1. 서 론
2. 전체 송전철탑의 Pushover 해석
2.1 해석 대상
2.2 해석모델 작성
2.3 하중 및 경계조건
2.4 해석 결과
3. 부분축소모형의 설계 및 검증
3.1 상사율 및 모형 개요
3.2 부분축소모형의 예비해석을 통한 검증
4. 부분축소모형 실험 및 검증
4.1 실험 개요 및 방법
4.2 실험 결과 및 분석
4.3 해석과 실험의 비교 및 검증
5. 결 론
1. 서 론
원자력 발전소의 전력 인입선로는 주로 154kV 및 345kV급 송전철탑을 통해 구성되며, 이들은 원전의 안정적 운영을 위한 핵심 기반 설비이다. 송전철탑은 일반적인 설계 기준에서 풍하중이 지진하중보다 지배적인 구조물로 평가되지만, 최근 기후변화로 인한 태풍 및 강풍의 강도 증가는 기존 설계 기준을 초과하는 극한 자연재해 상황에서 내풍 성능을 확보하는 것이 중요한 과제로 부각되고 있다. 실제로 1987년 고리원전 인근 송전철탑 도괴로 원전이 자동정지한 사례가 있었으며, 2003년 태풍 매미 당시에는 전국적으로 10기의 송전철탑이 파손된 바 있다.
원전 부지 내 또는 인접 지역에서 송전철탑이 전도될 경우, 외부 전원 공급이 차단될 뿐 아니라 비상디젤발전기 차량의 이동 경로까지 차단되어 원전의 비상전원 공급에 심각한 영향을 초래할 수 있다. 따라서 송전철탑은 원자력 발전소의 안전성 확보 차원에서 반드시 고려해야 할 극한 자연재해 시 취약 설비로 인식되고 있다.
기존 송전철탑의 내풍성능 연구는 주로 정면풍을 대상으로 한 해석 및 실험이 수행되어 왔다(Kim et al., 2010; Moon and Min, 2007). 그러나 최근 연구에 따르면 송전철탑은 정면풍보다 정면 대비 45° 풍향에서 가장 불리한 거동을 보이는 것으로 보고되었다(Vu et al., 2025). 이에 본 연구에서는 기존 연구와 달리 45° 풍향 조건을 적용한 실험을 수행하여 극한 자연재해 조건에서의 내풍성능을 검토하였다.
따라서 본 연구는 154kV 송전철탑을 대상으로 보강 방안을 적용하기에 앞서 기존 송전철탑의 내풍성능을 Pushover 해석과 부분축소모형 실험을 통해 검토하고, 이를 바탕으로 보강의 필요성을 판단하는 것을 목적으로 한다.
2. 전체 송전철탑의 Pushover 해석
2.1 해석 대상
송전철탑은 사용 목적에 따라 직선･각도･보강･인류 철탑으로 구분되며, 송전선로의 수평각도가 작은 구간에 설치되는 직선철탑이 가장 일반적으로 사용된다. 이에 본 연구의 대상 구조물로 154kV A2형 직선철탑(앵글형)을 선정하였다. 해당 철탑의 주요 제원은 총 높이 35.3m, 하부 폭 5.6m이다. 강재의 재질은 주주재 SS540, 기타 부재 SS400이다.
송전철탑은 격자형 구조 특성상 좌굴 거동에 취약할 수 있으며, 특히 극한 풍하중 조건에서 구조적 안정성이 문제가 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 송전철탑의 전체모델을 대상으로 Pushover 해석을 수행하고, 극한 풍속에 해당하는 풍향별 취약 부재의 위치를 검토하였다.
2.2 해석모델 작성
수치해석은 범용 유한요소해석 프로그램 ABAQUS(Dassault Systèmes, 2024)로 수행하였다. 선행연구(Vu et al., 2025)를 참조하여 모든 철탑 부재는 2절점 선형 보요소(B31)로 모델링하고, 횡전단 변형의 선형 탄성 거동을 허용하였다. 단면은 L형으로 설정하여 실제 부재 형상과 일치시키며, 요소 크기는 선행연구(Vu et al., 2025)의 권고에 따라 적용하였다.
재료 구성모델은 탄성-소성(bilinear)으로 가정하였다. 구체적으로 항복이 시작되는 시점의 항복강도를 첫 기준점으로 소성변형률이 20%에 도달할 때의 응력을 두 번째 기준점으로 하여 그 사이를 직선 경화로 정의하였다. 본 연구에서는 이 원칙에 따라 항복강도 245MPa, 극한강도 400MPa을 적용하여 주요 부재의 인장･압축 거동을 모사하였다(Fig. 1).
전체 구조물에 대해서는 고유치 좌굴 해석으로 1차 좌굴모드를 산정한 뒤, 이를 기준으로 기하비선형 효과를 고려하여 비선형 정적(Pushover) 해석을 수행하였다(Vu, 2024).
2.3 하중 및 경계조건
풍하중 산정은 ASCE74(Frank, 2020)의 계산 절차를 참고하였으며, 풍하중의 산정식은 IEC 60826(IEC, 2017)을 근거로 하여 다음의 식 (1)을 이용해 산정하였다.
여기서, 는 설계속도압( or )이고, 𝜃는 수평 풍향각, 는 수풍면적, 는 항력계수, 는 풍하중 조합계수이다. 아래첨자 1, 2는 수풍면에 대한 첨자를 나타낸다.
하중은 전선 및 구조물에 작용하는 풍하중을 등가 수평하중으로 수풍면의 절점에 재하하였다. 경계조건은 실제 지반 고정 조건을 반영하였다. 기존 연구에서는 주로 정면풍 조건에 대한 해석 및 실험이 수행되어 왔으나, 본 연구에서는 수치해석 결과 가장 취약한 것으로 확인된 정면 대비 45° 방향의 풍향을 고려하였다. 또한 전체 구조물에 대해 고유치 좌굴 해석을 수행하여 1차 좌굴 모드를 산정한 후, 이를 기반으로 Pushover 해석을 수행하였다. 하중 및 경계조건이 적용된 전체 송전철탑 FEM 모델은 Fig. 2와 같다.
2.4 해석 결과
Pushover 해석 결과, 송전철탑의 하중-변위 곡선이 도출되었으며, 이를 통해 항복하중과 항복변위를 산정할 수 있었다. 분석 결과, 취약 부재는 주로 압축과 인장을 받는 주주재에서 나타났으며, 특히 45° 풍향에서 구조적 취약성이 두드러졌다. 또한, 좌굴 해석과의 비교를 통해 Pushover 해석의 결과가 구조적 안정성 평가에 유효함을 확인하였다. 이러한 해석 결과는 이후 부분축소모형 설계 및 실험계획 수립의 기초자료로 활용되었다. Pushover 해석을 통해 산정한 전체 송전철탑 최상부의 하중-변위 곡선은 Fig. 3과 같다. 이 그림은 강풍에 대한 취약도평가 분석을 위한 힘-변위 곡선으로서, LHS(Latin Hypercube Sampling) 기법을 적용하였다. 통계 값은 재료의 물성값, 항복강도, 극한강도, 단면 치수에 대해 정의하였으며, 샘플링의 개수는 30개이다. 기준 풍속은 30m/s, 층간 변형각(drift ratio)은 선행연구(Hernandez et al., 2016 ; Vu et al., 2023)를 참고하여 1.5%로 가정하였다.
ABAQUS를 이용한 Pushover 해석에서 항복강도와 좌굴강도를 동시에 고려하였으며, LHS 시뮬레이션을 통해 30개의 샘플링으로 취약도 평가를 수행하였다. 해석 결과, 최하부 절간에서 압축과 인장을 받는 주주재의 항복강도가 지배적인 것으로 나타났으며, SS400의 항복강도(245MPa)를 초과하는 부재를 취약부재로 선정하였다. 또한 송전철탑의 좌굴･항복강도를 초과하는 취약부재는 하부 주주재로 확인되었으며, 30개 샘플 중 대표성을 갖는 결과를 Fig. 4에 제시하였다.
3. 부분축소모형의 설계 및 검증
3.1 상사율 및 모형 개요
실제 규모 송전철탑을 대상으로 실외 실험을 수행하기 위해 상당한 비용이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 취약부재가 집중된 하부 2단을 대상으로 부분축소모형을 제작하였다. 모형 설계는 기하 유사(길이 상사율 λ = 1/2)와 응력 유사(동일 재료군 가정)를 원칙으로 하였다. 다만, 실제 송전철탑의 주주재는 SS540(기타 부재 SS400)을 사용하나, SS540은 송전철탑 전용 강재로 자재 수급이 어려워 축소모형의 주주재로 SS400을 적용하였다. 이때 SS400 적용에 따른 항복강도 저하는 단면 확대를 통해 등가 항복하중이 되도록 보정하였다. 또한 탄성계수(E)는 동일 재료군으로 간주하여 탄성 구간 거동은 원형과 유사하게 유지하였다. 길이 상사율 1/2에서의 물리량 스케일은 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Scaling relations for key physical quantities (λ = 1/2; same material; stress similarity)
| Quantity | Dimension | Scale factor |
| Length | L | 1/2 |
| Area | L2 | 1/4 |
| Second moment of area | L4 | 1/16 |
| Load (Force) | F | 1/4 |
| Bending moment | F･L | 1/8 |
길이 상사율 1/2을 적용한 부분축소모형의 높이는 약 3.8m, 폭은 2.9m이며, 상부 지그는 높이 2.5m, 폭 2.5m로 설계･제작하였다. 전체모델과 부분축소모형의 주요 단면 제원 및 단면적 상사비는 Table 2에 정리하였고, 부분축소모형의 상세는 Fig. 5에 제시하였다.
Table 2.
Sectional properties of the full-scale and scaled models (area similarity ratio shown, Target: 1/4)
3.2 부분축소모형의 예비해석을 통한 검증
부분축소모형이 전체 송전철탑을 적절히 모사하는지를 확인하기 위해 Pushover 해석을 수행하였다. 이때 전체모델 해석에서 도출된 부분축소모형 상부의 휨모멘트와 전단력을 상사법칙에 따라 환산하여 재하하였다. 예비 해석을 통해 부분축소모형의 하중-변위 곡선을 도출하고, 주요 취약부의 거동을 검토하였다. 그 결과, 전체모델에서 확인된 취약부와 유사한 위치에서 비선형 거동이 발생함을 확인하였다(Fig. 6). 이는 부분축소모형이 실제 철탑의 구조적 특성을 반영하고 있음을 보여준다.
부분축소모형의 적정성을 정량적으로 검토하기 위해 전체 송전철탑 해석 결과와 부분축소모형 해석 결과를 비교하였다. 상사법칙에 따라 하중은 1/4, 변위는 1/2 계수를 적용하여 두 모델의 하중-변위 곡선을 비교한 결과, 항복하중과 항복변위에서 약 3% 이내의 오차가 나타났다(Fig. 7). 이러한 결과는 부분축소모형이 전체 송전철탑의 구조적 거동을 충분히 재현할 수 있음을 의미한다. 따라서 본 모형은 이후 실증실험에 적용 가능한 것으로 판단된다.
4. 부분축소모형 실험 및 검증
4.1 실험 개요 및 방법
본 연구에서는 154kV A2형 직선철탑을 대상으로, 길이 차원에서 상사율 1/2을 적용한 부분축소모형 2기를 제작하였다. 부분축소모형-1은 볼트 체결력이 제작업체로부터 납품받은 상태의 일반적인 지압이음 조건이며, 부분축소모형-2는 체결력을 증대시켜 마찰이음으로 작용하도록 하였다. 본 연구의 해석 결과, 철탑 구조는 정면풍보다 45° 풍향에서 더 취약한 거동을 보이는 것으로 나타났으므로, 정면 대비 45° 방향의 풍향을 주요 하중 조건으로 설정하였다.
실험은 부산대학교 지진방재연구센터에서 수행하였다. 부분축소모형은 강체 기초에 고정하였고, 풍하중은 두 대의 가력기를 이용하여 전체모델 해석에서 도출한 목표 전단력과 휨모멘트를 상사법칙(λ = 1/2)에 따라 환산･재하하였다(Fig. 8). 시험 여건상 수평 방향의 2가력만 가능하여 상부의 수직방향 고정하중은 재하하지 않았다. 한편, 송전철탑 전체모델의 수치해석으로 상부 고정하중(자중) 미재하의 영향을 검토한 결과, 취약부재인 하부 주주재에서 고정하중으로 발생하는 축응력은 휨모멘트로 인한 축응력의 약 2.1%에 불과하여 풍하중 지배 거동 평가에 미치는 영향은 제한적인 것으로 확인되었다. 따라서 실험에서는 두 가력기로 목표 전단력과 휨모멘트를 재현하여 풍하중 지배 조건을 모사하였다.
부분축소모형과 가력기 설치 모습은 Fig. 9, 변위계와 변형률계는 Fig. 10에 나타내었다. 계측 항목은 가력기 하중, 철탑 높이별 변위(5개소), 주요 부재 변형률(28개소)이다.
4.2 실험 결과 및 분석
두 개의 부분축소모형을 대상으로 실험을 수행한 결과, 상･하부 가력기와 철탑 최상단 변위계에서 측정된 힘-변위 곡선은 Fig. 11과 같다. 초기 구간에서는 선형 거동을 보였으나, 일정 하중을 초과하면 기울기가 완만해지면서 비선형 거동을 나타냈다. 이러한 거동은 부재의 항복에 기인한 것으로 판단된다. 두 모형 간에는 항복변위의 차이가 크게 나타났는데, 이는 모형-1의 경우 지압이음으로 작용하여 볼트홀에서 슬립이 발생한 반면, 모형-2는 볼트 체결력이 향상되어 마찰이음으로 작용하면서 볼트홀에서 슬립이 감소했기 때문으로 판단된다. 그러나 두 모형 간의 항복강도는 큰 차이를 보이지 않았다.
주요 부재에서 발생하는 응력을 분석하였다. Fig. 12는 2단 하부 주주재의 모멘트-축응력 곡선을 나타낸 것이다. 두 모형의 결과는 전반적으로 유사하며, 모멘트 증가에 따라 주주재 1번은 압축, 4번은 인장응력이 선형적으로 증가해 항복강도를 초과하였다. 두 부재의 거동은 대칭적으로 나타났고, 주주재 2번과 3번은 중립축 부근에 위치하여 축응력이 거의 발생하지 않았다.
Fig. 13은 2단 하부 주주재의 모멘트-축응력 곡선을 나타낸 것이다. 결과는 상부 주주재(Fig. 12)와 유사하며, 모멘트 증가에 따라 주주재 1번은 압축, 4번은 인장응력이 증가해 항복강도에 도달하거나 이를 초과하였다. 주주재 2번과 3번은 중립축에 가까워 축응력이 미소하였다. 기울기와 항복 발생 순서는 상･하부 및 모형 간 모두 큰 차이가 없었다.
Fig. 14는 2단 상부 사재의 모멘트–축응력 곡선을 나타낸 것이다. 두 모형은 전반적으로 유사하며, 주주재 항복 전까지 사재 축응력 변화는 거의 없었다. 지압이음인 모형-1은 볼트홀 슬립으로 부재 위치별 편차가 나타났으나, 마찰이음인 모형-2는 응력이 거의 동일하였다. 주주재 항복 이후에는 사재 축응력이 점진적으로 증가하며 하중 재분배가 발생한 것으로 보인다.
볼트 체결력을 달리한 두 개의 부분축소모형 실험을 통해 주주재의 모멘트-축응력 곡선을 검토한 결과, 주주재가 항복강도에 도달했음을 확인하였다. 사재는 축응력이 작게 발생하였으며, 주주재가 항복강도를 초과해 항복변위가 증가함에 따라 사재의 축응력으로 하중이 재분배되는 양상을 확인하였다. 그러나 가력기의 용량 한계로 인해 현저한 파괴 양상이 나타날 때까지의 실험은 수행하지 못하였다.
4.3 해석과 실험의 비교 및 검증
부분축소모형의 Pushover 해석 결과를 실험과 비교･검증하였다. Fig. 15는 해석과 실험을 통해 산정한 상･하부 가력기 및 철탑 최상단 변위계의 힘–변위 곡선을 나타낸 것이다. 지압이음인 모형-1은 실험에서 항복변위가 해석보다 크게, 항복하중은 다소 낮게 나타났다. 반면 마찰이음으로 작용한 모형-2는 항복변위와 항복하중이 해석과 실험 간 거의 일치하였다. 다만 두 모형 모두 항복 이후 비선형 구간에서는 해석과 실험 간 차이가 일부 발생하였다.
해석 결과와 두 모형의 실험 결과에서 산정된 항복변위와 항복하중을 Table 3에 비교하였다. 모형-1은 해석 대비 항복변위에서 최대 46.6%, 항복하중에서 최대 9.5%의 오차를 보였다. 반면 모형-2는 항복변위에서 최대 2.0%, 항복하중에서 최대 4.7%의 오차를 보여 해석과 실험이 잘 일치하였다. 또한 모형-2의 항복변위는 모형-1에 비해 상부 가력기 기준 32%, 하부 가력기 기준 27% 감소하였다. 항복하중은 상부 가력기 기준 4% 증가, 하부 가력기 기준 4% 감소하여, 볼트 체결력 증가에도 큰 차이는 없었다. 한편 Pushover 해석에서 층간 변형각(drift ratio) 1.5%에 해당하는 항복하중은 두 모형 모두와 유사하게 나타났다.
Table 3.
Comparison of yield displacement and yield load between analysis and test results
수치해석에서 지압이음의 볼트홀 슬립을 직접 고려하기는 매우 어렵다. 따라서 지압이음을 적용한 철골구조물에 풍하중을 정적 하중으로 재하할 경우, 변위를 정확히 예측하기는 어렵지만 항복하중은 비교적 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. 한편 지진해석과 같은 동적 해석에서는 지압이음과 마찰이음의 감쇠비가 상이하다. 특히 지압이음에서 발생하는 슬립은 감쇠를 증대시켜 마찰이음보다 더 큰 감쇠비를 보인다. 미국 원자력규제위원회(U.S. NRC)의 내진설계 기준(RG 1.61)에 따르면, 붕괴방지수준(SSE)에서의 감쇠비는 마찰이음의 경우 4%, 지압이음은 7%로 규정되어 있다(U.S. NRC, 2007). 이러한 감쇠 증가는 변위를 포함한 지진응답을 감소시키므로, 단순히 정적 해석과 실험에서 변위가 일치한다는 이유만으로 마찰이음이 더 유리하다고 단정하기는 어렵다. 본 연구의 실험은 정적 하중 조건에 국한되어 있으므로 이러한 동적 거동에 대한 검증은 수행하지 못했지만, 이는 향후 중요한 연구 과제가 될 수 있을 것이다.
5. 결 론
본 연구에서는 강풍 취약설비로 선정된 154kV 송전철탑을 대상으로 Pushover 해석과 1/2 부분축소모형 실증실험을 수행하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
1)부분축소모형 및 하중 재하의 적정성: 전체모델과 1/2 부분축소모형의 해석 비교를 통해 모형의 설계･제작의 적정성을 확인하였다. 또한 두 대의 가력기를 이용한 하중 재하 방식으로 실제 풍하중 조건의 모멘트와 전단력을 효과적으로 재현할 수 있음을 검증하였다.
2)Pushover 해석의 정확성: 해석과 실험(체결력 향상 조건)을 비교한 결과, 항복변위와 항복하중의 오차가 각각 2.0%, 4.7% 이내로 나타나 해석의 신뢰성이 검증되었다.
3)볼트 체결 방식의 영향 및 정적･동적 특성: 부분축소모형에서 볼트 체결력을 높여 마찰이음으로 작용시킨 결과, 항복변위는 약 30% 감소했으나 항복하중은 큰 변화가 없었다. 이는 정적 조건에서 마찰이음이 지압이음보다 변위를 줄일 수 있음을 의미한다. 그러나 지진과 같은 동적 조건에서는 지압이음의 감쇠비가 마찰이음보다 더 크게 나타나므로, 마찰이음이 반드시 유리하다고 단정하기는 어렵다.
본 연구는 154kV 송전철탑을 대상으로 극한 풍하중에 대한 Pushover 해석을 수행하고, 길이 차원 1/2 상사율을 적용한 부분축소모형 실험으로 해석 결과의 적정성을 검증하였다. 향후 강풍 시 취약부재인 주주재의 보강 방안을 수립하고, 보강된 부분축소모형의 실증실험을 통해 효과를 검증할 예정이다. 이를 통해 연구 성과를 확장하고, 원전 인근 송전설비의 내풍･내진 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.
