KR20010079128A - 부유식 해상구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 해상구조물에 관한 것으로써 공기를 밑에서 주입하여 부력을 얻을 수 있는 보통 부력체와 상단에 공기구멍이 있어 이에 연결된 튜브의 끝단의 높이 변화로 부력조절이 가능한 부력체들을 여러개 조합하여 부력집합체를 만들고 부력집합체들을 조립하여 부유체가 구성되는 해상구조물 제작에 관한 것이다. 본 발명은 기본개념에다 파도에 의한 수력학적인 힘을 분산 혹은 상쇄시킴으로 구조물 전체가 안정하게 유지되도록 최적설계를 하고 부력체의 자재로는 산업현장에서 자주활용되는 플라스틱드럼통 혹은 PVC관등을 사용하므로써 경제성 있는 구조물은 제작하는 것으로 다수(수십개 ∼수천개 혹은 그 이상)의 부력체를 사용하므로 사고시 에도 전체 구조물의 안전에 큰 문제가 없고 튜브의 높이로 부력조절을 하므로 조작이 간편하고 적응성이 높은 해상구조물을 실현시키는 것이다.

본 발명은 일반적인 부유식 해양 구조물의 모든 형태에 적용될수 있는데 해상가옥, 해상휴게소, 해상낚시터, 해상작업장(공장, 사무실, 창고등 포함), 항만의 하역시설, 큰 규모의 연육교등 어떤 형태에도 적용이 가능하다.

Description

부유식 해상구조물{Floating Marine Structure}

부유식해양구조물은 다음 몇가지 점에서 지상구조물과 차이점이 있다고 일반적으로 생각하게 된다.

① 고정지지대가 없으므로 구조물 제작시 안정성있는 구조물을 제작하기가 어렵다. ② 구조물이 완성되어 운용시에 지상구조물보다 파도에 의한 안정성(安定性)을 유지하기 어렵다. ③ 물위에 떠 있으므로 안전도(安全度)를 유지하기 어렵다. ④ 제작비용 측면에서 경제성 있는 구조물을 제작하기가 어렵다.

그러나 본 발명은 수력학적인 특성을 잘 이용하여 파도에 흔들리지 않고 물위에 떠있으므로 지상구조물보다 훨씬 안전할 수 있다는 긍정적 사고방식으로 유추하여 결론적으로는 상기 불리한 조건들을 모두 해결할수 있는 구조물 즉 ① 경제성이 있으면서 ② 안정성이 있고 ③ 가상사고에도 안전도가 높은 구조물로써 ④ 조작이 간단하여 적응성을 높일 수 있는 해상구조물을 제작하고자 하는 것이다. 본 발명에 의한 제작물의 용도는 해상휴게소, 해상낚시터, 해상가옥, 해상작업장(공장, 사무실, 창고등), 항만의 하역시설, 교량, 인공섬등 바다위에 설치하는 모든 구조물에 해당된다.

유사한 제목의 특허로는 특 1982-0002184(등록일: 1982. 11.22)가 등록되어 있고 10-0243423(등록일: 1999. 11.16)의 특허가 등록되어 있으며 실용신안으로 실 1998-027289(공개일: 1998. 8.5)과 실 1999-0041680(공개일 : 1999. 12. 27)이 출원공개되어 있으며 구체적인 목적 구조물로써 해상호텔에 관한 특허로 특 2000-0066167(2000. 11. 15)이 출원공개되어 있다. 이들을 순서대로 관련기술을 분석하여 보면 ;

1. 해상구조물 (특 1982-0002184/l982.11. 22)

유사 제목으로는 가장 먼저 등록되어 있으나 발명의 내용이 해상 부유 구조물이 아니고 해저에 고정된 하부구조물에 연결되어 상하가동으로 제한된 운동을 하며 파도를 따라 흔들리는 구조물이므로 기술적인 내용은 본 건의 발명의 기술과 다르므로 고려할 필요가 없다.

2. 수상부유 구조체 (등록번호 10-0243423/1999. 11. 16)

이 특허의 기술은 부유체라는 측면에서는 같은 분야로 취급할 수 있겠으나 기술적인 측면을 보면 부유구조체의 내구성 및 사고에 대한 안전도 등에 대한 측면만 부각시켜 단지 물위에 안전하고 확실하게 떠 있다는 측면만 강조되었으며, 파도의 흔들림이나 하중의 변화에 따른 구조물의 적응성과 경제성측면에서는 전혀 언급이 없는 단점이 있고 본질적으로 본 건의 발명의 기술과 연관성이 없다.

3. 부유식 해양구조물의 동요경감장치(실 1998-027289/1998. 8. 5)

이 실용신안의 내용은 일견 그럴듯하나 유체역학의 상식을 갖추지 못한 고안임을 알 수 있다. 일반적인 해양구조물은 파도에 의한 부력변화에 의하여 흔들림이 발생되는 것인데 이것을 유체와의 속도차에 따른 감쇠력(Damping Force)으로 조정하려고 하는 발상자체가 비현실적인 것이다. 유체의 감쇠력(Damping Force)은 구조물에 부착된 제수판으로는 억제효과를 얻기가 힘들다. 구조물이 물과 같은 방향으로 흔들리기 때문에 속도차이가 발생되지 않으므로 이론적으로는 제수력이 발생되지 않는다. 그것을 보완하기 위하여 모터에 의하여 강제구동 감쇠력를 발생시켜 구조물을 안정시킬려는 발상이나 이는 현실성이 없으며 소위 제어기, 파 검출기 등에대한 특성도 언급이 없고 구조물의 진동역학에 대한 기본상식 뿐 아니라 경제성측면에서도 고려될수 없는 비현실적인 고안으로 사료되며 이 또한 기술적 측면에서 본건의 발명과 연관성이 없다.

4. 조립식 수상구조물 (실 1999-0041680/l999. 12. 27)

이 내용은 그 제목과 같이 조립식 수상구조물제작에 대한 것으로 조립성에 대한 내용이 주된 것이고 구조물의 작동에 대한 안정성, 안전도, 경제성등에 대한 기술적인 내용이 없기 때문에 특별히 기술분석이 필요하지 않는다.

5. 해상호텔 (특 2000-0066167/2000. 11. 15)

이 내용은 제목과 같이 해상호텔제작에 관련한 것으로 구조물의 흔들림에 대한 안정성이나 사고등에 대한 안전도 혹은 구조물의 경제성 측면에서 고려된 것이 아니고 호텔이라는 특수한 구조물의 구체적 설계시안이라는 관점에서 기술분석의 필요성이 제기되지 않는다.

본 발명은 파도가 있는 바다위에 떠 있는 구조물의 설계에 관한 기술적인 해결을 제시하는 것으로 유체역학의 기본원리를 적절하게 단순화 시켜 응용하는 것이고 구조물의 용처에 따라 필요한 요구사항을 만족시키면서 경제적으로 이를 달성하자는 데 그 목적이 있는 것이므로 기술적 어려움은 전혀 없고 제작공정이나 운용과정에서도 경제성 및 현실성을 확보하는 것이 목적이므로 기술적으로 난해하거나 미 해결인 분야는 없다. 다만 구체적설계단계에서는 해상구조물의 가장 필수적기술항목인 파도의 요동에 대한 기술적 해결이 필요한데 이는 구체적 사안별로 구조물의전체하중, 사용시 발생하는 동적하중 그리고 파도의 특성을 고려하여 설계변수를 얻어내어야 한다.

해양에서 발생되는 파도중에서 가장 강한 파고를 일으키는 장주기의 파도는 그 파장이 바다깊이의 함수인데 파장은 바다깊이의 제곱근에 비례한다. 따라서 구조물의 설치예상지역을 알면, 그 지역의 가장 큰 영향을 끼치는 파도의 파장을 알 수 있고 이에 대하여 구조물에 배치하는 각종 부력체들의 종류와 수량 그리고 배치 방법들을 최적설계(Optimal Design)기법으로 결정하게 된다.

본 발명은 대부분의 사람들이 경험적으로 불안감을 가지고 있는 해양 구조물에 대한 것으로 고도의 기술적인 해결방안이 있어야 할 것으로 생각하는 일반상식을 깨뜨리는 역발상에 의한 결과이므로 막혀 있다고 생각되는 기술적인 담을 간단한 원리로 단순화 시킨, 소위 "기술개발에 의한 발명"이라기 보다 발상의 전환에 의한 "단순 발명"이라고 함이 타당하다.

도1 : 개별부력체

도2 : 부력집합체

도3 : 부력변화에 대한 개념도

도4 : 규모가 적은 구조물에 사용되는 부력안정대(Buoyant Stabilizing Wing)

도5 : 표류방지장치

도6 : 공기유통튜브에 의한 부력체 간의 압력변화 감쇠 개념도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 개별부력체의 공기주입구 2 : 부력조절용 공기유통튜브

4 : 부력체의 수면을 조절하는 튜브끝단

41 : 규모가 적은 해상구조물 42 : 부력안정대

51 : 표류방지를 위한 닻 52 : 닻과의 인장을 유지하기 위한 추

53 : 도르래 61 : 압력평형유지용 공기튜브

본 발명의 구조물은 크게 3단계로 나누어 지는데 도1과 같이 부력을 생성하는 기본단위로 개별부력체(Buoyant Element)가 있고 개별부력체의 묶음(5∼20개정도)으로 된 부력집합체(Buoyant Assembly)(도2)가 있으며 이 부력집합체들을 구조물 전체에 적당히 배치시키면 전체 해상구조물이 완성되는 것이다. 구체적 설계시안을 얻기 위하여는 목적구조물에 대한 각종 설계변수를 구하여야 하는데 이때 고려되는 독립변수로는 ① 구조물의 정상(定常)하중 ② 구조물 사용(운전)시 발생하는 동적하중 ③ 구조물의 진동에 대한 각종 관성 모멘트(Moment) ④ 파도의 특성변수(주기, 높이, 파장등) ⑤ 구조물의 사용(운전)시 허용 진폭 등을 고려하여 부력체들의 종류, 수량, 배치방법등을 상세 설계 항목으로 최적화시켜 얻어낸다. 전체 구조물의 크기나 중량이 파도에 의한 부력의 크기에 비하여 상대적으로 적어 구조물의 요동을 별도로 제어할 필요가 있을 경우 도4와 같이 부력안정대(Buoyant Stabilizing Wing)을 설치할 수 있다.

1. 개별부력체(Buoyant Element)

개별부력체는 수중 혹은 수면에서 부력체 내부의 공기로 인하여 부력을 발생하게 되는데 부력체로 사용되는 자재로는 직경이 수십cm, 길이가 수m이내인 PVC파이프나 흔히 구할수 있는 플라스틱 드럼통(보통 200ℓ)등을 사용할 수 있다.

개별부력체는 도1과 같이 다양한 형태로 사용할 수 있으며 도2와 같이 여러개를 묶음으로 한 부력집합체로 조립하여 구조물에 부착한다.

공기 튜브가 있는 부력체는 부력조절을 할 수 있는 것으로 도1의 (나)(다)와 같이 상단부에 공기유통구멍(3)이 있고 여기에 공기유통 튜브(2)를 부착시킨다. 부력조절은 공기튜브끝단(4)의 높이를 조절하면 되는데 공기튜브를 부력체 하단이하로 낮추면(도3(가)) 수중에서 공기가 빠져나가지 못하므로 전체가 부력체 기능을 하게 되나 도3(나)와 같이 공기튜브를 절반 높이로 들어 올리면 하반부는 물이 차게 되므로 부력체 구실을 못하고 상반부만 공기가 있어 50%의 부력체 기능을 하게 된다. 공기튜브를 완전히 들어 올리면(도3(다)) 공기가 자유스럽게 빠져 나가므로 부력체 기능이 없어진다.

부력 조절용 부력체를 수면에 배치하여 상하의 공기유통구멍의 크기를 변화시키면 파도의 변화에 따른 유효부력의 변화가 적당히 감쇠되고 지연되어 발생한다.

2. 부력집합체(Buoyant Assembly)

부력집합체는 도2와 같이 다수개의 개별부력체를 조합한 것으로 경우에 따라 여러개의 부력조절용 부력체(도1(나), (다))를 포함할 수 있다.

해상 구조물은 여러개의 부력 집합체를 최적설계치에 의거하여 적당히 배치하고 이들을 조립하여 구성한다.

3. 공기유통튜브에 의한 구조물 요동 감쇠

파도가 통과할 때 파장의 길이에 따라서 다양한 크기의 부력이 존재하는데 부력체 간에 혹은 부력집합체간에 적당히 공기튜브로 상호 연결시키면 파도의 변화에 따른 부력의 변화들을 감쇠 시킬수 있다. 도6에서 보는 바와 같이 부력체 양쪽의 압력을 같게 하므로써 전체요동을 줄일 수 있는 것이다.

4. 부력안정대(Buoyant Stabilizing Wing)(도4)에 의한 구조물 요동 감쇠

구조물의 폭이 주파도의 파장과 비교하여 충분히(2∼3배) 크지 않을 때 구조물의 요동을 감쇠시키기 위한 목적으로 부력 안정대(도4)를 설치할 수 있다. 이것은(42) 구조물본체(41)주변에 폭 수m정도이고 길이는 구조물 전체를 둘러 쌀수 있을 정도로 하고 두께는 10∼20cm 정도로 하며 수면에 절반쯤 잠기도록 설치한다. 자재는 부력체의 기능을 훌륭히 하는 스티로폼판을 이용하거나 직경이 10∼20cm인 밀봉된 PVC관의 다발들을 뗏목처럼 엮어 사용할 수 있다.

5. 자동공기제어 장치

본 발명의 구조물은 대부분의 경우 사용목적에 따라 간단한 수동작업으로 요구조건을 충족할 수 있으나 특별한 경우 미세한 요동까지도 제어할 수 있도록 요구되는 경우가 있다.

이때는 구조물의 상하요동을 일으키는 힘을 측정하여 공기 펌프로 부력체의 공기를 주입 혹은 배출시키므로 이를 제어할 수 있도록 한다. 이때 위치 센서와 자동 부력조절을 하는 지점은 구조물내에서 서로 상당한 거리를 둔 삼각지점으로 한다.

6. 구조물의 표류방지 장치

본 발명은 해상에 떠 있는 구조물이므로 일정위치에 있지 않고 바람이나 해류에 의한 이동이 자유로우므로 이를 억제시킬필요가 있다. 이는 닻(anchor)으로 해결할 수 있는데 일정한 인장 하중을 유지할 수 있도록 구조물의 2개 지점(혹은 그이상)에 하중이 M인 추(52)를 매달고 이를 각각 2∼3방향에서 도르래(53)로 연결하여 무게가 2M정도인 해저의 닻(51)과 연결 고정시킨다. 평소에는 각 방향의 닻과 작용하는 하중이 서로 분산되어 있다가 구조물이 한쪽으로 쏠리면 반대쪽의 닻과 만 인장하중이 작용되어 복원하는 방향으로 인장력이 강하게 작용된다.

본 발명은 인류에게 크게 유익을 끼치면서도 또한 제어하기 어려운 가혹한 조건 때문에 인간이 제한적으로 밖에 활용할 수 없었던 바다위에 인간의 기술로 악조건을 해결하는 구조물을 제작하는 것으로 인류의 활동영역을 상당히 넓힐수 있다는데 그 엄청난 효과를 짐작할 수 있다.

해상구조물의 설치가 자유스럽게 되면 해저개발이나 해양을 무대로한 모든 분야의 인간활동에 제한을 받지 않고 활용할 수 있는 것이다.

그 한 예로 태평양바다에 해상기지를 만들어 비행장을 포함한 국제전략기지를 세울 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 공기를 밑에서 주입하여 부력을 얻을 수 있는 부력체를 상단의 공기구멍으로 연결된 튜브의 끝단(4) 위치변화로 부력조절을 할 수 있고 이들을 여러개 조합하여 부력집합체를 만들고 부력집합체들을 조립하여 부유체가 구성되는 해상구조물.
2. 파도에 의한 부력체간의 작용압력 차이를 공기튜브(61)로 상쇄시켜 구조물의 요동을 억제시키는 해상 구조물.(도6)
3. 소형구조물의 주위를 폭이 수m 두께가 10∼20cm정도의 스티로폼판들이나 밀봉된 PVC다발들을 뗏목처럼 엮은 얇은 부력대를 제작연결하여 수면에 절반가량 잠기게 함으로써 큰 파도에 대한 요동을 감쇠시키는 부력안정대를 가진 해상구조물.(도4)
4. 해상부유구조물의 하단부에 추(52)를 매달고 이를 2∼3방향에서 도르래(53)로 연결하여 해저의 닻(51)에 고정시키는 해상구조물의 표류방지장치.