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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.16 No.6 pp.45-55
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2012.16.6.045

구조안전성 기반의 가로등주 설계개선방안

정 수 형1)*, 심 재 수2), 최 현 규3)
1) 정회원, 한국시설안전공단 부장, 공학박사
2) 정회원, 경희대학교 토목공학과 정교수
3) 정회원, 한국시설안전공단 사원

On the Improvement for Design Methods of Luminaire Supports Based on the Structural Safety

Soo Hyung Jung1)*, Shim Jae Soo2), Choi Hyun Gyu3)

Received : 07/10/2012 Revised : 09/14/2012 Accepted : 09/18/2012

Abstract

The road luminaires have been treated as subsidiary electric apparatuses in the road although they are indispensablefacilities which people use the road safely. Because of this misunderstanding, there are not many researches on luminairesupports against the wind loads. Therefore, a typhoon has overturned or damaged many luminaire supports without havingsufficient structural safeties. The purpose of this study is to review the current design criteria and to suggest theimprovement of design methods based on the structural safety and compatible with the site conditions of luminairesupports. The stress concentration around the inspection hole, which causes the collapse of luminaire supports, isanalyzed and stress reduction method is suggested with the improved design methods.

논문06_12-066_정수형-구조안전성_기반의.pdf1.79MB

1. 머리말

 가로등은 도로 이용자가 안전하게 통행하기 위한 도로의 필수 시설물이다. 그러나 가로등은 도로의 부대시설로 취급되어 풍하중이나 이에 대한 구조거동에 대한 연구를 소홀히 해 온 것도 사실이다. ’03년 태풍 매미(최대순간 풍속 60m/s)의 경우 전국에서 367개의 가로등이 파손되었으며, 536개의 도로표지 지주가 전도된 것으로 보고된 바 있다. 또한 ’09년 제주도 아라동지역 순간최대풍속 34.4m/s에 의해 단지 내 신규 가로등주 51기가 전도 또는 변형되었으며, 해상교량에 설치된 지 10년이 경과한 가로등이 19m/s의 순간최대풍속에 갑자기 전도되는 등태풍 내습 외에 일반 강풍에서도 전도되어 2차 사고의 위험성을 항시 가지고 있게 된다. 따라서 2000년 프라피룬 58.3m/s, ’02년 루사 56.7m/s, ’04 매기 46.1m/s, ’05년 나비 47.3m/s, ’07년 나리 52.4m/s, ’10년 곰파스 52.4m/s의 내습 시에도 가로등의 파손, 전도는 반복되었지만 매번 긴급복구로 끝나고 근본적인 해결책을 제시하지는 못하고 있다.

 가로등주는 도로표지판과 달리 조명의 전원을 안정적으로 공급하기 위하여 바닥에서 일정 높이에 점검구를 통해 안정기를 내부에 설치하게 되며, 점검구 모서리부에서는 급격한 단면 손실(약 1/6)로 인해 응력집중이 발생하여 Photo 1과 같이 점검구를 중심으로 항상 좌굴 파괴가 일어난다.

Photo 1 Failure cases of luminaire support

 도로표지판의 경우에는 풍해의 심각성을 인식하여 ’05년 “도로표지의 구조안전성 확보를 위한 설계개선방안(8)”연구를 통해 ’06년 「도로표지관련규정집」을 개정한 반면 가로등에 대한 설계기준은 아직 전무한 상태이며, 최근에는 부식이 없고 미관이 좋은 스테인리스 스틸 가로등을 안전성 검토 없이 무분별하게 설치하여 붕괴가 자주 발생하고 있는 실정이다.

 이러한 가로등의 풍해 원인은 1985년 일본조명기구공업회 표준(JIL1001)을 기초로 KS기준을 정함에 따라 실제 발생 가능한 풍하중에 충분한 안전성을 확보하지 못하는 데에 기인한 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구에서는 가로등 관련 KS기준의 적정성, 풍하중 적용기준, 가로등 제원 및 규격의 적정성 등 가로등 안전성을 기반으로 설계개선방안을 검토 제시하고자 한다.

2. 현행 가로등주 관련 KS기준 및 문제점

’03년 태풍 매미는 주로 강우, 강풍 및 해일을 동반한 태풍으로 항만 컨테이너 크레인, 송전철탑, 간판, 표지판, 건축물, 통신시설, 배전 및 송변전시설, 방파제, 비닐하우스 및 각종 민간시설 등 총 4조 8000억원의 재산피해를 발생시켰으며. 주로 높거나 수압 면적이 커서 강풍에 취약한 시설물을 파손시킨 것으로 유명하다. 도로표지판과 가로등도 강풍에 취약하여 전국에서 파손 또는 전도되어 2차 사고를 일으키기도 하였다. 그러나 도로표지판의 경우에는 소방방재청의 “내풍설계기준 설정 및 운영에 관한 연구(12)”에서 풍하중이 과소하게 적용된 결과를 제시함에 따라 국토해양부 주관으로 ’06년 도로표지관련규정집을 개정하여 합리적인 풍하중 산정기준과 표지판 설계지침서를 제시함으로써 실무자가 설계에 유용하게 사용하게 되었다. 반면 가로등의 안전성에 대해서는 명확한 주관부처가 없는 상태로서 기 수행한 연구결과나 기술적인 설계기준이 전무하여 기 고시된 KS기준에서 제시하는 도면대로 가로등을 설치하고 있는 실정이다. 그러나 철재가로등주에 관한 기준인 「KS D 3600」의 내용은 풍하중을 지지하는 구조물로서가 아니라 전기시설 위주의 규정으로서 설계풍하중이나 재료 및 단면제원 등을 구조안전성에 근거하여 규정하고 있지 않다. 구조설계에 관한 「KS D 3600」의 주요 내용은 다음과 같다. 

- 표준 적용 재료 종류 : SS 400, STK 400
- 재료의 두께는 공칭 3.2mm 이상, 가로등주에 걸리는 하중은 최대순간풍속 60m/s의 풍압력으로 하며, 가로 단면의 모양에 따라 원형 가로등주 478.7N/m2(48.8kgf/cm2) 이상, 8각형 가로등주 598.4N/m2(61.0kgf/cm2) 이상, 4각형 가로등주 885.8N/m2(90.3kgf/cm2) 이상
- 가로등주 풍력 계수 0.7, 등기구(메탈할라이드등) 풍력 계수 0.8 및 풍압면적 0.28m2
- 가로등 기구 내의 안정기 내장 가능(1988년), 안정기 부착구 높이를 600mm이상(2001년)

 사용재료인 SS 400, STK 400은 스테인리스 스틸과 마찬가지로 용접부의 강도기준이 규명되지 않은 재료로서 부재들이 용접연결로 구성된 가로등에 사용하기에는 부적절하며 용접형 강재인 SMA 계열의 용접강재를 사용해야 할 것이다. 안전에 취약한 점검구에는 응력집중이 발생하므로 이에 대한 규격도 새로이 만들어야 하며, 아암(Arm)이 사각단면으로 구성되어 풍력계수(1.3정도)가 크기 때문에 원형단면으로 개량할 필요가 있다.

 일반적으로 가로등의 설계는 풍하중이 지배하기 때문에 설계 풍하중 기준은 명확하고 객관적인 데이터에 근거하여 설계 대상구조물의 가설 지역 및 지형별 풍속 특성을 반영하여야 하며, 태풍이나 급작스럽게 발생하는 돌풍에 대해서도 충분한 안전성이 확보되어야 한다. 그러나 KS기준에는 풍하중에 대해 가로등주에 걸리는 하중은 최대순간풍속 60m/s의 풍압력으로 하며, 가로 단면의 모양에 따라 일정 풍압에 대한 내력을 가져야 한다고 규정해 놓았을 뿐, 적용된 설계풍속이 적절한 재현빈도의 풍속인지 그 근거가 불명확하고, 지역별 풍속 특성과 태풍 및 급작스럽게 발생하는 돌풍의 영향을 고려하지 않고 있으며, 점검구 응력집중의 영향에 대한 기준이 없고 아암(Arm)에 대한 풍력계수를 제시하지 않는 등 교량, 건축물 등 일반구조물 설계기준에 비해 적은 풍하중을 사용하게 되는 반면 낮은 재료강도, 취약단면(점검구)을 가진 가로등을 설치함에 따라 태풍 시에는 불안정하여 파손, 전도가 발생할 가능성이 크게 된다.

3. 가로등주 KS기준의 개선 방안 검토

3.1 설계풍속

3.1.1 기본풍속의 결정

 본 연구에서는 KS기준의 풍하중의 문제점을 개선하기 위하여 Table 1에서 보는 바와 같이 국내외 내풍 설계기준을 비교⋅검토하였다.

Table 1 Comparison of domestic and foreign standards for design wind loads

 기상청에서는 평균풍속으로서 10분간 평균풍속을 이용하고 있다. 이러한 10분간이라고 하는 평균화시간은 주기 10분 정도의 바람이 그 보다 긴 바람 혹은 짧은 주기 바람의 영향을 받기 어렵다는 이유로서, 일반적인 바람의 특성을 표현하는데 있어서 매우 적절한 주기를 갖는 풍속이라 할 수 있다.

 기본풍속(V10)은 위 평균풍속()으로 설계풍속을 결정하는데 있어서 기초가 되는 풍속이며, 구조물 건설지점에 있어서의 고유의 풍속이다. 일반적으로, 구조물의 건설지점 주변에 있는 기상관청의 관측기록에 기초하여 그 지점의 풍속의 재현 기대치를 추정하는 방법으로 기본풍속을 결정하고 있다. 가로등의 내풍 설계 규정을 국내 지역별 풍속 특성이 반영된 합리적인 설계기준으로 개선하기 위하여, 지역별로 명확한 설계풍속을 제시하고 있는 「건축구조 설계기준(KBC2005)」, 「도로교설계기준(한계상태설계법)(MTLM)」, 「가공 송전용 철탑 설계기준(KEPCO)」, 「도로표지관련규정집(MTLM)」의 기본풍속을 비교⋅검토하였다.

 분석 결과, 「AASHTO Standard Specs」는 재현빈도 50년, 노출조건 C인 지상10m에서의 3초 거스트 풍속을 적용하고 있으나, 국내에서는 보편적으로 ‘재현기간 100년, 최대 풍속 비초과 확률 60% 이상에 대응되는 지상 10m에서의 10분간 평균 풍속’을 기본풍속으로 적용하고 있는 것으로 나타났다. 「도로교 설계기준(한계상태설계법)」은 지역별로 5m/s 큰 값을 제시하는 경우가 있으나, 「가공송전용 철탑 설계기준」, 「도로표지관련규정집」, 「건축구조 설계기준」은 비슷한 기본풍속을 제시하고 있고, 「건축구조 설계기준」이 타 기준에 비해 기본풍속을 지역별로 세분화함과 동시에 설계용 기본풍속 분포도를 수록하여 실무자가 편리하게 사용할 수 있게 하였다. 또한, 위 기준이 가로등주의 설계에 환경적⋅지역적으로 더 적합하다고 판단하여 본 연구에서는 「건축구조 설계기준」의 기본풍속 기준을 적용하는 것으로 하였다. 위에 제시된 기본풍속은 각 지역별 위치 특성이 고려된 해당 지역관측소의 장기 풍속 실측값에 근거하여 재현기간 100년에 대해 추정된 풍속 값이며, 설계 시 가설지점 부근의 유효한 관측자료가 존재하는 경우에는 해당 데이터를 기본풍속으로 사용해도 무관할 것이다.

3.1.2 고도 및 노출환경에 따른 보정계수

 풍속은 거듭제곱의 법칙에 따라 수평방향으로 증가하며, 노출환경에 장애물이 많으면 지표 조도가 커져서 대기경계층 시작높이 Zb는 증가하고 연직방향의 풍속에 영향을 미친다. 국내 여러 내풍 설계기준에서는 설계 대상 구조물의 노출환경과 설치 고도에 따른 풍속 변화를 고려하고 있다. 본 연구에서는 국내 기준과 「AASHTO Standard Specs」을 비교⋅검토하였다.

 검토 결과, 고도 및 노출환경에 따른 보정계수는 정성적으로 고도에 따라 증가하는 경향을 보였으나, 정량적으로는 비교적 낮은 고도에서 유사한 반면 고도가 높아질수록 각 기준에 따라 다소 큰 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 「건축구조 설계기준」과 「도로교 설계기준」이 비슷한 값을 보이는 반면 「가공 송전용 철탑 설계기준」과 「AASHTO Standard Specs」은 다소 작은 계수 값을 제시하고 있다. 높이 설치되는 해상교량 가로등주의 높이도 60m를 초과하는 경우는 드물 것이므로 60m이내에서 매우 유사한 비슷한 값을 보여주는 「건축구조 설계기준」과 「도로교 설계기준」이 합리적이라 판단되며, 가로등은 도시, 언덕, 평야지도로, 교량 등 어디에서나 위치할 수 있어서 도심, 개활지, 교량 등에서 고도 및 노출환경에 영향을 많이 받기 때문에 가로등의 안전성과 적용성 측면에서 적합한 「건축구조 설계기준」 Table 2, Table 3의 고도 및 노출환경 보정계수를 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 또한 위 기준은 Table 4의 노풍도 구분에 있어서 「AASHTO Standard Specs」과 유사한 구분을 가지고 있어서 합리적이다.

Table 2 Wind velocity coefficients with height and roughness( )

Table 3 Starting height of atmospheric boundary layer(Zb), standard height of gradient wind (Zg) and wind velocity distribution exponent(α)

Table 4 Categories of various roughness

3.2 거스트(Gust) 영향 계수

 자연풍은 시간과 공간에 따라 풍속이 변화되는 난류이므로 평균값을 구하는 시간범위 내에서 풍속의 최대값을 Vmax라 하면 G= Vmax/로 표현되는 거스트 계수(돌풍률)를 설계에 고려하여야 한다. 일반적으로 난류에 의한 효과를 고려하는 방법으로 거스트 계수(gust coefficient)를 풍속에 반영하거나 거스트 영향 계수(gust effect factor)를 풍하중에 반영하는 방법으로 구분된다. 한국전력공사의 「가공송전용 철탑설계기준」에서는 국내 지역별 풍속 관련 실측 데이터에 근거하여 ‘순간풍속’과 ‘10분 평균풍속’간의 관계를 거스트 계수 개념의 돌풍률을 통해 제시하고 있으며, 거스트 영향 계수로 환산할 경우 지역별로 1.82~1.90 수준의 값을 갖는 것으로 나타났다. 「건축구조 설계기준」에서는 바람에 의한 공진효과를 무시할 수 있는 구조인 경우 노풍도 구분에 따른 구조골조용 거스트 영향 계수 Table 5를 설계에 적용하도록 규정하고 있으며, 풍속 관련 실측 데이터에 근거하여 산출된 「가공송전용 철탑설계기준」을 근거로 「건축구조 설계기준」에서 제시하는 거스트 영향 계수를 가로등주 설계 시 노풍도 B, C, D 중 가설 장소에 따라 적절한 값을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

Table 5 Gust effect factors for the design of atructural frames(Gf)

3.3 풍력계수

 구조물에 있어서 항력에 의해 바람의 흐름방향으로 변형이 발생하며 구조물의 형상과 거칠기에 따라 다르므로 이를 고려하기 위하여 풍력계수를 적용하고 있다. 국내외 내풍 설계기준에서 제시된 다양한 풍력계수를 비교⋅검토한 결과 교량, 건축물, 표지판, 철탑 등 주로 가로등과 달리 규모가 크거나 형상이 크게 다른 구조물에 주로 적용하고 있기 때문에 세장한 부재로 단순하게 구성된 가로등주에 적용하는 것은 다소 문제가 있는 것으로 판단되며, 별도로 등주의 형상과 등기구의 모양 등에 따라 다양하게 풍력계수를 적용하고 있는 「照明用ポール強度計算基準설계기준(4)」 Table 6의 풍력계수를 적용하는 것이 가장 합리적일 것으로 판단한다.

Table 6 Wind drug coefficient(C)

3.4 중요도 계수

 국내 내풍 설계기준에서는 적용된 설계풍속이 설계목표수명만큼의 재현기간에 부합되도록 보정하기 위하여 설계 대상 구조물의 용도, 사회성, 경제성 및 중요도 등이 고려된 중요도 계수를 적용하도록 규정하고 있다. 「건축구조 설계기준」의 중요도와 「AASHTO Standard Specs」에서 제시하고 있는 설계수명 중요도를 비교하면, AASHTO의 중요도 “S”는 설계수명 100년, “1”은 50년, “2”는 25년, “3”은 10년에 해당된다. 가로등의 설계수명은 구조물에 비해서 낮기 때문에 25년이 적당하며 중요도계수는 0.95를 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 이 값은 풍속을 보정하기 위해 사용되기 때문에 풍하중으로 환산할 경우 0.952 = 0.90의 값을 갖는다.

Table 7 Wind importance factor(I) : AASHTO Standard Specs

Table 8 Wind importance factor(I) : KBC 2005

4. 일본 가로등 설계기준 검토

 “KS D 3600 : 2008 철재 가로등주”의 규정은 도로나 광장 등의 조명에 사용되는 철재 가로등주의 제조자 및 사용자의 취급을 원활히 하기 위하여 일본조명기구공업회 표준(JIL1001)을 기초로 하여 1985년에 제정되었다. 일본조명기구공업회에서는 풍해에 따른 가로등주의 파손에 대한 대책으로 2009년 12월 JIL 1001 「照明用 テーペーポール(taper Pole)(鐵製)」을 전면 개정하였으며, 가로등의 설계에 대해서는 별도로 「照明用 ポール(Pole) 強度計算基準」을 만들어 1987년 제정 이후 2009년 12월까지 3차례 개정하면서 자세한 가로등 설계기준 및 예시를 제시하고 있다. 개정된 JIL 1001 「照明用 テーペーポール(taper Pole)(鐵製)」에서는 파손에 취약한 점검구 주변을 Fig. 1과 같이 보강하는 표준도면을 제시하고 있는 반면 국내 KS기준은 Fig. 2와 같이 초창기의 개단면을 그대로 사용하고 있는 실정이다.

Fig. 1 Inspection hole of Japanese luminaire support

Fig. 2 Inspection hole of domestic luminaire support

 또한, JIL 1001에서는 가로등주와 아암을 Fig. 3과 같이 직선부와 곡선부가 일체이며 풍압면적이 작은 형상을 기본형 제시하고 있는 반면 국내에서는 직선 가로등주에 큰 사각 아암을 용접한 형태를 Fig. 4와 같이 기본형으로 제시함에 따라 아암과 등주에 작용하는 풍하중이 커져서 용접이음부와 점검구에서는 균열이나 파손이 발생하기 쉽다.

Fig. 3 Basic models of Japanese luminaire support

Fig. 4 Basic models of domestic luminaire support

 한편 JIL 1003 「照明用 ポール(Pole) 強度計算基準」에서는 조명용 등주의 설계에 사용하는 풍압력을 다음과 같이 정하고 있다.

 

 여기서, Vcr = 60m/s , C는 풍력계수

5. 가로등주의 설계 개선 방안

5.1 가로등주에 작용하는 풍하중 제안

 현재 가로등주에 대한 연구결과가 전무한 실정임에 따라 본 연구에서는 KS기준의 불명확한 풍하중의 산정에 대한 기본풍속, 거스트 영향 계수, 풍력계수, 중요도 계수를 국내외 내풍 설계기준 중에서 적절하다고 판단되는 기준을 정의하였으며 각 항목을 적용하여 가로등주의 단위면적당 작용하는 풍하중 P(N/m2)는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

 

여기서, ρ는 공기밀도(1.226N·s2/m4), Vd는 설계풍속(m/s), Vd = K·V10, K는 고도 및 노출환경 보정계수, Gf는 거스트 영향 계수, C는 풍력계수, I는 중요도계수이다. 

5.2 가로등주에 작용하는 풍하중 비교

개정된 JIL 1003의 식 (1)에서 0.615=ρ/2이고 Vcr을 일률적으로 Vcr = 60m/s을 적용한 것으로 볼 수 있다. 그러나 2절에서 언급한 KS기준의 가로등주 풍압내력은 식 (1)을 적용하여 계산결과, Vcr = 60m/s최대순간풍속의 풍압력보다 작은 값으로 나타났다. KS기준의 풍압내력과 개정된 JIL 1003의 식 (1) 및 본 연구의 제안식 (2)를 높이 H=10m의 가로등주에 대해 매우 다른 3가지 설치 환경을 고려하여 풍하중을 비교하였다. 여기서, 제안식의 중요도 계수 I=0.9를 적용하였으며, 그 결과를 Table 9 및 Fig. 5에 나타내었다. 내륙지방의 주택가에 대한 풍하중 비교 결과 KS기준의 원형가로등주의 풍압내력(478.7N/m2)은 제안식의 풍하중(500.3N/m2)과 유사하지만 JIL1003의 풍하중은 위값의 약 3배 이상을 제시하는 것으로 나타났다. 이것은 KS기준이 순간최대풍속 60m/s를 적용치 않음을 의미함과 동시에 순간최대풍속 60m/s를 적용하게 되면 너무 과대 하중으로 설계하는 것을 나타났다. 반면, 팔각가로등주의 경우에는 풍압계수(1.2)가 크고 거스트 영향(Gf=1.9)으로 KS기준은 제안식에 비해 작은 풍압내력을 나타내며, 식 (1)에 비해서도 매우 작은 풍하중임을 알 수 있다.

Table 9 Wind loads comparison of KS, JIL 1003 and the proposed equation(2) (N/m2)

Fig. 5 Wind loads comparison of KS, JIL 1003 and equation(2)

 반면, 제주도와 같이 강풍의 영향이 큰 지역이나 해안의 연육교 상에 설치되는 가로등주의 경우에는 식 (1)과 본 제안식의 풍하중은 매우 비슷한 값을 제시하나 KS기준은 1/3~1/5 정도의 매우 작은 풍압내력을 제시하고 있다. 이것은 JIL1003의 식 (1)과 KS기준은 설치 지역이나 고도 등에 관계없이 극한 풍환경에 대해서 일률적으로 저항하도록 기준을 정한 것이나, KS기준의 풍압내력이 부적절하게 적은 값을 제시하는 것으로 판단된다. 따라서 JIL1003 기준을 적용하면 도심지, 주택가 등에서는 과대설계가 되고, KS기준을 적용하면 대부분의 지역에서 불안전한 설계가 되어 풍해의 원인이 되기 때문에 본 연구에서 제안한 식 (2)를 적용하여 지역적 풍특성, 고도 및 노출환경, 단면 특성 등을 고려하는 것이 합리적이다.

6. 가로등주의 점검구 설계 개선 방안

6.1 구조해석

6.1.1 구조해석 일반

 가로등에 사용되는 안정기는 등기구에 전류와 전압을 안정적으로 공급하는 필수장치로서 일반적으로 가로등에 사용되는 나트륨 램프 250W 기준으로 자기식 안정기 240×95×85mm의 설치 및 점검을 위해 하부로부터 600mm 위치에서 폭 130 mm, 높이 350mm의 점검구를 통해 가로등주 내에 설치되어 있다. 강풍 시 점검구 주변의 응력집중으로 전도가 발생되기 때문에 JIL1001에서는 Fig. 1과 같이 점검구 보강하도록 제시하였으나 보강단면에 대한 상세는 언급하지 않았으며 점검구의 높이가 600mm로서 국내 기준 350mm보다 커서 불안전측이다. 본 연구에서는 Fig. 4의 높이 7m KS 가로등주에 대해 점검 및 설치에 필요한 최소치수인 폭 110mm, 높이 350mm 대상으로 점검구만 설치된 경우와 두께 5mm, 폭 30mm의 강판으로 리브 보강된 경우에 대해서 건축구조설계기준의 풍하중에 대해 구조해석을 수행하였다. 기본풍속 V10 = 40 m/s로부터 계산된 설계풍속은 Vd = 45.38m/s이며 거스트 계수 Gf = 1.8, 풍력계수는 팔각등주 0.8, 사각 아암은 2.0을 적용하였다.

6.1.2 점검구 보강 전, 후의 구조해석 결과 비교

구조해석을 위한 해석모델은 안정기 점검구 주변에서 발생하는 복잡한 응력을 반영하기 위해서 가로등주, 아암, 보강리브를 8절점 Shell 요소로 모델링하고 선형해석을 수행하였다. Fig. 6은 점검구 부근의 보강 전, 후 Von Mises응력(SE)선도이고 Fig. 7은 응력집중이 발생하는 상, 하부모서리를 원주 둘레로 SE값(Shell Top, Gauss Point)을 나타낸 것이다. 두 그림에서 모서리 주변 최대 SE응력이 586.0Mpa로서 SM490 강재 항복응력 323.7MPa을 초과하는 것으로 나타났으며, JIL1001의 최소두께 4.0mm보다 작은 두께 3.0mm, 투영 면적이 큰 KS 기본모델, 모서리 국부 휨변형 등의 결과로 사료된다.

Fig. 6 Stress contours of SE

Fig. 7 Stresses along inspection hole (SE : at Gauss Point)

 실제 보강리브가 없는 가로등주는 대각 모서리에서 수평방향으로 균열이 발전된 후 유효단면이 좌굴임계값에 도달하면 Photo 1과 같이 대각 모서리를 축으로 파괴되는 현상을 보여주고 있다. 반면 리브 보강된 점검구의 SE 응력은 보강 전에 비해 약 50% 수준으로 감소하는 것으로 나타나 보강효과가 매우 크다는 사실을 알 수 있다. 가로등주의 두께를 3.0mm부터 4.0mm까지 증가시키면서 해석한 결과를 Table 10에 나타내었으며, S1은 Fig. 6 해석결과의 주응력이고, 식 (3)은 JIL1003 조합응력 식이다. 식 (3)은 휨응력과 비틀림 전단응력의 조합이므로 주응력 S1과 비교하는 것이 적당하며 대체로 비슷한 값을 나타내고 있지만 SE보다 여전히 작은 값으로서 식 (3)은 이차원응력을 조합한 것일뿐 판의 국부 휨변형을 반영하지 못한 결과로 사료된다.

Table 10 Comparison of maximum stresses (MPa)

 

 여기서,

 

 

σbs′ : 고정하중 및 풍하중에 의한 휨 응력도
τ′ : 비틀림 전단 응력도
MV : 점검구의 고정하중 휨모멘트 (N·m)  ·
MH : 점검구의 풍하중 휨모멘트 (N·m)  ·
Mτ : 점검구의 풍하중 비틀림 모멘트 (N·m) ·
Z : 점검구의 단면 계수 (m2)
minIP : 점검구의 최소 단면2차 극관성모멘트 (m4) 
N = 1.20 : 점검구 응력 집중 보정 계수
n = kp·(θ/π)kr : 점검구 단면 보정 계수
kp = 22 : 실험에서 얻은 계수
kr = 0.57 : 실험에서 얻은 계수
θ : 점검구 각도의 1/2 (rad) 

 점검구만 있는 경우에 모서리 주변응력이 항복응력을 초과하므로 재료적 비선형해석을 수행하였으며 SE 및 P-δ곡선을 Fig. 8에 나타내었다. 해석결과 두께 3.0mm에서도 추가적인 하중에 저항하는 것으로 나타났으며 두께가 4.0mm인 경우에는 P-δ곡선이 선형탄성범위에서 거동하고 있다.

Fig. 8 Nonlinear analysis results

 JIL1003의 조합응력식 (3)은 국부 휨변형을 반영하지 못하기 때문에 등주 두께, 개구부 크기, 리브 두께 및 형상, 보강방법, 사용강재 등의 매개변수로 상세해석을 수행하여 향후 개선된 식을 도출할 필요성이 있다.

7. 맺음말

 가로등주의 설계에 적용되는 현 KS기준은 1985년 일본조명기구공업회 표준(JIL1001)을 그대로 준용함에 따라 구조적인 안전성의 문제점을 가지고 제정되었으며, 그 후 몇 차례의 개정 시에도 가로등주가 풍하중에 취약한 구조물임은 간과되고 전기안전시설 위주로 개정이 이루어져 왔다. 특히 풍하중에 취약한 가로등은 태풍 시 파손, 전도되어 재산상의 피해뿐만 아니라 2차적인 사고를 야기하고 있으며 이제는 도로시설물로서 미국이나 EURO의 선진국과 같이 도로담당 부처의 상세한 기준에 따라 구조안전성 측면에서 설계되어야 할 것이다. 본 연구에서는 국내외 각 설계기준의 비교 검토와 가로등주에 대한 구조해석을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

 (1) 가로등은 도심, 평야지, 산지도로, 해상교량, 해안가, 빌딩 옥상 등 설치 위치와 환경이 다양하므로 지역별 풍속, 고도 및 환경보정계수, 거스트 계수, 풍력 계수 및 중요도 계수 등 영향인자들을 다양하게 고려할 필요가 있기 때문에 국내외 풍하중 설계기준 분석 결과 건축구조설계기준의 골격이 적합한 것으로 판단되나 풍력계수는 테이퍼(Taper)형태의 세장한 가로등주와 아암 및 등기구의 풍력계수를 다양하게 실험적으로 제시한 일본조명기구 기준을 적용하는 것이 합리적인 것으로 나타났으며 위 두 기준을 합리적으로 적용한 풍하중 산정식을 제안하였다.

 (2) 현 KS기준은 가장 낮은 수준의 풍하중을 규정하여 태풍 시 가로등이 전도, 파손될 가능성이 크고 일본 JIL1003의 규정은 획일적으로 너무 큰 풍하중을 제안하여 과대설계의 경향이 있는 반면 제안식은 설치 환경에 따라 적절한 안전성을 가지는 풍하중을 제안하는 것으로 나타났다.

 (3) 기본풍속 40m/s에 대응하는 풍하중을 작용시켜 KS규정의 등주 안정기 점검구 응력을 검토한 결과 상, 하부에서 응력집중 현상이 발생하였으며 점검구 테두리를 리브(Rib)로 보강할 경우에는 응력집중을 1/2수준으로 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 현행 KS기준은 반복되는 가로등주의 붕괴를 방지하기 위해서는 점검구를 리브 보강하고 KS 기본형은 슬림(Slim) 형태로 개정되어야 할 것이다.

 (4) 점검구에서는 급격한 단면 손실(약 1/6)로 인해 응력집중으로 태풍 시 이 곳에서 좌굴 파괴가 일어나므로 점검구는 개구부의 단면특성을 고려한 조합응력으로 설계하여야 한다. 또한, 최근 사용이 급증하고 있는 스테인리스 스틸 가로등에 대해서도 제안식의 풍하중에 안전하도록 설계하는 것이 필요하다.

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