KR102408979B1 - 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리파일링 공법에 의해 설치되는 해양 하부 구조물로서, 석션에 의해 해저면에 기 관입되는 복수의 석션파일과, 석션파일 각각의 두부에 연결되는 접합부 소켓과, 상기 접합부 소켓 사이를 연결하는 연결부재를 갖는 석션기초; 프리파일링된 석션기초의 상부로 연결시공되는 하부구조; 및 해저면에 기 관입된 석션파일 두부에 연결되는 접합부 소켓 내부로 삽입되는 상기 하부구조를 상기 석션기초에 고정시키기 위한 스태빙 시스템;을 포함하고, 상기 하부구조 하단에 연결되는 삽입부 소켓이 이 상기 접합부 소켓에 삽입되고, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이를 그라우트하여 상기 석션기초와 하부구조를 연결하는 것을 특징으로 하는 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물에 관한 것이다.

Description

스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물{Offshore substructure using stabbing system and pre­piling suction foundation}

본 발명은 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물에 관한 것이다.

해양풍력장치 또는 해양시추장치 등과 같은 해양구조물이 해중(海中)에 설치되면, 해수에 의하여 부식 또는 오 염될 수 있다. 이로 인해, 해저(海底) 지층에 지지구조물의 하측 부위를 지지 설치하고, 해수면 상측으로 노출 된 지지구조물 상에 플랫폼을 마련한 다음, 플랫폼 상에 해양구조물을 설치한다.

지지구조물에는 자켓구조물(Jacket Structure)이 있으며, 자켓구조물은 중공체(中空體)의 복수의 레그와 레그의 하단부에 형성된 받침판을 포함한다.

받침판은 해저면과 접촉하고, 레그의 상측 부위는 해수면 상측으로 노출되어 플랫폼이 형성된다. 그리고, 상호 인접하는 레그는 연결바에 의하여 상호 연결된다.

도 1 내지 도 3은 종래 해양자켓구조물 시공방법을 나타낸 단면도를 도시한 것이다. 종래의 해양자켓구조물의 설치 방법으로는 자켓 구조물의 하부 구조인 자켓 레그를 해저면(1)에 위치시킨 뒤, 자켓 레그(11) 내부로 자켓 파일(핀파일(9))을 삽입하여 해저 면에 관입시킨 후, 핀 파일(9)과 자켓 레그(11) 사이를 그라우팅(30)하여 고정하고, 파일(9) 내부를 채운 콘크리트로 메우는 방식이다.

기존의 방식으로 해상 구조체를 설치하게 되면 1기당 48일이 소요되며 설치를 진행하는 동안에 기상조건 등 다양한 변수로 인해 시간이 더 연장될 수 있다.

즉 해상풍력 하부기초구조물 시공비 증가를 초래하는 요소가 될 수 있다. 이러한 이유로 기존 해상풍력단지의 하부구조물 설치 방법을 갖는 해양지지 구조물은 경제적인 측면에서 비효율적이라는 판단하에 스태빙 시스템이 필요한 상황이다.

또한 해상에 설치되는 구조물은 해저면 위에 설치되는 하부구조와 해저면 아래로 관입되어 지반의 지지력을 확보하는 기초 구조로 구성된다.

(A)하부구조는 그 형상에 따라 자켓구조, 트라이포드, 모노파일 등 다양한 형태가 존재하며, (B) 기초구조는 파일, 직접 기초, 석션기초 등으로 구분된다.

이 중 자켓 구조와 파일의 조합은 해양 석유 시추 산업에 장기간 활용되어 그 효용성이 널리 인정되고 있다.

단일 또는 소수의 대형 자켓을 설치하여 운용하는 경우는 자켓 구조물을 해저면에 거치한 후 자켓 구조물의 레그 내부로 파일을 관입하여 파일을 지반에 설치하는 속칭 “포스트 파일링” 공법을 사용한다. 하지만, 해상풍력 단지와 같이 다수 구조물을 설치해야 하는 경우, 포스트 파일 공법은 설치공정이 해양환경에 크게 영향을 받는다.

대단지를 형성해야 할 경우는, 비용과 공기를 절감하기 위해 파일을 해저면의 설치 위치에 일정 간격과 높이로 미리 선설치하고, 지지구조물을 해당 파일의 두부와 조합하여 최종적으로 구조물을 완성하는 “프리파일링” 공법을 사용한다. 2021년 현재 유럽, 대만 등에 널리 시공되었고, 한국의 서남해 단지에도 유력한 공법으로 고려되고 있다.

도 4a 내지 도 4d는 종래 프리파일링 공법에서, 템플레이트를 이용한 기초구조 선설치과정을 나타낸 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 5a 및 도 5b는 프리파일링 된 파일 내로 하부구조를 연결하는 과정을 나타낸 단면도를 도시한 것이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 먼저 파일(4) 관입을 위해 템플레이트(3)를 운반하여 해저면(1)에 설치한 후, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 이러한 템플레이트(3)의 파일 관입 가이드부 내부 각각으로 파일(4)을 관입시키고, 도 4d에 도시된 바와 같이, 템플레이트(3)를 제거하여 프리파일을 시공한 후, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 하부구조(10)를 운반하고, 하부구조(10)의 자켓레그(11)의 접합부를 관입파일(4)의 삽입부 내로 삽입시킨 후, 그 사이를 그라우팅(30)하여 연결하게 된다.

성공적인 프리파일링 공법의 적용을 위해서는, 단일 하부구조(10)를 지지하는 기초를 형성하는 다수의 파일(4)을 최소의 오차로 정위치에 시공하기 위해서 파일(4) 상호간의 설치 위치가 미리 설정된 템플레이트(3)를 사용하는 것이 필수적이다. 파일(4) 상호간의 오차를 최소화하기 위해 템플레이트(3) 내부에는 각종 센서와 유압 장비가 일체로 구성된 일종의 해양로봇이며 매우 고가의 장비이다. 템플레이트(3) 운용을 위해서도 특수한 선박이 필요하다..

그리고 도 6b와 같은 평면상 파일(4) 상호 간의 오차 뿐 만 아니라, 수직방향의 파일(4)의 높이 제어도 매우 중요하다. 프리파일링 공법에서는 파일(4)과 하부구조(10)의 자켓레그(11) 사이를 그라우트(30)를 이용해서 연결해야 하는데, 그라우트 연결부의 접합능력을 극대화하기 위해 파일(4) 내부 또는 외부와 연결되는 하부구조(10)의 접합부의 표면에는 스터드(6)가 일정한 간격과 배치로 형성되어야 한다. 바람직하게는 도 6a의 좌측과 같이 파일의 스터드와 하부구조의 스터드의 위치가 상호 엇갈리게 배치한 후, 그라우트로 접합해야 한다. 하부구조나 파일 표면에 설치하는 스터드는 공장에서 작업하므로 오차가 매우 작으나, 현장에서 실시하는 상호 접합시 필연적으로 발생하는 수직방향 오차 때문에 도 6a의 우측과 같이 바람직하지 않은 접합부에 오차가 발생하는 경우를 피하기가 어렵다.

또한 종래 시공, 설치방법을 적용하게 되는 경우, 템플레이트(3)와 파일(4) 간격 때문에 시공오차가 발생되며 템플레이트(3)와 파일(4) 상호 위치 오차 때문에 파일의 정위치 확보도 어려운 문제점이 존재하게 된다. 도 6a의 우측은 종래 관입파일의 삽입부 스터드와 자켓레그 접합부의 스터드 높이가 불일치된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 도 6b는 종래 자켓레그 접합부가 관입파일 삽입부에 중앙에 위치되지 않은 상태의 평단면도를 도시한 것이다.

또한 연결후 구조물의 기울기를 보정하고 그라우트 연결부가 경화될 때까지 접합부를 고정하는 그립퍼 장비가 필수적으로 개발되어야 한다.

이 프리파일링 공법은 자켓, 트라이포드 등 다양한 구조형식과 조합하여 사용이 가능하다.

프리파일링 구조가 가지는 문제점을 극복하기 위해 하부구조와 석션기초가 일체로 구성된 구조물이 제안된 바 있다. 도 7은 종래 석션기초를 갖는 하부구조의 단면도를 도시한 것이다. 적절한 지반조건에서는 신속한 구조물 설치가 가능한 장점이 있다. 이 구조물을 성공적으로 적용하기 위해서는, 기본적으로 직접기초가 해저면 아래로 관입되어 설치되는 기초형식이기 때문에 직접기초에서 해결하는 문제점은 모두 극복해야 한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 석션기초의 크기가 대형화된다.

대형화되는 석션기초 때문에 눕혀서 제작후 직립이 어렵고 수직 제작이 불가피하다. 하부구조와 석션기초가 일체로 제작되기 때문에 필연적으로 구조물의 높이가 거대화되어 제작장 확보가 어렵고, 현장 운송과 하역시 해상장비가 대형화된다.

대한민국 등록특허 10-1865512 대한민국 등록특허 10-1646493 대한민국 공개특허 10-2017-0032917

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 프리파일링 공법에서 지적되는 템플레이트 사용을 회피하고, 기초구조 설치시 발생되는 오차를 제거할 수 있으며, 프리파일링 공법의 기초구조과 하부구조 설치를 분리하는 기본 개념과 석션기초의 장점을 조합하여, 공장에서 상호 고정되어 제작한 석션기초를 선설치(preinstallation) 기초로 사용하고, 석션기초 설치 후 하부구조를 그 석션기초 상부에 조립하여 시공되는, 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기초구조과 하부구조 설치를 분리하기 때문에 동시에 작업해야 하는 중량을 최소화할 수 있음로 해상장비 구성 선단을 최소화할 수 있고, 미리 상호 고정된 석션기초를 설치하기 때문에 기초구조에서 발생하는 오차는 공장 오차 수준으로 제어가 가능하며, 오차가 최소화되기 때문에 석션기초와 하부구조 접합부 사이의 스터드와 접합부 고정을 위해 사용하는 그립퍼의 간섭도 최소화되며, 접합부 오차가 최소화되므로 내부 및 외부 그리퍼 적용이 용이하고 템플레이트의 사용이 필요없는, 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스태빙 시스템이 도입된 새로운 시공 방법으로서 자켓 구조물을 먼저 해저 면에 위치시키는 것이 아닌 해저 파일을 먼저 항타의 과정을 거쳐 해저 면에 관입시킨 후, 스태빙 시스템이 설치된 자켓 구조물의 레그를 관입시키고 스태빙 시스템 내의 그리퍼가 작동하여 자켓 레그와 파일 사이를 그라우트가 완전히 굳을 때까지 24시간 동안 고정함으로써, 기존의 공법의 소요시간인 약 48 일/1기를 약 36 일/1기로 앞당겨 이는 약 25%의 시공기간을 단축할 수 있으며, 또한, 단축된 해상풍력 하부기초구조물 공사 기간으로 시공비 및 공기 절감의 효과와 사용 장비 소형화 달성으로 인한 설치비용 절감과 해상풍력 단지 구축 및 해상풍력발전 보급 활성화에 기여할 수 있으며, 수직그리퍼와 상부수평그리퍼가 설치되는 스태빙 부재는 시공후 탈착하여 재활용이 가능하고, 스태빙 시스템에 설치되는 수평 그립퍼는 구조물의 형상, 하중, 지반 조건에 맞추어 상부수평그립퍼와 하부수평그립퍼가 동시에 설치되거나 하부수평그립퍼는 제외할 수 있으며, 수평그립퍼 중 하부수평그립퍼를 제외하게 될 경우 설계, 시공 측면에서 공사비와 제작비 절감이 가능한 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 프리파일링 공법에 의해 설치되는 해양 하부 구조물로서, 석션에 의해 해저면에 기 관입되는 복수의 석션파일과, 석션파일 각각의 두부에 연결되는 접합부 소켓과, 상기 접합부 소켓 사이를 연결하는 연결부재를 갖는 석션기초; 프리파일링된 석션기초의 상부로 연결시공되는 하부구조; 및 해저면에 기 관입된 석션파일 두부에 연결되는 접합부 소켓 내부로 삽입되는 상기 하부구조를 상기 석션기초에 고정시키기 위한 스태빙 시스템;을 포함하고, 상기 하부구조 하단에 연결되는 삽입부 소켓이 이 상기 접합부 소켓에 삽입되고, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이를 그라우트하여 상기 석션기초와 하부구조를 연결하는 것을 특징으로 하는 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 접합부 소켓의 내면과 상기 삽입부 소켓 외면 각각에 복수의 스터드가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 스태빙 시스템은, 상기 하부구조 삽입부 소켓 상부측 외면에 설치되어 상기 삽입부 소켓이 상기 접합부 소켓 내로 삽입되면 상기 접합부 소켓 상부끝단면에 지지되는 스태빙 부재; 상기 스태빙 부재에 복수로 설치되고 상기 접합부 소켓 상부 끝단면 측으로 구동되어 상기 하부구조의 수평도를 조절하는 수직 그리퍼; 상기 스태빙 부재 외주부 측에 복수로 설치되고, 상기 접합부 소켓 외면 측으로 구동되어 상기 하부구조를 상기 석션기초에 고정시키는 수평그리퍼; 및 상기 삽입부 소켓이 상기 접합부 소켓 내에 고정된 상태에서, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이공간에 그라우트를 유입시키는 그라우팅수단;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 스태빙부재는, 상기 삽입부 소켓 외면에 링판 형태로 구성되어 상기 접합부 소켓 상부 끝단면에 안착되는 수평지지판과, 상기 수평지지판의 외주부에서 절곡되어 하부측으로 연결되는 관형태의 수직지지판을 포함하며, 상기 수직 그리퍼는, 상기 수평지지판의 상부면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되며, 유압실린더에 의해 피스톤이 상기 접합부 소켓 상부 끝단면 측으로 구동되어 상기 하부구조의 수평도를 조절하고, 상기 수평그리퍼는, 상기 수직지지판의 외면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되고 유압실린더에 의해 피스톤이 상기 접합부 소켓 외면 측으로 구동되어 상기 삽입부 소켓를 상기 접합부소켓에 고정하는 상부수평그리퍼와, 상기 삽입부 소켓의 내부 하단측 내면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되고 유압실린더에 의해 피스톤이 상기 접합부 소켓 내면 측으로 구동되어 상기 삽입부 소켓을 상기 접합부 소켓에 고정하는 하부수평그리퍼를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 그라우팅수단은 상기 삽입부 소켓 내부에 설치되며 하부끝단이 상기 삽입부 소켓 하단에 관통연결되어 있어, 상기 삽입부 소켓이 상기 접합부 소켓 내에 고정된 상태에서, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이공간에 그라우트를 유입시키는 그라우트 관으로 구성되고, 상기 삽입부 소켓 하부끝단 외면과 상기 접합부 소켓 사이에 구비되는 그라우트 씰과, 상기 수평지지판과 상기 수직그리퍼 사이에 구비되는 수직 그리퍼 링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물에 따르면, 프리파일링 공법에서 지적되는 템플레이트 사용을 회피하고, 기초구조 설치시 발생되는 오차를 제거할 수 있으며, 프리파일링 공법의 기초구조과 하부구조 설치를 분리하는 기본 개념과 석션기초의 장점을 조합하여, 공장에서 상호 고정되어 제작한 석션기초를 선설치(preinstallation) 기초로 사용하고, 석션기초 설치 후 하부구조를 그 석션기초 상부에 조립하여 시공될 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물에 따르면, 기초구조과 하부구조 설치를 분리하기 때문에 동시에 작업해야 하는 중량을 최소화할 수 있음로 해상장비 구성 선단을 최소화할 수 있고, 미리 상호 고정된 석션기초를 설치하기 때문에 기초구조에서 발생하는 오차는 공장 오차 수준으로 제어가 가능하며, 오차가 최소화되기 때문에 석션기초와 하부구조 접합부 사이의 스터드와 접합부 고정을 위해 사용하는 그립퍼의 간섭도 최소화되며, 접합부 오차가 최소화되므로 내부 및 외부 그리퍼 적용이 용이하고 템플레이트의 사용이 필요없는 장점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물에 따르면, 스태빙 시스템이 도입된 새로운 시공 방법으로서 자켓 구조물을 먼저 해저 면에 위치시키는 것이 아닌 해저 파일을 먼저 항타의 과정을 거쳐 해저 면에 관입시킨 후, 스태빙 시스템이 설치된 자켓 구조물의 레그를 관입시키고 스태빙 시스템 내의 그리퍼가 작동하여 자켓 레그와 파일 사이를 그라우트가 완전히 굳을 때까지 24시간 동안 고정함으로써, 기존의 공법의 소요시간인 약 48 일/1기를 약 36 일/1기로 앞당겨 이는 약 25%의 시공기간을 단축할 수 있으며, 또한, 단축된 해상풍력 하부기초구조물 공사 기간으로 시공비 및 공기 절감의 효과와 사용 장비 소형화 달성으로 인한 설치비용 절감과 해상풍력 단지 구축 및 해상풍력발전 보급 활성화에 기여할 수 있으며, 수직그리퍼와 상부수평그리퍼가 설치되는 스태빙 부재는 시공후 탈착하여 재활용이 가능하고, 스태빙 시스템에 설치되는 수평 그립퍼는 구조물의 형상, 하중, 지반 조건에 맞추어 상부수평그립퍼와 하부수평그립퍼가 동시에 설치되거나 하부수평그립퍼는 제외할 수 있으며, 수평그립퍼 중 하부수평그립퍼를 제외하게 될 경우 설계, 시공 측면에서 공사비와 제작비 절감이 가능한 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1 내지 도 3은 종래 해양자켓구조물 시공방법을 나타낸 단면도,
도 4a 내지 도 4d는 종래 프리파일링 공법에서, 템플레이트를 이용한 기초구조 선설치과정을 나타낸 단면도,
도 5a 및 도 5b는 프리파일링 된 파일 내로 하부구조를 연결하는 과정을 나타낸 단면도,
도 6a는 종래 관입파일의 삽입부 스터드와 자켓레그 접합부의 스터드 높이가 불일치된 상태의 단면도,
도 6b는 종래 자켓레그 접합부가 관입파일 삽입부에 중앙에 위치되지 않은 상태의 평단면도,
도 7은 종래 석션기초를 갖는 하부구조의 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물의 설치방법의 흐름도,
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물의 설치과정의 단면도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 석션기초의 평면도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 선설치된 석션기초(좌측)와, 석션기초에 하부구조가 연결된 상태(우측)의 단면도를 도시한 것이다.
도 12은 본 발명의 실시예에 따른 석션기초 접합부 소켓 내부로 스태빙 시스템을 갖는 해양자켓구조물의 자켓레그가 삽입, 고정된 상태의 단면도,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스태빙 시스템을 갖는 해양자켓구조물의 자켓레그의 단면도,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 석션기초 접합부 소켓 내부로 스태빙 시스템을 갖는 해양자켓구조물의 자켓레그가 삽입, 고정된 상태의 부분 단면도,
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 도 12에서 그라우트가 충진된 상태의 단면도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물의 구성, 기능 및 설치방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물의 설치방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물의 설치과정의 단면도를 도시한 것이다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 먼저 프리파일의 기초로서 석션기초(20)가 적용되게 됨을 알 수 있다. 즉, 공장에서 석션기초(20)를 제작한 후, 시공현장으로 운반하여, 석션기초(20)를 해저면(1)에 관입시키게 된다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 석션기초의 평면도를 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 석션기초(20)는, 석션에 의해 해저면(1)에 관입되는 복수의 석션파일(21)과, 이러한 석션파일(21) 각각의 두부에 연결되는 접합부 소켓(22)과, 그리고 접합부 소켓(22) 사이를 연결하는 강성재질의 연결부재(23)를 가지고 있음을 알 수 있다.

즉, 설치 현장의 지반 특성을 반영하여 설계한 복수의 원통형 석션 파일(21)을 제작하고, 그 복수의 석션파일(21)들을 상호 위치를 유지하기에 충분한 강성이 확보된 연결 부재(23)를 이용해서 연결한다.

개별 석션파일(21)의 두부에는 하부구조(10)를 연결해야 하는 접합부 소켓(22)이 형성되어 있으며, 이러한 접합부 소켓(22)의 내면에는 설계 절차에 의해 복수의 스터드(24)가 배치된다.

석션기초(20)를 해저면(1)에 안착한 후, 석션수단(미도시)을 제어하여 석션기초(20)의 위치를 조절하며 석션파일(21)을 해저면(1)에 관입시키게 된다. 따라서 이러한 석션기초(20)를 프리파일링 공법에 적용하게 됨으로써, 템플레이트(3)의 사용이 필요없으며 설정된 위치에 석션파일(21)이 정확히 관입되게 된다. 즉, 스터드(24) 높이 오차를 최소화할 수 있고 접합부 오차를 최소화할 수 있게 된다.

그리고 프리파일링된 석션기초(20)의 상부로 하부구조(10)의 자켓레그(11)가 연결시공되게 된다. 즉, 자켓레그(11)의 몸체(12) 하단에 연결되는 삽입부 소켓(13)이 석션기초(20)의 접합부 소켓(22)에 삽입되고, 삽입부 소켓(13)과 접합부 소켓(22) 사이를 그라우트(30)하여 석션기초(20)와 하부구조(10)가 연결되게 된다.

앞서 언급한 바와 같이, 석션기초(20)는 일체로 제작되어 시공현장으로 운반되며, 설치된 위치에 관입되며 석션수단을 통해 석션파일(21)의 위치와 높이가 제어되게 된다. 또한 접합부 소켓(22) 상단에 구비된 상부플랜지(25)와, 자켓레그 몸체(12)와 삽입부 소켓(13) 사이에 구비된 하부플랜지(15)를 포함하고, 설치시 이러한 상부플랜지(25)와 하부플랜지(15)가 접촉되게 된다.

또한 그라우트(30)가 경화하기 전까지 하부구조(10)와 석션기초(20)의 상대변위를 방지하기 위해 상기 삽입부 소켓(13)과 접합부 소켓(22) 사이를 고정시키는 그리퍼 유닛(미도시)을 포함할 수 있다.

즉, 하부구조(10)는 별도의 기초구조가 없는 상태로 설계되며, 이러한 하부구조(10)의 하단에는 석션파일(21)의 두부에 설치된 접합부 소켓(22)과 연결될 수 있는 삽입부 소켓(13)이 설치된다. 이러한 삽입부 소켓(13)에도 접합 능력을 극대화하기 위해 스터드(14)를 미리 제작한다.

기초구조를 설치해야 하는 위치의 해저면에 미리 석션기초(20)를 설치한 후, 하부구조(10)를 석션기초(20)의 상부의 접합부에 삽입 및 그라우트 고정한다.

또한 그라우트(30)가 경화하기 전까지 접합부의 상대변위를 방지하기 위해 그리퍼 유닛 등 유압장비를 사용하여 고정할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 접합부 오차를 최소화하게 되므로 내부 및 외부 그리퍼 적용이 용이하며, 시공과정에서 템플레이트(3)를 사용하지 않으면서도 위치오차와 파일의 정위치 확보, 스터드 높이 불일치 등의 문제를 모두 해결할 수 있게 된다.

해양 하부 구조물 설치방법을 설명하면, 먼저, 복수의 석션파일(21)과, 석션파일(21) 각각의 두부에 연결되는 접합부 소켓(22)과, 이러한 접합부 소켓(22) 사이를 연결하는 연결부재(23)를 갖는 석션기초(20)를 제작한다(S1).

그리고 석션기초(20)를 시공될 해저면(1)에 안착시킨 후, 시공위치에 석션파일(21)을 관입시켜 석션기초(20)를 설치한다(S2).

그리고 하부구조(10)를 운반하고(S3), 하부구조(10)의 자켓레그(11) 하단에 설치된 삽입부 소켓(13)을 접합부 소켓(22) 내로 삽입시키게 된다(S4). 그리고 하부구조(10)와 석션기초(20)의 상대변위를 방지하기 위해 삽입부 소켓(13)과 접합부 소켓(22) 사이를 스태빙 시스템을 통해 고정하고(S5,S6), 삽입부 소켓(13)과 접합부 소켓(22) 사이공간를 그라우팅(30)하여 연결하게 된다(S7).

도 11은 본 발명의 실시예에 따라 선설치된 석션기초(좌측)와, 석션기초에 하부구조가 연결된 상태(우측)의 단면도를 도시한 것이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 이러한 석션기초(20)를 프리파일링 공법에 적용하게 됨으로써, 템플레이트(3)의 사용이 필요없으며 설정된 위치에 석션파일(21)이 정확히 관입되게 된다. 즉, 스터드 높이 오차를 최소화할 수 있고 접합부 오차를 최소화할 수 있게 된다.

또한 접합부 오차를 최소화하게 되므로 내부 및 외부 그리퍼 적용이 용이하며, 시공과정에서 템플레이트를 사용하지 않으면서도 위치오차와 파일의 정위치 확보, 스터드 높이 불일치 등의 문제를 모두 해결할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 적용되는 스테빙 시스템의 구성 및 기능에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 12은 본 발명의 실시예에 따른 석션기초 접합부 소켓 내부로 스태빙 시스템을 갖는 해양자켓구조물의 자켓레그가 삽입, 고정된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스태빙 시스템을 갖는 해양자켓구조물의 자켓레그의 단면도를 도시한 것이다. 또한 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 석션기초 접합부 소켓 내부로 스태빙 시스템을 갖는 해양자켓구조물의 자켓레그가 삽입, 고정된 상태의 부분 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 도 12에서 그라우트가 충진된 상태의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 해양자켓구조물 설치를 위한 스태빙시스템(100)은, 해저면에 기 관입된 석션기초의 접합부 소켓(22) 내부로 삽입되는 해양자켓구조물의 자켓레그(11)를 석션기초(20)에 고정시키기 위한 것으로, 스태빙 부재(40), 수직그리퍼(50), 수평그리퍼(60), 그라우팅 수단 등을 포함하여 구성된다.

스태빙 부재(40)는 자켓레그(11)의 삽입부 소켓(13) 외면에 설치되어 자켓레그(11)가 석션기초의 접합부 소켓(22) 내로 삽입되면 상기 접합부 소켓(22) 상부끝단면에 지지되도록 구성된다. 이러한 스태빙 부재(40)는, 삽입부 소켓(13)외면에 링판 형태로 구성되어 상기 접합부 소켓(22) 상부 끝단면에 안착되는 수평지지판(41)과, 이러한 수평지지판(41)의 외주부에서 절곡되어 하부측으로 연결되는 관형태의 수직지지판(42)을 포함하여 구성된다.

또한 수직그리퍼(50)는 스태빙 부재(40)에 복수로 설치되고 접합부 소켓(22) 상부 끝단면 측으로 구동되어 삽입부 소켓(13)의 수평도를 조절하도록 구성된다. 즉, 수직 그리퍼(30)는, 수평지지판(21)의 상부면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되며, 유압실린더에 의해 피스톤이 접합부 소켓(22) 상부 끝단면 측으로 구동되어 삽입부 소켓(13)의 수평도를 조절하게 된다.

그리고 수평그리퍼(40)는 스태빙 부재(20) 외주부 측에 복수로 설치되고, 접합부 소켓(22) 외면 측으로 구동되어 삽입부 소켓(13)을 상기 접합부 소켓(22)에 고정시키도록 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 수평그리퍼(40)는 복수의 상부수평그리퍼(41)와 복수의 하부수평그리퍼(42)를 포함한다. 상부수평그리퍼(41)는, 수직지지판(22)의 외면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되고 유압실린더에 의해 피스톤이 접합부 소켓(22) 외면 측으로 구동되어 삽입부 소켓(13)을 접합부 소켓(22)에 고정하도록 구성된다. 또한 하부수평그리퍼(42)는, 삽입부 소켓(13)의 내부 하단측 내면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되고 유압실린더에 의해 피스톤이 접합부 소켓(22) 내면 측으로 구동되어 삽입부 소켓(13)을 접합부 소켓(22)에 고정하도록 구성된다.

구체적 실시예에서 자켓 구조물의 자켓레그(11)당 구성되는 수직그리퍼(30)의 개수는 4 개이며 상부수평그리퍼(41)는 8 ~ 12개 하부수평그리퍼(42)는 4개이다.

또한 그라우트 공법을 위해서 쉐어키가 해저 파일(10) 내부에 설치가 되어있음으로 상부수평그리퍼(41)의 위치는 접합부 소켓(22) 밖에 위치해 자켓 구조물 설치 시에 발생할지 모르는 쉐어키의 간섭을 사전에 방지하며, 이를 위해서 하부수평그리퍼(42)와의 거리는 충분한 이격 거리인 약 7m로 설계했다.

또한 수평그리퍼(40)는 접합부 소켓(22) 외면 측으로 구동되는 상부수평그리퍼(41)와 접합부 소켓(22) 내면 측으로 구동되는 하부수평그리퍼(42)으로 구성되며, 스태빙 시스템에 설치되는 수평그리퍼(40)는 구조물의 형상, 하중, 지반 조건에 맞추어 상부수평그리퍼(41)와 하부수평그리퍼(42)가 동시에 설치되거나 하부수평그리퍼는 제외할 수 있습니다. 본 발명의 실시예에서 수평그리퍼 중 하부수평그리퍼를 제외하게 될 경우 설계, 시공 측면에서 공사비와 제작비 절감이 가능한 장점을 갖게 된다.

삽입부 소켓(13)을 접합부 소켓(22) 내부로 관입한 후에, 스태빙 시스템(100)의 스태빙 부재(20)가 접합부 소켓(22)의 상부끝단에 안착되고, 수직그리퍼(30)의 작동에 의해 자켓레그(11)의 수평도가 조절되게 된다(S5). 그리고 스태빙시스템(100)의 상부수평그리퍼(41)와 하부수평그리퍼(42)를 작동시켜 삽입부 소켓(13)을 접합부 소켓(22)에 고정시키게 된다(S6). 그리고 삽입부 소켓(13)이 접합부 소켓(22) 내에 고정된 상태에서, 그라우팅수단을 통해 삽입부 소켓(13)과 접합부 소켓(22) 사이공간에 그라우트(3)를 유입시키게 된다(S7).

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 도 12에서 그라우트가 충진된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 그라우팅수단은 삽입부 소켓(13) 내부에 설치되며 하부끝단이 삽입부 소켓(13) 하단에 관통연결되어 있어, 삽입부 소켓(13)이 접합부 소켓(22) 내에 고정된 상태에서, 삽입부 소켓(13)과 접합부 소켓(22) 사이공간에 그라우트(3)를 유입시키는 그라우트 관(50)으로 구성될 수 있다.

또한 삽입부 소켓(13) 하부끝단 외면과 접합부 소켓(22) 사이에 그라우트 씰(51)이 구비될 수 있으며, 수평지지판(21)과 수직그리퍼(30) 사이에 수직 그리퍼 링(23)이 구비될 수 있다.

그리고 기울기 센서는 설치 단계에서 삽입부 소켓(13)의 기울기를 측정하게 되며, 제어부는 기울기 센서에서 측정된 값을 기반으로 수직그리퍼(30)와 상부수평그리퍼(41)와 하부수평그리퍼(42)의 작동을 제어하도록 구성된다. 즉, 제어부는 기울기 센서에서 측정된 값을 기반으로 수직그리퍼(30)를 제어하여 자켓레그(11)의 수평도를 조절하며, 수평이 유지된 상태에서 상기 자켓레그(11)의 하중조건을 기반으로 상부수평그리퍼(41)와 하부수평그리퍼(42)의 작동을 제어하게 된다.

구체적으로 수직그리퍼(30)의 역할은 자켓 구조물의 전체적인 수평을 맞추기 위해 설계가 되었다. 이를 위해 수직그리퍼(30)는 자켓의 무게보다 더 큰 유압의 힘으로 구조체를 지지할 수 있도록 설계되어야 한다.

또한 시공, 설치 후, 매립되게 되는 하부수평그리퍼(42)는 재사용이 불가하나, 수직그리퍼(30) 및 상부수평그리퍼(41) 중 적어도 어느 하나 또는, 수직그리퍼(30)와 상부수평그리퍼(41)가 설치되는 스태빙 부재는 시공후 탈착하여 재활용이 가능하다.

자켓 구조체 레그(11)당 4개의 수직그리퍼(30)가 파일(10) 상부에 위치하여 3~4개의 자켓레그(11)로 구성된 자켓 구조물의 수평을 유지할 수 있으며 자켓레그(11)에 설치되는 유압 실린더 1 기당 용량은 196t이다(자켓 구조체 레그 3 개 기준).

이는 레그(11)당 4개의 유압 실린더가 설치됨으로 3개의 레그(11)로 구성된 자켓 구조물 1,200ton의 하중을 최대 2,352ton의 유압 실린더 출력으로 구조체 수평 조정이 가능하다.

수직그리퍼(30)와 접합부 소켓(22) 상부 사이에는 파일(10)에 직접적인 응력집중이 가해지지 않기 위해 수직 그리퍼 링(23)이 존재하는데 이러한 수직 그리퍼 링(23)은 시공 전 태그 용접으로 접합부 소켓(22)과 접합되며, 수평을 맞추는 시공 중에 분리된다.

상부수평그리퍼(41)에는 수직 방향, 수평 하부의 실린더보다 더 많은 실린더가 요구된다. 그 이유로 상부수평그리퍼(41)의 위치는 수평에 작용하는 파력과 파동에 의한 모멘트가 집중되는 지점이며, 수중 마찰계수를 고려한 전체 자켓 구조물의 무게를 파일(10)에 고정해야 하므로 상대적으로 많은 실린더의 개수가 필요하다.

예상되는 자켓 구조물의 최대 하중으로는 1,200ton이며 수중에서의 Steel과 Steel이 맞닿는 마찰계수 0.2, Morrison 법칙을 활용한 파동 주기 1초, 파고 1.5m, 깊이 30m, 자켓 레그(11)의 지름 2.6m의 조건을 적용한 수평 파력 1989kN과 모멘트 624,000kNmm를 고려해 상부수평그리퍼(41)의 실린더 1기당 최대 출력 용량을 316ton으로 설계하였다(10개의 유압 실린더). 이 수치는 마찰계수를 고려한 자체 자켓 구조물 하중(6000ton)과 파력과 모멘트에 의해 발생할 수 있는 파일(10)과 자켓 레그(11)와의 간격을 1mm 이내로 유지할 수 있다.

수평 하부에는 파일(10) 상부에서의 잔여 모멘트의 영향을 막는 역할과 수평 상부의 기능과 같이 마찰계수를 고려해 자켓 구조물을 지지하는 목적이 있다. 수평 하부의 제원과 유압 실린더의 출력은 상부 실린더와 같으며 개수만 차이가 있다. 하지만 해양조건과 환경에 따라 상부수평그리퍼(41)의 유압 실린더 개수를 증가시킨다면, 하부수평그리퍼(42)는 설계에 포함되지 않을 수 있다. 자켓 구조물에서 수평 기울기와 파일(10)과의 고정 정도가 이상이 없다면, 그라우트(3) 유입이 진행된다. 또한 그라우트의 효과적인 밀실성과 충진성을 위해 그라우트 씰(51)이 자켓 레그(11) 하단에 설치된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:해저면
2:크레인
3:템플레이트
4:관입파일
5:삽입부
6:스터드
7:석션파일 일체 하부구조
9:핀파일
10:하부구조
11:자켓레그
12:몸체
13:삽입부 소켓
14:자켓 스터드
15:하부플랜지
20:석션기초
21:석션파일
22:접합부 소켓
23:연결부재
24:석션기초 스터드
25:상부플랜지
30:그라우트
40:스태빙부재
41:수평지지판
42:수직지지판
43:수직 그리퍼링
50:수직그리퍼
60:수평그리퍼
61:상부수평그리퍼
62:하부수평그리퍼
70:그라우트관
71:그라우트씰
100:스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물
200:스태빙 시스템

Claims (5)

1. 프리파일링 공법에 의해 설치되는 해양 하부 구조물로서,
   석션에 의해 해저면에 기 관입되는 복수의 석션파일과, 석션파일 각각의 두부에 연결되는 접합부 소켓과, 상기 접합부 소켓 사이를 연결하는 연결부재를 갖는 석션기초;
   프리파일링된 석션기초의 상부로 연결시공되는 하부구조; 및
   해저면에 기 관입된 석션파일 두부에 연결되는 접합부 소켓 내부로 삽입되는 상기 하부구조를 상기 석션기초에 고정시키기 위한 스태빙 시스템;을 포함하고,
   상기 하부구조 하단에 연결되는 삽입부 소켓이 이 상기 접합부 소켓에 삽입되고, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이를 그라우트하여 상기 석션기초와 하부구조를 연결하며,
   상기 접합부 소켓의 내면과 상기 삽입부 소켓 외면 각각에 복수의 스터드가 설치되고,
   상기 스태빙 시스템은, 상기 하부구조 삽입부 소켓 상부측 외면에 설치되어 상기 삽입부 소켓이 상기 접합부 소켓 내로 삽입되면 상기 접합부 소켓 상부끝단면에 지지되는 스태빙 부재; 상기 스태빙 부재에 복수로 설치되고 상기 접합부 소켓 상부 끝단면 측으로 구동되어 상기 하부구조의 수평도를 조절하는 수직 그리퍼; 상기 스태빙 부재 외주부 측에 복수로 설치되고, 상기 접합부 소켓 외면 측으로 구동되어 상기 하부구조를 상기 석션기초에 고정시키는 수평그리퍼; 및 상기 삽입부 소켓이 상기 접합부 소켓 내에 고정된 상태에서, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이공간에 그라우트를 유입시키는 그라우팅수단;을 포함하며, 상기 스태빙부재는, 상기 삽입부 소켓 외면에 링판 형태로 구성되어 상기 접합부 소켓 상부 끝단면에 안착되는 수평지지판과, 상기 수평지지판의 외주부에서 절곡되어 하부측으로 연결되는 관형태의 수직지지판을 포함하고,
   상기 그라우팅수단은 상기 삽입부 소켓 내부에 설치되며 하부끝단이 상기 삽입부 소켓 하단에 관통연결되어 있어, 상기 삽입부 소켓이 상기 접합부 소켓 내에 고정된 상태에서, 상기 삽입부 소켓과 상기 접합부 소켓 사이공간에 그라우트를 유입시키는 그라우트 관으로 구성되고,
   상기 삽입부 소켓 하부끝단 외면과 상기 접합부 소켓 사이에 구비되는 그라우트 씰과, 상기 수평지지판과 상기 수직그리퍼 사이에 구비되는 수직 그리퍼 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 수직 그리퍼는, 상기 수평지지판의 상부면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되며, 유압실린더에 의해 피스톤이 상기 접합부 소켓 상부 끝단면 측으로 구동되어 상기 하부구조의 수평도를 조절하고,
   상기 수평그리퍼는, 상기 수직지지판의 외면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되고 유압실린더에 의해 피스톤이 상기 접합부 소켓 외면 측으로 구동되어 상기 삽입부 소켓를 상기 접합부소켓에 고정하는 상부수평그리퍼와, 상기 삽입부 소켓의 내부 하단측 내면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격된 복수로 구성되고 유압실린더에 의해 피스톤이 상기 접합부 소켓 내면 측으로 구동되어 상기 삽입부 소켓을 상기 접합부 소켓에 고정하는 하부수평그리퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 스태빙시스템과 프리파일링 석션기초를 이용한 해양 하부구조물.
   
   
   
   
   
5. 삭제

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