KR101742752B1 - 강재타워와 dsct를 결합한 하이브리드 풍력타워 - Google Patents

강재타워와 dsct를 결합한 하이브리드 풍력타워 Download PDF

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이진학
박진순
박영현
주현희
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Abstract

본 발명은 하이브리드 풍력타워에 관한 것으로, 내부강관과 외부강관이 동심을 이루며 지면에 기립되고 내부강관과 외부강관 사이에 콘크리트가 채워진 DSCT 구조부와, DSCT 구조부 상부에 구비된 강재 구조부를 포함하며, 큰 하중을 견뎌야 하는 소성힌지부는 고강도를 갖는 DSCT 타워 구조로 형성되고, 소성힌지부 상부는 경제적인 강재 타워 구조로 형성되므로, 풍력타워의 안정성과 경제성 모두를 극대화 할 수 있는 효과가 있는, 강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워를 제공한다.

Description

강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워{HYBRID WIND POWER TOWER COMBINED WITH STEEL TOWER AND DSCT TOWER}
본 발명은 강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 지면과 가까운 하단부는 고강도를 가져 안전성이 우수한 DSCT(DOUBLE SKINNED COMPOSITE TUBULAR; 이중관 콘크리트 타워) 구조로 제작하고, 하단부 상측에 경제적인 강재 구조를 형성함으로써, 모멘트 저항 성능이 극대화됨과 동시에 경제성이 우수한 하이브리드 풍력타워를 제공하는 것이다.
MW급 풍력타워는, 평균적으로 높이가 80미터 내지 100미터이다. 풍력타워는, 고중량인 터빈의 무게뿐만 아니라, 발전시 터빈을 통해 발생된 추력 및 바람이 풍력타워에 부딪힘에 따라 풍력타워에 가해지는 풍하중에 의해 변형되지 않도록 제작되어야 한다.
현재, 풍력타워는 대부분 강재로 제작되고 있으며, 풍력터빈과 블레이드의 대형화에 따라 높이가 증대되고 있다. 이에 따라, 풍력타워의 세장비(SLEDERNESS RATIO)가 증가 된다. 세장비 증가는, 강재로 제작된 풍력타워의 좌굴 안정성(STABILITY)을 감소시킨다. 또한, 풍력타워 하부가 불가피하게 대구경화 되고, 이에 따라 풍하중이 증가 된다. 즉, 풍력타워의 높이가 증가 됨에 따라 풍력타워 외형 설계가 종래와 달라져야만 한다.
풍력타워의 좌굴 안정성 및 풍하중을 적정치로 유지하기 위해서, 고성능의 합성 구조 풍력타워가 개발 및 연구되고 있다.
고성능의 합성 구조 풍력타워로서, 내부구속 중공 철근콘크리트(ICH RC; INTERNALLY CONFINED HOLLOW REINFORCED CONCRETE) 풍력타워와 이중관 콘크리트 충전(DSCT; DOUBLE-SKINNED COMPOSITE TUBULAR) 풍력타워가 연구개발되고 있다.
ICH RC 풍력타워나, DSCT 풍력타워는 강재로 제작된 종래 풍력타워에 비해 더 작은 단면적으로 더 큰 하중을 지지할 수 있고, 세장비 증가에 따른 좌굴 안정성 저하가 급격히 발생되지 않기 때문에 좌굴파괴(BUCKLING FAILURE)의 문제가 없다.
그렇기 때문에, ICH RC 풍력타워나, DSCT 풍력타워는 강재로 제작된 종래 풍력타워에 비하여 더 큰 용량의 터빈을 지지하고, 더 긴 높이의 풍력타워를 제작하는데 활용될 수 있다.
그러나, ICH RC 풍력타워나, DSCT 풍력타워는, 종래 강재로 제작된 풍력타워에 비하여 높은 제작비가 발생된다.
한편, 풍력타워는 외팔보(CANTILEVER) 구조로서, 지면과 접하는 풍력타워 하단 부분 소성힌지부(PLASTIC HINGE)에 하중이 집중되는 구조이다. 하중이 집중되는 풍력타워 하단 부분 소성힌지부의 모멘트 저항성능이 가장 중요한 타워의 성능 평가의 척도이다.
대한민국 공개실용신안공보 제20-2015-0004366호(2015.12.07.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 지면과 가까운 하단부는 고강도를 가져 안전성이 우수한 DSCT(DOUBLE SKINNED COMPOSITE TUBULAR; 이중관 콘크리트 타워) 구조로 제작하고, 하단부 상측에 경제적인 강재 구조를 형성함으로써, 모멘트 저항 성능이 극대화됨과 동시에 경제성이 우수한, 강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워를 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 하이브리드 풍력타워는, 내부강관과 외부강관이 동심을 이루며 지면에 기립되고 내부강관과 외부강관 사이에 콘크리트가 채워진 DSCT 구조부와, DSCT 구조부 상부에 구비된 강재 구조부를 포함한다.
또한, 내부강관 또는 외부강관으로부터 강재 구조부가 연장되고, 콘크리트 상면이 DSCT 구조부 길이방향 중심축과 수직을 이루도록 평탄화되고, 콘크리트 상면에 강재 구조부와 DSCT 구조부의 결합력을 증대시키는 결합유지부재가 구비될 수 있다.
또한, 결합유지부재는, 콘크리트 상면에 고정된 디스크 형상의 스틸플레이트와, 강재 구조부에 접합되도록, 스틸플레이트의 폭방향을 따라 돌출형성된 보강재를 포함하며, 보강재가 소정간격으로 스틸플레이트에 다수개 형성될 수 있다.
또한, 콘크리트 상면이 DSCT 구조부 길이방향 중심축과 수직을 이루도록 평탄화되고, 콘크리트 상면에 안착되도록 강재 구조부의 단부에 디스크 플레이트가 형성되고, 콘트리트 상면에 안착된 디스크 플레이트가 내부강관 및 외부강관에 용접되고, 디스크 플레이트를 관통한 다수개의 볼트가 콘크리트에 체결될 수 있다.
또한, 디스크 플레이트의 내경 또는 외경이 강재 구조부 단부 직경과 같거나 또는, 디스크 플레이트의 내경이 강재 구조부 단부 직경보다 작고, 디스크 플레이트 외경이 강재 구조부 단부 직경 보다 클 수 있다.
또한, 디스크 플레이트 상면에 강재 구조부와 일면이 접합되도록 다수개의 보강재가 돌출형성될 수 있다.
또한, 디스크 플레이트의 내경이 강재 구조부 단부 직경보다 작고, 디스크 플레이트 외경이 강재 구조부 단부 직경 보다 크고, 강재 구조부의 단부를 기준으로 나눠진 디스크 플레이트의 이너섹터 또는 디스크 플레이트의 아웃터섹터에 볼트가 관통장착되는 관통홀이 다수개 형성될 수 있다.
또한, 내부강관으로부터 강재 구조부가 연장되고, 외부강관 단부에 강재 구조부와 접촉되도록 상부로 갈수록 직경이 축소되는 외부 확장관이 구비될 수 있다.
또한, 외부강관으로부터 강재 구조부가 연장되고, 내부강관 단부에 강재 구조부와 접촉되도록 상부로 갈수록 직경이 확대되는 내부 확장관이 구비될 수 있다.
또한, 내부강관 단부에 상부로 갈수록 직경이 확대되는 내부 확장관이 구비되고, 외부강관 단부에 상부로 갈수록 직경이 축소되는 외부 확장관이 구비되고, 내부 확장관과 외부 확장관이 접촉된 내부 확장관 및 외부 확장관의 단부에 강재 구조부의 단부가 접합될 수 있다.
또한, 내부강관의 폭방향 단면이 원형이고, 외부강관의 폭방향 단면이 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원이고, 외부강관의 폭방향 단면이 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원일 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 큰 하중을 견뎌야 하는 소성힌지부는 고강도를 갖는 DSCT 타워 구조로 형성되고, 소성힌지부 상부는 경제적인 강재 타워 구조로 형성되므로, 풍력타워의 안정성과 경제성 모두를 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 교각 또는 건물의 기둥 구조에 적용하기 용이하다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 하이브리드 풍력타워의 개요도,
도 2는 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 3은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 요부 사시도,
도 4는 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 5는 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 6은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 7은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 8은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 9는 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 10은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 11은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 12은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 길이방향 요부 단면도,
도 13은 도 1의 하이브리드 풍력타워의 폭방향 요부 단면도,
도 14는 도 1의 하이브리드 풍력타워의 폭방향 요부 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참고로, 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워는, 내부강관(110)과 외부강관(120)이 동심을 이루며 지면에 기립되고 내부강관(110)과 외부강관(120) 사이에 콘크리트(130)가 채워진 DSCT 구조부(100)와, DSCT 구조부(100) 상부에 구비된 강재 구조부(200)를 포함한다.
DSCT 구조부(100)는 앞서 기재한 바와 같이, 내부강관(110)과 외부강관(120) 사이에 콘크리트(130)가 채워진 구조이다. 본 발명은 DSCT 구조부(100)로써 소성힌지부를 형성한다.
본 발명의 일실시예의 하이브리드 풍력타워는, 도 2, 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 내부강관(110) 또는 외부강관(120)으로부터 강재 구조부(200)가 연장형성될 수 있다.
이러한 경우, 콘크리트(130) 상면은 DSCT 구조부(100) 길이방향 중심축과 수직을 이루도록 평탄화된다. 콘크리트(130) 상면에 강재 구조부(200)와 DSCT 구조부(100)의 결합력을 증대시키는 결합유지부재(300)가 구비된다.
결합유지부재(300)는, 콘크리트(130) 상면에 고정된 디스크 형상의 스틸플레이트(310)와, 강재 구조부(200)에 접합되도록, 스틸플레이트(310)의 폭 방향을 따라 돌출형성된 보강재(320)를 포함한다. 보강재(320)는 소정간격으로 스틸플레이트(310)에 다수개 형성된다.
본 발명의 일실시예의 하이브리드 풍력타워는, 도 4, 도 6, 도 7, 도 8, 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 콘크리트(130) 상면이 DSCT 구조부(100) 길이방향 중심축과 수직을 이루도록 평탄화되고, 콘크리트(130) 상면에 안착되도록 강재 구조부(200)의 단부에 디스크 플레이트(210)가 형성될 수 있다.
이러한 경우, 콘크리트(130) 상면에 안착된 디스크 플레이트(210)가 내부강관(110) 및 외부강관(120)에 용접된다. 또한, 디스크 플레이트(210)를 관통한 다수개의 볼트(220)가 콘크리트(130)에 체결된다.
디스크 플레이트(210) 상면에는, 강재 구조부(200)와 일면이 접합되도록 다수개의 보강재(230)가 돌출형성된다.
도 4 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 디스크 플레이트(210)는 디스크 플레이트(210)의 내경 또는 외경이 강재 구조부(200) 단부 직경과 같도록 제작될 수 있다.
또한, 도 7, 도 8 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 디스크 플레이트(210)는, 디스크 플레이트(210)의 내경이 강재 구조부(200) 단부 직경보다 작고, 디스크 플레이트(210) 외경이 강재 구조부(200) 단부 직경 보다 크게 제작될 수 있다.
이러한 경우, 강재 구조부(200)의 단부를 기준으로 나눠진 디스크 플레이트(210)의 이너섹터 또는 디스크 플레이트(210)의 아웃터섹터에 볼트(220)가 관통장착되는 관통홀이 다수개 형성된다.
본 발명의 일실시예의 하이브리드 풍력타워는, 도 10에 도시된 바와 같이, 외부강관(120)으로부터 강재 구조부(200)가 연장되고, 내부강관(110) 단부에 강재 구조부(200)와 접촉되도록 상부로 갈수록 직경이 확대되는 내부 확장관(400)이 구비될 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 내부강관(110)으로부터 강재 구조부(200)가 연장되고, 외부강관(120) 단부에 강재 구조부(200)와 접촉되도록 상부로 갈수록 직경이 축소되는 외부 확장관(500)이 구비될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 내부 확장관(400) 및 외부 확장관(500)이 동시에 내부강관(110) 단부 및 외부강관(120) 단부에 구비되고, 내부 확장관(400) 및 외부 확장관(500)의 접합부 상부로 강재 구조부(200)가 연장 형성될 수도 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 내부강관(110)의 폭방향 단면은 원형이고, 외부강관(120)의 폭방향 단면은 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원으로 제작될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 외부강관(120)의 폭방향 단면은 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원으로 제작될 수도 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워는, DSCT 구조로 지면에 가까운 소성힌지부를 형성하게 되므로, 구조적 안정성이 매우 높아진다. 특히, 좌굴 안정성이 종래 강재 타워에 비해 매우 높으므로, 더 얇은 직경의 소성힌지부 설계를 가능케 한다.
또한, 소성힌지부 상단에 풍력타워 제작에 익히 적용되어온 강재 구조를 안착시켜 목표로 하는 타워의 높이를 충족하게 되므로, 총 타워제작 비용을 최소화시킨다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 강재타워와 DSCT를 결합한 하이브리드 풍력타워를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100: DSCT 구조부
110: 내부강관
120: 외부강관
130: 콘크리트
200: 강재 구조부
210: 디스크 플레이트
220: 볼트
230: 보강재
300: 결합유지부재
310: 스틸플레이트
320: 보강재
400: 내부 확장관
500: 외부 확장관

Claims (11)

  1. 삭제
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  8. 삭제
  9. 내부강관과 외부강관이 동심을 이루며 지면에 기립되고 상기 내부강관과 상기 외부강관 사이에 콘크리트가 채워진 DSCT 구조부;
    상기 외부강관으로부터 연장되어 상기 DSCT 구조부 상부에 구비되는 강재 구조부; 및
    일단이 상기 내부강관의 단부에 접합되고 상부로 갈수록 직경이 확대되도록 형성되어 타단이 상기 강재 구조부의 단부에 접합되는 내부 확장관을 포함하여 구성됨으로써,
    상기 외부강관에 의해 상기 강재 구조부가 지지되는 동시에, 상기 내부강관 및 상기 내부 확장관에 의해 상기 외부강관과 상기 강재 구조부의 내측에서도 상기 강재 구조부가 지지되는 것에 의해, 종래의 강재 타워에 비해 구조적 안정성 및 좌굴 안정성이 향상되고 전체적인 시공비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력타워.
  10. 내부강관과 외부강관이 동심을 이루며 지면에 기립되고 상기 내부강관과 상기 외부강관 사이에 콘크리트가 채워진 DSCT 구조부;
    상기 DSCT 구조부 상부에 구비되는 강재 구조부;
    일단이 상기 내부강관의 단부에 접합되고 상부로 갈수록 직경이 확대되도록 형성되어 타단이 상기 강재 구조부의 단부에 접합되는 내부 확장관; 및
    일단이 상기 외부강관의 단부에 접합되고 상부로 갈수록 직경이 축소되도록 형성되어 타단이 상기 강재 구조부의 단부에 접합되는 외부 확장관을 포함하여 구성됨으로써,
    상기 외부강관과 상기 외부 확장관에 의해 상기 강재 구조부가 지지되는 동시에, 상기 내부강관 및 상기 내부 확장관에 의해 상기 외부강관과 상기 강재 구조부의 내측에서도 상기 강재 구조부가 지지되는 것에 의해, 종래의 강재 타워에 비해 구조적 안정성 및 좌굴 안정성이 향상되고 전체적인 시공비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력타워.
  11. 삭제
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