지선

왜 배우는가: 지선은 전철주의 횡하중을 처리하는 기본 수단이며, 전차선로 지지물의 형상과 설치 조건을 묻는 문항에서 출발점이 되는 개념이다. 여러 회차에서 반복된 개념이므로 정의, 원리, 설치 조건을 한 흐름으로 연결해 두어야 한다.

출제 이력: 제133회 4교시 2번, 제130회 3교시 4번, 제118회 4교시 4번, 제113회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지지물 머리와 지면의 근가를 긴장된 강선으로 연결하여 횡하중을 견디게 하는 부재이다. 전철주 지선은 전차선로 지지물에 걸리는 불평형 수평력을 지면 방향으로 나누어 전달하고, 이로써 전주의 전도와 휨을 막는 장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 지선은 전주 머리와 근가 사이를 잇는 긴장 강선이다. 영문으로 Guy wire라고 부른다.
• 근가는 지선 하단을 지중에 고정하는 콘크리트 블록 또는 앵커 장치이다.
• 지선애자는 지선 중간에 삽입하여 상부와 하부를 전기적으로 분리하는 절연체이다.
• 장력은 지선에 걸리는 인장력이며 지지물의 횡하중과 평형을 이룬다.
• 불평형 횡하중은 가선 장력의 좌우 차이 등으로 전주에 생기는 수평 하중이다.
• 전도 모멘트는 수평력이 전주 밑동을 기준으로 만드는 회전 효과이다.
• 인장재는 인장력만 전달하고 압축력은 받지 못하는 부재이다.

2. 개념 풀이

지선은 지지물 상단에 작용하는 수평력과 그로 인한 전도 모멘트를 지지하기 위하여, 지지물 상단과 지면의 근가를 비스듬히 잇는 인장재이다. 강선은 인장력만 전달할 수 있으므로 지선은 압축을 받지 않는다. 이 점이 압축과 휨을 함께 받는 지지물 본체와 구분되는 핵심이다.

원리는 다음과 같다. 지선이 지면과 이루는 각을 θ, 지선 장력을 T라 하면 장력은 수평분력과 수직분력으로 나뉜다. 장력 T의 수평분력은 T_h = T × cos θ, 수직분력은 T_v = T × sin θ이다. 수평분력은 전주에 작용하는 횡하중에 대항하고, 수직분력은 전주를 지면 쪽으로 누르는 압축력으로 작용한다.

각도 θ가 작을수록 같은 장력에서 수평분력은 커지지만 수직분력은 줄어든다. 지선의 설치 각도는 이 두 성분의 균형으로 정해진다. 지선이 지지물 밑동에 작용시키는 역방향 모멘트는 수평분력에 설치 높이를 곱한 값이므로, 지선을 상단 가까이에 설치할수록 같은 장력으로 더 큰 전도 모멘트를 상쇄한다.

같은 장력이라도 지선의 방향에 따라 지지물에 주는 힘의 방향이 달라진다. 횡방향 지선은 선로 직각 방향의 횡하중을, 종방향 지선은 가선 장력 방향의 하중을 주로 담당한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 수평분력은 지선 장력 중 지지물에 횡방향으로 작용하는 성분이다.
• 수직분력은 지선 장력 중 지지물을 지면 쪽으로 누르는 성분이다.
• 지선애자는 지선을 상하로 절연하여 상부 가선 쪽 전위가 지면으로 전달되지 않게 하는 절연체이다. 지상에서 사람이나 차량이 접촉하는 하단 구간을 보호하는 데 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

전차선로의 가선은 전차선과 조가선에 장력을 걸어 지지물에 매달기 때문에, 지지물에는 장력이 한쪽으로 쏠리는 하중이 상시 작용한다. 곡선 구간, 가선이 끝나는 인류 구간, 분기 구간에서는 좌우 장력의 차이가 커져 불평형 횡하중이 생긴다. 이 하중을 지지물 자체의 굽힘 강성만으로 견디게 하면 지지물 단면과 기초가 함께 커진다.

바람과 빙설 하중도 가선과 지지물에 수평력을 더한다. 지지물이 바람을 받아 기울면 상단이 밀리면서 밑동에 큰 전도 모멘트가 생긴다. 지선의 초기 장력 수준이 풍하중과 빙하중 아래에서 지선력의 분포를 크게 좌우한다는 연구 결과도 있다.

지선은 이 수평력을 지지물 상단에서 지면의 근가로 나누어 전달하므로, 지지물 단면을 키우지 않고도 전도와 휨에 대응할 수 있다. 특히 선로 옆 공간이 좁은 철도 부지에서는 기초를 넓게 잡기 어려우므로, 지선으로 하중을 지면 쪽에 분산하는 방식이 경제적이다.

지선이 전차선 전위와 접촉하면 지선 하부의 사람이나 차량이 감전될 위험이 있다. 지선애자는 이 위험을 줄이기 위해 지선을 상하로 나누는 장치이며, 배전 전주의 지선에 절연체를 넣는 목적과 같다.

전철 지지물은 가공 높이, 선로 간격, 건축한계와 같은 공간 조건을 함께 만족해야 한다. 이 때문에 지선은 설치 위치와 방향이 제한되며, 지선의 형상별 분류와 설치 조건을 함께 익혀야 설계 조건을 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

지선(支線)은 전주에 작용하는 수평 하중을 인장력으로 받아 지반에 전달하는 부재이다. 전차선로 전주는 전차선 장력의 불평형에 따른 편심 하중, 풍압, 곡선 구간의 외측 하중으로 휨 모멘트를 받는다. 지선은 이 모멘트에 저항하며, 전주 밑동의 단면 강도만으로 휨을 감당하기 어려운 구간에 설치한다.