지에스네오텍㈜와 ㈜미동이엔씨가 공동 개발한 '레이저포인터와 타겟을 이용한 철탑 기초재 기울기 측정 공법'은 레이저포인터가 삽입된 추와 타겟을 이용해 가공 송전선로 철탑 기초재의 기울기를 측정하는 공법이다. 본 신기술은 2009년 지에스네오텍㈜에서 아이디어를 제안해 ㈜미동이엔씨와 공동으로 연구를 추진했으며, 1년 이상의 현장 적용성시험을 거쳐 개발하게 됐다. 2010년 3월 '철탑의 기초재 기울기 측정 장치 및 그를 이용한 철탑의 기초재 설치 방법'이란 명칭으로 특허 등록이 됐으며(<그림 1> 참조), 7월에는 지식경제부 주관의 전력신기술 제79호로도 지정됐다(<그림 2> 참조). 본 신기술은 철탑의 기초재 각입 시 기초재의 기울기를 정확히 측정할 수 있어 기초재를 기반으로 이루어지는 철탑 조립의 정확도를 높였다. 또한 작업자에 의한 수작업을 줄임으로써 인력 및 작업 시간의 손실을 방지할 뿐만 아니라 안전사고의 발생가능성도 줄일 수 있는 획기적인 공법이다.
개발 배경
가공 송전선로 건설 공사에서 기초 각입재는 상부 구조물과 하부 기초 구조물을 연결하는 중요한 부재로서 상부 구조물의 하중을 안전하게 하부에 전달하는 역할을 한다. 상부 구조물의 정확한 철탑조립에 의한 구조 안정성 확보를 위해 각입 작업 시 행하는 기울기 측정은 정밀한 시공을 필요로 하는 중요한 공정이다. 그러나 이러한 공정이 가지는 중요성에 비해 종래에는 내림추를 이용해 기초재의 기울기가 지반에 미리 설정된 기울기값에 일치되도록 기초재의 위치를 조절한 후 기초재를 고정하는 방법으로 작업이 이루어져 왔다. 이를 보다 상세히 설명하면, 먼저 기초재의 상단부에 내림추가 연결된 실을 묶고, 기초재 상단으로부터 수직하방으로 특정 길이에 해당되는 부분에는 지반에 대해 미리 설정된 기울기값에 의해 정해지는 수평길이의 자를 위치시킨다. 다음으로 기초재를 조금씩 이동시켜 수직으로 내린 실이 수평자의 원하는 수평 길이 위치에 도달하게 함으로써 지반에 미리 설정된 기초재의 기울기값과 실제 설치되는 기초재의 기울기를 일치시켰다. 그러나 이와 같은 종래의 철탑 기초재 기울기 측정 방법은 내림추가 연결된 실의 길이가 보통 3~4m 이상으로 길기 때문에 바람 등 외부 환경의 영향을 많이 받아 수직 하방을 가리키기가 쉽지 않으며, 이로 인해 기울기 측정 중 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있었다. 또한 기초재의 상단부에 내림추가 달린 실을 묶거나 풀기 위해 작업자가 직접 기초재에 올라가야 하는 것은 물론 때론 그 위에서 작업자가 실을 들고 있어야 하는 경우도 있었다. 기초재의 여러 종류 중 특히 역T형으로 제작되는 기초재의 경우 그 길이가 5m 이상에 달하기 때문에 작업자가 올라가서 작업하기에는 안전상의 위험뿐만 아니라 인력 및 작업 시간의 손실이 발생할 수 있다. 따라서 철탑의 기초재를 지반에 미리 설정된 기울기값으로 설치하는 데 있어 ▲ 실제 설치되는 기초재의 정확한 기울기 측정 ▲ 인력 및 작업 시간의 손실 방지 ▲ 안전사고 발생 저지 등을 도모할 수 있는 새로운 방식의 기울기 측정 장치 및 공법의 개발이 필요한 실정이다.
신기술 내용
1. 신기술의 구성 본 신기술은 <그림 3>과 같이 기울기 측정 포인트 유닛과 기울기 측정 타겟 유닛, 그리고 이 두 가지 유닛의 수직 거리를 유지하기 위한 유닛 연결부로 구성되어 있다. 기울기 측정 포인트 유닛은 수직 하방으로 빔을 발산하며, 이렇게 발산된 빔이 표시되는 타겟부를 가진 것이 기울기 측정 타겟 유닛이다. 두 유닛은 모두 기초재 표면에 자력을 이용해 탈착이 가능하도록 결합되어 있다.
2. 신기술의 원리
각입 작업을 위해 철탑 기초재에 기울기 측정 장치를 부착하기 전 다음과 같은 준비 작업이 필요하다. 먼저 측정 장치의 레이저포인터 건전지 유무 및 수평계 이상 유무를 확인한 후 미리 설정된 기울기값에 맞도록 측정 장치를 세팅한다. 여기서 세팅이란 기초 거부도를 바탕으로 <그림 6>의 S1값과 G값을 측정자가 원하는 Y값에 맞도록 설정하는 단계다. 이에 대해 보다 상세히 설명하면, 기초재의 미리 설정된 기울기값을 θ, 기울기 측정 포인트 유닛과 타겟 유닛 간의 거리를 S1, 와이어가 포인트 연결부에 달린 지점으로부터 수직 하방으로 발산되는 빔의 목표점까지의 거리를 Y, 기울기 측정 타겟 유닛의 타겟 연결부 2의 시작점으로부터 빔의 목표점 즉, 타겟판 십자망선의 중심점까지의 거리를 G라고 했을 때, 지반에 대해 미리 설정된 기울기값(θ)이 80도이고 수직 길이(Y)를 1m로 설정하는 경우 기울기 측정 타겟 유닛의 수평 길이(G)는 삼각함수원리에 의해 다음과 같이 계산된다.
또한 기울기 측정 포인트 유닛과 타겟 유닛 간의 거리(S1)는 상기 수직 길이(Y)와 수평 길이(G)를 바탕으로 피타고라스 정리에 의해 아래와 같이 계산된다.
즉, 지반에 대한 기초재의 미리 설정된 기울기값이 80도인 경우 기울기 측정 타겟 유닛의 수평 길이는 17.6㎝로, 유닛 연결부 상의 유닛 간 간격은 101.5㎝로 설정이 된다. 상기와 같이 각 부의 길이가 설정되면 아래와 같은 절차를 거쳐 장치를 세팅한다.
① 기울기 측정 포인트 유닛을 유닛 연결부 상단 0점에 고정, 이때 0점은 포인트 연결부 하단에 위치 ② 기울기 측정 타겟 유닛의 타겟 연결부 2(눈금자 시작점)로부터 타겟부(십자망선의 중심점)까지의 길이가 17.6㎝가 되도록 세팅 ③ 세팅된 기울기 측정 타겟 유닛을 유닛 연결부 하단 101.5㎝ 지점에 고정, 이때 101.5㎝ 지점은 타겟 연결부 1의 (수직)중심점에 위치(길이 확인 구멍을 통해 확인) ④ 자석은 OFF 된 상태이며, 기초재 표면의 측정하고자 하는 위치에 부착 후 스위치를 ON 시킴
다음으로 아래와 같은 절차를 거쳐 기초재의 기울기를 세팅한다.
① 굴착부 내 세팅플레이트 상에 기초재 안착(세팅플레이트 중심점 확인) ② 기초재 상단부를 Stub Setting Template 등의 지지물로 고정 ③ 기초재 중심점 및 센터 마킹을 확인한 후 중심점에 세팅이 완료된 기울기 측정 장치 부착 ④ 턴버클 및 장비를 이용, 기초재의 기울기를 조금씩 조절해 기울기 측정 타겟 유닛의 목표 지점(십자망선 중심)에 빔 발산부로부터 발산되는 빔이 표시되도록 함으로써 기초재를 지반에 대해 미리 설정된 기울기값에 맞게 세팅(이때 타겟 연결부 2 및 타겟부의 수평이 맞도록 상시 확인) ⑤ 기초재 고정 후, 철근 조립 및 콘크리트 타설(철근조립 및 콘크리트 타설 중 기초재가 움직일 수 있으므로, 각입 및 후속 공정 중 측정 장치를 철거하지 않고 수시로 기울기를 확인)
신기술의 범위
첫째, 자력을 이용해 기초재에 탈부착이 가능하며 빔을 발산하는 기울기 측정 포인트 유닛과, 하방으로 이격돼 상부 기울기 측정 포인트 유닛으로부터 발산되는 빔이 표시되는 기울기 측정 타겟 유닛을 이용, 기초재별로 설계된 기울기에 맞도록 미리 측정 장치를 세팅한 후 기초재 표면에 부착해 기초재의 기울기를 측정 및 조정하는 신기술이다. 둘째, 첫째항의 측정 장치를 세팅하는 과정은 ▲ 철탑별 기초 거부도에 주어진 기초재 기울기를 바탕으로 측정 장치를 세팅하기 위한 유닛별 길이를 산출하는 단계 ▲ 산출된 길이에 맞도록 각 유닛들을 세팅하는 단계 ▲ 세팅이 완료된 유닛들을 조립 및 고정시키는 단계 등의 단계를 포함한다. 셋째, 상기 측정 장치 세팅 후 기초재의 기울기를 측정 및 조정하는 과정은 ▲ 세팅이 완료된 기울기측정 장치를 기초재 표면의 측정하고자 하는 위치에 자력을 이용해 부착하는 단계 ▲ 타겟부의 수포수평계를 이용해 타겟 연결부 2 및 타겟부의 수평을 맞추는 단계 ▲ 기울기 측정 포인트 유닛으로부터 발산된 빔이 타겟부의 십자망선의 중심점에 도달하도록 기초재 기울기를 조정하는 단계 등의 단계를 포함한다.
넷째, 각입 작업 이후 공정인 철근 조립 및 기초 콘크리트 타설 시에도 해당 작업에 간섭받지 않도록 기초재에 장치를 지속적으로 부착시켜 놓아 감리, 관리 감독자 및 작업자가 상시 기초재의 기울기를 확인할 수 있다.
개발 성과
첫째, 종래에는 기초재 하단부로부터 추까지의 수평 길이 측정에 스틸자(철선) 등을 사용해 측정자의 관측지점에 따라 측정값에 오차가 발생할 수 있었다. 그러나 본 신기술은 기울기 측정 타겟 유닛의 타겟부에 수포수평계를 장착하고 눈금자를 표시해 측정값의 정확도를 향상시켰다. 또한 측정자의 작업 용이성 및 측정값의 오차 발생 요인을 줄이기 위해 각 유닛의 몸체에 자석을 삽입해 측정장치가 기초재에 스스로 부착되도록 했으며 이로 인해 1인의 작업자가 기울기 측정이 가능하도록 했다(<그림 7> 참조). 그리고 각 유닛에 삽입된 자석은 작업 시에만 자성을 띠도록 스위치를 구성해 작업 효율성을 향상시켰다. 기존의 기울기 측정 공법을 적용할 경우 바람 등의 외부 요인 및 작업자의 실수로 인한 오차 발생률이 높았으나, 본 신기술은 레이저 빔과 타겟을 이용함으로써 작업 반경을 큰 폭으로 줄여 외부 영향을 최소화 했다. 둘째, 기존 기술을 이용한 기초재 기울기 측정 작업은 기초재 상단으로부터 추를 내리기 위해 측정보조자가 기초재 상단으로 이동해야 하고 상부 작업이 많아 안전사고 발생 가능성이 높은 반면, 신기술을 이용할 경우에는 잦은 상부 작업 횟수를 줄여 기초재 승탑으로 인해 발생할 수 있는 추락 재해 등의 사고 발생을 예방할 수 있다. 셋째, 기존 기술을 이용해 기울기를 측정할 경우 필요시마다 측정자가 기초재와 내림추의 간격을 측정하기 위해 스틸자(철선)를 대봐야 하지만, 본 신기술은 기초재에 부착되는 기울기 측정 장치의 부착 부재가 자석으로 구성되어 있어 작업 시작 시 세팅된 기울기값으로 장치를 부착시킨 후 각입 공정이 완료될 때까지 별도의 조작 없이 기울기값 확인이 지속적으로 가능하다. 또한 레이저를 이용해 기울기값을 타겟으로 전달하므로 외부 요인에 의한 영향이 적어 최단 시간 내에 기울기를 측정해 각입 작업을 수행할 수 있다. 이 외에도 각입 후 철근 조립 및 콘크리트 타설 시 포인트 유닛과 타겟유닛 간의 이격 거리가 길지 않으므로 기초재 상부에 재부착해 각입 기초재의 기울기 확인이 지속적으로 가능하다.
기대 효과
첫째, 본 신기술은 기존 기술과는 다르게 긴 실을 이용한 내림추 대신 레이저포인터를 추에 삽입해 빔을 발산하는 방식으로 긴 실을 사용함으로써 발생 가능한 오차들, 예를 들어 측정자의 이동 중 간섭 및 바람에 의한 추의 흔들림으로 인한 오차 등을 최소화할 수 있다. 또한 수평 길이를 측정하기 위해 사용했던 수평자 혹은 스틸자 대신 눈금자와 수평계가 구성된 타겟 유닛을 사용해 철탑 조립의 품질 향상 및 신뢰성을 확보했다. 둘째, 기울기 측정 포인트 유닛과 하부 측정 타겟유닛을 각입재 표면의 안전한 위치 즉, 작업자의 고소(高所) 작업이 필요하지 않은 위치에 설치해 기울기를 측정하므로 기울기 측정을 위한 기초재 오르내림의 반복 작업을 줄이고 추락 등의 안전사고 발생 요소를 제거함으로써 작업원의 안전성을 확보할 수 있다.
활용 전망
본 신기술은 154㎸로부터 765㎸에 이르기까지 모든 가공 송전선로의 철탑 기초재(강관형, 앵글형) 및 일반 철재 구조물의 기울기 측정에 적용이 가능하다. 또한 단순 기울기 측정뿐 아니라 철탑 기초 공사, 예를 들어 철근 조립 및 콘크리트 타설 작업 중에도 수시로 기울기를 확인할 수 있어 품질 향상 및 공기 단축, 원가 절감, 안전성 증대 등을 도모할 수 있다.
가공 송전선로 송전선로는 발전소에서 발생된 전력을 어느 거리만큼 떨어져 있는 부하점까지 보내기 위해 사용되는 선로를 말하며, 가공 송전선로는 지상에 설치된 지지물(대부분 철탑)에 송전선을 설치해 송전하는 송전선로를 말한다.
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