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문제 정의
- 본 연구에서는 시화호 내 Jacket 기초 또는 강관파일 및 콘크리트 매트의 합성기초를 갖는 총 6개의 송전철탑을 대상으로 3개년간 실시한 안전점검 시험결과를 이용한 구조물 열화도 분석 및 지수화 연구 등을 수행하였다. 결과적으로 도출된 모든 제반 자료들을 기 개발되어 있는 종합적 정보 D/B 프로그램에의 포괄적 자료로 활용되도록 하므로써 해상송전철탑 구조물에 대한 유지관리 및 수명관리가 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하였다.
- (2) 일반적으로 기 개발된 해상 송전철탑 구조물 영구 모니터링 시스템에서는 실시간 전송되는 실계측 값을 이용한 수치적 역해석을 수행하고, margin 산정에 따른 실거동 평가를 수행한다. 이때 본 연구결과인 구조물 안전점검 항목별 열화상태 등급화 자료를 적용케 함으로써 구조물 실거동 예측에의 신뢰성을 가일층 높일 수 있도록 하였다.
제안 방법
- (3) 본 연구는 중요 구조물로서의 대상 구조물에 대한 접근성 제약으로 제한적인 자료도출을 기반으로 하였다. 따라서 많은 실측자료를 바탕으로 한 열화상태 등급화를 보다 체계화하는 것이 매우 중요하다.
- 점검방식은 ① 콘크리트 비파괴 조사에서 반발경도시험은 NR형(보통 콘크리트용) 슈미트햄머를 이용, 콘크리트 표면에 타격을 가하여 반발경도를 측정, 콘크리트 강도를 추정하였다. ② 콘크리트 비파괴 품질 평가는 구조물의 두께를 실측한 후 관통법 중 반직접법을 사용하여 초음파 전달속도를 측정하였다. 측정값은 동일위치에 대하여 3회 측정한 값의 평균값으로 하였으며, 초음파에 의한 콘크리트 품질판정 기준은 초음파 속도 4.
- 주기적이고 장기적인 열화도를 평가하고, 그 변화도를 D/B화하기 위하여 열화관련 평가지표를 새롭게 설정하였다. 그 수준은 설계시 적용된 기준치 내에서 열화지표를 재구성함으로써 보수적 관리가 되도록 설정하였다. 특히 본 연구에서의 열화도 지표 산정에 있어서는 단일 항목을 동일한 수준으로 평가하고 있다.
- 이온화 경향이 높은(급속 부식성) 금속을 +극, 그 반대의 것을 -극으로 하는 원리를 이용하여 전위측정 및 양극조사 등에 따른 계측을 수행한다. 따라서 강관파일의 열역학적 부식경향을 평가하기 위한 전위조사는 내부 임피던스 값이 1012 이상이 되는 디지털 멀티미터 (추천모델: Fluke 70 Series)를 이용하고, (+)단자를 강관파일에 연결하고, (-)단자를 잠수용 염화은 기준전극에 연결한 후 세가지 깊이별 전위를 계측하여 평균값을 구하였다. ⑥ 양극 소모량 조사는 수중에서 부식에 저항하는 전기방식장치가 잘 작동되고 있는지를 확인하거나 양극(anode)의 잔여수명을 추정하는 것으로 강관파일에 부착된 희생양극에서 나오는 방식전류의 양과 방향을 측정한다.
- 본 연구에서는 한국전력공사에서 발간한 “345kv 영흥 T/L 해상철탑구조물 수명관리 방안연구 2004”을 바탕으로 판단기준을 재정리하고 연구 대상의 송전철탑과 관련하여 5단계 개별평가점수 기준을 새롭게 제시하였다.
- (1) 해상송전철탑에 대한 3년 연속 주기점검에 따라 강재 및 콘크리트 부재 모두 양호성이 입증되었다. 새롭게 정의된 열화지표는 해상 구조물에의 효율적 수명관리 및 유지관리의 초석자료로서 의미를 갖으며, 연속감시에 따른 열화 누적자료는 장수명수동형(long-lived passive) 구조물에 대한 적극적 수명연장의 가이드라인 역할을 부여할 수 있도록 하였다.
- 수중조사에 따른 파일의 열화도 평가는 기초파일 외관수중촬영 결과 및 강관파일에 부착된 희생양극의 크기측정에 의한 평가로 이루어졌으며, 기초파일과 희생양극에 홍합, 조개 등 수중생물이 빼곡히 부착되어 있어 실질적인 외관상의 열화 정도를 파악하기가 어려워 수중 외관조사 결과는 안전점검 평가 자료로서는 크게 사용되지는 못했으나, 하상 환경에 대한 실질적인 영향도를 파악하는데 적극 활용하였다.
- 본 연구와 관련된 것으로 기 개발된 해상송전철탑 구조물 건전성 감시를 위한 유지관리 모니터링 시스템이 있다. 여기서는 모니터링 시스템에서 도출되는 실시간 전송 실계측 값중 진동변위, 정동적 변형률 및 풍향-풍속 값을 이용하여 수치 해석적으로 시스템 역해석을 수행하고, 그 결과와 실계측값 간에 형성되는 margin 값 산정으로 향후 예측되는 재해 실거동 평가를 사전에 수행한다. 결과적으로 본 연구결과인 구조물 안전점검 항목별 열화상태 등급화 자료를 적용케 함으로써 구조물 실거동 예측에의 신뢰성을 가일층 높일 수 있도록 하였다.
- 현장 구조물 손상점검은 외관육안검사와 일반점검으로 구분된다. 외관육안검사로는 콘크리트 및 강재 균열, 백태, 박락, 철근노출, 강재부식, 도장상태 등의 열화현상을 조사하였으며 일반점검은 강구조물과 콘크리트 구조물에 대해 비파괴 시험을 통한 검사를 하였다. 구조물의 종류에 따른 점검항목 및 점검방법은 한국전력공사의 “영흥 해상 철탑기초 구조물의 유지관리 지침서”를 참조하여 수행하였다.
- 해상 송전철탑 구조물 설계수명 기간 중 구조물 안전문제를 효과적으로 관리하기 위하여 현 상태에 대한 조사 및 점검을 통해 수명관리의 초기화 기반을 조성하고, 주기적 안전점검을 통한 실질적 자료를 확보함으로써 이전 상태로부터의 변화를 확인하는 구조물 열화정보 구축 D/B화 자료가 요구된다. 이를 위하여 시화호내 강재구조 및 콘크리트구조 형식을 가지는 대표적인 6개의 송전철탑(30번, 31번, 34번, 39번, 41번, 53번)을 중심으로 각각 선정된 동일한 위치에 대하여 구조물 재료별 안전점검 항목 및 방법을 중심으로 하는 비파괴검사를 수행하였다. 점검주기로 연중 동일기간 1회씩, 총 3개년 동안의 열화자료를 도출하여 해상 송전철탑 구조물의 열화도 변화를 평가하였다.
- ⑤전해질 내의 금속물질은 금속종류에 따라 이온화 정도가 다르다. 이온화 경향이 높은(급속 부식성) 금속을 +극, 그 반대의 것을 -극으로 하는 원리를 이용하여 전위측정 및 양극조사 등에 따른 계측을 수행한다. 따라서 강관파일의 열역학적 부식경향을 평가하기 위한 전위조사는 내부 임피던스 값이 1012 이상이 되는 디지털 멀티미터 (추천모델: Fluke 70 Series)를 이용하고, (+)단자를 강관파일에 연결하고, (-)단자를 잠수용 염화은 기준전극에 연결한 후 세가지 깊이별 전위를 계측하여 평균값을 구하였다.
- 점검방식은 ① 콘크리트 비파괴 조사에서 반발경도시험은 NR형(보통 콘크리트용) 슈미트햄머를 이용, 콘크리트 표면에 타격을 가하여 반발경도를 측정, 콘크리트 강도를 추정하였다. ② 콘크리트 비파괴 품질 평가는 구조물의 두께를 실측한 후 관통법 중 반직접법을 사용하여 초음파 전달속도를 측정하였다.
- 이를 위하여 시화호내 강재구조 및 콘크리트구조 형식을 가지는 대표적인 6개의 송전철탑(30번, 31번, 34번, 39번, 41번, 53번)을 중심으로 각각 선정된 동일한 위치에 대하여 구조물 재료별 안전점검 항목 및 방법을 중심으로 하는 비파괴검사를 수행하였다. 점검주기로 연중 동일기간 1회씩, 총 3개년 동안의 열화자료를 도출하여 해상 송전철탑 구조물의 열화도 변화를 평가하였다.
- 주기적이고 장기적인 열화도를 평가하고, 그 변화도를 D/B화하기 위하여 열화관련 평가지표를 새롭게 설정하였다. 그 수준은 설계시 적용된 기준치 내에서 열화지표를 재구성함으로써 보수적 관리가 되도록 설정하였다.
- 본 연구에서는 한국전력공사에서 발간한 “345kv 영흥 T/L 해상철탑구조물 수명관리 방안연구 2004”을 바탕으로 판단기준을 재정리하고 연구 대상의 송전철탑과 관련하여 5단계 개별평가점수 기준을 새롭게 제시하였다. 해상송전철탑은 그 중요성이 크므로 안전성에 대해서는 1~3점 수준까지로 관리하도록 분류하였고, 그 이상의 점수에 대해서는 구조물에 대한 정밀안전진단 및 보수 및 보강 등을 수행하도록 지시하였다. 최종적으로 이러한 설정안에 따른 본 대상 구조물들에 대한 열화도 평가는 우수 이상의 수준에 있다.
- 추가적으로 해수수질 및 해저토질에 대한 환경조사는 이전 조사와 비교해서 어느 정도 변화했는지를 확인하기 위하여 행하며, 양극이 설계수명년수 이내에서 유지되어야 할 소모 방식상태를 확인하기가 어려운 경우 기타 원인을 규명하기위한 자료로 사용된다. 해수면 부근의 수질 분석은 비저항, 수온, 탁도, DO, pH, Cl-, S2-, NH4+, 산화환원전위, COD 등을 분석하며, 해저면 부근의 토질분석은 온도, pH, COD, S2-, 산화환원전위 등을 분석한다.
대상 데이터
- ⑥ 양극 소모량 조사는 수중에서 부식에 저항하는 전기방식장치가 잘 작동되고 있는지를 확인하거나 양극(anode)의 잔여수명을 추정하는 것으로 강관파일에 부착된 희생양극에서 나오는 방식전류의 양과 방향을 측정한다. 모든 희생양극이 영구적으로 파일에 용접 연결되어 있고, 특수 측정기기인 스웨인 미터 (Swain Meter)를 이용하였다. 이 방법은 전류가 지나가는 도체(희생양극 부착봉)에 잠수부가 클램프(clamp)식 전류감지센서를 걸고 나서 해상에서 전류량과 방향을 측정한다.
데이터처리
- 측정값은 동일위치에 대하여 3회 측정한 값의 평균값으로 하였으며, 초음파에 의한 콘크리트 품질판정 기준은 초음파 속도 4.57 km/sec 이상일 경우 우수 상태로, 2.13 km/sec 이하일 경우 극히 불량 등 5 단계로 구분하였고, 사용된 초음파 측정기는 “영국 CNS ELECT.
이론/모형
- ④ 염화물 함유량(전염화물) 측정은 KS F 2713 및 ASTM C 1218, 1152 규격에 준하여 콘크리트 표면부에서 추출된 시료를 대상으로 이온 전극법을 이용하여 측정하였으며, 사용장비는 ORION 720A를 이용하였다. ⑤전해질 내의 금속물질은 금속종류에 따라 이온화 정도가 다르다.
- 구조물의 종류에 따른 점검항목 및 점검방법은 한국전력공사의 “영흥 해상 철탑기초 구조물의 유지관리 지침서”를 참조하여 수행하였다.
성능/효과
- (1) 해상송전철탑에 대한 3년 연속 주기점검에 따라 강재 및 콘크리트 부재 모두 양호성이 입증되었다. 새롭게 정의된 열화지표는 해상 구조물에의 효율적 수명관리 및 유지관리의 초석자료로서 의미를 갖으며, 연속감시에 따른 열화 누적자료는 장수명수동형(long-lived passive) 구조물에 대한 적극적 수명연장의 가이드라인 역할을 부여할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 시화호 내 Jacket 기초 또는 강관파일 및 콘크리트 매트의 합성기초를 갖는 총 6개의 송전철탑을 대상으로 3개년간 실시한 안전점검 시험결과를 이용한 구조물 열화도 분석 및 지수화 연구 등을 수행하였다. 결과적으로 도출된 모든 제반 자료들을 기 개발되어 있는 종합적 정보 D/B 프로그램에의 포괄적 자료로 활용되도록 하므로써 해상송전철탑 구조물에 대한 유지관리 및 수명관리가 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하였다.
- 여기서는 모니터링 시스템에서 도출되는 실시간 전송 실계측 값중 진동변위, 정동적 변형률 및 풍향-풍속 값을 이용하여 수치 해석적으로 시스템 역해석을 수행하고, 그 결과와 실계측값 간에 형성되는 margin 값 산정으로 향후 예측되는 재해 실거동 평가를 사전에 수행한다. 결과적으로 본 연구결과인 구조물 안전점검 항목별 열화상태 등급화 자료를 적용케 함으로써 구조물 실거동 예측에의 신뢰성을 가일층 높일 수 있도록 하였다. 여기서 수치 해석적 분석의 개요는 실시간 계측자료에 의한 역해석으로 실계측치와 비교 분석이 가능한 부재의 응력을 도출하는 과정이며, 이는 다음과 간략히 요약된다.
- 선정된 송전철탑 강재의 손상조사 결과 외관은 양호한 상태이며, 부식이 진행되지 않는 상태로 설계 두께를 유지하고 있고, 기초파일의 양극소모량 측정 결과 설계목표 내구연한을 충분히 확보하고 있다. 콘크리트의 경우는 균열 및 외관은 특별한 열화현상이 없는 양호한 상태이며, 비파괴 강도 조사 및 초음파 탐사결과 설계강도를 상회하는 강도를 확보하고 있음을 확인하였다.
- 선정된 송전철탑 강재의 손상조사 결과 외관은 양호한 상태이며, 부식이 진행되지 않는 상태로 설계 두께를 유지하고 있고, 기초파일의 양극소모량 측정 결과 설계목표 내구연한을 충분히 확보하고 있다. 콘크리트의 경우는 균열 및 외관은 특별한 열화현상이 없는 양호한 상태이며, 비파괴 강도 조사 및 초음파 탐사결과 설계강도를 상회하는 강도를 확보하고 있음을 확인하였다. 염화물 함유량은 낮은 수준을 나타내고 있어 건실한 상태이며, 중성화 깊이는 이론치(기준치) 이하의 값을 갖고 있다.
후속연구
- 따라서 열화 지표의 개별적 점수 부여로 그 단일 항목당 이상현상 발견시 이에 대한 대책을 개별적으로 강구토록 함으로써 중요 구조물의 안전을 공고히 하게 됨을 표명한다. 그러나 원천적으로는 가중치를 고려한 종합적 지표 산정이 필요하며, 이를 위해서는 포괄적이고, 대단위 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 추가적으로 해수수질 및 해저토질에 대한 환경조사는 이전 조사와 비교해서 어느 정도 변화했는지를 확인하기 위하여 행하며, 양극이 설계수명년수 이내에서 유지되어야 할 소모 방식상태를 확인하기가 어려운 경우 기타 원인을 규명하기위한 자료로 사용된다. 해수면 부근의 수질 분석은 비저항, 수온, 탁도, DO, pH, Cl-, S2-, NH4+, 산화환원전위, COD 등을 분석하며, 해저면 부근의 토질분석은 온도, pH, COD, S2-, 산화환원전위 등을 분석한다.
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