅇ 본 연구의 결론은 침목을 현장에서 설치시 1회성이긴 하지만 높은 하중이 가해지는 것으로 관측되었음

ㅇ 이러한 초과하중에 대한 취합내용은 본 보고서에 수록되며, 이때 이러한 수준의 하중을 실험실에서 적정성 시험으로 시뮬레이션 할 수 있는 충격 및 휨 테스트를 개발하기 위한 제안사항과 함께 수록됨

ㅇ 본 연구는 플라스틱 합성침목에 대한 작업 및 설치시에 침목의 적정성 검사시 AREMA 지침서의 30장에 권고한 하중강도를 초과하는 지를 파악하기 위해 수행됨

ㅇ 따라서 TTCI는 합성침목에 대한 특정한 작업 및 설치관련 문제점을 도출하기 위해 사용자들에 대한 전반적인 조사를 수행함

ㅇ 조사결과는 플라스틱 함성 철도침목을 작업하고 설치하는 동안에 가해지는 실질적인 하중을 측정하기 위한 현장 시험방법의 개발을 위해 활용됨

ㅇ 조사결과들은 현행의 중앙부 및 궤도 연결부(Rail seat)에 대한 휨 시험과 비교분석함

ㅇ 연구결과는 현재 시행하는 AREMA 30장의 품질시험에 통과한 침목은 궤도에 설치되기 이전에 파괴가 발생할 가능성이 있으며, 이는 침목의 작업 및 설치작업 중 단 한번 과도한 하중에 노출되는 것이 원인임

ㅇ 이러한 이유로 인하여 침목 사용자나 공급자 모두 현행의 시험방법을 분석하여 적정성 검사 시험에 이러한 1회성의 높은 재해하중을 부가하는 것을 추가해야 하는지를 결정해야 함

ㅇ 북미지역 철도에서 플라스틱 합성침목의 사용은 지난 15년 동안 점차 증대되어 왔으나 지금까지 합성침목에 대한 검사 및 평가는 모두 새로운 침목 디자인에 대한 사항이거나, 합성침목의 설치도 철도 노선에서 대단히 짧은 구간에 불과하였음

ㅇ 기존의 목재침목의 대용으로서 이 플라스틱 합성침목을 광범위하게 교체하여 사용하는 것은 비용문제와 장, 단기적인 성능문제로 인하여 대단히 제한적이었음

ㅇ 상기에 언급한 플라스틱 합성침목에 대한 최근의 내용은 FRA의 지원을 받아 플라스틱 합성 철도침목이 미국 철도노선에 광범위하게 사용되기 이전에 합성침목의 안전한 성능보장을 위한 기술적 지침을 제공하기 위해 AREMA 메뉴얼에 추가됨

ㅇ 과업지시 241(Task ㅇrder 241)의 마지막 단계 시행중에 수집한 정보들은 현행 AREMA 30장의 품질시험을 통과한 침목이 작업 중 이나 설치도중에 파괴가 될 수 있지만 그 상태로 궤도에 부설될 수 있다는 사실을 알려줌

ㅇ 이러한 이유로 인해서 침목 사용자나 공급자 모두 현행의 시험방법을 철저히 분석하여 적정성 검사 시험에 이러한 1회성의 높은 재해하중을 부가하는 것을 추가해야 하는지를 결정해야 함

ㅇ TTCI에서는 후속과업으로 다음과 같은 작업을 제안함

- 낙하시험 같은 새로운 시험방법을 시연하고, 높은 하중에 대한 정확한 시험 수치를 파악할 수 있도록 다양한 침목을 선정하여 중앙부 휨 시험 등의 시행을 제안

- 다양한 침목재료에 대해 중앙부 및 궤도 연결부(Rail seat)에 대한 휨 하중 시험을 본 연구보고서 3장에 제시된 높은 하중에 대해 시행하여 모든 필요 범위내의 하중에 대한 시험을 수행할 것

- 기존의 AREMA 시험장비 및 시험절차를 이용하되, 초기 하중재하시간, 하중지속시간 및 하중 이완시간 등을 조정할 것

- 현행 시험기준은 플라스틱 침목이 고정(spiking) 작업을 위한 허용 수직도 까지만 복원된다면 최대 휨에 의한 변형(중앙부 변위량)량은 제한을 두지 않고 있다는 점에 주목할 것

- 침목은 추운날씨에 가설될 수 있으므로 한계온도에서의 시험을 고려할 것

- 시험장비의 설치형상에 대한 문제해결을 위해 추가적인 낙하시험을 실시할 것

- 새로운 시험장비나 시험방법을 권고안으로 제출하기 이전에 통계적 반복정확성(repeatability)을 확보하기 위해 추가로 반복적인 시험의 수행과 결과의 기록이 필요함

- 이는 1~2개의 시험침목을 이용한 2~4개의 시험을 수행하는 것은 새로운 시험방법을 정확하게 지침화하기 위한 기반으로는 부족하기 때문임

- 노후화 가속시험을 개발하여 일종의 피로시험 또는 내구성시험이 되도록 고려하여야 함

- 일부 철도는 부설된 목재침목 노후화 공식을 사용하고 있어서, 이를 이용하면 아주 좋은 조건으로 과업을 시작하는데 활용할 수 있음

- 그러나 플라스틱 합성침목에 사용된 일부 플라스틱 재료는 결정화 (Crystallinity) 정도의 변화로 인해 실재로 "경화(hardened)"될 수 있음

- 고밀도 폴리에틸렌은 반-결정화(Semi-Crystalline) 폴리머임

- 다수의 반복적인 가열과 냉각은 이러한 결정화를 증대시킬 수 있으며 노후화 가속성능 절차 중 강성을 증대시켜 잘못된 시험자료를 제공할 수 있음

- 이러한 절차를 개선하기 위해서 플라스틱 합성침목 및 현행 사용재료에 대한 노후화특성 정보와 더불어 플라스틱에 대한 지식 및 레진재료의 퇴화(deteriㅇratiㅇn)과정 등에 대한 정보를 획득하는 것이 바람직

- 연구결과 활용의 저변을 확대하기 위하여 시험방법에 대한 절차는 신중하게 정의하고 기술할 필요가 있음

- 본 시험에 특성화된 시험장비와 장치들은 구하기 쉬운 장비로 하여 다양한 시험실과 시험연구진들이 해당 절차를 운용할 수 있어야 함