[논문]송전용 풍하중 설계기준 합리화를 위한 기술검토

신구용; 이동일; 신태우; 최진성; 방항권

문제 정의

이러한 국내 설계지침은 1985년 이전의 기상자료를 토대로 산정된 설계풍속을 기준으로 제정되어 있어, 최근 20년간 급속한 국토개발에 의해 설계풍속을 결정하는 지역별 조도구분 이 변화되었고 매년 국내에 큰 피해를 주고 있는 태풍의 규모가 점점 증가하고 있는 상황에서 풍속자료의 갱신과 설계풍속 산정방법에 대한 재검토가 요구되었다. 따라서 본 논문에서는 현재 적용중인 설계기준을 개략적으로 이해하고 최근 20년간의 기상청의 자료를 추가하여 기상청 개설 이래의 종합 DB를 구축하고 이를 토대로 송전선로에 적용되는 풍 하중 산정을 위한 설계풍속 Map을 도출하는 과정을 고찰하였다.
이는 송전 지지물 설계 실무자가 활용하기 어려운 설계하중 설정 과정이 필요함을 의미하며, 이를 일반화하기 위한 이론적 정립이 요구된다. 본 논문에서는 향후 송전설계 관련 기술에 파급을 고려할 때 우선 선행되어야 하는 이러한 풍하중 설계기준의 개념적인 차이를 고찰하고자 한다.
또한 해외 사례의 경우 송전철탑의 풍하중기준 개정 작업이 이루어지고 있으며 현재 국내의 건축물 풍하중기준에서 제시하고 있는 국부지형에 의한 할증요인을 중심으로 풍하중 설계 합리화를 위한 지속적인 연구가 수행 중인 것으로 조사되었다. 이러한 풍공학 기술의 진보와 주변 기술기준의 수준이 높아지는 시점에 국내의 송전철 탑 풍하중기준에 대한 전반적인 검토가 필요한 시기라고 사료되어 본 논문에서 풍하중 설계기준의 개념적인 차이를 고찰하였다.

제안 방법

본절에서는 위와 같이 파악된 기상청의 기상관측 자료를 바탕으로 국내의 송전철탑의 설계 풍속을 산정하는 과정을 그림 2와 같은 흐름도와 같이 소개한다.3) 이번 논문에서는 연간최대 풍속을 취득하여 기준 높이로 보정하고 다중상관회귀 분석을 적용하여 미관측 지역의 예상풍속 을 추정함으로서 전국 재현기간별 평균 풍속을 구해 작성한 평균풍속등 가 선도 작성과정과 그 결과를 고찰한다.
74, 전기설비 기술기준(통상, 전기(電技)라고 한다), JEC-127)의 풍하중 산정 기본개념을 비교하여 아래 표 2에 요약하였다. 각국에서 적용 중인 원래의 지침, 기준에 정확히 일치하는 것은 아니지만 비교 자료에 제시된 각국의 풍하중 산정에 적용된 기호 등의 표기가 다른 부분을 기본 풍속에 대한 속도압을 기본으로 하여 본질적인 의미에서 요약하여 비교하였다. 표 2에서 보는 바와 같이 기본적인 평가법이 한국과 일본의 경우만 지금까지 정적설계에 의한 지역별 설계하중등급을 분류하고 IEC, ASCE는 조도 등 국부적 지형 조건을 고려한 가스트 영향계수법 (Gust Effect Factor)을 적용하고 있음을 알 수 있다.
기존의 송전지지물풍 하중 기준의 보완을 위하여 기상청의 기상관측 개시 이래 2005년도까지 전체 기간의 풍향, 풍속 자료를 취득하는 과정과 본 논문에서 제시하는 설계용 기준 풍속의 개념을 고찰하기 위하여 우선 자연풍의 특징과 기상자료의 통계적 처리과정을 파악한다.
국내 송전철탑 설계기준의 산정 개념은 지형적으로 인접하였고 뚜렷한 계절풍인 태풍의 동일 영향권에 있는 일본의 설계기준과 매우 유사하다. 또 한 국내 건축물 풍하중기준과 상이한 현 기준에 대한 국내 풍공학의 발전에 따른 국지풍을 고려한 설계기준 반영 필요성이 제기되어 이를 고려한 해외자료 중심의 송전용 철탑의 국내외 설계지침 또는 기준류 (IEC 60826, ASCE No. 74, 전기설비 기술기준(통상, 전기(電技)라고 한다), JEC-127)의 풍하중 산정 기본개념을 비교하여 아래 표 2에 요약하였다. 각국에서 적용 중인 원래의 지침, 기준에 정확히 일치하는 것은 아니지만 비교 자료에 제시된 각국의 풍하중 산정에 적용된 기호 등의 표기가 다른 부분을 기본 풍속에 대한 속도압을 기본으로 하여 본질적인 의미에서 요약하여 비교하였다.
본 논문에서는 기상관측소의 관측 이래 현재까지 풍속 자료를 이용하여 Gumbel 극치분포함 수로부터 25년, 50년 및 100년 재현주기에 대한 고온계, 저온계에서의 평균 풍속을 산출하고 지형인자를 이용한 다중회귀분석법으로 미관측 지역에 대한 풍속을 추정한 후 우리나라 전국 지역별 풍속등 가선도의 작성과정을 고찰하였다. 지금까지의 결과에서 보면 대부분의 기상관측소에서의 재현주기별 풍속에서 1987년 기준과 다소의 차이점이 발생하였으며 이는 20년간의 기상 데이터 추가와 기상청의 측정 조건 변화에 기인한 것으로 예상된다.
본 연구의 수행과정에서 한전의 송전철탑설계기준에 많은 영향을 미친 일본 철탑설계 분야의 새로운 지침 「송전용 철탑의 풍하중지침 (안)」의 주요 사항을 파악하여 향후 국내 기준 적용성을 검토하였으며 기존에 전풍향을 고려하지 않은 년평균 최대 풍속의 통계처리를 통한 설 계풍하중 산정을 보다 합리적으로 분석하기 위하여 제안된 일본의 신지침(안)과 표4와 같이 요약 비교하였다. 표 4에서 보는 바와 같이 향후 일본의 풍하 중 설계 개념 또한 IEC 및 ASCE와 같이 각각 철탑이 위치하는 지형을 고려하기 위하여 그림 5의 조도를 반영한 기별 설계 개념으로 변경될 것으로 전망된다.
또한 우리나라 전국에 대한 풍속등 가선도를 작성하기 위해서는 기상관측소가 없는 지역, 즉 미관측 지역에 대한 풍속을 추정하여야 한다. 우리나라에 있는 기상관측소는 모두 76개소에 불과하므로 관측 자료만을 이용해서 풍속도를 작성하는 것은 부정확하므로 각 기상관측소에서의 풍속과 풍속에 가장 지배적인 영향을 미치는 18개의 지형인자를 설정하고 이들 간의 상관계수를 구하여 미관측 지역에 대한 풍속을 추정하게 된다.5)이러한 상관계수를 구하기 위한 해석은 종속 변수와 독립변수 간의 선형 모형으로 계수화하는 방법으로 독립변수가 2개 이상임으로 다중회귀분석을 적용하였다.
따라서 중장기적으로 해외 기준을 토대로 국내 기준에 반영할 경우 향후 송전설계 기술분야 전반에 미치는 영향이 상당히 클 것으로 전망되 므로 해외의 풍하중 설계흐름을 이해하는 것은 매우 중요하다. 좀 더 구체적으로 표현하면 기준속도압을 크게 세 개의 지역구분으로 적용하 던 국내의 풍하중 설계조건이 송전선로의 지지물 기별 설계조건으로 바 뀌게 되며 이 경우 설계의 합리성은 제고될 수 있으나 지지물이 설치되는 경과지 예상 위치의 지형조건, 토지의 이용실태 등 설계조건에 기본 적으로 전제되어야 하는 다양한 정보를 광범위하게 확보하고 이를 유체 해석 시뮬레이션 등으로 분석하여 설계하중을 구하게 된다. 이는 송전 지지물 설계 실무자가 활용하기 어려운 설계하중 설정 과정이 필요함을 의미하며, 이를 일반화하기 위한 이론적 정립이 요구된다.
지역별 풍속에 지배적인 지형인자를 기상 관측소별로 조사하고 이를 이용하여 미관측 지역의 지형인자와의 상관관계를 도출하기 위하여 그림 3와 같이 미관측 지점 격자점을 정하고 각 재현주기풍속별로 다중회귀분석에 의한 추정치에 대한 상관계수를 구하였다. 격자점별로 구하여 진 미관측 지역과 기상대의 평균 풍속을 Gumbel 분포식에 적용하여 재현주기별 풍속을 구하고 이를 근거하여 재현기간 25년50년 100년 의 풍속등가선도를 작성하였으며 그림 4는 100년 재현주기의 고온계 전국 지역별 풍속등가선도이다.

대상 데이터

4) 구조물의 설계용 재현 기간은 10년 이상 이 보통이므로 충분히 긴 기간의 관측 자료가 필요하고 최저 20개의 년최대풍속 의 관측자료가 요구되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서도 통계년수가 20미만인 기상관측소를 제외하고 나머지 기상관측소의 기상자료를 이용하여 재현기대값을 추정하였다.

데이터처리

우리나라에 있는 기상관측소는 모두 76개소에 불과하므로 관측 자료만을 이용해서 풍속도를 작성하는 것은 부정확하므로 각 기상관측소에서의 풍속과 풍속에 가장 지배적인 영향을 미치는 18개의 지형인자를 설정하고 이들 간의 상관계수를 구하여 미관측 지역에 대한 풍속을 추정하게 된다.5)이러한 상관계수를 구하기 위한 해석은 종속 변수와 독립변수 간의 선형 모형으로 계수화하는 방법으로 독립변수가 2개 이상임으로 다중회귀분석을 적용하였다. 회귀 분석방법으로는 비교적 단순한 최소자승법을 적용하였으며, 기존 기준에 따라 독립변수는 18개의 지형인자로 채택하고 종속변수는 풍속으로 하는 다중선형 회귀분석 (Multiple Linear Regression Analysis)으로 분석하였으며, 구해진 지형인자와 추정 풍속값간의 회귀분석에 대한 결과의 정밀도 검증은 분산분석표에 의한 F-검 증법과 중상관계수R에 의한 검증 등이 있으며 본 연구에서는 중상관계 수를 적용하여 회귀식의 정밀 도를 검증하였다.
5)이러한 상관계수를 구하기 위한 해석은 종속 변수와 독립변수 간의 선형 모형으로 계수화하는 방법으로 독립변수가 2개 이상임으로 다중회귀분석을 적용하였다. 회귀 분석방법으로는 비교적 단순한 최소자승법을 적용하였으며, 기존 기준에 따라 독립변수는 18개의 지형인자로 채택하고 종속변수는 풍속으로 하는 다중선형 회귀분석 (Multiple Linear Regression Analysis)으로 분석하였으며, 구해진 지형인자와 추정 풍속값간의 회귀분석에 대한 결과의 정밀도 검증은 분산분석표에 의한 F-검 증법과 중상관계수R에 의한 검증 등이 있으며 본 연구에서는 중상관계 수를 적용하여 회귀식의 정밀 도를 검증하였다.6)

이론/모형

또한 풍속은 지표면 가까이에서는 마찰 때문에 감소하고 상공으로 올라갈수록 증가한다. 풍속의 고도분포를 나타내는 관계식에는 대수법칙 (Logarithmic Profile)과 지수법칙(Power Law)이 있으며, 경험적으로 유도된 식으로 시가지와 같이 지표면 조도가 큰 곳은 물론 지상 150m 정도까지의 실측 결과와도 잘 일치하여 세계 각국에서 이를 널리 채용하고 있는 지수법칙을 이번 연구에서는 적용하였으며 다음식으로 주어진다.

후속연구

본 연구의 수행과정에서 한전의 송전철탑설계기준에 많은 영향을 미친 일본 철탑설계 분야의 새로운 지침 「송전용 철탑의 풍하중지침 (안)」의 주요 사항을 파악하여 향후 국내 기준 적용성을 검토하였으며 기존에 전풍향을 고려하지 않은 년평균 최대 풍속의 통계처리를 통한 설 계풍하중 산정을 보다 합리적으로 분석하기 위하여 제안된 일본의 신지침(안)과 표4와 같이 요약 비교하였다. 표 4에서 보는 바와 같이 향후 일본의 풍하 중 설계 개념 또한 IEC 및 ASCE와 같이 각각 철탑이 위치하는 지형을 고려하기 위하여 그림 5의 조도를 반영한 기별 설계 개념으로 변경될 것으로 전망된다.
지금까지의 결과에서 보면 대부분의 기상관측소에서의 재현주기별 풍속에서 1987년 기준과 다소의 차이점이 발생하였으며 이는 20년간의 기상 데이터 추가와 기상청의 측정 조건 변화에 기인한 것으로 예상된다. 향후 돌풍율에 의한 지역별 돌풍(순간최대) 풍속을 산정하여 송 전 지지물 설계자에게 제시하는 설계 속도압을 산정할 계획이다.

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