송전철탑 기초

왜 배우는가: 송전철탑은 한번 세우면 바꾸기 어려운 구조물이라 기초 설계 오류가 곧 정전과 사고로 이어진다. 가공 송전선로 철탑기초의 종류와 장단점, 철탑 기초 형식은 두 회차에 걸쳐 출제됐으므로 형식별 원리와 비교를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 6번, 제102회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

송전철탑 기초는 철탑의 자중과 전선·지선의 하중을 지반에 안전하게 전달해 전도·침하·인발을 막는 하부 구조물이다.

• 직접기초: 철탑 다리를 얕은 지반에 직접 접하게 하여 하중을 지지하는 기초
• 말뚝기초: 연약층을 지나 하중을 깊은 지층에 전달하는 기초
• 암반 앵커기초: 암반에 정착한 인장재로 상향 인발력을 받는 기초
• 지지력: 기초가 압축 하중을 지반에서 견디는 능력
• 인발저항력: 철탑이 뽑히려는 상향력에 기초가 버티는 능력
• 부등침하: 다리마다 침하량이 달라 철탑이 기울고 부재에 응력이 생기는 현상

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 송전철탑은 높이 솟은 기둥이라 바람과 전선 장력에 의해 넘어지거나 뽑히려 한다. 기초는 이 힘을 땅속으로 나눠 넣는 발판이다.

정식으로는 송전철탑 기초를 철탑 본체의 자중, 전선과 가공지선의 장력, 풍하중, 지진하중을 지반에 전달하고, 상시와 사고 시 모두 전도·활동·과도한 침하·인발이 생기지 않도록 설계한 하부 구조로 정의한다. 철탑이 자립식인지 지선식인지에 따라 기초가 받는 하중의 성격이 달라진다. 자립식 철탑은 각 다리 기초가 압축과 인발을 번갈아 받고, 지선식 철탑은 지선을 고정하는 앵커 기초가 인장력을 받는다.

핵심 용어는 세 가지다. 지지력은 기초 저면이나 말뚝 주변 지반이 압축 하중을 견디는 능력이다. 인발저항력은 상향 하중에 대해 기초가 뽑히지 않고 버티는 능력이며, 철탑에서는 압축 지지력보다 설계를 지배하는 경우가 많다. 부등침하는 다리 간 침하 차이가 생겨 철탑이 기울고 부재에 추가 응력이 걸리는 현상이다.

지지력은 원리에 따라 나눠 생각한다. 직접기초는 기초 저면의 전단저항으로 하중을 지지한다. 말뚝기초는 말뚝 주면의 마찰력과 선단의 지지력을 합해 하중을 지지한다. 암반 앵커기초는 암반에 그라우트로 정착된 인장재의 부착력으로 인발력을 받는다. 같은 철탑 하중이라도 지반이 받는 방식이 달라지므로 형식 선택은 원리를 기준으로 한다.

철탑 기초 설계는 압축 지지력과 인발저항력을 함께 검토하는 것이 핵심이다.

설계 하중은 상시 하중, 강풍 하중, 지진 하중, 전선 한 가닥이 끊어진 사고 시의 불평형 장력을 조합해 검토한다. 이 조합 중 가장 불리한 경우가 기초의 크기와 형식을 결정한다. 따라서 상시·강풍·지진·단선 하중 조합을 빠뜨리면 설계 논리가 무너진다.

3. 등장 배경과 필요성

전력수요가 늘면서 송전선로 신설이 증가했고, 그만큼 철탑이 들어서는 입지도 다양해졌다. 산지, 연약 지반, 하천 주변, 해안 인근처럼 지반 조건이 나쁜 곳에도 철탑을 세워야 하기 때문이다.

고전압 선로일수록 철탑이 커지고 전선 장력도 커진다. 765kV 같은 초고압 송전선로는 기초 한 곳에 걸리는 하중이 크므로 기초 형식 선정이 설계 품질을 좌우한다. 기초가 부실하면 철탑이 기울어 전선의 지상고가 줄고, 심하면 전도되어 정전과 인명 사고로 이어진다.

연약 점토층이 두꺼우면 압밀에 의한 침하가 장기간 진행되어 부등침하가 생기기 쉽다. 이 경우 말뚝으로 단단한 지층에 하중을 넘기는 방법을 택한다. 반대로 지반이 암반에 가깝고 지표 가까이 단단한 층이 있으면 직접기초나 암반 앵커기초가 경제적이다.

철탑 기초는 한번 시공하면 교체가 어렵다. 그래서 설계 전 지반조사로 지층 구성과 지하수 위치를 파악하고, 그 결과에 맞춰 직접기초, 말뚝기초, 암반 앵커기초 중에서 형식을 고르는 과정이 필요하다. 산지에서는 공사용 접근로 확보와 자재 운반도 제약이 되므로 시공성도 형식 선정의 기준이 된다.

기초는 공사비와 공사 기간에도 큰 영향을 준다. 같은 철탑이라도 기초 형식에 따라 굴착량, 콘크리트량, 장비 종류가 달라진다. 따라서 안전성, 시공성, 경제성을 함께 비교하는 것이 설계 판단의 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

송전철탑 기초는 철탑 주각에 작용하는 인발력, 압축력, 전도모멘트, 수평력을 지반에 안전하게 전달하는 구조물이다. 철탑은 상부 자중에 비해 풍하중에 의한 전도모멘트와 인발력이 커서, 기초 설계는 압축 지지력보다 인발·전도 저항이 지배하는 경우가 많다. 구성요소는 다음 표와 같다.

기초 원리는 두 가지로 나뉜다. 얕은 기초는 기초 저면의 전단저항으로 하중을 지지한다. 깊은 기초는 말뚝 주면의 마찰력과 선단의 지지력으로 하중을 깊은 지층에 전달한다. 철탑은 인발력이 크므로 얕은 기초는 기초체 자중과 주변 흙의 중량을 저항력으로 활용한다. 말뚝이나 암앵커는 인장 저항을 지층에 직접 정착시킨다.

철탑기초 설계는 압축 지지력보다 인발·전도에 대한 저항이 지배한다

설계 절차는 다음과 같다.

• 지반조사로 토층 구성, 지지층 깊이, 지하수위를 파악한다.
• 철탑의 설계하중(상시, 강풍, 단선 등 하중조합)을 산정한다.
• 지반 조건에 따라 직접기초, 말뚝기초, 암반기초 중 형식을 선정한다.
• 극한 저항력을 계산하고 설계하중에 대한 안전율을 확인한다.
• 시공 후 재하시험이나 인발시험으로 설계 가정을 검증한다.

안전율은 다음 식으로 정의한다.

$F_s = \frac{R_u}{P_d}$

여기서 F_s는 안전율(무차원), R_u는 기초의 극한 저항력(kN), P_d는 철탑 설계하중(kN)이다. 인발 저항을 계산할 때는 기초체 자중, 흙의 중량, 주면마찰을 더하고, 압축에 대해서는 선단지지력과 주면마찰을 더한다. 계산 결과가 기준 안전율보다 작으면 기초 치수를 키우거나 말뚝 본수와 근입 깊이를 늘린다.

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5. 관련 법령·기준·표준

송전철탑 기초는 「전기사업법」에 따른 전기설비 기술기준의 적용을 받는다. 전기설비 기준은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC) 체계로 운영된다. 구 '전기설비기술기준의 판단기준'은 KEC로 대체되었다. 철탑의 구조 설계와 기초 설계는 건설 분야의 구조설계기준(KDS 체계)과 지반 관련 기준을 함께 적용한다. 전기설비 기준은 기초의 안전율을 규정하고, 구체적 하중조합과 지반 정수는 설계기준에 따른다.