개 요
1. 배경
현대사회의 산업화와 도시화로 대용량의 송전이 요구되는 송전선로가 고전압화, 다도체화가 되고, 장경간의 송전선로가 출현되어 철탑 상재하중이 급격히 증가되고 민원 등으로 인해 도심지보다는 험준한 산악지를 통과하게 되어 급경사지에 위치하는 대형 철탑기초의 설치 빈도가 높아지고 있다. 이러한 상황에 적합한 철탑기초가 심형기초이다. 송전선의 대형화에 따라 기초공사에 있어 작업환경의 개선, 비용절감, 공기단축, 안전성 향상은 중요한 과제이다.
국․내외에서 송전용 지지물에 발생한 변형 및 이상․장해는 주로 상부의 부재가 파괴된 경우가 대부분으로 현재의 기초설계방법이 충분히 안정된 것으로 판단되나 이것이 합리적이며 경제적인 상태인지 여부를 정확하게 판단하기는 곤란하다. 따라서 향후 기초내력을 검토하는 데 있어서 불확실성이 높은 지반에 대한 설계방법, 지지력 및 변위량의 산정방법 등을 검토하여 최적의 안전율을 설정하는 것이 필요하다. 또한 현재 기초 설계에서 사용하고 있는 허용응력설계법과 강도설계법은 전 세계적으로 그 사용 추세가 감소되고 있다. 따라서 국내에서도 한계상태설계법 신뢰성기반의 LRFD으로의 전환이 요구된다.
2. 목적
본 용역에서는 허용응력설계법과 강도설계법에 기반을 둔 설계기준을 설계변수와 관련된 불확실성들을 합리적인 신뢰성이론 체계로 정량화하여 해석할 수 있는 신뢰성해석에 기반을 두고 있는 하중저항계수설계법을 적용하여 심형기초의 안전성 확보 및 경제적 설계를 추구하며 기 구축한 심형기초 TL-Deep(LRFD) 프로그램과 연동하여 추가적인 안정검토, 철근 및 공사 수량산출, 도면출력 등의 추가 기능 개발을 통해 프로그램을 고도화하기 위함이다.
3. 범위
3.1 안정검토(수평지지, 수평변위) 모듈 개발
- 탄성지반상의 보로 모델링하여 설계하중에 대한 수평지지 및 변위에 대한 안정성 검토
- 각 절점별 토괴중량에 따른 극한수평지지력 산출
- 탄소성설계법을 적용한 절점별 변위, 회전각, 모멘트, 전단력 산출
- 소성화 깊이 조건 및 지지력, 변위 검토
- 탄성지반상의 보로 모델링하여 설계하중에 대한 수평지지 및 변위에 대한 안정성 검토
3.2 구조검토 모듈 개발
- 산출된 기초체 규격에 대한 적정 철근 수량 및 배치, 주각재의 구조검토
- 기초체의 구조적 안정성을 확보하는 적정 철근량과 배치 및 주각재의 제원 산출
- 주체부, 구체부의 지배하중별 철근량 및 배치 산출
- 띠철근 직경, 배근여부 산출
- 주각재 정착길이, 지압판 제원 산출
- 한계상태설계법에 따른 기초체 구조 안정성 검토
- 산출된 기초체 규격에 대한 적정 철근 수량 및 배치, 주각재의 구조검토
3.3 수량산출 모듈 개발
- 설계공사비 산정을 위한 공사 물량 및 기타 수량산출
- 자재 및 전체 공사 물량 산출
- 기초수량 및 기타 부대공사 수량 산출
- 설계공사비 산정을 위한 공사 물량 및 기타 수량산출
3.4 결과출력
- 안정계산, 구조계산, 수량산출의 결과를 파일형식으로 출력
- 기초규격, 안정계산, 주요철근 수량 및 정보 팝업 출력
- 안정계산 결과 엑셀 출력
- 주체부, 구체부 철근량, 주각재 구조계산결과 엑셀 출력
- 주각재 및 철근 배치 데이터 처리 및 관리
- 구체부 단면도, 주체부 단면도, 철근집계표 CAD 도면 출력
- 안정계산, 구조계산, 수량산출의 결과를 파일형식으로 출력
4. 기대효과
본 프로그램 개발을 통해 다음과 같은 기대효과를 달성하는 것을 목표로 한다.
- 안정계산에 있어 신뢰성 기반 한계상태설계법 적용으로 심형기초의 안정성 확보 및 경제적 설계
- 기 구축한 심형기초 TL-Deep(LRFD) 프로그램과 연동하여 추가적인 안정검토, 철근 및 공사 수량산출, 도면출력 등의 추가 기능 개발을 통해 프로그램을 고도화
심형기초 LRFD 설계 프로그램
1. 안정계산 검토 모듈
송전철탑 심형기초에서는 수평지지력 해석의 편리성을 위하여 수평방향 안정도 조사에 대해서는 지반의 소성화를 고려한 탄소성 설계법(복합지반 반력법)에 의하여 탄성지반상의 보로 모델링하여 설계하중을 가하여 발생되는 소성화 깊이와 최대 소성화 깊이를 비교하여 안정성을 판단한다. 또한 송전철탑 심형기초의 수평변위는 탄성지반상의 보로 모델링하여 설계하중을 가하여 발생되는 변위에 대하여 검토한다.
2. 구조계산 검토 모듈
송전철탑 심형기초는 안정계산을 통해 산출된 기초체에 규격에 대하여 구조적 안전성을 확보하는 철근 및 주각재의 제원 및 수량, 배치를 검토한다.
2.1 주체부 철근
주체부는 상부구조로부터 전달되는 축력 및 수평력을 받는 캔틸레버보로써 가정하여 설계하고 설계단면은 기둥부 하단부를 원칙으로 한다.
휨에 대한 검토는 철근을 일렬로 배치하고 주각재도 구조재료로서 고려하여 설계한다. 부재에 작용하는 하중은 압축력과 휨모멘트, 인장력과 휨모멘트를 동시에 받는 것으로 설계한다.
단면내의 변형분포를 전단면에 걸쳐 평면유지의 법칙이 성립하도록 하여, 주각재와 콘크리트가 일체로 작용하여 외력에 저항한다.
전단력은 철근콘크리트 단면이 받는 것으로 설계한다. 그러나 인장력이 커지고 콘크리트 균열면에 있어서의 전단저항력이 감소하는 것을 고려하여 전단력은 모두 띠철근이 부담하도록 설계한다.
2.2 구체부 철근
구체부는 휨모멘트, 전단력 및 축력을 받는 철근콘크리트 단면으로 보고 설계한다. 구체부 주철근은 구체에 발생하는 휨모멘트, 전단력 및 축력에 대해 산정하고, 이것의 최대 철근량을 일정하게 배치한다. 응력검토 시는 압축 시와 인장 시로 나누어 검토한다.
2.3 주각재 계산
지압판 정착의 적용범위는 대형 송전용철탑(강관철탑)에서 지압판방식에 의해 정착된 심형기초의 설계에 적용한다.
3. 수량산출 모듈
심형기초 설계공사비 산정을 위한 공사 물량 및 기타수량을 산출하기 위해서는 구조계산 검토 결과에서 산출된 주체부 및 구체부의 철근, 주각재의 제원 등을 이용한다.
제안사는 기 개발된 TL-Deep(LRFD)에 적용된 수량산출 Excel Sheet를 기준으로 하여 JXL API(Java Excel API) 라이브러리를 사용하여 산출된 결과를 수량산출 Excel Sheet에 입력하여 수량산출을 수행한다.
4. 결과출력
4.1 검토결과 팝업 출력
입력결과, 안정계산, 구조계산을 수행한 결과를 팝업 화면으로 결과를 출력시킨다.
4.2 엑셀파일 출력
안정계산, 구조계산, 수량산출의 결과를 엑셀파일 출력을 위해서 JXL API(Java Excel API) 라이브러리를 사용하며 JXL API를 이용하여 사전에 작성한 출력 Template를 사용하여 계산 결과를 엑셀시트의 사용자가 지정한 위치에 결과값을 출력할 수 있도록 개발한다. 또한 사용자가 출력 Template의 양식을 수정하여야 하는 경우가 발생할 때 이를 반영할 수 있도록 한다.
4.3 도면출력
CAD 도면형식 출력을 위해서는 JDXF 라이브러리를 사용하여 기존 TL-Deep 프로그램에서 제공된 도면 Template(구체부 단면도, 주체부 단면도 및 철근 집계표)를 이용하여 데이터입력 및 기본 작업으로 기초의 규격 등을 입력하고 해석을 수행한 후 주각재의 제원 및 주체부/구체부의 배근량을 계산한 후 이 결과값을 CAD 도면을 제어하여 재 생성한다.
