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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 국내 최초로 암반앵커 기초를 도입한 ○○지역 154 kV 송전선로 철탑구조물에 무선통신용 실시간 모니터링 시스템을 구축하고, 취득한 데이터를 바탕으로 철탑구조물의 초기 거동특성을 분석하였다. 본 시스템에는 계측기 5종 약 30 여개의 센서들이 연결되어 운영되며, 향후 계측된 데이터를 바탕으로 구조물의 장기적인 안정성을 분석할 예정이다.
제안 방법
- 암반앵커를 시공하기 위해 사전 지표지질조사를 수행한 후, 양호한 지역으로 나타난 부지 1개소에 대해 지층상태와 제반 지반공학적 자료수집을 위하여 시추조사를 수행하였다. 시추기는 유압식 로타리형 시추기를 사용하였으며, 시추공경은 NX 크기로 하였다.
- 시추기는 유압식 로타리형 시추기를 사용하였으며, 시추공경은 NX 크기로 하였다. 시추작업과 병행하여 지층의 상태와 상대밀도를 간접적으로 확인하기 위하여 표준관입시험을 한국산업규격(KS F-2318)에 의거 심도 1.5 m 마다 또는 지층이 변할 때마다 실시하였다. 시추조사결과 지층의 분포상태는 상부로부터 풍화암, 연암 등의 순으로 나타났으며, 그 내용은 표 1과 같다.
- 국내 최초로 송전철탑기초에 암반앵커를 도입하고 본 구조물의 장단기 안정성을 확인하기 위하여 모니터링용 계측기를 암반앵커 기초 시공과 병행하여 설치하였으며 그 내용은 다음과 같다.
- 0m이다. 암반앵커의 시공을 위하여 105 mm로 천공을 한 후 부착력을 높이기 위하여 그라우팅재(Geo-Fix 1P)를 주입하였다. 기존의 연구결과에 의해 부식방지를 위한 별도의 조치는 취하지 않았으며 프리스트레스도 도입하지 않았다.
- 암반 앵커로 시공한 송전철탑의 응력변형 거동특성의 측정을 위해 5종 30여개의 센서들과 부속 장비들을 설치하였으며, 모니터링에 사용할 계측기들은 암반앵커의 시공과 병행하여 설치하였다. 암반앵커의 응력을 측정하기 위한 센서는 암반앵커에 부착하여 시공해야 하기 때문에, 실제 암반앵커 시공도중 망실되는 경우가 많이 발생한다.
- 철탑 상부에 송전선로가 설치된 후, 평상시 이외에 작용하는 하중이 암반앵커에 어느 정도로 작용하는지 확인하기 위해 응력측정기를 암반앵커에 설치하였다. 암반앵커 응력측정기는 그림 2의 철탑 기초중 B와 D각에 총 16개를 설치하였으며, 그 내용을 표 5에 나타내었다.
- 천공후 공내에 앵커를 관입시키고, 그라우팅을 실시한다.
- 철탑구조물의 경사거동에 의한 변화를 감지하기 위하여 주각재 경사계를 설치하였다. 경사계는 앵커응력계가 설치된 곳과 동일한 B와 D각에 총 2개소를 설치하였다.
- 철탑구조물의 기초침하에 의한 변화를 감지하기 위하여 침하계를 설치하였다. 주각재 침하계는 철탑기초의 B, C 및 D각 등 총 3개소에 설치하였다.
- 철탑구조물에 작용하는 바람의 방향과 세기를 측정하여 내풍의 안정성을 검토하였다. 풍속계는 지면으로부터 10m 상부에 1개소 설치하였다.
- 암반앵커로 기초를 시공한 송전철탑구조물의 거동분석을 위하여 시공이 완료된 직후부터 모니터링을 수행하였다. 계측을 수행한 항목들은 앞서 나열한 암반앵커 응력, 주각재 축력, 경사각, 주각재 침하, 풍향-풍속, 태양전지 출력 및 온도 등이며, 이를 바탕으로 분석한 결과는 다음과 같다.
- 암반앵커로 기초를 시공한 송전철탑구조물의 거동분석을 위하여 시공이 완료된 직후부터 모니터링을 수행하였다. 계측을 수행한 항목들은 앞서 나열한 암반앵커 응력, 주각재 축력, 경사각, 주각재 침하, 풍향-풍속, 태양전지 출력 및 온도 등이며, 이를 바탕으로 분석한 결과는 다음과 같다.
- 아울러, 철탑구조물에 영향을 주는 주요 인자중 측정된 계측값들을 계절별로 나누어 표 7에 비교하였다. 계절별 최대풍속은 상대적으로 봄과 초여름에 나타났으며, 주각재의 인발력은 봄철에 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.
- 본 고에서는 국내 최초로 암반앵커 기초를 도입한 ○○지역 154 kV 송전선로 철탑구조물에 무선통신용 실시간 모니터링 시스템을 구축하고, 취득한 데이터를 바탕으로 철탑구조물의 초기 거동특성을 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 암반앵커를 시공하기 위해 사전 지표지질조사를 수행한 후, 양호한 지역으로 나타난 부지 1개소에 대해 지층상태와 제반 지반공학적 자료수집을 위하여 시추조사를 수행하였다. 시추기는 유압식 로타리형 시추기를 사용하였으며, 시추공경은 NX 크기로 하였다. 시추작업과 병행하여 지층의 상태와 상대밀도를 간접적으로 확인하기 위하여 표준관입시험을 한국산업규격(KS F-2318)에 의거 심도 1.
- 본 연구에서 시공한 암반 앵커는 SD40 이형철근 D32 2개로 구성되어 있다. 본 앵커는 허용 인장력이 312.
- 0 kN이다. 시공된 암반 앵커의 총 길이는 4.5 m이고, 정착장의 길이는 4.0m이다. 암반앵커의 시공을 위하여 105 mm로 천공을 한 후 부착력을 높이기 위하여 그라우팅재(Geo-Fix 1P)를 주입하였다.
- 다음 그림은 본 연구에서 시공한 철탑기초의 각 호칭 및 기초당 4개의 암반앵커를 시공한 위치를 도시한 것이며, 각당 시공한 앵커는 a, b, c, d로 표기하였다. 본 연구에서 시공한 암반앵커는 총 16개이다.
- 철탑 상부에 송전선로가 설치된 후, 평상시 이외에 작용하는 하중이 암반앵커에 어느 정도로 작용하는지 확인하기 위해 응력측정기를 암반앵커에 설치하였다. 암반앵커 응력측정기는 그림 2의 철탑 기초중 B와 D각에 총 16개를 설치하였으며, 그 내용을 표 5에 나타내었다.
- 철탑기초 상부의 주각재 설치가 완료된 후, 주각재에 작용하는 축력의 측정을 위해 축력계를 설치한다. 주각재 축력측정기는 철탑의 앵글에 걸치는 축력을 주로 측정하며, 각 당 2개소씩 총 8개소에 설치를 하였다.
- 철탑구조물의 경사거동에 의한 변화를 감지하기 위하여 주각재 경사계를 설치하였다. 경사계는 앵커응력계가 설치된 곳과 동일한 B와 D각에 총 2개소를 설치하였다.
- 철탑구조물의 기초침하에 의한 변화를 감지하기 위하여 침하계를 설치하였다. 주각재 침하계는 철탑기초의 B, C 및 D각 등 총 3개소에 설치하였다.
- 철탑구조물에 작용하는 바람의 방향과 세기를 측정하여 내풍의 안정성을 검토하였다. 풍속계는 지면으로부터 10m 상부에 1개소 설치하였다.
이론/모형
- 상기 계측기들의 데이터 신호를 취득하여 무선으로 송신하는 데에 사용하며, 통신방식은 CDMA방식이다.
성능/효과
- 앵커재에 매입된 계측기중 ‘B_c_5’, 'D_a_9', ‘D_a_10' 및 ’D_c_14'번에 위치한 앵커 응력측정기는 신호가 잡히지 않아 망실된 것으로 판단되며, 이를 제외한 계측기들은 원활하게 작동하는 것으로 나타났다. 측정결과, 앵커에서 발생한 응력의 크기는 최대 약 22 kN으로 앵커 허용인장력(312 kN)의 7 %정도로 나타났다. 이는 단지 동절기에서 하절기로의 계절적 변화에 따른 지중의 온도변화가 영향을 주는 것으로 보이며, 모든 기초에서 측정된 앵커의 응력변화도 큰 움직임 없이 거의 일정한 상태를 보이고 있다.
- 주각재 축력은 철탑구조물의 상부에서 작용하는 하중이 철탑기초 하부로 전달되는 압축력과 인발력을 측정하는데에 이용된다. 각 기초별 축력값을 비교해 보면 주각재에 작용하는 최대 압축력은 157.84 kN으로 설계압축력(740.95 kN)의 약 21.3%정도로 나타났으며, 최대 인발력은 219.76 kN으로 설계인발력(621.95 kN)의 약 35.4 %정도로 나타났다.
- 아울러, 최대 압축력이 발생한 시기는 여름철 장마(우기)가 시작되는 7월초로 나타났으며, 최대 인발력이 발생한 시기는 황사나 돌풍과 같은 바람이 불기 시작하는 봄철로 나타났다. 봄철(3월, 4월)에 발생한 최대 풍속은 16.
- 본 태양전지는 12V의 전원을 공급하게 되어있다. 측정결과 주간과 야간에 따라 최소 8.9 볼트에서 최대 13.1 볼트까지 출력에 상대적인 차이가 조금은 발생하고 있으나, 테이터를 취득하는 데에는 영향이 없는 것으로 나타났다. 아울러, 모니터링 시스템이 구축되어 있는 해당 지역의 최저 온도는 영하 15.
- 위의 결과들을 종합해 보면, 현재 송전철탑구조물의 거동에 영향을 주는 인자들은 풍속, 강우 및 온도에 의한 영향이 지배적임을 알 수 있으며, 암반 앵커로 시공한 기초부에는 아직까지 하중이 작용하지 않고 있음을 확인하였다. 이는 설계지침상 평상시 작용하중은 기초 자중이 부담하고, 암반앵커는 평상시 이외의 하중만 앵커가 부담하도록 설계를 실시하기 때문이며, 아울러 작용하는 하중 또한 모두 설계하중 이내임을 알 수 있다.
- 이에 반해 주각재의 인발력은 최대 풍속이 커짐에 따라 비례하여 커지는 것이 아니라, 풍속의 크기와 더불어 바람의 풍향에 따라 인발력이 발생하는 주각재의 대상도 변하는 것을 알 수 있다. 즉, 최대 풍속과 더불어 바람의 방향도 인발력의 크기와 대상 주각재를 변경시키는 것으로 나타났다.
- (2) 주각재에 작용하는 최대 인발력은 219.76 kN으로 설계인발력(621.95 kN)의 약 35.4 %. 최대 압축력(157.
- 4 %. 최대 압축력(157.84 kN)은 설계압축력(740.95 kN)의 약 21.3 %로 나타났다.
- (3) 측정된 최대풍속은 17.8 m/sec로 설계 최대풍속(43.7 m/sec)의 약 41 % 로 나타났으며, 바람의 풍향에 따라 인발력이 발생하는 주각재도 변경되는 것으로 나타났다.
- (4) 암반앵커의 응력측정 결과, 앵커에 발생한 응력의 크기는 허용인장력(312 kN)의 7 %정도로, 이것은 계절별 지중의 온도변화에 따른 영향으로 보이며, 아직까지 앵커재에는 어떠한 하중도 전달되지 않음을 의미한다.
- (5) 주각재의 경사와 침하량 또한 계절별로 큰 변화를 보이지 않고 있어, 구조물의 단기 안정성은 확보되고 있는 것으로 확인되었다.
- (1) 분석결과, 철탑구조물의 거동특성을 지배하는 주요 인자는 풍속, 풍향, 강우 및 온도변화에 의한 영향으로 나타났으며, 이중 풍속과 풍향에 의한 영향이 상대적으로 가장 큰 것으로 나타났다.
후속연구
- 이에 본 연구에서는 국내 최초로 암반앵커 기초를 도입한 ○○지역 154 kV 송전선로 철탑구조물에 무선통신용 실시간 모니터링 시스템을 구축하고, 취득한 데이터를 바탕으로 철탑구조물의 초기 거동특성을 분석하였다. 본 시스템에는 계측기 5종 약 30 여개의 센서들이 연결되어 운영되며, 향후 계측된 데이터를 바탕으로 구조물의 장기적인 안정성을 분석할 예정이다.
- 향후, 태풍, 지진 및 불가항력적인 이상 징후가 예상되는 만큼 지속적인 계측을 통해 구조물의 거동특성을 분석할 필요가 있으며, 국내 최초로 송전철탑 구조물에 설치한 암반 앵커 기초의 장기 안정성을 추가로 확인할 필요성이 있다.
- (6) 전체적으로 측정된 계측값들은 설계값 이내를 만족하고 있으나, 향후, 태풍, 지진 및 불가항력적인 이상 징후가 예상되는 만큼 지속적인 계측을 통해 구조물의 거동특성을 분석할 필요가 있으며, 국내 최초로 송전철탑 구조물에 설치한 암반 앵커 기초의 장기 안정성을 추가로 확인할 필요성이 있다.
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