표제지

국문초록

목차

제1장 서론 15

1.1. 연구배경 15

1.2. 연구목적 18

1.3. 연구내용 및 방법 19

1.4. 기존 연구 20

1.4.1. 철탑-송전선 시스템의 해석 모델 20

1.4.2. 송전철탑 모델 23

1.4.3. 철탑-송전선 시스템 모델 25

1.4.4. 철탑-송전선 시스템의 풍응답 26

1.4.5. 철탑-송전선 시스템의 지진응답 31

1.4.6. 철탑-송전선 시스템의 진동제어 32

제2장 송전철탑의 내풍 안정성 실험 37

2.1. 일반사항 37

2.2. 실험 계획 37

2.2.1. 실험체 제원 37

2.2.2. 하중계획 40

2.2.3. 지그 및 실험체 설치 계획 43

2.2.4. 변위 및 변형률 계측 계획 45

2.3. 예비해석 47

2.4. 실험 결과 50

2.4.1. 변형 형상 50

2.4.2. 하중-변위 곡선 52

2.4.3. 변위 53

2.4.4. 부재별 변형률 54

2.4.5. 부재력 60

2.5. 소결 63

제3장 송전철탑 마찰형 보강기구 개발 및 성능실험 65

3.1. 일반사항 65

3.2. 마찰형 보강기구 제안 65

3.2.1. 캔틸레버형 래티스 구조물의 상대 변위 65

3.2.2. 마찰형 보강기구 설치형식의 비교 66

3.2.3. 마찰형 보강기구 거동원리 및 상세 70

3.3. 토크 변화에 따른 마찰형 보강기구 이력특성 71

3.4. 마찰형 보강기구가 설치된 송전철탑의 반복가력 실험 74

3.4.1. 실험체 74

3.4.2. 가력 및 측정 계획 75

3.4.3. 마찰형 보강기구 상세 78

3.4.4. 실험 결과 80

3.5. 소결 88

제4장 마찰형 보강기구가 설치된 송전철탑의 풍웅답 해석 89

4.1. 일반사항 89

4.2. 대상구조물 개요 89

4.3. 송전철탑의 해석 모델 92

4.4. 송전철탑의 동특성 93

4.4.1. 모드해석 결과 93

4.4.2. 감쇠비 해석 94

4.5. 시간이력 및 주파수 해석 결과 96

4.5.1. 풍동실험에 의해 산정된 시간이력 풍하중 96

4.5.2. 시간이력 풍하중 입력방법 99

4.5.3. 시간이력 해석 결과 및 응답 평가 102

4.6. 마찰형 보강기구 설치에 따른 응답감소효과 평가 108

4.6.1. 보강기구의 특성 108

4.6.2. 수치해석상에서의 보강기구 구현 109

4.6.3. 감쇠장치 용량에 따른 응답 감소효과 평가 112

4.6.4. 보강기구의 설치 위치 및 형태에 따른 응답감소효과 평가 115

4.7. 소결 120

제5장 결론 121

참고문헌 123

Abstract 128

〈Table-1.1〉 Ranking of the maximum instantaneous wind speed. 17

〈Table-1.2〉 Beaufort scale. 17

〈Table-2.1〉 Specification of a transmission tower. 38

〈Table-2.2〉 Sectional properties of the prototype transmission tower. 39

〈Table-2.3〉 Sectional properties of the scaled model structure. 39

〈Table-2.4〉 Design Loads for prototype transmission tower perpendicular to the wind direction. 42

〈Table-2.5〉 Design gravity load on the prototype structure. 42

〈Table-2.6〉 Loads imposed on the test specimen. 42

〈Table-2.7〉 Naming of strain gages. 46

〈Table-2.8〉 Member forces and allowable buckling loads of compression members. 49

〈Table-2.9〉 Load-displacement curves of the test specimen at the location of actuators. 52

〈Table-2.10〉 Strains of bracing members obtained by preliminary analysis and experiment. 59

〈Table-2.11〉 Top displacement when yield strains of the leg members are reached. 60

〈Table-3.1〉 Equivalent damping and stiffness. 69

〈Table-4.1〉 Overhead earth wire and conductor. 90

〈Table-4.2〉 Specification of Insulator. 90

〈Table-4.3〉 Properties of steel. 91

〈Table-4.4〉 Classification of structural member. 91

〈Table-4.5〉 Natural frequencies, periods, and modal participation mass. 93

〈Table-4.6〉 Mean components of wind force time history. 99

〈Table-4.7〉 Top displacement responses under wind loading. 103

〈Table-4.8〉 Maximum compression force of legs at the bottom of tower under wind loading. 103

〈Table-4.9〉 Maximum top displacement for various slip-load ratio. 112

〈Table-4.10〉 Maximum compression force of the bottom leg for various slip-load ratio. 113

〈Table-4.11〉 Top displacement in X direction for various cases of FRM installation system. 117

〈Table-4.12〉 Top displacement in Y direction for various cases of FRM installation system. 117

〈Table-4.13〉 Compression force of the bottom leg for various cases of FRM installation system. 118

〈Table-4.14〉 Response comparison of reinforcement methods for transmission towers. 119

〈Figure 1.1〉 Typhoon Maemi tracking map. 15

〈Figure 1.2〉 Damage to Harbor infrastructures in the 2003 Typhoon Maemi. 16

〈Figure 1.3〉 Transmission Tower Collapse. 16

〈Figure 1.4〉 MDOF elastic model of a transmission line. 22

〈Figure 1.5〉 Analytical model of a transmission tower. 24

〈Figure 1.6〉 Analytical models of a transmission tower-line system. 25

〈Figure 1.7〉 Load patterns for performance analysis of transmission towers. 27

〈Figure 1.8〉 Schematic view of a typical long-span transmission line. 28

〈Figure 1.9〉 View of wind tunnel test of the vortex-induced vibration. 29

〈Figure 1.10〉 Cylinder set-up in the wind tunnel. 29

〈Figure 1.11〉 Aero-elastic model of transmission tower-line system. 30

〈Figure 1.12〉 The monitored L6 transmission line tower. 30

〈Figure 1.13〉 Elevation of the example towers. 31

〈Figure 1.14〉 Elevation of shaking table test model. 32

〈Figure 1.15〉 Installation scheme of energy-dissipating dampers on transmission towers. 33

〈Figure 1.16〉 Comparison of control performance of peak displacement. 34

〈Figure 1.17〉 Mechanical model of a semiactive friction damper. 35

〈Figure 1.18〉 Control performance on top of the transmission tower. 35

〈Figure 1.19〉 3D diagram of a pounding TMD. 36

〈Figure 2.1〉 A prototype transmission tower and a half scaled sub-assemblage test model. 37

〈Figure 2.2〉 A test model drawing. 39

〈Figure 2.3〉 Welded connections in the upper and lower parts. 40

〈Figure 2.4〉 Bolted connections. 40

〈Figure 2.5〉 Design loads on the transmission tower. 41

〈Figure 2.6〉 Configuration of the test model structure and actuators. 43

〈Figure 2.7〉 Drawings of a triangular jig and connection plates. 44

〈Figure 2.8〉 Base plate on the bottom of the test specimen. 45

〈Figure 2.9〉 Connection blocks between actuators and triangular jig. 45

〈Figure 2.10〉 Location of strain gages and LVDTs. 46

〈Figure 2.11〉 Naming and locations of strain gages. 47

〈Figure 2.12〉 Analytical modeling of the test specimen. 48

〈Figure 2.13〉 Photograph of the specimen after loading is over. 50

〈Figure 2.14〉 Deformation of the leg member near the joint JCCR3. 51

〈Figure 2.15〉 Load-displacement curves of the test specimen at the location of actuators. 52

〈Figure 2.16〉 Slope of load-displacement curves of the test specimen measured by actuators. 52

〈Figure 2.17〉 Lateral displacements perpendicular to the loading direction. 54

〈Figure 2.18〉 Torsional rotation angle at the top of the specimen. 54

〈Figure 2.19〉 Strain of the left leg member subjected to compression. 55

〈Figure 2.20〉 Strain of the right leg member subjected to compression. 56

〈Figure 2.21〉 Strain at various locations in members subjected to tension. 58

〈Figure 2.22〉 Strain of bracing members. 58

〈Figure 2.23〉 Measurement location of three gages on a cross-section. 60

〈Figure 2.24〉 Eccentric distance of leg members subjected to compression. 62

〈Figure 2.25〉 Axial force of leg members subjected to compression. 62

〈Figure 2.26〉 Bending moment of leg members subjected to compression. 63

〈Figure 3.1〉 Relative displacement of a lattice structure under lateral loads. 66

〈Figure 3.2〉 Numerical model of tower-leg-reinforcing type. 67

〈Figure 3.3〉 Numerical model of X-brace type. 68

〈Figure 3.4〉 Load-displacement relation of the total lateral load and top displacement. 68

〈Figure 3.5〉 Equivalent damping ratio of bi-linear. 69

〈Figure 3.6〉 Relation between lateral load and top displacement under cyclic loading. 69

〈Figure 3.7〉 Energy dissipation mechanism of a friction-type reinforcing member(FRM). 70

〈Figure 3.8〉 Hysteresis loop of Coulomb damping. 71

〈Figure 3.9〉 Friction-type damper system and test set-up. 72

〈Figure 3.10〉 Load-displacement curves of sliding interfaces with a brace plate on a bare steel plate. 73

〈Figure 3.11〉 Load-displacement curves of sliding interfaces with a brace plate on a galvanized steel plate. 74

〈Figure 3.12〉 Original tower and 1/2 scale plane substructure chosen for cyclic loading test. 75

〈Figure 3.13〉 Configuration of the test model and actuators. 76

〈Figure 3.14〉 Load transfer through a triangular jig. 77

〈Figure 3.15〉 Displacement loading history. 77

〈Figure 3.16〉 Photograph of experiment set-up. 77

〈Figure 3.17〉 Location of strain gages and LVDTs. 78

〈Figure 3.18〉 Hysteresis behavior of the tower-FRM system. 78

〈Figure 3.19〉 Detail of the FRM installed in the tower substructure. 79

〈Figure 3.20〉 Jig preventing out-of-plane buckling. 80

〈Figure 3.21〉 Moment-rotation angle curves at the top of the tower substructure itself. 81

〈Figure 3.22〉 Force-displacement curves of the SBC in the FRM. 82

〈Figure 3.23〉 Energy dissipation in the FRMs for various displacement amplitude levels. 84

〈Figure 3.24〉 Total energy dissipation in the tower substructure for various displacement amplitude levels. 85

〈Figure 3.25〉 Participation ratio of the FRMs in the total energy dissipation for various displacement... 85

〈Figure 3.26〉 Ratio of the total energy dissipation with FRMs over without FRMs. 86

〈Figure 3.27〉 Axial force share ratio of the FRMs. 87

〈Figure 4.1〉 Components in transmission towers. 90

〈Figure 4.2〉 Drawing of 345kV transmission tower Bukbusan #100. 91

〈Figure 4.3〉 Analysis 3D model. 92

〈Figure 4.4〉 Overhead earth wires and insulators... 92

〈Figure 4.5〉 Various mode shapes of the transmission tower. 94

〈Figure 4.6〉 Impact load time history. 95

〈Figure 4.7〉 Application locations of impact loads. 95

〈Figure 4.8〉 Free vibration displacement response at the top of the tower for various damping ratio. 96

〈Figure 4.9〉 Definition of wind direction in wind tunnel test. 97

〈Figure 4.10〉 Boundary layer profile comparison. 97

〈Figure 4.11〉 Photograph of wind tunnel test set-up and test models. 98

〈Figure 4.12〉 Wind force in the X direction for wind direction of 50°. 98

〈Figure 4.13〉 Wind force in the Y direction for wind direction of 50°. 98

〈Figure 4.14〉 Mean and fluctuation components of wind forces. 100

〈Figure 4.15〉 Application of mean wind forces. 101

〈Figure 4.16〉 Location of mean wind forces. 101

〈Figure 4.17〉 Application of fluctuating wind forces. 101

〈Figure 4.18〉 Deformation of the transmission tower under wind loading. 102

〈Figure 4.19〉 Top displacement responses in X direction under wind loading. 104

〈Figure 4.20〉 Top displacement responses in Y direction under wind loading. 105

〈Figure 4.21〉 Compression force time history of the leg at the bottom of the tower under wind loading. 106

〈Figure 4.22〉 Displacement responses for various wind directions. 107

〈Figure 4.23〉 Member force responses for various wind directions. 107

〈Figure 4.24〉 Analytical model for the FRM without toggle system. 109

〈Figure 4.25〉 Analytical model for the FRM with toggle system. 110

〈Figure 4.26〉 General link properties for effective stiffness. 111

〈Figure 4.27〉 Nonlinear properties for frictional hysteresis. 111

〈Figure 4.28〉 Application of harmonic excitation. 112

〈Figure 4.29〉 Time history of top displacement response for various slip-load ratio. 113

〈Figure 4.30〉 Time history of member force of the bottom leg for various slip-load ratio. 113

〈Figure 4.31〉 Maximum displacement in X and Y direction for various slip-load ratio. 114

〈Figure 4.32〉 Axial force of the bottom leg and support reactions for various slip-load ratio. 114

〈Figure 4.33〉 Installation locations of FRMs. 116

〈Figure 4.34〉 Prototype of the FRM with toggle system. 118

 태풍과 같은 풍하중에 의한 국가 인프라 시설의 파괴는 인명피해 뿐만 아니라 정전 및 송전체계 마비로 인한 경제적 손실을 발생 시킨다. 주요 전력 운송 수단인 송전철탑은 산악 및 해안지역 등 풍하중의 영향을 크게 받는 곳에 위치하며 노후화된 것이 많아 붕괴의 위험성이 크기 때문에 보강이 필요하다. 그러나 송전철탑은 세장한 트러스 형식의 구조물이므로 종래에 건물 및 교량을 대상으로 개발, 적용되던 것과는 다른 보강기법이 요구된다. 풍하중에는 동적성분이 포함되어 있으며 동적응답은 감쇠를 통해 저감시킬 수 있기 때문에 정적보강과 함께 에너지소산능력을 가지는 보강방법은 송전철탑의 내풍성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 태풍 등의 풍하중에 대하여 송전철탑의 부재 손상 및 붕괴를 방지하기 위해 보강효과가 우수하고 설치가 용이하며 경제적인 마찰형 보강기구를 개발하는 것을 목표로 한다.

1) 풍하중에 대한 기존 송전철탑의 좌굴 및 구조적 안정성을 평가하기 위해서 축소부분구조 실험을 수행하였다. 원 송전철탑에 작용하는 중력 및 풍하중을 재현하기 위해서, 1/2크기의 상사법칙을 적용한 축소모델의 상부에 설치된 삼각형태의 지그를 이용하여 가력하는 방법을 고안하였다. 설계하중에 대한 실험체의 안정성을 평가하기 위해서 예비수치해석을 수행한 결과, 계산된 주주재의 축력은 허용좌굴하중의 80~90% 사이에 분포하고 있음을 확인하였다. 하중-변위 곡선, 변위, 부재별 변형률을 검토한 결과, 이러한 국부좌굴의 발생은 동일한 단면내에서도 휨모멘트로 인해 항복응력에 도달하는 시간이 위치별로 다르기 때문에 변형의 불균형에 의해서 발생한 부가적인 편심에 기인한 것으로 판단된다.

2) 강성보강과 에너지소산을 통한 보강방법으로 송전철탑의 주주재의 휨변형을 이용한 마찰형 보강기구를 제안하였다. 1/2 축소 부분구조 실험을 통하여 송전철탑에 설치된 마찰형 보강기구의 이력거동 특성을 분석하였다. 첫 번째로 마찰형 보강기구에 사용되는 마찰재의 종류에 따른 마찰력 변화와 내구성을 검토하기 위해 반복가력 실험을 수행하였다. 두 번째로 2차원 1/2 축소 부분구조를 대상으로 반복가력 실험을 수행하였다. 실험 결과 마찰형 보강기구는 볼트 조임력을 통하여 쉽게 최대 마찰력을 조절할 수 있었으며 안정적인 이력거동을 나타냈다. 볼트 조임력의 증가에 따른 마찰형 보강기구의 에너지 소산량을 분석한 결과 설계하중에 따라 최적의 조임력이 존재함을 확인 하였다.

3) 풍동실험에 의해 얻어진 시간이력 풍하중을 적용하여 마찰형 보강기구의 송전철탑 풍응답 저감 효과를 해석적으로 검토하였다. 수치해석 결과로부터 마찰형 보강기구 설치 시 구조물의 변형과 주주재의 부재력, 기초에 전달되는 하중을 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 마찰형 보강기구의 최적 항복하중은 기존의 최하단 주주재가 부담했던 하중의 5~10%인 것으로 확인 되었다. 마찰형 보강기구의 변위를 최대화하기 위해 토글 시스템을 적용하였으며 그 결과 최상층 변위와 주주재의 부재력을 효과적으로 감소시키는 것으로 확인되었다.