ABSTRACT
PURPOSES : The piezoelectric energy road analysis technology using a three-dimensional finite element method was developed to investigate pavement behaviors when piezoelectric energy harvesters and a new polyurethane surface layer were installed in field conditions.
The main purpose of this study is to predict the long-term performance of the piezoelectric energy road through the proposed analytical steps.
METHODS : To predict the stresses and strains of the piezoelectric energy road, the developed energy harvesters were embedded into the polyurethane surface layer (50 mm from the top surface). The typical type of triaxial dump truck loading was applied to the top of each energy harvester. In this paper, a general purpose finite element analysis program called ABAQUS was used and it was assumed that a harvester is installed in the cross section of a typical asphalt pavement structure.
RESULTS : The maximum tensile stress of the polyurethane surface layer in the initial fatigue model occurred up to 0.035 MPa in the transverse direction when the truck tire load was loaded on the top of each harvester. The maximum tensile stresses were 0.025 MPa in the intermediate fatigue model and 0.013 MPa in the final fatigue model, which were 72% and 37% lower than that of the initial stage model, respectively.
CONCLUSIONS : The main critical damage locations can be estimated between the base layer and the surface layer. If the crack propagates, bottom-up cracking from the base layer is the main cracking pattern where the tensile stress is higher than in other locations. It is also considered that the possibility of cracking in the top-down direction at the edge of energy harvester is more likely to occur because the material strength of the energy harvester is much higher and plays a role in the supporting points. In terms of long-term performance, all tensile stresses in the energy harvester and polyurethane layer are less than 1% of the maximum tensile strength and the possibility of fatigue damage was very low. Since the harvester is embedded in the surface layer of the polyurethane, which has higher tensile strength and toughness, it can assure a good, long-term performance.
Keywords
Piezoelectric Energy road, Harvester, Polyurethane, Three-Dimensional Finite Element Analysis, Long-term Performance
3차원 유한요소 해석을 통한 압전에너지 도로의 장기 공용성 예측
Long-term Performance Prediction of Piezoelectric Energy Harvesting Road Using a 3-Dimensional Finite Element Method
김`현`욱 Kim, Hyun Wook 정회원·포스코건설 엔지니어링 본부 P4 (E-mail : [email protected])
남`정`희 Nam, Jeong-Hee 정회원·한국건설기술연구원 도로연구소 연구위원·교신저자 (E-mail : [email protected]) 최`지`영 Choi, Ji Young 정회원·한국건설기술연구원 도로연구소 수석연구원 (E-mail : [email protected])
Int. J. Highw. Eng. Vol. 19 No. 5 : 107-115 OCTOBER 2017 https://doi.org/10.7855/IJHE.2017.19.5.107
Corresponding Author : Nam, Jeong-Hee, Research fellow Highway and Transportation Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 283, Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si, Gyeonggi-do, 10223, Korea
Tel : +82.31.910.0190 E-mail : [email protected]
International Journal of Highway Engineering http://www.ksre.or.kr/
ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)
Received Aug. 24. 2017 Revised Sep. 06. 2017 Accepted Sep. 08. 2017
1. 서론
제 21차 UN 기후변화협약 당사국 총회에서 합의 (
‘15.12)된 파리기후협약에 따라 모든 나라는 온실가스 감축의무 이행이 요구되고 있으며 우리나라는 2030년 온실가스 배출전망치 대비 37.0% 감축을 결정하였다.
우리나라의 2012년 온실가스 총배출량은 688.3 백만 톤, CO2는 1990년도 총배출량(295.5 백만톤 CO2)대비 132.9% 증가하였으며, 유엔기후변화협약(UNFCCC) 의무감축국 중에서 미국, 러시아, 일본, 독일, 캐나다 다음으로 6위(12년 배출량 기준)의 온실가스 배출국이 며, 1인당 연료연소에 의한 배출량 기준으로 1인당 11.7 톤을 배출하여 세계 12위에 해당된다. 이에 국가 온실 가스 목표관리 체계에 따라 2020년까지 온실가스 배출 전망치 대비 수송(교통)부분 34.3%, 건물부분 26.9%의 온실가스 감축이 필요한 상황이다. 이러한 기후변화에 대응한 국가적 차원의 정책에 적극 부응하여 신재생에 너지 개발을 통한 온실가스 감축방안을 적극 도모할 시 점이며, 도로분야 또한 도로만이 가지는 특성을 최대한 으로 반영한 새로운 형태의 신재생에너지 개발 분야 연 구 가능성을 검토할 시점이다.
기존의 신재생에너지는“신에너지 및 재생에너지 개 발₩이용₩보급촉진법”에 따라 기존의 화석연료를 변환시 켜 이용하거나 수소, 산소 등의 화학 반응을 통하여 전 기 또는 열을 이용하는‘신에너지’와 햇빛, 물, 지열, 강 수, 생물유기체 등을 포함하는 재생가능한 에너지를 변 환시켜 이용하는‘재생에너지’로 정의할 수 있다. 그러 나 대체 에너지원으로 풍력, 지열 및 태양광 발전 등의 에너지 수급율이 화석연료대비 불안정하며 그 효율 또 한 낮은 문제점이 있어 전 세계적으로 친환경 에너지 수 확 및 활용기술에 대한 산업, 학계에서의 개발 필요성 및 요구사항이 증대되고 있는 실정이다.
이에 새로운 신재생 에너지원으로서 친환경적이며, 고갈위험이 없는 압전 에너지 하베스팅에 대한 관심이 국내₩외적으로 증대되고 있으며, 해당 기술을 고정적으 로 정해진 수치의 차량의 이동으로 인한 에너지원 확보 가 유리한 도로에 적용하려는 연구가 최근 증대되고 있 는 실정이다. 국내의 경우도 연간 고속도로 이동차량은 2016년 현재 약 15억대(www.index.go.kr)로서 압전 에너지 하베스팅 시스템의 도로구축을 위한 기본 에너 지 공급원 인프라는 이미 확보된 상태이다. 또한 그동안 나노(nano) 및 마이크로(micro) 수준의 발전량에 머물 러 있던 압전에너지 하베스팅 기술이 최근 들어 급속히 발전하고 있으며, 이같은 발전추세를 새로운 잠재적 신
재생 에너지원 발굴 차원에서 도로에 적극적으로 적용 해 볼 가치가 있다고 할 수 있다.
본 연구에서는 국가 R&D과제를 통해 개발한 대용량 발전이 가능한 압전에너지 하베스터(harvester) 및 압 전에너지 도로용 표층재(폴리우레탄 계열)를 실제 도로 에 매설했을 경우 발생할 수 있는 포장 거동의 문제점을 3차원 유한요소 해석을 통해 미리 검토해 볼 수 있는 압 전에너지 도로 해석기술을 소개하고, 이를 바탕으로 최 종적으로는 개발예정인 압전에너지 도로의 장기공용성 을 예측해 보는 것을 연구의 목적으로 하고 있다.
대용량 발전이 가능한 압전에너지 하베스터의 기술적 내용 및 발전량에 대한 내용은 본 논문의 범위가 아님을 밝히며, 새로이 시도되는 압전에너지 도로 해석에 필요 한 많은 경계조건들에 대한 실제 자료(압전에너지 하베 스터와 포장체의 부착관계, 개발된 폴리우레탄 표층재 의 피로 특성 등)들이 아직 명확하게 정의되지 않은 관 계로 해석에서 가정한 많은 내용에 대해서는 본문에 명 시하였다. 그러나 앞으로 예정된 시험시공, 포장체 거동 및 장기공용성 평가 진행 과정을 통해 본 연구에서 개발 한 해석 및 예측 기술을 보완 및 개선할 경우, 압전에너 지 도로의 실제 적용 시 필요한 중요한 기초 자료를 제 공할 수 있을 것으로 예상된다.
2. 압전에너지 하베스팅 도로 개념 2.1. 압전에너지 하베스팅 도로란?
차량에서 발생하는 기계적 진동 에너지를 전기 에너 지로 변환하는 방식에는 정전기(electrostatic), 전자기 (electromagnetic), 압전(piezoelectric)효과를 이용하 는 방식 등이 있는데 압전체에 힘을 가했을 때 전압이
Fig. 1 Conceptual Drawing of Piezoelectric Energy
Harvesting Road in Future (KICT, 2016)
발생하는 현상인 압전효과를 이용한 압전에너지 하베스 팅은 변환 효율이 크고, 대용량 발전가능성이 높아 도로 분야에 많이 활용되고 있다. 압전에너지 하베스팅 기술 의 경우 다른 신재생 에너지 발전방식과 달리 기후에 관 계없이 실내₩외의 진동을 이용할 수 있는 장점이 있으 며, 태양광과 달리 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 장점이 있다.
압전에너지 하베스팅 기술의 매크로 레벨 발전가능성 에 대해서 가장 선도적으로 리딩한 업체는 이스라엘의 하베스팅 전문업체인 Innowattech이었다. 도로에 압전 벌크 세라믹을 이용해 도로용 압전 에너지 하베스터를 개발하였으며, 1km 도로에서 시간당 최대 200kw/h를 발전할 수 있다고 홍보하였다. 2015년 The University of Texas at San Antonio(UTSA)와 the Texas A&M Transportation Institute(TTI)는 $1.32 Million (Texas 교통국와 미연방도로국[FHWA] 지원) 연구 프로 젝트를 시작하였고, 2014년 버지니아 Tech.의 Xiong은 여러 개의 압전소자를 설치하여 차량하중으로 인하여 발 생하는 압축력으로 인하여 전력을 생산하는 시스템을 개 발하였으며, 트레일러 트럭이 하루 4,000대 주행할 경우 약 400~700V의 전압 및 0.2~0.35mA의 전류가 발생 되어 이를 전력량으로 환산한다면 0.08~2.1Watt를 생 산할 수 있다고 발표하였다. 국내의 경우도“Energy Harvesting을 이용한 도로교통시설물 제어시스템 개발 과제”를 2009년부터 약 3년에 걸쳐 수행하였으며, 압전 소자를 이용한 전력발생 모듈을 설계 제작하고, 발생된 전원을 충전, 제어하는 기술을 개발하였으며, 이를 이용 하여 LED 가로등 점등을 제어하는 기술을 개발하고, 이 를 현장에서 실증하였다.
2.2. 압전에너지 도로 하베스터
압전에너지 하베스터 기술은 소재를 만드는 재료 기
술뿐만 아니라 발전 형태를 결정하는 기계 기술과 정류 및 저장을 하는 회로 기술이 모두 어우러져야 하는 복합 기술이며, 이러한 압전하베스팅 기술을 도로에 적용하 기 위해서는 최적의 압전 소자 및 압전 에너지 하베스터 장치를 개발하여 도로에서 발생된 진동에너지를 효율적 으로 전기에너지로 변환시켜야 한다. 압전 소재분야는 크게‘세라믹 계열’과‘폴리머 계열’로 구분할 수 있으 며 발전량이 높은 세라믹 계열(기계-전기 결합계수의 경우 세라믹 계열(k=0.5)이 폴리머 계열(k=0.2)보다 일 반적으로 높음)을 본 연구에 적용하였으며, 기계적 발전 방식은 현재까지 가장 발전 효율이 높은 양단고정방식 을 적용하여 사용되고 있다.
압전에너지 하베스터를 도로에 적용하기 위한 조건 중 하나는 바로 압전에너지 도로 하베스터의 크기 및 설치 위치 선정인데 도로폭 3.5m 차로에 대한 승용차, 트레일 러의 차량에 대하여 차량 윤거를 고려하여 하베스터의 크 기 및 위치를 선정하였다. 최종 제안된 하베스터의 크기 는 386mm(가로)×386mm(세로)×101mm(높이)로 제작 하였으며, 도로면 횡방향 설치의 경우 축수가 많은 차종 을 고려하여 윤거 1.8m를 기본 단위로 설정하였다.
2.3. 압전에너지 도로용 표층재(폴리우레탄 계열) 일반적으로 아스팔트 표층 하부(약 50mm 하부)에 압 전에너지 하베스터를 매설할 경우 도로 표층의 소성변 형으로 인한 압전하베스터의 발전효율 감소가 발생되므 로 한국건설기술연구원에서는 이를 방지하고, 포장층과 압전하베스터와의 부착성능 증대, 고온의 포장체로 인 한 압전하베스터의 손상을 방지할 수 있는 무가열 무다 짐 혼합물의 필요성이 대두되어 상온 폴리우레탄 혼합 물을 이용한 도로용 표층재를 개발하였다. 상온 폴리우 레탄 혼합물의 간접인장강도 시험결과 기존의 아스팔트
Fig. 2 Conceptual Design of Piezoelectric Energy
Harvesting Pavement (KICT, 2016)
Fig. 3 Housing Structure and Shape of Piezoelectric
Energy Harvester (HanYang Univ., 2016)
포장보다 우수한 4.5MPa의 평균 간접인장강도를 보였 으며, 터프니스(toughness)도 평균 280,780N₩mm의 결과를 보여 새로운 압전에너지 도로 표층재로서의 가 능성을 확인할 수 있었다(KS F 2384 : 아스팔트 혼합 물의 간접 인장강도 시험방법).
또한, 폴리우레탄 혼합물의 동역학적 거동을 파악하 기 위한 동탄성계수 시험을 수행하였으며, 결과는 Fig.
4와 같이 나타났다(KS F 2485 : 아스팔트 혼합물의 동 탄성 계수 시험방법). 폴리우레탄 혼합물이 일반 아스팔 트 혼합물(밀입도, SMA입도)의 동탄성계수보다 작은 동탄성계수 특성을 보인다. 이는 변형률이 2,500με을 넘지 않고 최대하중이 241kPa 이내의 범위에서 실험을 진행하여 얻는 값으로(이때의 응력을 변형률로 나눈 값), 신율이 높게 조성된 폴리우레탄에서는 동일한 하중 조건에서 변형률이 증가하여 동탄성계수도 작게 계산되 는 특성이 반영된 결과이다.
반복적인 하중에 의한 소성변형은 아스팔트의 점성에 기인한 영구변형률(permanent strain)에 의해 발생하 는 것으로 탄성체인 폴리우레탄 혼합물에서는 소성변형 이 발생하지 않는 특성을 보였다. 특히, 간접인장강도 시험에서는 낮은 탄성계수 특성을 나타내지만 높은 간 접인장강도와 높은 터프니스를 나타내어 높은 변위가 요구되는 압전하베스터를 안정적으로 보호하고, 반복적 인 성능을 유지하기 위해서는 폴리우레탄 혼합물이 현 재 조건의 압전하베스터 상부용 포장체로 적합한 것으 로 판단된다.
3. 3차원 유한요소 해석
압전에너지 하베스팅 도로 기술의 실제적용에 앞서 3 차원 유한요소 해석을 통해 도로포장에 매립(폴리우레
탄 표층에서 약 50mm 하부에 매립)된 압전에너지 하베 스터와 주변 도로포장체의 응력 및 변형을 예측하고자 해석 모델을 개발하였다. 또한, 도로 하베스터의 아스팔 트 포장 적용 시 포장 시스템 거동 분석을 통해 포장 및 도로 하베스터의 장기공용성을 예측하였다. 유한요소 해석은 포장체를 여러 개의 요소(Element)로 나누어서 각 요소의 거동을 모사하여 전체 포장체의 거동을 해석 하는 수치해석 방법으로서 본 논문에서는 아바쿠스 (ABAQUS)라는 범용 유한요소해석 프로그램을 사용하 였으며, 일반적으로 많이 쓰이는 아스팔트 포장 구조체 단면에 압전에너지 도로 하베스터를 매립한 경우를 가 정하여 해석하였다.
3.1. 압전에너지 하베스팅 도로 포장 해석 모델 아스팔트 콘크리트 구조해석을 위한 유한요소모델은 하중의 영향범위를 고려하여 길이방향 10m, 횡방향 9m 에 대한 정방형 메쉬(mesh)를 개발하였다. 이는 교통하 중에 의해서 발생하는 응력의 영향 반경이 통상적으로 하중 크기의 약 20배 정도인 것을 감안할 때 적당한 크 기라 할 수 있다. 측구 가드레일 등 포장의 거동에 직접 적인 영향을 미치지 않는 요소 등은 해석의 효율성을 위 하여 메쉬 설정에서 제외하였다.
구조해석을 위한 포장 설계는 서부내륙 고속도로 포 장 설계 사례를 참고하여 고속도로 및 일반 국도에서 가 장 보편적으로 적용하고 있는 단면인 표층 5cm, 중간층 7cm, 기층 10cm, 보조기층 20cm로 설정하였다. 기층 이하 하부층은 교통량 변화에 따른 거동 변화가 다소 차 이가 있을 수 있으며, 동상방지층의 경우는 기후 조건에 따라 크게 달라질 수 있으나, 본 해석에서의 구조적인 영향은 미미한 것으로 가정하였다.
표층, 중간층, 기층, 하부층은 모두 3차원 연속체요소
Fig. 4 Dynamic Modulus Test Results of Polyurethane
Specimens
Fig. 5 Test Section Configuration for Numerical Analysis
(3D Continuum Solid Element)를 사용하였고 각 층 에 적용된 포장 재료들의 실제 물성치를 적용하였다. 층 별 재료가 상이하게 이루어진 아스팔트기층과 쇄석으로 이루어진 보조기층 사이의 경계층 거동은 Contact Interface로 설정하고 경계층의 마찰계수는 0.7을 적용 하였다(μ=tanø). 여기서 내부마찰각은 35。를 적용하였 는데, 이는 일반적인 보조기층 재료에 적용되는 값이다.
재하하중은 덤프트럭의 제원을 참고하여 3축 덤프트 럭에서 수행한 적재시험 결과로 얻어진 하중 배분 비율 을 적용하여 윤하중을 배분하였다. 접지면적은 접지압 에 좌우되며, 축하중은 전 접지면적에 동일하게 분포된 다고 가정하였다. 해석 시 타이어모양을 구현하기 위해 서 실제 타이어의 접지면적과 동일한 접지압을 받는 등 가의 모델을 계산하였으며, 최종적으로는 일정한 접지 면적과 접지압을 갖는 등가 직사각형 타이어 모델이 이 동하는 것으로 가정하여 해석하였다. 또한 하중 재하 부 분의 유한요소 크기는 조밀하게 하여 최소 20개 이상 배치하였다.
포장체 거동을 상세하게 모사하기 위하여 교통하중에 따른 응력 분산의 대부분이 이루어지는 표층부에는 유 한요소의 밀도를 높였고, 하부 지지층의 역할을 하는 노 상 이하에서는 유한요소의 밀도를 낮추어 큰 유한요소 들을 배치하였다. Fig. 6은 완성된 아스팔트 유한요소 모델을 보여주고 있다. 유한요소 모델은 총 63,580개의 노드(node)와 22,726개의 엘리먼트(element)로 구성 되었으며, 정밀한 해석을 위해 층을 9개로 분할하였다.
Table 1에서 제시한 트럭의 각 타이어 하중을 설치된 4 개의 에너지 하베스트 상단에 적용하였으며, 각 포장체 경계면은 완전접착 상태로 가정하였다.
Fig. 7의 (a)는 완성된 3차원 유한요소 모형의 전체 포장체 메쉬의 형상이며, (b)는 압전에너지 하베스터가 포장체 내에 설치된 단면을 분할하여 보여주고 있다. 3 차원 유한요소 해석의 모형에서 압전에너지 하베스터와 아스팔트 포장체는 폴리우레탄을 통하여 완전 접착된 것으로 가정하였다. 실제 거동에서는 시간에 따른 접착 성의 변화가 예상되나 이에 대한 공용성 평가관련 연구 는 아직 이루어지지 않아 본 논문에서는 완전부착을 가 정하였다.
3.2. 3차원 유한요소 모형 재료물성
아스팔트 층의 물성치 추정은 아스팔트 혼합물의 공 용성 실험 결과를 바탕으로 산출하였다. 아스팔트 혼합 물의 물성치 정량화를 위해 수행된 시험결과 중 표층용 혼합물을 대상으로 한 온도대역별 동탄성계수 측정 결 과를 바탕으로 일반국도에서 일반적으로 적용되는 재료 물성을 적용하였다. 유한요소해석에 적용된 아스팔트층 의 물성은 Table 2에 정리하였으며, 아스팔트 표층의 경우 피로 특성을 반영하고자 중기 피로 모형은 최초 물
Table 1. Traffic Loading Configuration
Axle location Weight(kg)
Rear axle 3,622
Middle axle 3,785
Total 7,407
Tire pressure: 0.560MPa Loading truck type
(a) Mesh Seed (b) Mesh Region
(c) Boundary Condition (d) Final Mesh
Fig. 6 Schematics of 3D FE Model
(a) FE Mesh (b) Internal Mesh
Fig. 7 3D FE Model with Energy Harvest Devices
성치의 75%, 최종 피로 모형은 50%의 탄성계수 값을 적용하였다. 동탄성 계수 실험에 따라 온도 20℃와 진 동수 5Hz 조건을 근거로 하였다.
보조기층 하부 물성은 각 포장층에 대한 국토교통부 CBR 최소기준을 토대로 탄성계수를 결정하였다. 보조 기층의 탄성계수는 국토교통부에서 제시하고 있는 쇄석 자갈에 대한 최소 CBR 기준인 50%를 적용하였다.
CBR이 50%일 경우 AASHTO에서 제시한 식을 적용하 면 탄성계수는 215MPa로 추정할 수 있으나 안전을 고 려하여 작은 값인 118MPa를 적용하였다.
압전에너지 도로 하베스터의 물성 중 하베스터 하우 징(housing)은 알루미늄(Aluminum 6061-T6)의 물 성인 포아송비 0.33 밀도 2.7g/cm3을 적용하였으며 폴 리우레탄 재료는 실험 결과를 바탕으로 한 탄성계수를 적용하였으며 포아송비는 0.35를 적용하였다. 또한, 장 기공용성 예측을 위해 폴리우레탄 재료의 최종 노화를 50%까지 급격하게 진행되는 것으로 모형을 설정하여 극한 상황에서의 해석을 실시하였다.
3.3. 구조해석 결과
아스팔트 포장체에 반복적으로 발생하게 되는 인장응
력은 포장 하부에서 피로에 의한 균열을 발생시키는 원 인이 되고 일반적으로 인장 강도의 50% 이상인 응력이 반복적으로 발생할 경우에는 일정 횟수 이상 하중이 반 복적으로 재하된 이후에 균열이 발생할 가능성이 높다.
또한 에너지 하베스터의 알루미늄 소재와 폴리우레탄의 강성차이와 장치의 무게, 경계면의 응력발생 메커니즘 에 따라 균열이 발생될 가능성이 높다. 본 연구에서는 아스팔트 피로실험이나 폴리우레탄의 피로실험 등을 직 접 수행하지 못한 관계로 각 재료의 초기값을 바탕으로 재료의 피로특성을 고려하기 위하여 탄성계수의 감소를 재료별로 가정하여 유한요소 해석을 수행하였다.
Fig. 8에서 보듯 초기 피로 모형에서 발생하는 압전 하베스터의 최대인장응력은 횡방향으로 0.5MPa까지 발생되었으며, 중간 피로 모형에서는 0.48MPa, 최종 피로 모형에서는 0.43MPa로 초기 피로 모형 대비 각각 92%, 82% 감소하였다. 초기 피로 모형의 폴리우레탄에 서 발생하는 최대인장응력은 횡방향으로 0.035MPa까 지 발생되었으며, 중간 피로 모형에서는 0.025MPa, 최 종 피로 모형에서는 0.013MPa로 초기 피로 모형 대비 각각 72%, 37% 감소하였다(Fig. 9 참조). 이러한 분석 은 에너지 하베스터의 경우 피로실험 결과에 따른 인장
Table 2. Material Properties for 3D FE Model
Layer E (MPa) Poisson’s ratio
Surface 2,390 0.30
Binder 2,207 0.30
Base 1,674 0.30
Layer E (MPa) Poisson’s ratio
Subbase 118 0.35
Subgrade 73 0.45
Frozen protection 118 0.35
Table 3. Materials Properties for Subbase and Subgrade
Table 4. Properties for Energy Harvester and Interface
Total Stress(von Mises) Horizontal Stress(s11)
Longitudinal Stress(s22) Vertical Displacement(u3)
Maximum Strain(Max) Horizontal Strain(e11)
(a) 1st Model (Initial Fatigue Model) Type 1st fatigue
model
2nd fatigue model
3rd fatigue model
Energy harvest housing
E: 68.9GPa - Tensile stregnth
: 310MPa
E: 58.6GPa (85% of Initial E) Tensile stregnth
: 200MPa
E: 48.2GPa (70% of Initial E) Tensile stregnth
: 96.5MPa (500million
cycles)
Interface (Polyurethane)
E: 2.0GPa -
E: 1.5GPa (75% of Initial E)
E: 1.0GPa (50% of Initial E)
강도 물성을 알 수 있어 피로균열이 발생하지 않는다는 것을 알 수가 있었으나, 폴리우레탄의 경우는 피로공용 수명이 지난 재료의 인장강도 실험 결과가 없어 피로균 열을 명확히 비교할 수 없는 한계가 있음을 밝힌다.
Fig. 10은 파손 메커니즘과 하베스터 주변의 응력 분 포를 파악하기 위해 내부 응력 및 변형율도를 플로팅 (plotting)한 결과이다. 주요 취약구간은 하베스터 하부 의 기층과 각 하베스터 사이의 표층부로 나타났으며, 만 약 파손이 발생한다면 강도대비 인장응력이 큰 기층 하 부에서 진행되는 Bottom-Up 균열이 발생할 가능성이 크다. 또한 하베스터 재료 강성이 높아 자체적으로 지지 층의 역할을 하고 있기 때문에 트럭 후륜 타이어 재하 지점에서 파손이 발생하기 보다는 하베스터 경계면으로 부터 Top-down 방향으로 균열이 발생할 가능성이 보 다 클 것으로 판단된다.
Total Stress(von Mises) Horizontal Stress(s11)
Longitudinal Stress(s22) Vertical Displacement(u3)
Maximum Strain(Max) Horizontal Strain(e11)
(b) 2nd Model (Intermediate Fatigue Model)
Total Stress(von Mises) Horizontal Stress(s11)
Longitudinal Stress(s22) Vertical Displacement(u3)
Maximum Strain(Max) Horizontal Strain(e11)
(c) 3rd Model (Final Fatigue Model)
Fig. 8 Simulation Results of 3D FE Model with Energy Harvest Devices
Fig. 9 Maximum Tensile Stress in Polyurethane of 3D FE Model
(a) Horizontal Internal Strain (b) Longitudinal Internal Strain
(c) Horizontal Internal Stress (d) Longitudinal Internal Stress
Fig. 10 Contours of Internal Stress and Strain
장기공용성 측면에서 모든 해석 결과를 통해 하베스 터와 폴리우레탄 혼합물내 최대인장응력이 강도 대비 1% 미만으로 파손 가능성이 매우 낮은 것으로 나타났 다. 하베스터는 폴리우레탄 혼합물 표층 내에 매설되어 있기 때문에 하중에 대한 영향이 적으며, 재료자체의 강 성이 높아 보강재 역할을 함으로써 우수한 공용성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 폴리우레탄의 경우도 대부분의 응력을 압축방향으로 받기 때문에 인 장응력이 상대적으로 적게 발생하였으며, 파손될 가능 성도 낮은 것으로 나타났다. 따라서 하베스터 시공이 완 벽하게 이루어져 수분 침투가 차단되고 해당 재료 물성 을 확보한다면 장기간 공용에 큰 문제가 없을 것으로 판 단된다.
이에 비해 포장체는 각 모형별 차이는 크지 않았으나, 상대적으로 인장응력이 크게 발생하였다. 표층의 강도 대비 인장응력 비율은 13.9~14.2% 범위이며, 중간층은 7.4~7.6%, 기층은 32.3~32.8%로 나타났으나, 일반적 으로 아스팔트 혼합물의 파손이 유발될 수 있는 범위인 50% 미만으로 단기간에 파손이 발생하지는 않을 것으 로 나타났다.
4. 결론
본 연구에서는 국가 R&D과제를 통해 개발한 대용량 발전이 가능한 압전에너지 하베스터 및 압전에너지 도 로용 표층재(폴리우레탄 계열)를 실제 도로에 매설했을 경우 발생할 수 있는 포장 거동의 문제점을 3차원 유한 요소 해석을 통해 미리 검토해 볼 수 있는 압전에너지 도로 해석기술을 개발하고, 이를 바탕으로 최종적으로 는 개발예정인 압전에너지 도로의 장기공용성을 예측해
보는 것을 연구의 목적으로 하고 있다. 이를 위해 압전 에너지 하베스터를 새롭게 개발한 폴리우레탄 표층제 (상부에서 50mm 하부)에 설치한 경우에 대해 3차원 유 한요소 해석을 수행하였다. 압전에너지 하베스터와 폴 리우레탄 표층제의 응력 및 변형 거동을 예측하였으며, 장기공용성을 예측하기 위해 중기 피로 모형은 최초 물 성치의 75%, 최종 피로 모형은 50%의 탄성계수 값을 적용하여 해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도 출하였다.
1. 트럭 타이어 하중이 각각의 하베스터 상단부에 재 하된 경우에 대해 3차원 유한요소 해석을 수행한 결과, 초기 피로 모형에서 발생하는 압전하베스터 의 최대인장응력은 횡방향으로 0.5MPa까지 발생 되었으며, 중간 피로 모형에서는 0.48MPa, 최종 피로 모형에서는 0.43MPa로 초기 피로 모형 대비 각각 92%, 82% 감소하였다.
2. 초기 피로 모형의 폴리우레탄에서 발생하는 최대 인장응력은 횡방향으로 0.035MPa까지 발생되었 으며, 중간 피로 모형에서는 0.025MPa, 최종 피 로 모형에서는 0.013MPa로 초기 피로 모형 대비 각각 72%, 37% 감소하였다.
3. 주요 취약구간은 하베스터 하부의 기층과 각 하베 스터 사이의 표층부로 나타났으며, 만약 파손이 발 생한다면 강도대비 인장응력이 큰 기층 하부에서 진행되는 Bottom-Up 균열이 발생할 가능성이 크 다. 또한 하베스터 재료 강성이 높아 자체적으로 지지층의 역할을 하고 있기 때문에 트럭 후륜 타이 어 재하 지점에서 파손이 발생하기 보다는 하베스 터 경계면으로부터 Top-down 방향으로 균열이 발생할 가능성이 보다 클 것으로 판단된다.
4. 장기공용성 측면에서 모든 해석 결과를 통해 하베 스터와 폴리우레탄 혼합물내 최대인장응력이 강도 대비 1% 미만으로 파손 가능성이 매우 낮은 것으 로 나타났다. 하베스터는 폴리우레탄 혼합물 표층 내에 매설되어 있기 때문에 하중에 대한 영향이 적 으며, 재료자체의 강성이 높아 보강재 역할을 함으 로써 우수한 공용성능을 확보할 수 있을 것으로 판 단된다.
새로이 시도되는 압전에너지 도로 해석에 필요한 많은 경계조건들에 대한 실제 자료들이 아직 명확하게 정의되 지 않은 관계로, 해석에서 많은 가정조건이 적용되었다.
Fig. 11 Maximum Tensile Stress in Asphalt Pavement of
3D FE Model
향후 보다 정밀한 공용성 예측을 위해서는 압전에너지 하베스터와 폴리우레탄 표층간의 부착특성, 시간에 따른 산화특성 및 피로모형에 대한 추가적인 실험 및 분석이 필요할 것으로 판단되며, 시험시공을 통해 공용성 계측 결과와 해석결과 비교연구를 수행할 예정이다.
감사의 글
본 연구는‘도로교통 미활용에너지 이용을 위한 압전에너 지 하베스터 개발 및 실증’연구 재원으로 수행되었습니다.
REFERENCES
