KR101313823B1 - 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법에 관한 것으로, 중력고정식 해상구조물과 대응되는 형상을 갖고 실물 크기 및 중량, 중량 분포 대비 일정 비율로 축소되게 해상모형구조물을 제작하는 해상모형구조물 제작단계; 상기 중력고정식 해상구조물이 설치될 실제 해역에서 발생되는 파도, 조류, 바람에 의한 외력을 산정하는 외력 산정단계; 상기 해상모형구조물의 지지대 하부에 미치는 수직하중과, 수면 및 수면 위에서 지지대에 미치는 파의 압력을 측정할 수 있도록 지지대의 하단 및 수면을 중심으로 상하 위치의 지지대에 센서를 설치하는 센서 설치단계; 센서가 설치된 해상모형구조물을 해상공학수조에 안착시키고, 상기 외력 산정단계에서 산정된 외력을 발생시킬 수 있도록 바람발생장치, 조류발생장치를 설치한 후 외력을 발생시켜 각 센서들로부터 계측된 데이터를 획득한 후 Froude 상사법칙을 이용하여 실제 해상일 때로 확장하여 실제 해상에서 해상구조물이 받게 될 하중공진반력주기, 주파수에 따른 하중값, 파의 압력값을 산출하는 해상모형구조물 설치 및 계측단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 국내 연안에서 발생되는 다양한 해양 정보를 토대로 해양구조물 설계전에 해상에서 발생되는 외력이 해양구조물에 미치는 영향과 그 운동선능을 미리 테스트한 후 해양구조물을 설계함으로써 보다 안전하고 내구성있는 해양구조물 건설을 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법{EXPERIMENTAL METHOD FOR TESTING VERTICAL REACTION RESONANCE PERIOD AND MOVEMENT PERFORMANCE OF MULTI SUPPORTERS LOCATED IN THE SEA WITH GRAVITY BASE OFFSHORE STRUCTURE}

본 발명은 해양구조물, 특히 해상풍력발전용 해상구조물의 해양환경을 공학수조를 통하여 외력을 구현한 후 해양구조물 수면하부의 지지대에 대해서 외력(파도, 조류, 바람)이 발생될 때의 지지대 하부에서 받게 되는 하중공진반력주기와 하중 및 외력에 의해서 밀림과 전복가능성을 정량적으로 테스트할 수 있도록 한 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법에 관한 것이다.

풍력발전은 가장 성공적으로 보급된 신·재생 에너지원이다. 그러나 우리나라처럼 국토가 비좁은 국가에서는 풍력발전기를 설치할 땅을 구하기가 쉽지 않다. 이 때문에 바다 속에 기둥을 세우고 풍차를 돌리는 해상풍력에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 해상은 육상에 비해 바람이 풍부하기 때문에 발전에 유리하다는 장점도 있다.

따라서, 바람이 가지는 운동에너지를 풍차를 이용해 기계적 에너지로 바꾸고 발전기를 돌려 전력을 얻는 시스템인 풍력발전을 해상에 구현한 해상풍력발전이 향후 청정 에너지원으로 급부상하고 있다.

이와 관련하여, 유럽에서는 독일을 중심으로 풍력발전시설들이 급속히 증대되고 있는데, 독일의 경우 1만 6543개의 풍력발전기에서 1만 6628㎿(2004년 12월 말 현재)의 전기를 생산하고 있으며, 60여 곳 이상에서 풍력발전단지가 형성되어 대략 한 단지에서 작게는 3.6㎿부터 크게는 100㎿의 전기를 생산하고 있다.

그런데, 독일의 경우도 육상풍력발전의 부지상 한계로 인해 최근에는 해상풍력단지를 통해 대규모 발전설비를 건설하고 있으며, 이러한 분위기는 서유럽 전체적으로 확대되고 있다.

이러한 해상풍력발전 시설은 해상에 설치되는 관계로 중량물을 용이하게 설치하고, 핸들링할 수 있도록 잭 업 시스템(Jack Up System)이 사용되고 있다.

잭 업 시스템은 잭 업 파트와 록킹 파트로 구성되는 시스템으로, 잭 업 파트는 랙과 피니언, 감속기와 구동모터 등을 구비하여 수십, 수백톤의 중량을 갖는 구조물(해양플랜트)을 승강시키는 수단이며, 록킹 파트는 리프팅된 중량물을 특정 지점에 위치고정하는 수단이다.

이와 같은 잭 업 시스템을 사용하는 잭 업 방식은 육상에서 설치 사이트로의 이송이 용이하고, 건설이 쉬운 장점을 가지고 있으며, 일반적으로 적용되는 모노파일 방식에 비해 설치 및 구조가 단순하고 건설비용의 저감효과가 크다. 아울러, 육상에서 조립된 상하부구조물을 바지(Barge)에 선적하여 사이트(Site)로 이송하고, 사이트에서 레그(Leg)를 하강시켜 설치하는 방식으로 건설되며, 이러한 다수개의 레그로 고정되므로 구조적 안전성을 갖게 된다.

그런데, 해상의 조건은 지역마다 다르기 때문에 잭 업 플랫폼(Platform) 구조물(이하, '해상구조물'이라 하며, 해양구조물은 해양발전설비 및 해양플랜트를 모두 포함하는 가장 넓은 개념으로 정의하기로 한다)의 설계시 설치될 지역, 다시 말해 국내 연안의 해양 환경, 즉 파도, 조류, 바람 등의 영향을 철저하게 분석한 후 설계하여야 한다.

때문에, 이러한 정보들을 토대로 향후 해상에 설치될 해상구조물에 대한 이들의 영향을 미리 테스트하고 예측하는 것은 해상구조물의 수명, 안전 등에 있어 매우 중요한 일이다.

그럼에도 불구하고, 당해 분야에서 국내 연안에서 발생되는 해양 환경에 대한 정보를 토대로 해상구조물에 대한 안전성, 내구성 등에 대한 평가를 실험적으로 테스트할 수 있는 방법들이 제시되지 못하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 한계점을 고려하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 해상구조물 설계전에 미리 국내 연안의 해양 환경 정보를 토대로 해상에서 발생되는 외력, 이를 테면 파도, 조류, 바람 등이 해상구조물에 미치는 영향, 그에 따른 해상구조물의 운동성능 등을 미리 평가하고 그 결과를 반영하여 설계하도록 함으로써 내구성과 안전성을 극대화시킬 수 있도록 한 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 중력고정식 해상구조물과 대응되는 형상을 갖고 실물 크기 및 중량, 중량 분포 대비 일정 비율로 축소되게 해상모형구조물을 제작하는 해상모형구조물 제작단계; 상기 중력고정식 해상구조물이 설치될 실제 해역에서 발생되는 파도, 조류, 바람에 의한 외력을 산정하는 외력 산정단계; 상기 해상모형구조물의 지지대 하부에 미치는 수직하중과, 수면 및 수면 위에서 지지대에 미치는 파의 압력을 측정할 수 있도록 지지대의 하단 및 수면을 중심으로 상하 위치의 지지대에 센서를 설치하는 센서 설치단계; 센서가 설치된 해상모형구조물을 해상공학수조에 안착시키고, 상기 외력 산정단계에서 산정된 외력을 발생시킬 수 있도록 바람발생장치, 조류발생장치를 설치한 후 외력을 발생시켜 각 센서들로부터 계측된 데이터를 획득한 후 Froude 상사법칙을 이용하여 실제 해상일 때로 확장하여 실제 해상에서 해상구조물이 받게 될 하중공진반력주기, 주파수에 따른 하중값, 파의 압력값을 산출하는 해상모형구조물 설치 및 계측단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법을 제공한다.

이때, 상기 외력 산정단계에서, 파도는 불규칙파로서 우리나라 연안에 적합한 TMA 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 생성하기 위해서 목적 스펙트럼을 생성하여 조파 후, 파고계측기를 사용하여 파고를 계측하고 FFT해석을 수행하여 검증하는 방식으로 결정되고; 풍속은 결정된 파고를 기준으로 하여 보퍼트 풍속계급(Beaufort Scale)을 적용하여 최대풍속을 결정하며; 조류는 해상구조물이 설치될 해역의 최대 발생 가능한 조류속도를 기상청 통계자료를 토대로 하여 결정하는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 센서 설치단계에서, 상기 지지대의 수직하중에 대한 반력을 측정하는 센서는 스트레인게이지를 포함하는 분력계이고, 상기 파의 압력을 측정하는 센서는 파압센서인 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 지지대의 하단과 상기 분력계 사이에는 지지대가 파도나 조류에 의한 밀림 혹은 전복 가능성을 확인할 수 있도록 모래가 채워진 지지박스를 배치하되, 상기 지지대의 하단이 상기 모래 위에 안착되게 구비된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 국내 연안에서 발생되는 다양한 해양 정보를 토대로 해상구조물 설계전에 해상에서 발생되는 외력이 해상구조물에 미치는 영향과 그 운동선능을 미리 테스트한 후 해상구조물을 설계함으로써 보다 안전하고 내구성있는 해상구조물 건설을 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 해상구조물의 예시적인 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 해상모형구조물의 설치상태를 보인 모식도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 분력계를 이용하여 2차원 불규칙 파랑에 대한 FFT 해석결과를 예시적으로 보여 주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 해양공학수조에 해양모형구조물이 설치된 후 실험되고 있는 예를 보인 예시적인 사진이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 설명되는 해상구조물은 중력고정식 해상모형구조물이다.

이는 해양공학수조(실제 해양 환경과 유사한 환경을 구현하도록 축소시킨 모형수조)에 설치되어 실제 해양 환경과 유사한 조건 속에서 필요로 하는 테스트를 수행할 수 있도록 하기 위해 실제 해상구조물을 일정 크기 비율로 축소시킨 것이다.

아울러, 중력고정식이란 특히, 해상풍력발전의 기초 설비 유형중 하나로서, 해상구조물의 자중에 의해 안착 고정되는 방식이며, 우리나라 남서해안의 경우 연근해 수심이 60m 이하이므로 잭 업 방식을 활용하게 되면 육상에서 사이트로 이송이 용이하고, 건설이 쉬우며, 비용이 저렴한 장점이 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법은 중력고정식 해상모형구조물 제작단계, 외력 산정단계, 센서 설치단계, 해상모형구조물 설치 및 계측단계를 포함하여 구성된다.

이때, 해상모형구조물 제작단계는 아크릴 및 합성수지를 이용하여 실제 해상구조물 크기 대비 일정비율로 축소된 상태로 제작되는 단계이다.

또한, 제작된 해상모형구조물은 중량 및 중량 분포도 축소 비율에 맞춰 분배 설계되며, 도 1과 같은 형태로 예시할 수 있다.

도 1에 따르면, 본 발명 해상모형구조물은 풍력발전기가 고정된 잭업플랫폼에 3개의 지지대가 관통되고 자중에 의해 잭 업 방식으로 고정되도록 구성된다.

이해를 돕기 위해, 개념도로 제시한 도 2를 참조한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 풍력발전기(100)가 설치된 잭업플랫폼(110)에 각각 3개의 지지대(120)가 관통가능하게 설치되어 실 해상에서는 이 지지대(120)가 하강하여 해저면에 고정되게 되므로 잭업플랫폼(110)을 떠 받치게 되고, 그 위에 설치된 풍력발전기(100)가 풍력 발전을 수행할 수 있게 된다.

본 발명에서는 실험을 위한 모형구조물이므로, 실험에 필요한 측정장비를 탑재해야 한다.

이를 위해, 도 2의 도시와 같이, 지지대(120)의 하단에는 실 해저면과 대응되는 환경을 조성하기 위해 모래가 채워진 지지박스(130)를 만들어 지지하고, 상기 지지박스(130)의 하부에는 수직방향으로 발생하는 반력을 산정할 수 있도록 분력계(140)가 설치된다.

특히, 모래는 실제 해양환경 중에 발생할 수 있는 해상구조물의 밀림, 전복과 지지대(130)에 대한 수직 방향의 힘을 한 번에 계측할 수 있는 방법이므로 이를 채택하여 보다 정확한 실험을 수행할 수 있도록 구성된다.

물론, 상기 내용은 센서 설치단계에서 설명되어야 맞는 부분이지만 해상구조물 제작시에도 밀접하게 관련된 사항이므로 미리 설명하기로 한다.

덧붙여, Froude 상사법칙에 의한 토사의 정확한 구현(파도, 조류시에 토사 유실 발생)은 어려우므로 구조물 자중에 의해 상사 조건에 맞지 않는 모래 지반에 묻히는 조건을 구현하기 보다는 외력에 의한 구조물의 순수한 밀림과 전복 가능성을 판단할 수 있도록 기존 설계조건 보다 밀림과 전복 가능성이 큰 조건을 설정하는 것이 바람직하다.

이후, 외력 산정단계가 수행된다.

상기 외력 산정단계는 실제 해양 환경과 유사한 환경을 만들기 위한 것으로, 파도 결정과정, 풍속 결정과정, 조류 결정과정으로 나누어진다.

먼저, 파도 결정과정을 살펴보면, 파도는 불규칙파이고, 특히 우리나라 연안에 적합한 TMA(Texel Storm, Marsen and Arsloe) 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 생성하기 위해서 목적 스펙트럼을 생성하여 조파 후, 파고계측기를 사용하여 파고를 계측하고 FFT(Fast Fourier Transform)해석을 수행하여 검증하는 방식으로 파도가 결정된다.

예컨대, 아래 제시한 실험그래프에서와 같이, 해양공학수조에서 완전히 발달된 2차원 불규칙 파랑에 대해서 102.4,초간 데이터 개수 2,048개에 대해서 파고를 계측한 후 FFT 해석을 수행하여 주파수별로 파진폭 스펙트럼을 획득하고, 스펙트럼에 대한 가중치를 부여한 다음, 평활화(Smoothing)를 수행한 스펙트럼을 이용하여 주파수별로 파에너지 값을 산출한 결과, 원하는 외력, 특히 파도에 대한 적용이 가능함을 확인하였다.

이때, 상기 그래프에서 빨간부분 TMA 스펙트럼은 우리나라 연안과 적합한 파에너지 스펙트럼 경험식에 의한 값이고, 녹색부분 TMA 스펙트럼은 해양공학수조에서 계측된 파에너지 스펙트럼 값이며, 최대한 경험식(빨간)에 파에너지를 맞추어 근접하게 될 때 그 불규칙파를 이용하는 것이 바람직하다.

다음, 풍속 결정과정은 결정된 파고를 기준으로 하여 보퍼트 풍속계급(Beaufort Scale)을 적용하여 최대풍속을 결정한다.

일반적인 해상상태의 상황에서는 각각의 풍속에 대한 파고의 높이가 정해져 있는 보퍼트 풍속계급에 따르는 것이 일반적인 해상상태와 가장 근접하게 접근할 수 있다.

여기서, 보퍼트 풍속계급(Beaufort Wind Scale)이란, 풍속을 나타내는 척도로 보퍼트 풍력계급이라고도 한다. 1805년 영국의 보퍼트(F. Beaufort) 제독이 고안해 낸 이 풍력계급은 항해에 영향을 미치는 정도에 따라 바람을 계급별로 구분한 것으로, 고요상태를 0, 태풍(시속 120km 이상)을 12로 규정하고, 그 사이에 일련번호로 매겨지는 등급을 두었다. 처음에는 해상의 풍랑상태에서부터 분류되었으나 후에 육상에서도 사용할 수 있도록 개량되었다. 현재 사용 중인 보퍼트 풍력계급표는 1962년에 세계기상기구(WMO)가 결정한 것으로, 계급 B와 풍속 V(m/sec)와의 관계는 경험식 V=0.836B3/2에 근거를 두고 있으며, 해면이나 육상의 수목, 건물상태와의 대비도 나타내며, 또한 항해용 해도에서 널리 사용된다.

그러나, 본 발명에서는 해상풍력발전의 특성상 풍력 블레이드의 풍압 중심점이 해수면 보다 높게 위치해 있으며, 풍속에 의한 영향이 구조물에 중요한 요소로 작용하기 때문에 보퍼트 풍속계급 도표에 나와 있는 풍속보다 높은 가중치를 적용하여 결정하는 것이 바람직하다.

그리고, 조류 결정과정은 해상구조물이 설치될 해역의 최대 발생 가능한 조류속도를 기상청 통계자료를 토대로 하여 결정하는 것이 바람직하다.

이와 같은 방식으로 외력이 산정되면, 이어 센서 설치단계가 수행된다.

상기 센서 설치단계는, 앞서 설명한 수직하중를 측정하는 분력계(140, 도 2 참조)와, 수면과 수면 윗 부분에서 지지대(120, 도 2 참조)가 받을 압력, 즉 파의 압력을 측정하는 파압센서(150, 도 2 참조)를 설치하는 단계이다.

이때, 상기 분력계(140)는 스트레인게이지를 이용하며, 분력계(140)를 설치하는 이유는 각종 외력(파도, 조류, 바람)이 해상모형구조물에 발생하게 될 때에 구조물이 해저지반에 수직한 방향으로 누르는 힘에 대한 반력을 계측하기 위함이며, 또한 분력계(140)에 들어오는 수직한 방향의 힘은 각종 외력에 의해 시계열(time)로 불규칙적으로 들어오게 되므로 이러한 불규칙적인 데이터를 주파수 영역별로 해석(FFT)을 수행하게 되면 하중반력공진주기와 그 주기에 대한 하중값을 찾아 낼수 있게 되므로 이 값을 활용하기 위함이다.

예컨대, 도 3 내지 도 5는 이러한 분력계(140)를 이용하여 2차원 불규칙 파랑에 대한 FFT 해석결과를 예시적으로 보여 주는 것으로, 본 발명과 관련하여 해양공학수조에서 테스트한 예를 예시적으로 첨부한 것이다. 이는 센서인 분력계(140)를 활용하는 예를 보여 주기 위한 것에 불과하다.

아울러, 상기 파압센서(150)는 파의 주기와 파고가 달라질 때 파의 압력을 계측하기 위한 것으로, 이를 통해 파의 압력에 대한 지지대(120)가 받는 하중과의 관계를 알 수 있게 된다.

마지막으로, 해상모형구조물 설치 및 계측단계가 수행된다.

상기 해상모형구조물 설치 및 계측단계는 지지대(120)에 대한 센서부착 및 설치가 끝난 후, 해상모형구조물을 해양공학수조의 계획된 위치에 도 6과 같이 설치하고, 조류발생장치 및 바람발생장치 또한 계획된 위치에 설치한 후 결정된 외력을 가하여 각 센서들로부터 계측된 데이터를 획득한 후 Froude 상사법칙을 이용하여 실제 해상일 때로 확장하여 실제 해상에서 해상구조물이 받게 될 하중공진반력주기, 주파수에 따른 하중값과, 파의 압력값을 산출하게 된다.

그리고, 산출된 값은 해상구조물 설계시 반영된다.

이렇게 함으로써, 해상구조물이 실제 설치되었을 때 닥칠 상황을 미리 확인해 볼 수 있어 더욱 더 안전하고 내구성 강한 해상구조물을 설계 및 건설할 수 있을 것으로 기대된다.

덧붙여, 본 발명 방법의 구현 가능성을 확인하기 위해, 5MW급 해상풍력 하부 구조 잭업 플랫폼을 가정하여 해양 환경에서 이 해상구조물의 무게 중심에 대한 거동, 플랫폼 지지대에 걸리는 파압 및 3개의 지지대 하부에 걸리는 분력을 검증하기 위한 실험을 본 발명에 따른 해상모형구조물을 이용하여 해양공학수조에서 모형실험하였다.

이때, 실해상을 가정한 외력 및 실험조건으로는 조류

, 풍속

2차원 불규칙파

,

, 2차원 규칙파

,

이며, 입사각은

,

이고, 수심은 조석간만의 차이를 고려한

였다.

또한, 해양공학수조 수심 2.5m에서는 운영 가능한 최대 파고가 32cm(실해상파고 16m)이나 실험을 위한 수조 수심 1.1m에서는 낮은 수심에 의한 지면효과(Ground Effect)로 인해 최대 파고 26cm(실해상 파고 13m)로 구현되어 26cm를 최대 파고로 선정하였으며, 최대 파고를 기본으로 하여 주기를 선정하였다.

이에, 주기는 1.2sec(실해상 주기 7.071sec) ~ 1.8sec(실해상 주기 12.728sec)로 선정하였으며, 선정배경은 최대파고에 대해 짧은 주기인 1.0sec를 하게 되면 파정 부분이 깨어지는 현상인 쇄파(Wave Breaking)가 발생하게 되어 획득하게 될 실험데이터의 신뢰도가 떨어지게 됨으로 쇄파가 발생하지 않는 1.2sec를 기준으로 하였다. 긴 주기인 2.0sec는 해양공학수조 조파기의 한계로 인해서 최대파고인 26cm를 구현할 수 없었으므로 1.8sec를 최대주기로 선정하게 되었다.

위와 같은 조건에 따라 조류, 풍속 및 파고에 대한 켈리브레이션과 파압센서 및 분력센서에 대한 정확한 게인(gain)값을 도출하여 실험의 정확도를 제고하였다.

2차원 규칙파는 연구원이 그간의 예비실험을 통해 확보한 전달함수를 이용하여 오차범위 3% 이내로 확정하였다.

또한, 해상구조물의 다수의 실험을 통해서 국내외 불규칙 파랑데이터 스펙트럼을 확보하였고, 2차원 불규칙파의 경우 성분파 100개의 합성으로 생성하여, 목적스펙트럼의 불규칙 파랑이 발생하여 이를 검증하는 방법을 이용하여 목적스펙트럼(ITTC, JONSWAP, TMA Spectrum)에 가장 근접한 파랑을 확정하여 실해역 파랑에 대한 정확도를 재현하였다.

조류 및 풍속은 조류발생장치 및 풍속발생장치를 이용하였으며, 목적유속 및 풍속을 구현하기 위해 2.5m 전방에 유속계 및 풍속계를 설치하여 시행착오법을 이용하여 정확한 유속에 근접한 데이터를 도출하여 5%이내의 오차범위로 확정하였다.

이와 같이 모형실험의 결과값의 불확도를 최대한 줄이기 위해 실험환경 및 조건의 정확도를 높였으며, 또한 실험자에 대한 측정불확도를 최대한 줄이기 위하여 실험의 시작부터 마지막까지 동일한 실험자에 의해 수행되었다.

이러한 실험을 통해, 본 발명이 목적하는 바를 모두 확인할 수 있었으며, 이에 따라 우리나라 연안, 특히 남서해안의 특성에 맞는 국산형 해상구조물을 보다 내구성 높고 안전하게 설계, 제작, 건설, 운전할 수 있을 것으로 기대되었다.

덧붙여, 해양공학수조에 대한 주요 제원은 아래와 같다.

-해양공학수조 주요제원 : 28m 22m 2.5m (L B D)

-수조 실험가능 수심 : 0.8 ~ 2.5m

-조파기 : 수심과 연동한 조파모듈 구현가능

-최대파고 : 약 0.32m

-바람발생장치 풍속 : 최대 10m/sec

-조류발생장치 유속 : 최대 0.6m/sec

100 : 풍력발전기 110 : 잭업플랫폼
120 : 지지대 130 : 지지박스
140 : 분력계 150 : 파압센서

Claims (4)

1. 중력고정식 해상구조물과 대응되는 형상을 갖고 실물 크기 및 중량, 중량 분포 대비 일정 비율로 축소되게 해상모형구조물을 제작하는 해상모형구조물 제작단계;
   상기 중력고정식 해상구조물이 설치될 실제 해역에서 발생되는 파도, 조류, 바람에 의한 외력을 산정하는 외력 산정단계;
   상기 해상모형구조물의 지지대 하부에 미치는 수직하중과, 수면 및 수면 위에서 지지대에 미치는 파의 압력을 측정할 수 있도록 지지대의 하단 및 수면을 중심으로 상하 위치의 지지대에 센서를 설치하는 센서 설치단계;
   센서가 설치된 해상모형구조물을 해상공학수조에 안착시키고, 상기 외력 산정단계에서 산정된 외력을 발생시킬 수 있도록 바람발생장치, 조류발생장치를 설치한 후 외력을 발생시켜 각 센서들로부터 계측된 데이터를 획득한 후 Froude 상사법칙을 이용하여 실제 해상일 때로 확장하여 실제 해상에서 해상구조물이 받게 될 하중공진반력주기, 주파수에 따른 하중값, 파의 압력값을 산출하는 해상모형구조물 설치 및 계측단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 외력 산정단계에서, 파도는 불규칙파로서 우리나라 연안에 적합한 TMA 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 생성하기 위해서 목적 스펙트럼을 생성하여 조파 후, 파고계측기를 사용하여 파고를 계측하고 FFT해석을 수행하여 검증하는 방식으로 결정되고;
   풍속은 결정된 파고를 기준으로 하여 보퍼트 풍속계급(Beaufort Scale)을 적용하여 최대풍속을 결정하며;
   조류는 해상구조물이 설치될 해역의 최대 발생 가능한 조류속도를 기상청 통계자료를 토대로 하여 결정하는 것을 특징으로 하는 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 센서 설치단계에서, 상기 지지대의 수직하중에 대한 반력을 측정하는 센서는 스트레인게이지를 포함하는 분력계이고, 상기 파의 압력을 측정하는 센서는 파압센서인 것을 특징으로 하는 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법.
   
4. 청구항 3에 있어서;
   상기 지지대의 하단과 상기 분력계 사이에는 지지대가 파도나 조류에 의한 밀림 혹은 전복 가능성을 확인할 수 있도록 모래가 채워진 지지박스를 배치하되, 상기 지지대의 하단이 상기 모래 위에 안착되게 구비된 것을 특징으로 하는 중력고정식 해상구조물 수면하 다중 지지대의 수직방향 하중반력공진주기 및 운동성능에 대한 해양공학수조 실험방법.

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