[논문]송전철탑 부분축소모형의 실험적 연구

김종민; 김승준; 박종섭; 강영종

송전철탑 부분축소모형의 실험적 연구
Experimental Study of Steel Transmission Tower using Partially Scaled Model 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.22 no.4 = no.107, 2010년, pp.335 - 344

김종민 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 김승준 (고려대학교 공학기술연구소) , 박종섭 (상명대학교 토목환경공학부) , 강영종 (고려대학교 건축사회환경공학과)

초록
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본 논문에서는 실험적 연구를 통해 송전철탑의 극한 거동을 규명하고 보-트러스 구조해석모델의 적합성을 평가하였다. 해석적 연구를 통해 충분히 검증된 송전철탑의 부분 축소 모형을 실험체로 제작하였으며, 이를 극한파괴가 발생할 때 까지 수평방향으로 가력하였다. 그 결과 기존 연구에서 제안된 구조해석모델을 실험적으로 검증하였으며, 송전철탑의 극한 내력 또한 해석적 연구 결과와 잘 부합하는 것으로 판명되었다. 그리고 각재부 및 각재부 제1윗절간 주주재에서 파괴가 일어난 후 인접 부재로 전이되는 송전철탑 구조물 파괴 모드의 유사성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents both of an investigation on the ultimate responses and a verification study on the structural methodology using beam-truss element of steel transmission towers using experimental study. The partially scaled tower which verified with analytical model was fabricated and the horizontal load was applied up to failure in the laboratory. The structural methodology for finite element analyses was verified against experimental results and both the ultimate load capacity and collapse mechanism were shown in the test to give sufficiently accurate results with those of analytical study. It was shown as well that the ultimate failure is primarily attributed to instability of the main posts in the leg parts.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 상사율을 적용하여 축소된 송전철탑 구조물의 극한하중 실험을 통해 보-트러스 구조해석모델의 적합성과 실험체의 파괴 양상을 통한 극한파괴모드, 그리고 극한 내력을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 1/4 길이 상사율을 적용한 송전철탑의 부분 축소 모형을 제작하여 송전철탑의 극한내력 및 극한거동을 살 펴보고 보-트러스 구조해석모델의 적합성을 판별하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 장에서는 본격적인 실험에 앞서 실험체로 사용된 부분 축소 모형의 적용성을 해석적으로 검증하였다. 먼저 부분 모델의 적합성을 평가하기 위해 전체 모델과 부분 모델의 극한하중 및 파괴양상을 비교해보았다.
부분 축소 모형 실험체의 길이상사율과 부분 모델의 적용 범위를 결정하기 위하여 해석적 연구를 실시하였다. 해석에는 범용구조해석프로그램 ABAQUS(2009)가 사용되었으며 주주재, 사재 및 수평재로는 2절점 3차원 보 요소인 B31(2-node linear beam in space), 기타사재 및 보조재는 2절점 3차원 트러스 요소인 T3D2(2-node linear 3-D truss)가 해석에 이용되었다.

제안 방법

(1) 부분 축소 모형의 적합성을 충분한 해석적 연구를 통해 검증한 뒤 극한거동실험을 수행하였다. 실험체는 해석적 연구와 같이 각재부 및 제1윗절간 사이의 주주재 부분에서 파괴가 일어났으며, 극한 내력은 해석값과 비교하여 약 8% 정도의 오차를 보이는 것으로 나타났는데 이는 실험체의 초기결함 때문으로 판단된다.
계산된 반력값을 최하부 2절간 부분 모델의 작용 하중으로 재하시킨 후, 전체 모델의 결과와 비교하였다. 부분 모델의 파괴양상은 그림 10에 나타내었는데, 그림 5의 전체 모델의 파괴양상에서와 동일한 지점인 각재부와 각재부 제1윗절간 연결 지점에서 주주재의 파괴가 일어남을 확인할 수 있었다.
실험체의 거치도면은 그림 13과 같으며, 실험체 거치 형 상은 그림 14에 나타내었다. 또한 2.5m의 높이를 갖는 삼각지 그를 제작하고 가력기를 2m 간격으로 상하로 설치하여 이들 두 가력기를 통해 모멘트 하중 및 수평 하중을 재하시켰는데, 상부 가력기에는 인장력을, 하부 가력기에는 압축력을 각각 가력하는 방식으로 하였다. 해석적 연구를 통하여 상부 가력기의 인장력은 400kN, 하부 가력기의 압축력은 350kN로 결정하였다.
마지막으로 하중의 상사율 1/16을 적용하여 대상 철탑의 연결부에 부착된 고장력볼트의 1마찰면당 허용력을 계산하여 실험체의 볼트의 종류 및 개수를 선정하였다. 고장력볼트의 허용력은 도로교설계기준(2005)의 3.
본 장에서는 본격적인 실험에 앞서 실험체로 사용된 부분 축소 모형의 적용성을 해석적으로 검증하였다. 먼저 부분 모델의 적합성을 평가하기 위해 전체 모델과 부분 모델의 극한하중 및 파괴양상을 비교해보았다. 전체 모델에 작용하고 있는 표 3의 하중조합II는 본체 및 가섭선의 자중, 본체와 암부재, 가섭선에 작용하는 풍하중, 암부재에 끝단에 작용하는 가섭선의 장력 등 여러 가지의 하중들이 복합적으로 작용하고 있어, 전체 모델에 작용하는 하중을 부분 모델에 작용하는 하중으로 직접 변환시키기가 어렵다.
본 절에서는 송전철탑 구조물의 보-트러스 모델 적합성 규명 을 위해 부재별로 축 응력 및 휨 응력 산출하여 응력-하중 곡선을 도식화하고 축 응력에 대한 휨 응력의 비를 산출하였다. 그림 27과 같이 가력기가 설치된 면의 반대쪽 면(N면)에 위치한 부재들의 휨-축 응력비를 산출하였으며, 각 그래프 안에 부재의 위치를 빨간점으로 표시하였다.
이들 부재를 길이 상사율(1/4), 단면적 상사율(1/16), 단면2차모멘트 상사율(1/256)에 근접하는 부재를 KS규격 중에서 선별한 결과 각각 L65×8, L65×6, L25×3 부재를 실험체 부재로 결정하였으며, 표 6에는 실험체에 적용된 부재들의 실제 상사율의 역수값을 취하여 나타내었다.
이를 위해 그림 18∼20과 같이 등변ㄱ형강 부재 단면의 도심축을 지나는 곳과 부재의 양 끝단에 각각 스트레인 게이지를 부착하여, 도심축을 지나는 지점에서 측정된 응력을 축 응력으로 고려하고 부재 양 끝단에서 발생하는 응력값에서 축 응력값을 뺀 값을 휨 응력으로 고려하였다.
대상 송전철탑에서 각재부와 각재부 제1윗절간으로 구성된 부분의 실제 높이는 13m 이다. 이에 실험체 제작비와 실험실 조건 등을 고려하여 그림 8과 같이 길이를 1/4로 축소한 높이 3.25m의 부분 축소 모형을 실험체 모델로 결정하였다. 실험체 부재의 강종은 대상 송전철탑과 동일한 SS490을 적용하므로 응력의 상사율은 1이 되며, 길이 상사율은 1/4이 되는데, 응력 상사율을S_E, 길이 상사율을 S_L 이라 할 때, 각 물리량의 실험체 제작 상사율을 표 4에 정리하였다.
경계조건은 주주재 최하부 지점을 고정단으로 고려하였으며, 재하 하중은 표 3에 명시된 ‘가공송전용 철탑설계 기준-1111’의 하중조합 6가지 중 하중조합 II가 가장 큰 영향을 미치고 있다는 장진원 등(2008)의 연구에 근거하여 하중조합 II를 해석모델에 재하시켰다. 철탑의 극한거동을 보기위한 비선형해석을 실시하였으며, 이 때 부재의 초기결함 및 잔류응력은 고려하지 않았다.
5m의 높이를 갖는 삼각지 그를 제작하고 가력기를 2m 간격으로 상하로 설치하여 이들 두 가력기를 통해 모멘트 하중 및 수평 하중을 재하시켰는데, 상부 가력기에는 인장력을, 하부 가력기에는 압축력을 각각 가력하는 방식으로 하였다. 해석적 연구를 통하여 상부 가력기의 인장력은 400kN, 하부 가력기의 압축력은 350kN로 결정하였다. 그리고 실제 송전철탑이 받는 하중은 4개의 주주재를 통하여 하부로 전달되므로, 그림 15와 같이 실험체의 4개 주주재 상단 부분에만 삼각지그를 용접하였다.

대상 데이터

2∼3장에서 명시한 바와 같이 높이 3.25m, 하부폭 2.8m의 송전철탑 구조물 최하부 2절간의 1/4 축소 모형 실험체를 제작하였다.
대상 송전철탑에서 각재부와 각재부 제1윗절간으로 구성된 부분의 실제 높이는 13m 이다. 이에 실험체 제작비와 실험실 조건 등을 고려하여 그림 8과 같이 길이를 1/4로 축소한 높이 3.
대상 철탑을 이루고 있는 주주재, 수평재, 1차 사재, 기타 사재 및 보조재는 모두 등변ㄱ형강 단면으로 되어있으며, 표 2와 같이 가장 큰 치수인 L250×35부터 가장 작은 L45×4 까지 총 18 종류의 단면으로 이루어져 있다.
본 연구에서 고려된 송전철탑은 국내에서 보편적으로 많이 사용되는 내장애자장치 적용 각도철탑으로 실제 양양-동해간 설계 ∙ 시공된 345kV B2형 송전철탑을 대상으로 하였다.

이론/모형

부분 축소 모형 실험체의 길이상사율과 부분 모델의 적용 범위를 결정하기 위하여 해석적 연구를 실시하였다. 해석에는 범용구조해석프로그램 ABAQUS(2009)가 사용되었으며 주주재, 사재 및 수평재로는 2절점 3차원 보 요소인 B31(2-node linear beam in space), 기타사재 및 보조재는 2절점 3차원 트러스 요소인 T3D2(2-node linear 3-D truss)가 해석에 이용되었다. 경계조건은 주주재 최하부 지점을 고정단으로 고려하였으며, 재하 하중은 표 3에 명시된 ‘가공송전용 철탑설계 기준-1111’의 하중조합 6가지 중 하중조합 II가 가장 큰 영향을 미치고 있다는 장진원 등(2008)의 연구에 근거하여 하중조합 II를 해석모델에 재하시켰다.

성능/효과

(2) 부재에 발생하는 휨 응력 및 축 응력을 검토한 결과, 주주재, 1차 사재, 수평재를 기존의 트러스 요소로 간주하여 구조해석을 실시하게 된다면 안전하지 못한 설계가 될 가능성이 있다고 판단되며, 기타 사재의 휨 응력은 그 크기가 매우 작으므로 기존의 트러스 요소로 고려해도 무방한 것으로 판단된다. 이는 기존 해석연구인 장진원 등(2007)의 결과와 잘 부합하는 것으로 나타났다.
그리고 휨 응력의 절대값도 32∼33MPa 정도로 강재의 항복응력 280MPa의 11.8% 정도를 차지하고 있으므로, 주주재를 트러스 요소로 간주하므로써 고려되지 않는 주주재의 휨 응력의 크기를 무시할 수 없다고 판단된다.
극한 하중 실험 결과, 실험체는 지그 상단 가력부의 하중이 약 330kN일 때 각재부 및 제1윗절간 사이의 주주재에서 파괴가 일어났으며, 극한 하중값은 해석값과 비교할 때 약 8%정도의 오차를 보이는 것으로 나타났다. 이는 실험체 각 부재가 초기제작오차를 가지고 있었고, 지그를 실험체 상단에 용접할 때 지그 집중하중에 의해 실험체 상단부 1차 사재에 초기변형이 발생하였으나, 해석적 연구에서는 초기결함이 없는 것으로 고려한데서 발생한 오차라고 판단된다.
0 근처에서 비선형성을 보였으며 이는 전체 모델의 곡선과 5%내의 차이만을 보이는 것으로 나타났다. 상기 해석 결과를 통해 최하부 2절간 부분 모델을 통해서도 전체 모델의 극한 내력 및 파괴 양상을 충분히 규명할 수 있다고 판단하였다.
표 8에 나타난 바와 같이 1차 사재인 N11, N12부재는 휨 응력이 축 응력의 42∼47% 정도로 산출되었고, N13부재는 11% 정도로 나타나, 표 7의 주주재와 비교하였을 때 위치에 따라서는 오히려 주주재보다 9∼15% 정도 큰 비율의 휨 응력을 추가적으로 분담하는 것으로 나타났다.
해석 결과, 그림 5에 나타난 바와 같이 각재부와 각재부 제1 윗절간의 연결부의 주주재가 파괴되었으며, 그림 6의 파괴지점 하중-변위 곡선 도식결과 하중계수 0.855에서 비선형성을 보였다. 이를 통해 그림 7과 같이 각재부를 포함한 최하단부 2절간을 실험체의 부분 모델 적용 범위로 선정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	송전철탑은 무엇으로 이루어진 강골조 구조물인가?	송전철탑은 그림 1에 나타난 것과 같이 주주재와 1차 사재, 수평재, 기타 사재 등으로 이루어진 강골조 구조물이다. 현행 국내 송전철탑에 대한 설계 및 해석 접근방식은 한국전력공사에서 제정한 ‘가공송전용 철탑설계기준-1111’(한국전력공사, 2004)을 근간으로 하고 있는데, 주로 66kV, 154kV 및 345kV 등 ᄀ형강이 주로 사용되는 345kV급 이하 가공송전선로에 사용하는 송전철탑 설계에 적용되고 있으며 허용응력설계법을 근간으로 하고 있다.
	현행 국내 송전철탑에 대한 설계 및 해석 접근방식은 무엇을 근간으로 하는가?	송전철탑은 그림 1에 나타난 것과 같이 주주재와 1차 사재, 수평재, 기타 사재 등으로 이루어진 강골조 구조물이다. 현행 국내 송전철탑에 대한 설계 및 해석 접근방식은 한국전력공사에서 제정한 ‘가공송전용 철탑설계기준-1111’(한국전력공사, 2004)을 근간으로 하고 있는데, 주로 66kV, 154kV 및 345kV 등 ᄀ형강이 주로 사용되는 345kV급 이하 가공송전선로에 사용하는 송전철탑 설계에 적용되고 있으며 허용응력설계법을 근간으로 하고 있다. 상기 설계기준에서는 송전철탑의 해석 및 설계시 모든 부재를 트러스로 간주하므로 부재 양단 경계조건을 힌지로 가정하고 있고, 이에 따라 부재의 휨영향을 무시하고 축력만을 고려하고 있기 때문에 엄밀한 구조적 거동을 파 악하기에 한계가 있다.

참고문헌 (9)

건설교통부(2005) 도로교설계기준.
김우범, 이경진(1997) 철탑구조의 설계하중 및 응력산정, 한국강구조학회지, 한국강구조학회, 제9권, 제2호, pp.47-55.
김우범, 이경진(1998) 765kV 송전철탑 실규모 하중시험, 한국강구조학회지, 한국강구조학회, 제10권, 제2호, pp.134-141.
김종성(2003) 반강접 접합부를 갖는 강골조의 거동에 대한 해석적 연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제15권, 제5호, pp.551-559.

원문보기 상세보기
장진원, 김승준, 박종섭, 강영종(2007) 송전철탑 설계기준을 반영한 345kV급 송전철탑의 합리적인 구조해석모델 제안, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제19권, 제4호, pp.367-381.

원문보기 상세보기
장진원, 김승준, 박종섭, 강영종(2008) 잔류응력과 초기변형을 고려한 송전철탑의 비선형 극한거동에 관한 해석적 연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제20권, 제3호, pp.421-435.

원문보기 상세보기
진석원, 김종민, 박종섭, 강영종(2008) 전력선 단선으로 인한 이상시 송전철탑의 안전성 평가방법, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제20권, 제1호, pp.131-149.

원문보기 상세보기
한국전력공사 (2004) 가공송전용 철탑설계기준-1111.
ABAQUS (2009) Standard User's Manual. Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., Vols. 1, 2 and 3. Version 6.9.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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