KR102224134B1

KR102224134B1 - 프리스트레스 콘크리트 압력용기

Info

Publication number: KR102224134B1
Application number: KR1020200003193A
Authority: KR
Inventors: 서성집; 이종보; 이동현
Original assignee: 한국이미지시스템(주)
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-03-08

Abstract

본 발명은 고압가스를 저장하기 위한 압력용기에 있어서, 제1,2텐던 분배 장치에 의하여 수평 텐던 부재가 설치되고, 이후 수평 텐던 부재가 설치된 후 원환 텐던 부재가 설치되는 구조를 가진 PS(pre-stress)강재에 의하여 콘크리트 벽체에 미리 압축응력이 걸리도록 하여 콘크리트의 인장강도를 보강한 프리스트레스 콘크리트 압력용기에 관한 것이다.

Description

프리스트레스 콘크리트 압력용기{PRESTRESSED CONCRETE PRESSURE VESSELS}

본 발명은 고압가스를 저장하기 위한 압력용기에 관한 것으로, 구체적으로는 PS(pre-stress)강재에 의하여 미리 압축응력이 걸리도록 하여 콘크리트의 인장강도를 보강한 프리스트레스 콘크리트 벽체를 구비한 프리스트레스 콘크리트 압력용기에 관한 것이다.

현재 각종 고압가스를 저장하기 위한 압력용기가 널리 사용되고 있으며, 아울러 보다 높은 압력으로 고압가스를 저장하기 위한 기술이 개발되고 있다.

일반적으로 고압가스를 연료로 하는 차량의 종류로 천연가스 사용 차량과 수소가스 사용 차량을 들 수 있으며, 연료가스탱크는 천연가스일 때 200~300bar의 압력에 적합하여야 하고, 수소가스는 350bar 혹은 700bar의 압력에 적합하여야 한다. 근래에는 연료가스탱크의 에너지 밀도를 높이기 위하여 1000bar까지 연구하고 있는 실정이다.

이러한 연료가스탱크에 압축가스를 충전하기 위해서는 더 높은 압력이 필수적이며 350bar 혹은 700bar의 수소연료탱크에 충전할 경우에는 430bar 혹은 860bar 이상의 압력이 되어야 한다. 이를 위하여는 고압 압축설비를 마련하거나, 혹은 860bar 이상의 고압용기(가스 스테이션)를 설치하면 가능하다.

그러나 고압 압축설비는 압축시 에너지소비가 높고 또한 설비 비용이 높은 단점이 있다.

또한 매우 높은 압력의 고압가스가 저장된 고압용기를 철재로 제작하는 경우 실린더의 벽체가 두꺼워져 경제성이 없을 뿐만 아니라 현실적으로 제작이 불가능하다는 문제가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 콘크리트에 프리스트레스를 인가한 프리스트레스 콘크리트(pre-stressted concrete, "PSC") 고압용기가 제안된 바 있다.

이와 관련된 종래의 기술로서, 미국특허 US 3,863,408 "PRESTRESSED CONCRETE TANKS FOR LIQUID NATURAL GAS TANKERS", 미국특허 US 4,313,902 "PRESTRESSED CONCRETE PRESSURE VESSELS", 미국특허 US 4,389,825 "PRESTRESSED CONCRETE PRESSURE VESSELS WITH INCREASED PRESSURE RETAINING CAPABILITY" 등이 제안된 바 있다.

이와 같은 종래의 기술은, 금속재 실린더의 외부에 프리스트레스 콘크리트 벽체를 마련하는 것이다.

그러나 상기 종래 기술들은, 프리스트레스 콘크리트를 벽체로 이용하고 있을 뿐이며, 보다 가볍고 간편하게 제작 가능한 콘크리트 고압용기에 관하여 언급되어 있지 않다.

즉 상기 종래 기술들은, 콘크리트의 두께가 너무 두껍고 무거워 이동이 어렵고 설치 면적이 커지는 단점이 있고, 무게와 체적으로 인하여 대형차량의 가스연료탱크 등으로 생각조차 할 수 없다.

따라서 보다 간편하게 PS(Pre-stress) 강재를 설치하고, 콘크리트 벽체의 두께를 줄여 보다 경량화된 프리스트레스 콘크리트 압력용기의 개발이 시급하다.

미국특허 US 3,863,408 "PRESTRESSED CONCRETE TANKS FOR LIQUID NATURAL GAS TANKERS" 미국특허 US 4,313,902 "PRESTRESSED CONCRETE PRESSURE VESSELS" 미국특허 US 4,389,825 "PRESTRESSED CONCRETE PRESSURE VESSELS WITH INCREASED PRESSURE RETAINING CAPABILITY"

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보다 간편하게 PS(Pre-stress) 강재를 설치하고, 콘크리트 벽체의 두께를 줄여 보다 경량화된 프리스트레스 콘크리트 압력용기를 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 링 형태의 단면 구조가 길이방향으로 연장되는 용기 본체와 상기 용기 본체의 길이방향 일단부에 마련되는 제1헤드부와 상기 용기 본체의 길이방향 타단부에 마련되는 제2헤드부를 포함하여 이루어지며, 상기 용기 본체와 상기 제1헤드부와 상기 제2헤드부에 의하여 내부에 저장용 공간이 형성되는 내부 용기 ; 상기 용기 본체의 길이방향으로 연장되는 제1연장다리와 복수의 제1텐던 홀더가 형성되며 상기 제1연장다리의 일단부에 결합되는 제1텐던 지지판과 상기 제1연장다리의 타단부에 결합되어 상기 내부 용기의 제1헤드부의 외측면에 밀착되는 제1헤드 밀착판을 포함하여 이루어지는 제1텐던 분배장치 ; 상기 용기 본체의 길이방향으로 연장되는 제2연장다리와 상기 제2연장다리의 일단부에 결합되어 상기 내부 용기의 제2헤드부의 외측면에 밀착되는 제2헤드 밀착판과 복수의 제2텐던 홀더가 형성되며 상기 제2연장다리의 타단부에 결합되는 제2텐던 지지판을 포함하여 이루어지는 제2텐던 분배장치 ; 상기 제1텐던 홀더에 의하여 자세가 고정되면서 상기 제1텐던 지지판의 외측면을 따라 연장되는 복수의 제1수평 지지용 텐던부와, 상기 제2텐던 홀더에 의하여 자세가 고정되면서 상기 제2텐던 지지판의 외측면을 따라 연장되는 복수의 제2수평 지지용 텐던부와, 상기 용기 본체의 외측에서 상기 용기 본체의 길이 방향을 따라 연장되면서 상기 제1수평 지지용 텐던부와 상기 제2수평 지지용 텐던부를 서로 연결하면서 프리스트레스가 인가된 복수의 수평 텐던부를 포함하여 이루어지는 수평 텐던 부재 ; 상기 용기 본체의 외측에서 상기 용기 본체의 원주 방향을 따라 연장되며 상기 수평 텐던부에 프리스트레스를 인가하는 원환 텐던 부재 ; 상기 내부 용기의 외측에 형성되며 상기 제1텐던 분배장치, 상기 제2텐던 분배장치, 상기 수평 텐던 부재, 상기 원환 텐던 부재가 내부에 매립되는 콘크리트 벽체 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 용기 본체와 마주보는 형태의 금속 외벽 실린더가 상기 콘크리트 벽체의 외벽에 밀착되어 마련되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 원환 텐던 부재는 상기 복수의 수평 텐던부의 외측에서 상기 복수의 수평 텐던부를 감싸는 형태로 나선상으로 감기면서 상기 수평 텐던부에 프리스트레스를 인가하는 것일 수 있다.

상기에 있어서, 상기 내부 용기의 제1헤드부를 관통하는 형태로 제1노즐이 마련되며, 상기 제1연장다리는 상기 제1노즐이 관통하는 파이프 형태인 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 제1텐던 홀더는 상기 제1텐던 지지판의 가장자리에 홈 형태로 형성되며, 상기 제1수평 지지용 텐던부는 2개의 상기 제1텐던 홀더를 지나면서 그 자세가 고정되는 것일 수 있다.

상기에 있어서, 상기 용기 본체와 상기 복수의 수평 텐던부를 서로 이격시키기 위하여 상기 용기 본체의 길이방향 중앙부에 상기 용기 본체를 감싸는 형태로 보조 링이 마련되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명은, 보다 간편하게 PS(Pre-stress) 강재를 설치하고, 콘크리트 벽체의 두께를 줄여 보다 경량화된 프리스트레스 콘크리트 압력용기를 제공한다.

도 1은 내부압력에 의한 다양한 형태의 콘크리트 벽체의 압축력과 인장력의 상호 관계도,
도 2는 본 발명의 제1실시례에 의한 프리스트레스 콘크리트 압력용기의 단면도 및 수평 텐던부와 원환 텐던 부재의 상호 장력도,
도 3은 도 2의 제1텐던 분배 장치의 일부 절개 사시도,
도 4는 도 2의 제1텐던 분배 장치의 제1텐던 지지판과 수평 텐던 부재의 제1수평 지지용 텐던부의 관계를 A-A 기준으로 도시한 도면,
도 5는 도 2의 B-B 기준 단면도,
도 6은 다른 형태의 제1텐던 분배 장치가 내부 용기에 장착된 상태의 개념 단면도,
도 7은 본 발명의 제2실시례에 의한 프리스트레스 콘크리트 압력용기의 단면도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저 본 발명의 기본 원리에 대하여 설명한다.

도 1은 내부압력에 의한 다양한 형태의 콘크리트 벽체의 압축력과 인장력의 상호 관계도이다.

도 1의 (a)는 콘크리트 벽체가 프리스트레스가 없는 일반적인 콘크리트인 경우이다.

내부압력(Pi)이 올라가면 콘크리트 벽체 상부에 압축력이 생기고 동시에 콘크리트 벽체 하부에 인장력이 생긴다. 그러나 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 1/10~1/20로 매우 낮아 콘크리트 벽체 하부에 균열이 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 보완하기 위하여 도 1의 (b)와 같은 프리스트레스 콘크리트(Pre-stressed concrete)를 사용하게 된다.

도 1의 (b)는 콘크리트 벽체 내부에 PS(pre-stress) 강재가 존재하는 프리스트레스 콘크리트(Pre-stressed concrete, "PSC") 벽체의 경우이다.

PS(pre-stress) 강재에 의하여 콘크리트 벽체에는 미리 압축응력이 걸리게 된다. 또한 내부압력(Pi)에 의하여 콘크리트 벽체 상부에 압축력이 생기고 동시에 콘크리트 벽체 하부에 인장력이 생긴다.

결과적으로 콘크리트 벽체 상부는 압축력이 더욱 증가하며, 콘크리트 벽체 하부는 내부압력에 의한 인장력이 PS 강재에 의한 압축력으로 상쇄되어 콘크리트 벽체의 균열을 방지할 수 있다.

도 1의 (c)는 프리스트레스 콘크리트(Pre-stressed concrete, "PSC") 벽체의 외벽이 아치형 구조로 형성된 경우이다.

PS(pre-stress) 강재에 의하여 콘크리트 벽체에는 미리 압축응력이 걸리게 되며, 콘크리트 벽체의 하부 외벽의 아치형 구조로 인하여 콘크리트 벽체의 하부에는 압축력이 걸리게 된다.

이 상태에서 내부압력(Pi)에 의하여 콘크리트 벽체 상부에 압축력이 생기고 동시에 콘크리트 벽체 하부에 인장력이 생긴다.

결과적으로 콘크리트 벽체 상부는 압축력이 더욱 증가하며, 콘크리트 벽체 하부는 내부압력에 의한 인장력이 PS 강재의 압축력으로 일부 상쇄되며, 콘크리트 외벽의 아치형 구조에 의한 압축력으로 나머지 내부압력에 의한 인장력을 상쇄시킨다.

도 1의 (d)는, 도 1의 (c)의 변형 형태로서, 프리스트레스 콘크리트(Pre-stressed concrete, "PSC") 벽체에 복수의 PS 강재층이 존재하는 경우이다.

압력용기의 내부 압력이 700 bar를 초과하고 실린더의 직경이 1000mm를 초과하면 콘크리트 벽체의 두께가 점점 두꺼워지므로 콘크리트 벽체의 외벽 부근에도 PS강재를 설치할 수 있으며, 이와 같이 복수의 PS 강재층을 만들어 압축강도를 증가시킬 수 있다.

도 1의 (e)는, 콘크리트 벽체의 외벽면에 금속 외벽 실린더를 마련한 경우이다.

금속은 압축강도와 인장강도가 비슷한 물리적 특성을 가지고 있다.

따라서 콘크리트 벽체의 외벽면에 밀착 설치된 금속재의 금속 외벽 실린더는, 콘크리트 벽체의 인장력을 원주 방향으로 분산 상쇄시키므로, 콘크리트의 단점인 인장력이 차단되어 균열을 막고, 콘크리트의 장점인 큰 압축력만을 이용할 수 있는 장점이 있다.

다음으로 본 발명에서 콘크리트 벽체(400)를 이루는 콘크리트 및 프리스트레스 콘크리트에 대하여 설명한다.

근래 다방면에서 고강도 콘크리트 조성물이 개발되었고 본 발명은 이를 이용하여 압력용기를 제작하고자 한다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0686350호 "초고강도 콘크리트 조성물"에는 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄, 무수석고를 적정비율로 혼합된 결합재를 사용하여, 12~15중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되어 150MPa를 넘는 강도가 발현되는 초고강도 콘크리트 조성물이 제시되어 있다.

또한 2016년 현대건설이 일반적인 아파트 건설에 사용되는 콘크리트(약 18~27MPa)에 비해 약 10배 정도 높은 콘크리트를 개발하여 1,000m(약 270층) 규모의 초고층빌딩을 건설할 수 있는 180MPa의 콘크리트 개발에 성공하였다.

그러나 콘크리트의 물리적 특성은 압축력(compressive strength)에는 강하지만, 인장력(tensile strength)은 압축강도의 1/10~1/20에 불과하여 압력용기의 외벽으로 사용할 경우 두께가 엄청나게 늘어날 수 있다.

따라서 PSC 구조물로 구현하여 압축력은 작용하되 인장력이 작용하지 않도록 하면 매우 튼튼한 구조재료로서 사용할 수 있다.

초고강도 콘크리트는 압축강도가 150~230MPa, 휨 인장강도 15~60MPa로 일반 콘크리트에 비해 약 8배, 고강도 콘크리트에 비해 약 4배로 강도가 크게 향상된 콘크리트이다.

또한 초고강도 콘크리트는 고연성과 고인성을 갖춘 것으로 전체 체적 대비 약 1.5~2.0% 정도의 섬유가 혼입되면, 초기 균열 발생 이후 섬유가 가교작용을 하면서 미세균열이 분산되고 변형률 경화 현상이 발생하는 등 연성거동을 통해 취성파괴를 방지하는 효과가 있다.

철근콘크리트 구조물의 일반적인 특성에 있어서 철근은 콘크리트에 비해 100배 이상의 인장력에 견딜 수 있으므로 철근을 콘크리트 속에 넣어 PSC(pre-stressed concrete)로 만들면 콘크리트의 단점인 약한 인장력을 강화할 수 있어 내부 압력에 의해 콘크리트 벽체에 균열이 생기는 것을 방지할 수 있다.

PSC에 내장된 PS강재에 관해서는 이것을 인장하여 미리 스트레스를 준 다음 내부 용기의 외측에 설치된 형틀에 콘크리트를 흘려 넣거나 혹은 콘크리트를 분사해서 굳혀버리면 콘크리트 벽체를 가진 압력용기가 완성된다.

이렇게 완성된 콘크리트 압력용기는 수축하려는 PS강재에 의해 항상 압축력을 받고 있는 상태가 되고, 표면에 수직하중을 받으면 압력용기의 중심선을 기준으로 내벽은 압축력을 받고, 외벽은 인장력을 받게 된다. 이때 이미 압축력이 콘크리트 구조물 전체에 걸쳐 분포하고 있기 때문에 중심선 위쪽은 압축력이 더욱 증가하고, 중심선 아래쪽은 압축력과 인장력이 서로 상쇄되어 응력이 없어지게 된다. 따라서 PS강재는 콘크리트가 견디기 힘든 인장력이 작용하는 부분을 없애 콘크리트의 단점이 보완되는 역할을 해준다.

한편 PSC(pre-stressed concrete) 압력용기는, 압축력을 발생시키기 위하여 PS강재를 어느 시점에 인장할 것인지에 따라 프리텐션 방식(pre-tensioning system)과 포스트텐션(post-tensioning system) 방식이 있으며, 소형 압력용기에는 프리텐션 방식으로 하며, 대형 압력용기는 포스트텐션 방식으로 수행할 수 있다.

다음으로 본 발명에 의한 제1실시례를 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시례에 의한 프리스트레스 콘크리트 압력용기의 단면도 및 수평 텐던부와 원환 텐던 부재의 상호 장력도이며, 도 3은 도 2의 제1텐던 분배 장치의 일부 절개 사시도이며, 도 4는 도 2의 제1텐던 분배 장치의 제1텐던 지지판과 수평 텐던 부재의 제1수평 지지용 텐던부의 관계를 A-A 기준으로 도시한 도면이며, 도 5는 도 2의 B-B 기준 단면도이며, 도 6은 다른 형태의 제1텐던 분배 장치가 내부 용기에 장착된 상태의 개념 단면도이다.

본 발명에 의한 일 실시예인 콘크리트 압력용기는, 크게 내부 용기(100), 제1,2텐던 분배 장치(210, 220), 수평 텐던 부재(310), 원환 텐던 부재(320), 콘크리트 벽체(400), 금속 외벽 실린더(500) 등으로 이루어진다.

내부 용기(100)는 금속으로 제작되며, 링 형태의 단면 구조가 길이방향으로 연장되는 용기 본체(130)와, 용기 본체의 길이방향 일단부에 마련되는 제1헤드부(110)와, 용기 본체의 길이방향 타단부에 마련되는 제2헤드부(120)를 포함하여 이루어진다.

용기 본체(130)의 길이방향 중앙부에 용기 본체(130)를 감싸는 형태로 보조 링(131)이 마련된다.

용기 본체(130)와 제1헤드부(110)와 제2헤드부(120)에 의하여 내부에 저장용 공간(140)이 형성되며, 내부 용기(100)는 10~20bar 정도의 압력을 견딜 수 있는 용기이다.

아울러 제1헤드부(110)에는 고압가스의 입출구 등을 위한 제1노즐(111)이 제1헤드부(110)의 중앙부를 관통하는 형태로 마련되어 있다.

제1노즐(111)은 제1헤드부(110)에 용접으로 결합되며 고압가스의 입출구로서 기능하기 위하여 외부장치와 연계할 수 있도록 마련된다.

마찬가지 방식으로 제2헤드부(120)에는 제2노즐(121)이 마련되어 있다.

본 실시례에서 내부 용기(100)는 수평 방향으로 연장되는 실린더 형태이지만, 경우에 따라서 내부 용기(100)는 수직 방향으로 연장되는 실린더 형태일 수도 있다.

이와 같은 제1헤드부(110) 및 제2헤드부(120)에 제1텐던 분배장치(210) 및 제2텐던 분배장치(220)가 각각 마련된다.

본 실시례에서 제1텐던 분배장치(210) 및 제2텐던 분배장치(220)는 동일한 형태이므로 제1텐던 분배장치(210)에 대해서만 설명한다.

제1텐던 분배장치(210)는, 제1연장다리(211)와, 제1텐던 지지판(212)과, 제1헤드 밀착판(213)을 포함하여 이루어지며, 수평 텐던 부재(310)를 효과적으로 분산 설치하기 위한 것이다.

제1연장다리(211)는 용기 본체(130)의 길이방향으로 연장되는 형태이다.

본 실시례에서 제1연장다리(211)는 제1노즐(111)이 관통하는 파이프 형태이다.

제1텐던 지지판(212)은 제1연장다리(211)의 일단부에 결합되며 복수의 제1텐던 홀더(212a)가 형성되어 있다.

본 실시례에서 제1텐던 홀더(212a)는 제1텐던 지지판(212)의 가장자리에 형성된 홈 형태이다.

즉 제1텐던 지지판(212)의 가장자리를 따라 반원형의 홈인 제1텐던 홀더(212a)가 복수개 형성된다. 구체적으로 복수의 제1텐던 홀더(212a)는 제1텐던 지지판(212)의 가장자리를 따라 소정의 각도마다 반복적으로 형성된다.

제1텐던 지지판(212)은 도 2와 같이 곡면 형태로 형성될 수도 있지만, 도 6과 같이 평면 형태로 형성될 수도 있다.

아울러 제1텐던 지지판(212)은 용기 본체(130)의 직경보다 큰 직경을 가진다.

제1헤드 밀착판(213)은 제1연장다리(211)의 타단부에 결합되며 내부 용기(100)의 제1헤드부(110)의 외측면에 밀착된다.

즉 제1헤드 밀착판(213)은 제1헤드부(110)의 형태에 대응되는 형태를 가진다.

제2텐던 분배 장치(220)는 제2헤드부(120)에 배치된다는 점을 제외하고는 제1텐던 분배 장치(210)와 동일하다.

즉 제2텐던 분배 장치(220)는, 용기 본체의 길이방향으로 연장되는 제2연장다리와, 제2연장다리의 일단부에 결합되어 내부 용기의 제2헤드부의 외측면에 밀착되는 제2헤드 밀착판과, 복수의 제2텐던 홀더가 형성되며 제2연장다리의 타단부에 결합되는 제2텐던 지지판을 포함하여 이루어진다.

제1텐던 분배 장치(210) 및 제2텐던 분배 장치(220)가 설치된 후, 수평 텐던 부재(310), 원환 텐던 부재(320), 콘크리트 벽체(400)로 이루어지는 프리스트레스 콘크리트 벽체가 형성된다.

먼저 제1텐던 분배 장치(210) 및 제2텐던 분배 장치(220)를 이용하여 수평 텐던 부재(310, horizontal tendon member)가 설치되며, 수평 텐던 부재(310)가 설치된 후 원환 텐던 부재(320, hoop tendon member)가 설치되며, 이후 콘크리트 벽체(400)가 형성된다.

본 실시례에서 수평 텐던 부재(310)와 원환 텐던 부재(320)는 콘크리트 벽체(400)에 미리 압축응력이 걸리도록 하는 PS(pre-stress)강재로서, 그 위치 및 배치 구조에 따라 다르게 명명한 것이다.

본 실시례에서 수평 텐던 부재(310)는 강선으로 이루어진다.

본 실시례에서 수평 텐던 부재(310)는 하나의 PS강재를 제1텐던 지지판(212)과 제2텐던 지지판을 따라 반복하여 감는 형태로 일정한 장력을 가하면서 설치하는 것이다.

수평 텐던 부재(310)는 복수의 제1수평 지지용 텐던부(311)와 복수의 제2수평 지지용 텐던부(312)와 복수의 수평 텐던부(313)를 포함하여 이루어진다.

제1수평 지지용 텐던부(311)는, 제1텐던 홀더(212a)에 의하여 자세가 고정되면서 제1텐던 지지판(212)의 외측면을 따라 연장되는 형태이다. 특히 본 실시례에서 제1수평 지지용 텐던부(311)는 양 단부가 2개의 제1텐던 홀더(212a)를 지나며 중앙부가 제1노즐(111)의 외주면에 지지되는 형태로 제1텐던 지지판(212)의 외측면에 배치된다.

제2수평 지지용 텐던부(312)는 제2텐던 지지판에 배치된다는 점을 제외하고는 제1수평 지지용 텐던부(311)와 동일한 형태로 배치된다.

즉 제2수평 지지용 텐던부(312)는 제2텐던 홀더에 의하여 자세가 고정되면서 제2텐던 지지판의 외측면을 따라 연장되는 형태이다.

수평 텐던부(313)는, 용기 본체(130)의 외측에서 용기 본체(130)의 길이 방향을 따라 연장되면서 제1수평 지지용 텐던부(311)와 제2수평 지지용 텐던부(312)를 서로 연결하면서 일정한 장력에 의하여 프리스트레스가 인가된다.

이와 같은 수평 텐던부(313)는 용기 본체(130)의 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 복수개 마련된다.

이와 같은 수평 텐던 부재(310)를 이용하여 원환 텐던 부재(320, hoop tendon member)가 설치된다.

원환 텐던 부재(320)는, 용기 본체(130)의 외측에서 용기 본체(130)의 원주 방향을 따라 연장되면서 수평 텐던부(313)에 프리스트레스를 인가한다.

본 실시례에서 원환 텐던 부재(320)는 복수의 수평 텐던부(313)의 외측에서 일정한 장력과 일정한 간격으로 복수의 수평 텐던부(313)를 감싸는 형태로 나선상으로 감기면서 원주방향으로 압축응력을 발생시킴과 동시에 곡률에 의하여 안쪽, 방사상 내측방향으로 작용하는 힘을 발생시킨다

이에 의하여 수평 텐던부(313)는 아치형으로 변형되면서 휨 모멘트가 발생하고 용기 본체(130)의 길이방향으로의 인장력이 발생하여 제1,2텐던 분배 장치(210, 220)에 압축력을 증가시키며, 콘크리트 벽체(400) 형성 후에 콘크리트 벽체(400)의 압축력을 증가시키게 된다.

따라서 수평 텐던부(313)는 원환 텐던 부재(320)에 의하여 후술하는 콘크리트 벽체(400)에 강력한 압축력을 인가하게 된다.

한편 용기 본체(130)의 길이방향 중앙부에 마련된 보조 링(131)에 의하여 수평 텐던부(313)의 변형 범위는 보조 링(131)과 접하는 형태까지로 한정된다.

따라서 보조 링(131)에 의하여 복수의 수평 텐던부(313)는 용기 본체(130)와 이격될 수 있으며, 이로 인하여 수평 텐던부(313)는 콘크리트 벽체(400)와의 밀착력이 향상된다.

상기와 같이 제1텐던 분배장치(210), 제2텐던 분배장치(220), 수평 텐던 부재(310), 원환 텐던 부재(320)가 설치된 후 내부 용기(100)의 외측에 콘크리트 벽체(400)를 형성한다.

이에 의하여 제1텐던 분배장치(210), 제2텐던 분배장치(220), 수평 텐던 부재(310), 원환 텐던 부재(320)는 콘크리트 벽체(400)의 내부에 매립되는 형태가 된다.

이와 같이 금속 구조물의 설치를 완료한 후에 투입되는 콘크리트의 압축강도는 압력용기의 내부압력에 따라 적절하게 선택될 수 있으며 그 범위는 50~230MPa 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

아울러 PSC의 균열을 막고 인장력을 키우기 위하여 콘크리트 타설시 강섬유, 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등을 전체 체적에 대하여 1~2% 정도 혼입할 수도 있다.

또한 콘크리트를 투입하면 시멘트 및 골재의 침하와 동시에 블리딩(bleeding)이 발생하고 수축이 발생하는 콘크리트의 물리적인 성질을 방지하기 위하여, 콘크리트의 각 구성재료가 상호 접촉하고 시멘트 페이스트가 어느 정도 응결될 때까지 PSC 구조물을, 중심축을 중심으로 완만하게 회전시키면서 응고되게 하여 골재의 침하를 방지하고 전체적으로 고른 압축강도를 가지게 하고 수축을 최대한 방지하여 PSC 압력용기의 외주면에 고른 압축력이 발생되도록 하는 것이 바람직하다.

이렇게 형성된 콘크리트 벽체(400)는, PS강재에 의하여 항상 압축력을 받고 있는 상태가 되고, 수직하중을 받으면 PSC의 중심선을 기준으로 윗부분은 압축력, 아랫부분은 인장력을 받는 상태가 되고, 이때 이미 압축력이 콘크리트 벽체 전체에 걸쳐 분포하고 있기 때문에 중심선 위쪽은 압축력이 더욱 증가하고, 중심선 아래쪽은 압축력과 인장력이 서로 상쇄되어 응력이 없어지게 된다. 따라서 PS강재는 콘크리트가 견디기 힘든 인장력이 작용하는 부분을 없애 콘크리트의 약점이 보완되는 역할을 해준다.

따라서 압력용기의 원주 및 축 방향으로 배치된 PS강재는 외부 충격이나 지진과 같은 충격에 대한 저항을 높이고 압력용기에 강성을 부여하는 기능과 콘크리트의 상대적으로 높은 중량은 외부의 충격을 담당하기에 충분한 장점이 있다.

이하 본 발명에 의한 제2실시례를 설명한다.

도 7은 본 발명의 제2실시례에 의한 프리스트레스 콘크리트 압력용기의 단면도이다.

본 실시례는, 콘크리트 벽체(400)의 외벽에 용기 본체(130)와 마주보는 형태(혹은 용기 본체(130)의 방사상 방향 외측을 감싸는 형태)로 배치된 금속 외벽 실린더(400)가 마련된다는 점을 제외하고는 제1실시례와 동일하다.

금속은 압축강도와 인장강도가 비슷한 물리적 특성을 가지고 있으므로, 콘크리트 벽체(400)의 외벽에 마련된 금속 외벽 실린더(400)는 콘크리트 벽체(400)에 밀착되어 있으므로 콘크리트 벽체(400)의 인장력을 원주 방향으로 분산 상쇄시켜 콘크리트의 단점인 약한 인장력을 보완하면서 장점인 압축력을 이용할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 구조로 콘크리트 벽체(400)의 균열을 확실히 방지하고 콘크리트의 장점인 큰 압축력만을 이용할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 내부 용기
110 : 제1헤드부 111 : 제1노즐
120 : 제2헤드부 121 : 제2노즐
130 : 용기 본체 131 : 보조 링
140 : 저장용 공간
210 : 제1텐던 분배 장치 211 : 제1연장다리
212 : 제1텐던 지지판 212a : 제1텐던 홀더
213 : 제1헤드 밀착판
220 : 제2텐던 분배 장치
310 : 수평 텐던 부재 311 : 제1수평 지지용 텐던부
312 : 제2수평 지지용 텐던부 313 : 수평 텐던부
320 : 원환 텐던 부재
400 : 콘크리트 벽체
500 : 금속 외벽 실린더

Claims

링 형태의 단면 구조가 길이방향으로 연장되는 용기 본체와 상기 용기 본체의 길이방향 일단부에 마련되는 제1헤드부와 상기 용기 본체의 길이방향 타단부에 마련되는 제2헤드부를 포함하여 이루어지며, 상기 용기 본체와 상기 제1헤드부와 상기 제2헤드부에 의하여 내부에 저장용 공간이 형성되는 내부 용기 ;
상기 용기 본체의 길이방향으로 연장되는 제1연장다리와 복수의 제1텐던 홀더가 형성되며 상기 제1연장다리의 일단부에 결합되는 제1텐던 지지판과 상기 제1연장다리의 타단부에 결합되어 상기 내부 용기의 제1헤드부의 외측면에 밀착되는 제1헤드 밀착판을 포함하여 이루어지는 제1텐던 분배장치 ;
상기 용기 본체의 길이방향으로 연장되는 제2연장다리와 상기 제2연장다리의 일단부에 결합되어 상기 내부 용기의 제2헤드부의 외측면에 밀착되는 제2헤드 밀착판과 복수의 제2텐던 홀더가 형성되며 상기 제2연장다리의 타단부에 결합되는 제2텐던 지지판을 포함하여 이루어지는 제2텐던 분배장치 ;
상기 제1텐던 홀더에 의하여 자세가 고정되면서 상기 제1텐던 지지판의 외측면을 따라 연장되는 복수의 제1수평 지지용 텐던부와, 상기 제2텐던 홀더에 의하여 자세가 고정되면서 상기 제2텐던 지지판의 외측면을 따라 연장되는 복수의 제2수평 지지용 텐던부와, 상기 용기 본체의 외측에서 상기 용기 본체의 길이 방향을 따라 연장되면서 상기 제1수평 지지용 텐던부와 상기 제2수평 지지용 텐던부를 서로 연결하면서 프리스트레스가 인가된 복수의 수평 텐던부를 포함하여 이루어지는 수평 텐던 부재 ;
상기 용기 본체의 외측에서 상기 용기 본체의 원주 방향을 따라 연장되며 상기 수평 텐던부에 프리스트레스를 인가하는 원환 텐던 부재 ;
상기 내부 용기의 외측에 형성되며 상기 제1텐던 분배장치, 상기 제2텐던 분배장치, 상기 수평 텐던 부재, 상기 원환 텐던 부재가 내부에 매립되는 콘크리트 벽체 ;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 콘크리트 압력용기.
제 1 항에 있어서,
상기 용기 본체와 마주보는 형태의 금속 외벽 실린더가 상기 콘크리트 벽체의 외벽에 밀착되어 마련되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 콘크리트 압력용기.
제 1 항에 있어서,
상기 원환 텐던 부재는 상기 복수의 수평 텐던부의 외측에서 상기 복수의 수평 텐던부를 감싸는 형태로 나선상으로 감기면서 상기 수평 텐던부에 프리스트레스를 인가하는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 콘크리트 압력용기.
제 1 항에 있어서,
상기 내부 용기의 제1헤드부를 관통하는 형태로 제1노즐이 마련되며, 상기 제1연장다리는 상기 제1노즐이 관통하는 파이프 형태인 것을 특징으로 하는 프리스트레스 콘크리트 압력용기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1텐던 홀더는 상기 제1텐던 지지판의 가장자리에 홈 형태로 형성되며, 상기 제1수평 지지용 텐던부는 2개의 상기 제1텐던 홀더를 지나면서 그 자세가 고정되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 콘크리트 압력용기.
제 1 항에 있어서,
상기 용기 본체와 상기 복수의 수평 텐던부를 서로 이격시키기 위하여 상기 용기 본체의 길이방향 중앙부에 상기 용기 본체를 감싸는 형태로 보조 링이 마련되는 것을 특징으로 하는 프리스트레스 콘크리트 압력용기.