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문제 정의
- 대용량 발전이 가능한 압전에너지 하베스터의 기술적 내용 및 발전량에 대한 내용은 본 논문의 범위가 아님을 밝히며, 새로이 시도되는 압전에너지 도로 해석에 필요한 많은 경계조건들에 대한 실제 자료(압전에너지 하베스터와 포장체의 부착관계, 개발된 폴리우레탄 표층재의 피로 특성 등)들이 아직 명확하게 정의되지 않은 관계로 해석에서 가정한 많은 내용에 대해서는 본문에 명시하였다. 그러나 앞으로 예정된 시험시공, 포장체 거동 및 장기공용성 평가 진행 과정을 통해 본 연구에서 개발한 해석 및 예측 기술을 보완 및 개선할 경우, 압전에너지 도로의 실제 적용 시 필요한 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.
- 본 연구에서는 국가 R&D과제를 통해 개발한 대용량발전이 가능한 압전에너지 하베스터 및 압전에너지 도로용 표층재(폴리우레탄 계열)를 실제 도로에 매설했을경우 발생할 수 있는 포장 거동의 문제점을 3차원 유한요소 해석을 통해 미리 검토해 볼 수 있는 압전에너지 도로 해석기술을 개발하고, 이를 바탕으로 최종적으로는 개발예정인 압전에너지 도로의 장기공용성을 예측해보는 것을 연구의 목적으로 하고 있다.
- 본 연구에서는 국가 R&D과제를 통해 개발한 대용량발전이 가능한 압전에너지 하베스터(harvester) 및 압전에너지 도로용 표층재(폴리우레탄 계열)를 실제 도로에 매설했을 경우 발생할 수 있는 포장 거동의 문제점을 3차원 유한요소 해석을 통해 미리 검토해 볼 수 있는 압전에너지 도로 해석기술을 소개하고, 이를 바탕으로 최종적으로는 개발예정인 압전에너지 도로의 장기공용성을 예측해 보는 것을 연구의 목적으로 하고 있다.
- 또한 에너지 하베스터의 알루미늄 소재와 폴리우레탄의 강성차이와 장치의 무게, 경계면의 응력발생 메커니즘에 따라 균열이 발생될 가능성이 높다. 본 연구에서는 아스팔트 피로실험이나 폴리우레탄의 피로실험 등을 직접 수행하지 못한 관계로 각 재료의 초기값을 바탕으로 재료의 피로특성을 고려하기 위하여 탄성계수의 감소를 재료별로 가정하여 유한요소 해석을 수행하였다.
가설 설정
- 7의 (a)는 완성된 3차원 유한요소 모형의 전체포장체 메쉬의 형상이며, (b)는 압전에너지 하베스터가 포장체 내에 설치된 단면을 분할하여 보여주고 있다. 3차원 유한요소 해석의 모형에서 압전에너지 하베스터와아스팔트 포장체는 폴리우레탄을 통하여 완전 접착된 것으로 가정하였다. 실제 거동에서는 시간에 따른 접착성의 변화가 예상되나 이에 대한 공용성 평가관련 연구는 아직 이루어지지 않아 본 논문에서는 완전부착을 가정하였다.
- 유한요소 모델은 총 63,580개의 노드(node)와 22,726개의 엘리먼트(element)로 구성되었으며, 정밀한 해석을 위해 층을 9개로 분할하였다. Table 1에서 제시한 트럭의 각 타이어 하중을 설치된 4개의 에너지 하베스트 상단에 적용하였으며, 각 포장체경계면은 완전접착 상태로 가정하였다.
- 구조해석을 위한 포장 설계는 서부내륙 고속도로 포장 설계 사례를 참고하여 고속도로 및 일반 국도에서 가장 보편적으로 적용하고 있는 단면인 표층 5cm, 중간층 7cm, 기층 10cm, 보조기층 20cm로 설정하였다. 기층 이하 하부층은 교통량 변화에 따른 거동 변화가 다소 차이가 있을 수 있으며, 동상방지층의 경우는 기후 조건에 따라 크게 달라질 수 있으나, 본 해석에서의 구조적인 영향은 미미한 것으로 가정하였다.
- 3차원 유한요소 해석의 모형에서 압전에너지 하베스터와아스팔트 포장체는 폴리우레탄을 통하여 완전 접착된 것으로 가정하였다. 실제 거동에서는 시간에 따른 접착성의 변화가 예상되나 이에 대한 공용성 평가관련 연구는 아직 이루어지지 않아 본 논문에서는 완전부착을 가정하였다.
- 또한, 도로 하베스터의 아스팔트 포장 적용 시 포장 시스템 거동 분석을 통해 포장 및 도로 하베스터의 장기공용성을 예측하였다. 유한요소해석은 포장체를 여러 개의 요소(Element)로 나누어서 각 요소의 거동을 모사하여 전체 포장체의 거동을 해석하는 수치해석 방법으로서 본 논문에서는 아바쿠스(ABAQUS)라는 범용 유한요소해석 프로그램을 사용하였으며, 일반적으로 많이 쓰이는 아스팔트 포장 구조체 단면에 압전에너지 도로 하베스터를 매립한 경우를 가정하여 해석하였다.
- 재하하중은 덤프트럭의 제원을 참고하여 3축 덤프트럭에서 수행한 적재시험 결과로 얻어진 하중 배분 비율을 적용하여 윤하중을 배분하였다. 접지면적은 접지압에 좌우되며, 축하중은 전 접지면적에 동일하게 분포된다고 가정하였다. 해석 시 타이어모양을 구현하기 위해서 실제 타이어의 접지면적과 동일한 접지압을 받는 등가의 모델을 계산하였으며, 최종적으로는 일정한 접지 면적과 접지압을 갖는 등가 직사각형 타이어 모델이 이동하는 것으로 가정하여 해석하였다.
- 접지면적은 접지압에 좌우되며, 축하중은 전 접지면적에 동일하게 분포된다고 가정하였다. 해석 시 타이어모양을 구현하기 위해서 실제 타이어의 접지면적과 동일한 접지압을 받는 등가의 모델을 계산하였으며, 최종적으로는 일정한 접지 면적과 접지압을 갖는 등가 직사각형 타이어 모델이 이동하는 것으로 가정하여 해석하였다. 또한 하중 재하 부분의 유한요소 크기는 조밀하게 하여 최소 20개 이상 배치하였다.
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