2012년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A042

하절기 장대레일 온도제어를 위한 차열성 도료의 적용

Implementation of Isolation-heat Paint for Temperature Control of CWR in Summer Period

성덕룡†, 주진우*, 박성기*, 전두민*, 이현걸*, 김장규**, 백찬호*** Deok-Yong Sung†, Jin-Woo Joo*, Sung-Ki Park*, Doo-Min Jeon*, Hyun-Gul Lee*, Jang-Kyu Kim**, Chan-Ho Baik***

Abstract Riskiness for buckling of CWR increase due to rise the average temperature in summer period. In this paper, it introduced to isolation-heat paint, which was applied in the field. It is performed that differences of temperature in rail and sleeper by using the four types of isolation-heat paint according to the field test. In addition, the track/bridge interaction analysis according to the local temperature reducing was analyzed. The temperature reducing effect of solvent-based 2 types was better than water-based 1 type. White has good temperature reducing effect by its high reflectance. According to the local temperature reducing of CWR, the axial force was decreased. Therefore, applying the isolation-heat paint to track in railway, it can extend the length of CWR and minimize rail expansion joint, minimize the reset operation of CWR. In the future, construction equipment rapidly applying isolation-heat paint to track need to be developed to improve the efficiency of railway construction and maintenance. Keywords : Continuous Welded Rail(CWR), Temperature, Isolation-heat paint, Field test

초 록 하절기 기온 및 레일온도 상승으로 장대레일 좌굴 위험성이 증가하고 있다. 본 연

구에서는 차열성 도료 적용사례를 조사하였고, 4종류의 차열성 도료를 실제 철도 레일 및

콘크리트 침목에 적용하여 레일 및 침목에서 발생하는 온도차를 분석하였다. 또한, 궤도/교

량 상호작용해석을 통해 국부적인 레일온도 저감에 따른 효과를 분석하였다. 분석결과, 수

성1액형에 비해 유성2액형 차열성 도료의 온도저감 효과가 우수하였으며, 반사율이 높은 흰

색이 온도저감 효과가 높은 것으로 분석되었고, 국부적인 레일온도저감은 축력저감효과가

있는 것으로 분석되었다. 따라서 장대레일에 차열성 도료를 적용할 경우, 장대레일 길이 연

장, 레일신축이음매 최소화, 재설정작업 최소화가 가능할 것으로 판단되며, 기존선 작업의

효율성을 높이기 위한 급속시공장비 개발이 필요할 것으로 판단된다. 주요어 : 장대레일, 온도, 차열성 도료, 현장시험

† 교신저자: 대원대학교 철도건설과(dysung@mail.daewon.ac.kr)

* 대원대학교 철도건설과 ** ㈜R.T.Korea *** 서울메트로 궤도신호처

1. 서 론

철도의 고속화, 고밀화, 중량화 및 궤도유지보수비용 저감을 위해 장대레일과 콘크

리트궤도의 부설이 증가하고 있다. 하지만 하절기 레일온도 상승으로 인해 장대레일

좌굴위험성이 증가하고 있으며, 장대레일 증가는 매년 증가하고 있는 하절기 온도상

승으로 인해 장대레일 재설정 작업량이 증가되어 궤도유지보수비용을 증가시키고 있

다. 또한, 철도노선이 점차 고가구조로 조성되고, 도심지를 관통하고 있으며, 콘크리

트궤도의 증가로 도심지 열섬현상을 가중 시키고 있다.

국립기상연구소(NIMR)의 A1B시나리오에 따르면 과거 30년 대기온도 평년치 보다

2100년에는 약 4℃가 증가할 것으로 예측되고 있으며, 매년 발생하는 최고 대기온도

와 최저 대기온도의 변화폭이 증가하고 있는 것으로 보고되고 있다[1]. 이는 극한 겨

울철 레일의 파단이 우렴됨과 동시에 이로 인해 중립온도 설정에 변화를 줘야 한다면

하절기 대기온도에 의한 레일 축력이 더욱 악조건이 될 수 있음을 암시한다.

2006~2007년 278개 장대레일 재설정 기록부에 따르면 장대레일 재설정 주기는 평균

1150일, 1년 미만의 재설정 주기도 약 30%를 차지하였고, 평균 작업연장은 613m, 평

균 작업인원은 27명으로 장대레일 재설정을 위해 많은 궤도유지보수비용이 소요되고

있다[2]. 대기온도가 상승하더라도 레일온도를 일정범위 내에서 유지할 수 있다면 장

대레일 재설정 작업을 최소화할 수 있으며, 레일신축이음매 설치개소 또한 최소화할

수 있어 철도건설 및 유지보수비용 절감이 가능할 것이다.

따라서 본 연구에서는 국내외에서 도심지 열섬현상 및 에너지 저감을 위해 사용하고

있는 차열성 도료의 적용사례를 조사하였고, 4종류의 차열성 도료를 실제 철도 레일

및 콘크리트 침목에 적용하여 레일 및 침목에서 발생하는 온도차를 분석하였다. 또한,

궤도/교량 상호작용해석을 통해 국부적인 온도저감에 따른 효과를 분석하였다. 이를

통해 하절기 장대레일의 온도제어를 위한 차열성 도료의 적용성을 검토하고자 하였다.

2. 차열성 도료의 원리 및 적용 사례

차열성 도료는 반사성능이 우수한 특수한 도료에 의해 표면을 코팅하여 포장면의 고

온화를 막아 열섬 현상 및 이산화탄소를 저감시키는 기술로 공원 및 보도의 아스팔트,

아파트 및 단독주택의 외벽, 공장 및 물류창고 지붕, 옥외 수영장 주변 등에 사용되

고 있다. 또한, 일본 NIPPO사에서는 레일두부를 제외한 레일복부, 레일하수부에 차열

도장을 실시 할 수 있는 구조의 레일 도장장치를 제안하였으며, 현장시험을 통해 레

일 온도가 약 7℃ 저감되었고 차열성 도료의 철도 레일 적용가능성을 확인하였다.

Fig 1 차열성 도료의 원리

Fig 2 주차장 아스팔트 포장 전.후 표

면온도비교

Fig 3.차열도장 레일 전경 및 온도측정 결과(일본) Fig 4. 기온 및 차열도료

시공전후 레일온도차 비교

2. 차열성 도료의 현장 적용 2.1 현장 적용 개소 및 범위

국내외에서 사용되고 있는 대표적인 차열성 도료를 선정하여 차열성 도료 유형별 레

일온도변화 검측, 시공성 및 철도 레일 적용성 평가를 위해 서울메트로 창동차량기지

내 4개 선로를 선정하여 레일 두부 상면을 제외한 복부와 저부, 침목 상면 및 e-clip

에 1개 선로당 양쪽 레일 5m씩 총 40m를 시험부설 하였다. 시험부설개소 현황은

Table 1.과 같다.

현장시공은 각 선로마다 차열성 도료 살포 전 세척제(물)을 이용하여 레일을 세척하

고, 그라인더와 와이어 브러쉬를 이용하여 레일의 녹을 제거하였다. 그리고 차열도료

살포 범위를 설정하기 위해 레일두부와 설정 길이 양 끝에 마스킹 작업을 하였다. 마

지막으로 Air Compressor와 Air lessgun을 이용하여 레일의 두부를 제외한 복부와 저

부, e-clip에 각 선로마다 서로 다른 차열성 도료를 살포하였고, 페인트 붓을 이용하

여 침목상면에 도포하였다.

Table 1. 시험부설 개소 밀 적용 도료

구 분 S-4구간 S-5구간 S-6구간 S-7구간

차열성 도료 수성 1 액형 수성 1 액형 수성 1 액형 유성 2 액형

“A" 사 “B" 사 “C" 사 “D" 사

비고 흰색 흰색 회색 흰색

2.2 현장적용 결과

시험 부설한 4개소에서 열화상 카메라(T-200)을 이용하여 레일과 침목의 온도를 측

정한 결과는 Table 2, Table 3과 같다.

Table 2. 시공 전.후 사진과 온도측정 결과 비교

구

분

현 장 사 진 측 정 결 과 온도차

(℃) 시공 전 시공 후 미시공구간 시공구간

S-4

레일:

-5.8

침목:

-6.8

S-5

레일:

-4.2

침목:

-6.2

S-6

레일:

-4.5

침목:

-6.8

S-7

레일:

-8.3

침목:

-9.4

Table 3. 차열도료 시공개소와 미시공개소의 온도측정 비교

개 소 측정위치 측정결과(℃) 온도차

(℃)

S-4

레 일 미시공 구간 51.2

-5.8 시공 구간 45.4

침 목 미시공 구간 50.0

-6.8 시공 구간 43.2

S-5

레 일 미시공 구간 50.7

-4.2 시공 구간 46.5

침 목 미시공 구간 46.0

-6.2 시공 구간 39.8

S-6

레 일 미시공 구간 49.9

-4.5 시공 구간 45.4

침 목 미시공 구간 49.2

-6.8 시공 구간 42.4

S-7

레 일 미시공 구간 52.8

-8.3 시공 구간 44.5

침 목 미시공 구간 48.7

-9.4 시공 구간 39.3

온도 측정 결과, S-4 구간에서는 레일 -5.8℃, 침목 -6.8℃, S-5 구간에서는 레일 -

4.2℃, 침목 -6.2℃, S-6 구간에서는 레일 -4.5℃, 침목 -6.8℃, S-7 구간에서는 레

일 -8.3℃, 침목 -9.4℃의 온도차가 발생하여 차열성 도료 시공 후 온도가 저감되는

것으로 나타났다.

또한, 차열성 도료 제품 성능을 비교해 보면 S-4 구간, S-5 구간, S-6 구간에 도포

한 차열성 도료는 수성 1액형으로 교반 작업 및 시공이 용이하지만, 완전경화 후 레

일 표면 녹이 도료표면으로 노출되는 문제가 발생하였고, S-7 구간에 도포한 차열성

도료는 유성 2액형으로 교반 작업 및 시공이 다소 불리 하였지만, 완전경화 후 레일

표면 녹이 도료 표면으로 노출되는 문제가 발생 되지 않았고 차열 효과도 가장 우수

한 것으로 나타났다. 또한, 차열성 도료 색에 따른 차열 효과 비교결과, S-6 구간에

도포한 회색의 차열성 도료가 나머지 흰색의 차열성 도료에 비해 효과가 다소 낮은

것으로 나타났다.

하절기에는 대기온도보다 레일온도가 약 10~15℃정도 높게 나타나며, 하절기에는 레

일온도와 대기온도가 1℃이내로 발생하게 된다. KS60레일을 기준으로 레일온도가 1℃

변화할 경우, 레일에 작용하는 축력은 18.27kN(약 2tonf)으로 4~10℃ 온도편차는 약

73.08~182.7Kn의 레일축력 저감효과가 있음을 알 수 있다.

4. 궤도/교량 상호작용 해석

본 연구에서는 궤도/교량 상호작용 해석을 통해 장대레일이 부설된 교량에서 국부적

인 레일온도 저감이 장대레일 축력에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 궤도/교량

상호작용해석의 대상 모델은 Fig. 5와 같으며, 총 연장 335.8m 단순 경간 구조로 되

어 있고, S1~S2, S4~S7구간은 40m PSC Box, S3와 S8구간에는 50m 강합성교가 부설되

어 있다.

Fig. 5 궤도/교량 상호작용해석 모델

해석조건은 하절기 레일온도 +45℃, 교량 +35℃를 온도하중으로 재하하였으며, 제동

하중을 고려하였다. 차열성 도료 적용시 레일온도가 +20℃로 감소한다고 가정하였으

며, S4~S8구간에 감소된 레일온도를 재하하였다.

궤도/교량 상호작용해석 결과, Fig. 6과 같이 최대축력이 발생한 S8에서 레일축력이

약 1800kN 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 6 궤도/교량 상호작용해석 결과(레일온도 변화 전후)

5. 결론

본 연구에서는 차열성 도료의 원리 및 적용사례를 조사하였고, 4종류의 차열성 도료

를 실제 철도 레일 및 콘크리트 침목에 적용하여 레일 및 침목에서 발생하는 온도차

를 분석하였다. 또한, 궤도/교량 상호작용해석을 통해 국부적인 온도저감에 따른 레일

축력 변화를 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 1) 차열성 도료를 레일 및 침목에 적용한 결과, 약 4~10℃ 온도저감 효과가 있는 것

으로 분석되었으며, 차열성 도료의 종류 중 수성 1액형에 비해 유성 2액형 도료 적용 시 온도저감 효과가 우수하였고, 반사율이 높은 흰색이 온도저감 효과가 높은 것으로 분석되었다.

2) 궤도/교량 상호작용으로 인해 장대레일에 발생하는 부가축력은 국부적인 온도저

감으로 축력을 저감시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 3) 향후 철도 레일에 차열성 도료를 적용하기 위해서는 적정 도포두께 산정, 친환경

적인 차열성 도료 개발, 기관사 시야를 확보할 수 있으면서 차열 효과가 우수한 색 선정 등에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 차열성 도료의 철도 레일 적용

을 통해 시공 전 장대레일에 차열성 도료를 적용할 경우 온도저감으로 인한 축력저감

이 가능할 것으로 판단되며, 장대레일 길이 연장, 레일신축이음매 최소화, 재설정작업 최소화가 가능할 것으로 판단된다. 또한, 기존 부설된 철도선로에 차열성 도료 적용을 위해서는 작업 효율성이 높고, 특정 부위만 일정한 두께로 도포할 수 있는 급속시공 장비 개발이 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌

[1] 최진유 외 4인 (2010) 기후변화에 대비한 장대레일 온도특성 연구, 한국철도학회 논문집, 제13권 제2호, pp.179-185.

[2] 김우진 외 2인 (2007) 장대레일 재설정 방법 개선 연구, 한국철도학회 추계학술대회

논문집, pp. 382-390 [3] 김대성 (2011) 도심지 열섬완화를 위한 도로포장공법에 관한 연구, 경일대학교 대학

원 박사학위논문.

[4] 구봉근, 서사범 (2000) 궤도 관리를 위한 레일 온도의 특성, 한국철도학회 논문집, 제3권 제1호, pp.19-26.

[5] 소경락 (2010) 아크릴 수지를 이용한 차열성포장의 성능평가, 세종대학교 토목환경

공학과 석사학위논문.