KR20130055658A - 강관주 구조물 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

합리적인 설계가 가능한 강관주(鋼管柱) 구조물 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 기부(基部) 부근에 개구부를 갖는 경우에도 용접 등에 의한 보강의 필요가 없는 강관주 구조물 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 발명에 따른 강관주 구조물(1)은, 제1 원형 강관(1a)∼ 제18 원형 강관(1r)에 의해 형성되며, 높이 방향 중 적어도 일부의 범위에 있어서, 강관주 구조물의 축방향에 직교하는 단면에 있어서의 원형 강관의 판두께가 둘레 방향에서 변화하는 것을 특징으로 한다.

Description

강관주 구조물 및 그의 제조 방법{STEEL PIPE COLUMN STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 강제(鋼製) 굴뚝, 교량 주탑(bridge main tower), 풍력 발전용 타워, 해양 구조물, 건축계 구조물 등의 강관주(鋼管柱;steel pipe column) 구조물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

강관주 구조물의 예로서는, 예를 들면, 강제 굴뚝, 풍력 발전 타워, 해상 풍력 발전 기초 등을 들 수 있다.

이러한 강관주 구조물은, 높이 방향의 강관지름에 착안하면, 강관지름이 일률적인 것, 높이 방향으로 테이퍼를 주어 강관지름을 서서히 작게 하는 것으로 크게 구별된다.

강관의 판두께에 대해서는, 통상은 높이 방향에서 동일하거나 서서히 얇아지고 있는 것이 일반적이지만, 둘레 방향(peripheral direction)의 판두께는 동일하다(비특허문헌 1 참조).

강관주 구조물은, 이것을 구성하는 강관이 대경(lage diameter)으로 두꺼워진다. 그래서, 이러한 강관주 구조물(50)의 제조 방법은, 도 16(a)에 나타내는 바와 같은 압연 강판(51)으로부터 판권(板卷)에 의해 도 16(b)에 나타내는 바와 같은 원형 강관(53)을 제작한다. 제작된 원형 강관(53)의 높이는, 압연 강판의 폭인 3∼5m이며, 그것을 도 16(c)에 나타내는 바와 같이, 상방으로 순차 겹쳐 쌓고 용접, 볼트 등으로 접합함으로써 강관주 구조물(50)이 제조된다.

원형 강관(53)의 제작은, 압연 방향(L방향)으로 곡률을 주어 압연 강판(51)을 굽혀 행해진다.

강관지름이 10m 규모와 같은 대경인 경우에는, 압연 강판 1매로는 원형 강관(53)을 제작할 수 없는 경우도 있으며, 그 경우는, 압연 강판(51)을 이어 긴 판으로 한 후에, 이것을 원환상(annular shape)으로 감아 제작된다.

강관주 구조물 중에는, 도 17에 나타내는 바와 같이, 강관주 구조물(55)의 기부(base portion)에, 사람이 출입하기 위한 개구부(57)가 형성되는 경우도 있다. 개구부(57)가 형성된 부위는 단면 결손이 되기 때문에, 내력이 저하되어, 예를 들면 도 18의 (a),(b)에 나타내는 바와 같은 보강 부재가 부착된다.

비특허문헌 2, 3에 의하면, 개구부(57)의 보강은, 도 18(a)에 나타내는 바와 같은 더블링 플레이트(doublng plate;59)나, 도 18(b)에 나타내는 바와 같은 후육재(thickening member;61)를 개구부(57)에 끼워넣고 용접함으로써 행하는 것이 나타나 있다.

탑 형상 강구조 설계 지침·동(同)해설(1980년), 일본건축학회 풍력 발전 설비 지지물 구조 설계 지침·동해설 <2007년판>, 일본토목학회 구조 공학 시리즈 17, 2007년 9월, 일본토목학회

종래예와 같이, 둘레 방향의 판두께가 동일한 강관주 구조물에서는, 둘레 방향에서(방위별로는) 동등한 강성(剛性)을 갖고 있다. 즉, 강관주 구조물의 저항력은 방위에 따르지 않고 동일하다.

다른 한편, 외력은 일반적으로 방위에 따라 변동한다. 예를 들면, 외력이 풍력인 경우, 반드시 탁월 풍향(prevailing wind)이 존재하기 때문에, 외력의 크기는 방위에 따라 상이하며, 그렇기 때문에, 작용하는 힘의 크기는 방위에 따라 상이하다.

또한, 외력이 조류인 경우라도 조류의 방향은 탁월한 방향이 있기 때문에, 풍력의 경우와 동일하게 작용하는 힘의 크기는 방위에 따라 상이하다.

통상의 설계에서는, 저항력과 작용력의 비를 안전율이라고 생각하고, 작용력에 대하여 어느 안전율을 곱하여 저항력을 결정하고, 그 저항력을 발휘할 수 있도록 구조물이 설계된다.

강관주의 설계의 경우에, 저항력은 강관지름과 판두께에 의해 결정된다. 그러나, 강관지름은 제작·시공, 사용성 등 다른 요인으로 결정되는 경우가 있다. 그 때문에, 설계 단계에서는 판두께만을 저항력과의 관계로 결정하는 경우가 많다.

설계에서는, 최대 외력이 되는 방위를 작용력으로 하고, 그에 안전율을 곱하여 필요한 저항력을 구조물의 최대 저항력으로 하고, 그 최대 저항력에 기초한 판두께를 결정한다.

상기의 방법에서는, 최대 저항력이 되는 방위 이외에서는 작용력이 작기 때문에, 작용력에 비하여 저항력이 과대해진다. 즉, 저항력과 작용력의 비인 안전율이 방위별로 상이하여, 최대 저항력이 되는 방위의 안전율이 최소가 되고, 다른 방위에서는 안전율은 커진다.

그러나, 합리적인 설계를 행한다면, 안전율은 방위별로도 평준화되는 것이 필요하다. 그러나, 그와 같이 되어 있지 않은 것이 현상(現狀)이며, 그 점이 강관주 구조물의 과제였다.

또한, 강관주 구조물에서는, 전술한 바와 같이, 기부 근방에 사람이 출입하기 위한 개구부(57)를 갖는 경우도 있다. 이 경우, 개구부(57)의 부분이 단면 결손이 되는 점에서 보강을 행할 필요가 있었다.

특히, 풍력 발전용 타워 등에서는 풍차의 운전시에 작용하는 타워의 흔들림에 의한 피로가 심하고, 그 때문에 보강 부재의 판두께를 늘려 발생 응력을 저감하는 조치도 취해진다.

그러나, 보강 부재에 주강(cast steel)을 이용하거나, 보강용의 강판을 용접하거나 하는 대책에서는, 공수(number of steps)가 소요되는 경우나, 용접부의 품질이 문제시되는 경우가 있었다.

본 발명은, 전술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 방위별로 평준화된 안전율을 갖는 등의 합리적인 설계가 가능한 강관주 구조물 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 기부 부근에 개구부를 갖는 경우에도 용접 등에 의한 보강의 필요가 없는 강관주 구조물 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 강관주 구조물의 높이 방향 중 적어도 일부에 있어서 둘레 방향에서 판두께가 변화하는 강관주 구조물로 하는 것을 생각했다.

통상, 탁월한 외력은 일 방향, 혹은 소정의 폭을 가진 범위의 방위에서 작용하는 경우가 많다.

그래서, 발명자들은, 탁월한 외력에 대응하는 부분에 대해서 판두께를 두껍게 하여, 강관의 저항력을, 방위별의 외력에 의한 작용력에 따라서 변화시키면 좋다고 생각했다. 다만, 판두께를 두껍게 하는 것이 아니라, 외력의 최대가 되는 방위에 대해서 판두께를 정한 경우에는, 그와 상이한 방위에는 방위마다의 작용력에 대해서 판두께를 얇게 하도록 해도 좋다.

도 14는, 강관의 둘레 방향에서 판두께를 변화시킨 경우에 있어서의 외력과 저항력의 관계를 설명하는 설명도이다. 이 예에서는, 도 14(a)에 나타내는 바와 같은 압연 방향(L방향)에서 판두께를 변화시킨 부분을 포함하는 압연 강판인, 두께 차이가 있는 강판(65)을 이용하여, 두께 차이가 있는 강판(65)을 압연 방향인 L방향으로 감아 도 14(b)에 나타내는 바와 같은 원형 강관(67)을 형성한 것이다. 원형 강관은, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이, 도면 중 좌우의 영역(도면 중에서 색을 칠한 영역)의 판두께가 얇고, 도면 중 상하의 영역이 두껍게 되어 있다. 외력은 강관의 도면 중 상하 방향으로 작용하여, 강관주 구조물이 도면 중의 화살표의 방향으로 흔들리는 경우를 상정하고 있다. 이 경우, 도 14(c)에 나타내는 바와 같이, 외력은 남북(SN) 방향이 크고, 동서(EW) 방향이 작다. 이에 대응하여, 강관주 구조물의 저항력(단면 강성)도 남북(SN) 방향이 크고, 동서(EW) 방향이 작아져 있어, 합리적인 형상인 것을 알 수 있다.

이에 대하여, 종래예는, 두께가 동일한 압연 강판(69)(도 15(a) 참조)을, L방향으로 감아 둘레 방향에서 두께가 동일한 원형 강관(71)을 제작하고, 이것을 복수 쌓아 올려 접합한 것이다. 도 15(c)에 나타나는 바와 같이, 외력은 도 15(c)에 나타낸 것과 동일하게, 남북(SN) 방향이 크고, 동서(EW) 방향이 작지만, 저항력(단면 강성)은 전(全)방위에서 동일해져 있어, 무의미한 설계로 되어 있는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 원형 강관의 판두께를 둘레 방향에서 변화시킴으로써, 단면 강성을 방위별로 바꿀 수 있고, 저항력을 외력에 따라서 방위별로 바꿀 수 있다. 이에 따라, 방위별의 안전율(저항력/작용력)의 평준화를 도모할 수 있다.

본 발명은 이러한 인식에 기초하여 이루어진 것으로, 구체적으로는 이하의 구성으로 이루어지는 것이다.

상기의 예에서는, 종래 기술로서 대다수를 차지하는 원형 강관을 들어 설명했지만, 본 발명은 원형 강관으로 한정되는 것이 아니며, 각형(polygonal) 강관에 있어서도 적용 가능하다. 각형 강관의 경우에는, LP 강판 혹은 테이퍼 플레이트를 프레스 밴딩(pressbending)에 의해 각형으로 성형하면 좋다.

또한, 각형 강관의 단면 형상으로서는, 사각형(직사각형) 단면뿐만 아니라, 육각형, 팔각형 등의 다각형 단면이라도 좋다. 즉, 다각형 단면을 갖는 다각형 강관주에도 적용 가능하다.

다각형 강관에 있어서, 그의 단면에 있어서의 둘레 방향에서 판두께를 변화시키는 경우에는, 각 변에 해당하는 부분의 강판의 판두께를 각 변마다 변화시켜도 좋다. 그 때문에, 판두께가 상이한 평판을 둘레 방향으로 다각형을 형성하도록 배치하고, 배치한 서로 이웃하는 평판끼리를 다각형 강관의 축방향으로 용접하여 다각형 강관주를 제작할 수도 있다.

(1) 본 발명에 따른 강관주 구조물은, 강관에 의해 형성되며, 높이 방향 중 적어도 일부의 범위에 있어서, 강관주 구조물의 축방향에 직교하는 단면에 있어서의 강관의 판두께가 둘레 방향에서 변화하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(2) 또한, 상기 (1)에 기재된 것에 있어서, 두께 차이가 있는 강판을 원환상으로 형성하여 이루어지는 원형 강관을, 높이 방향으로 겹쳐 쌓고 접합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

(3) 또한, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 것에 있어서, 상기 판두께가 변화하는 경계부를 테이퍼면에 의해 연속하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

(4) 또한, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 것에 있어서, 판두께가 두꺼운 영역과 얇은 영역이 강관 둘레 방향에서 번갈아 형성되어, 두꺼운 부위와 얇은 부위가 각각 복수 개소 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(5) 또한, 상기 (4)에 기재된 것에 있어서, 판두께가 두꺼운 영역끼리 및 판두께가 얇은 영역끼리가 각각 선대칭의 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(6) 또한, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 것에 있어서, 판두께가 변화하는 영역이, 높이 방향 중 일부의 영역에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(7) 또한, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 것에 있어서, 판두께가 변화하는 영역이 둘레 방향의 동일한 영역에서 상하에 걸쳐 형성됨과 함께, 하부의 판두께의 변화율이 상부의 판두께의 변화율보다도 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(8) 또한, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 것에 있어서, 강관주 구조물의 둘레면의 일부에 개구부를 갖고, 당해 개구부가 판두께가 두꺼운 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(9) 본 발명의 강관주 구조물의 제조 방법은, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 강관주 구조물의 제조 방법으로서, LP 강판을 1매, 혹은 복수매 접합한 것을 원환상으로 형성하여 원형 강관을 제작하는 원형 강관 제작 공정과, 제작된 원형 강관을 겹쳐 쌓고 접합하는 원형 강관 접합 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

여기에서, LP 강판이란, 강판의 압연 방향으로 직선적으로 판두께를 변화시킨 부분을 포함하는 후강판으로서, Longitudinally Profiled Steel Plate라고도 칭한다.

본 발명에 있어서는, 강관주 구조물의 축방향에 직교하는 단면에 있어서의 강관의 판두께가 둘레 방향에서 변화하도록 했기 때문에, 방위별로 안전율(강관의 저항력/(외력의 작용력))을 평준화할 수 있는 합리적인 구조를 실현할 수 있다. 이에 따라, 강재 사용량도 적게 할 수 있기 때문에, 염가의 강관주 구조물을 제공할 수 있다.

또한, 강관주 기부의 개구부를 후육화(increasing the thickness)함으로써, 보강 부재를 새롭게 용접 등에 의해 부착할 필요가 없어, 공수가 소요되지 않고, 용접부의 품질도 문제시되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강관주 구조물의 설명도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 강관주 구조물의 작용의 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강관주 구조물을 구성하는 원형 강관의 설명도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 강관주 구조물의 설명도이다.
도 5는 도 4의 A-A에 따른 단면도이다.
도 6은 도 4의 B-B에 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1의 설명도이다.
도 8은 도 7의 X-X에 따른 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2의 설명도이다.
도 10은 도 9의 A-A에 따른 단면도이다.
도 11은 도 9의 B-B에 따른 단면도이다.
도 12는 실시예 2에 따른 강관주 구조물의 제조 방법의 설명도이다.
도 13은 실시예 2의 효과를 설명하는 실험 결과의 그래프이다.
도 14는 과제를 해결하기 위한 수단의 설명도이다.
도 15는 과제를 해결하기 위한 수단의 설명도로서, 본 발명의 비교로서의 종래예의 설명도이다.
도 16은 종래예의 강관주 구조물의 설명도이다.
도 17은 종래예의 강관주 구조물로서, 기부 근방에 개구부를 갖는 것의 설명도이며, 도 17(a)가 정면도, 도 17(b)가 도 17(a)의 A-A에 따른 단면도이다.
도 18은 도 17의 개구부의 보강 구조의 설명도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 형태의 다른 형태에 따른 강관주 구조물의 설명도이다.
도 20은 도 19의 A-A에 따른 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 형태의 다른 형태에 따른 강관주 구조물의 설명도이다.
도 22는 도 21의 A-A에 따른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시 형태의 다른 형태에 따른 강관주 구조물의 설명도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시 형태의 다른 형태에 따른 강관주 구조물의 설명도이다.
도 25는 도 24의 A-A에 따른 단면도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

[실시 형태 1]

본 실시 형태를 도 1, 도 2에 기초하여 설명한다.

본 실시 형태에 따른 강관주 구조물(1)은, 복수의 원형 강관을 접합함으로써 형성되고, 높이 방향 중 적어도 일부의 범위에 있어서, 원형 강관의 축방향에 직교하는 단면에 있어서의 원형 강관의 판두께가 둘레 방향에서 변화한다.

이하 구체적으로 설명한다.

강관주 구조물(1)의 예로서, 본 실시 형태에서는, 상부에 풍차(wind mill) 설비가 설치되는 타워를 예로 들고 있다. 강관주 구조물(1)은, 18개의 원형 강관을, 기초(3) 상에 높이 방향으로 겹쳐 쌓고, 원형 단부(端部)를 맞대기 용접(butt-welding)으로 접합하여 형성하고 있다. 도면 중의 파선으로 나타내는 부위가 용접부로서, 아래로부터 순서대로 제1 원형 강관(1a), 제2 원형 강관(1b)…, 제18 원형 강관(1r)으로 되어 있다. 또한, 간략화를 위해, 각 원형 강관에 있어서의 높이 방향에는, 강관지름의 테이퍼는 도시하고 있지 않다.

본 실시 형태의 강관주 구조물(1)은, 상부에 풍차를 부착하는 것이다. 풍력에는 탁월 방향(prevailing direction)이 있으며, 도 2에 있어서, 도면 중 위로부터 아래를 향하는 방향이다.

도 1의 A-A에 따른 단면인 도 2(a), B-B에 따른 단면인 도 2(b), C-C에 따른 단면인 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 각 원형 강관의 도면 중 상하의 소정 범위가 두껍게 형성되어 있다.

도면 중의 상하의 소정 범위를 두껍게 한 것은, 풍력에 의한 흔들림이 탁월한 방향을 후육화하여, 반복 하중에 의한 피로 강도를 늘리기 위함이다.

또한, 도 2(a), 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, A-A에 따른 단면의 부위(제18 원형 강관(1r)) 및 B-B에 따른 단면의 부위(제11 원형 강관(1k))에서, 각 원형 강관에 있어서의 도면 중 상하의 두께는, 선대칭으로 되어 있다. 단, A-A에 따른 단면에서 나타나는 (제18 원형 강관(1r))보다도 B-B에 따른 단면에서 나타나는 (제11 원형 강관(1k))의 쪽이, 후육부(thick portion)의 두께가 보다 두꺼워져 있다. 이것은, 하부의 쪽이 흔들림에 의한 피로가 큰 점에서, 피로 강도를 보다 강하게 하기 위함이다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 판두께가 변화하는 영역이 높이 방향에서 동일한 위치(도면 중의 상하 소정의 영역)에 형성되어 있고, 그리고, 하부의 판두께의 변화율이 크게 설정되어 있다.

또한, 각 원형 강관의 관축 방향 직교 단면은, 상하 중 어느 개소에서도 동일하다. 따라서, 원주 방향에서 두께가 변화한다고 해도, 예를 들면 리브 부착 강관(ribbed steel pipe)과 같은 것과는 명확하게 구별된다.

또한, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, C-C에 따른 단면의 부위(제1 원형 강관(1a))에 있어서도, 도면 중에 나타내는 상하를 두껍게 하고 있지만, 도면 중 하측의 영역의 쪽이 상측의 영역보다도 더욱 두껍게 형성되어 있다. 이것은, 강관주 구조물(1)의 기부 부근에서는, 흔들림에 의한 피로에 대한 대책에 더하여 최대 외력에 의한 좌굴(buckling)에 대한 대책으로서, 최대 외력에 의해 압축력이 작용하는 방위(도면 중 하측)의 내력을 늘리기 위해 보다 후육화한 것이다.

또한, 판두께가 변화하는 부위에 단차(段差)가 있으면 응력 집중이 발생하는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 본 실시 형태에 있어서는, 제11 원형 강관(1k)의 단면도인 도 3에 나타내는 바와 같이, 판두께가 변화하는 부위에서는, 단차를 형성하지 않도록, 후육부와 박육부(thin portion)가 테이퍼면에 의해 연속하도록 형성되어 있다. 도 3에 있어서, 테이퍼면의 부위는, 파선의 타원으로 둘러싸고 있다. 테이퍼면의 경사 각도는, 응력 집중이 적으면 좋지만, 통상은 1/5 이하의 구배(slope)(판두께 1㎜에 대하여 길이가 5㎜ 이상)의 완만함으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 강관을 두께 차이가 있는 강판에 의해 형성하는 경우에는, 경사 각도는 최대로 10㎜/m 정도이며, 구배로 하여 1/100 이하의 구배가 되기 때문에, 특단의 문제는 발생하지 않는다.

도 3에서는, 좌우의 약 70°의 영역 E1, E2가 판두께가 얇은 영역이며, 이것을 제외한 상하의 영역이 판두께가 두꺼운 영역이다. 또한, 제11 원형 강관(1k)은, 도 3에 있어서의, 보조선 A-A 및 보조선 B-B에 대하여, 각각 선대칭의 단면으로 되어 있다.

본 실시 형태의 예에서는, 판두께가 두꺼운 영역과 얇은 영역이 강관 둘레 방향에서 번갈아 형성되어, 두꺼운 영역과 얇은 영역이 각각 2개소 형성되어 있다. 그리고, 판두께가 두꺼운 영역끼리 및 판두께가 얇은 영역끼리가, 각각 선대칭의 위치에 형성되어 있다.

<제조 방법>

강관주 구조물(1)의 제조 방법의 일 예를, 이하에 나타낸다.

두께 차이가 있는 강판(강판의 압연 방향으로 판두께를 변화시킨 부분을 포함하는 후강판)을 압연 방향으로 굽힘으로써, 원주 방향으로 판두께가 변화하는 원형 강관을 복수(본 예에서는 18개) 제조한다.

다음으로, 각 원형 강관을 겹쳐 쌓고, 연결부를 맞대기 용접으로 접합한다.

본 실시 형태의 강관주 구조물(1)에 있어서는, 강관주 구조물(1)의 축방향에 직교하는 단면에 있어서의 원형 강관의 판두께가 둘레 방향에서 변화하도록 했다. 그 때문에, 방위별로 안전율(강관의 저항력/외력의 작용력)을 평준화할 수 있는 합리적인 구조가 가능하다.

이에 따라, 강재 사용량도 적게 할 수 있기 때문에, 염가의 강관주 구조물(1)을 제공할 수 있다.

종래에서는, 전방위에 동일하게 판두께를 늘린 강관주 구조물밖에 존재하지 않았다. 그러나, 방위별로 외력을 생각하여 둘레 방향으로 판두께를 변화시킴으로써, 강재 사용량을 줄인 합리적인 구조가 가능해진다. 피로가 크리티컬(critical)하게 되는 경우에, 피로성능은 발생 응력의 3제곱에 비례하는 것이 알려져 있으며, 판두께를 부분적으로 1㎜ 늘리는 것만으로도 방위별의 피로성능은 크게 변화한다. 그 때문에, 두께 차이량은 수㎜ 정도라도 충분한 효과가 있다.

또한, 상기의 실시 형태는, 풍력 설비를 설치하기 위한 타워였기 때문에, 풍력의 방향에 대응하도록 판두께가 변화하는 개소를 설정했다. 이와 같이, 판두께를 변화시키는 개소는, 강관주 구조물에 작용하는 응력에 따라서 적절한 개소로 설정하도록 하면 좋다.

예를 들면, 일반의 기둥 형상 강관물에 있어서, 기부의 좌굴이 문제시되는 경우에는, 최대 외력이 작용하는 방위의 반대측(즉, 작용력으로 압축력이 작용하는 측)의 판두께를 두껍게 하도록 하면 좋다.

또한, 양상(offshore) 풍력 발전 타워나 풍력 발전용 해중(undersea) 기초의 파일(모노파일(monopile), 트리파일(tripile) 등)에서는, 풍차 운전시에 발생하는 흔들림에 의해 타워, 해중 기초의 파일의 피로가 문제시되는 경우도 발생한다. 이 경우에는, 흔들림이 탁월한 방위의 판두께를 늘림으로써, 발생 응력을 저감할 필요가 있다. 그 때문에, 흔들림의 방향에 대하여 선대칭이 되도록 후육부를 형성하도록 하면 좋다. 혹은, 흔들림이 탁월한 방위의 판두께로 단면을 설계하고, 비(非)탁월 방위에 대해서는 판두께를 줄이도록 해도 좋다. 이들에 의해서도 합리적인 설계가 가능해진다.

해중에 설치하는 강관주의 예가, 도 19 및 도 19에 있어서의 A-A에 따른 단면도인 도 20에 나타나 있다.

도 19, 도 20에 나타나는 강관주(73)는, 해류의 영향을 받는 해중에 설치하는 것으로, 해중부에 설치되는 부위에 있어서의 둘레 방향에 있어서, 해류에 저항하는 방향의 판두께가 커져 있다. 도 20에 있어서는, 해류의 가장 큰 힘이 작용하는 방향이 도면 중 위로부터 아래를 향하는 방향이며, 강관주(73)는 도면 중 하측을 두껍게 하고 있다.

해류는 장기간에 걸쳐 거의 일정한 방향과 크기를 갖고 있는 점에서, 해류의 방향의 변동의 극대값, 반복 변동량의 크기와 반복 횟수를 고려하여, 두껍게 하는 판두께를 설정하고 있다.

해중에 설치하는 해중부 구조물의 예가, 도 21 및 도 21에 있어서의 A-A 화살표 단면도인 도 22에 나타나 있다.

도 21, 도 22에 나타나는 해중부 구조물(75)은, 조류의 영향을 받는 해중에 설치하는 것으로, 3개의 강관주(77)를 구비하여 이루어지는 것이다.

3개의 강관주(77)는 동일한 구조이다. 각 강관주(77)는, 도 22에 나타내는 바와 같이, 둘레 방향으로 판두께가 상이하며, 지름 방향에서 대향하는 면이 동일한 판두께가 되도록 설정되어 있다. 이것은, 각 강관주(77)가 조류에 기인하는 흐름에 저항하기 위해, 조류의 방향의 굽힘 강성을 높게 하도록, 조류의 방향의 판두께를 크게 한 것이다. 조류는, 조석에 수반하는 해수의 수평 운동이며 주기적으로 변화하기 때문에, 상기의 조류에 기인하는 흐름에 저항하는 방향에 따라서 판두께를 크게 하고 있다. 구체적으로는, 도 22에 나타내는 바와 같이, 도면 중 위로부터 아래를 향하는 방향은, 어느 시점 t에 있어서의 조류의 방향이다. 그러나, 이것은 주기적으로 변화하며, 다른 시점 t'에 있어서는, 도면 중 아래로부터 위를 향하는 방향이 된다. 그 때문에, 강관주는 도면 중 상하 부분을 두껍게 설정하고 있다.

강관주(77)에 있어서의 조류에 저항하는 방향의 판두께를 두껍게 한다는 것은, 반대로 말하면, 조류에 저항할 필요가 없는 부위는 판두께를 두껍게 하지 않아도 좋다. 이에 따라, 합리적인 설계가 가능해진다.

또한, 복잡한 지형 등과 같이 여러 가지 요인에 의해 흐름이 여러 가지 방향으로 변화하는 바와 같은 경우라도, 그 방향에 따라서 필요한 판두께로 설정하면 좋다.

좌굴, 피로의 쌍방의 경우에 있어서, 방위별의 안전율을 평활화하는 것이 목적이면, 강관주 구조물(1)의 높이 방향에 있어서의 두께 차이를 형성하는 개소에 관해서는, 본 실시 형태와 같이, 강관주 구조물(1)의 높이 방향 모두에 형성할 수 있다.

한편, 좌굴, 피로 이외에도 자중(自重)에 견디는 필요성이나 최소 판두께의 제한도 고려하면, 높이 방향 중 일부분에 본 발명을 적용하여, 당해 부분만의 원형 강관에 둘레 방향의 두께 차이를 형성하거나, 당해 부분만의 각형 강관의 일부의 면에 두께 차이를 형성하거나 하도록 해도 좋다.

또한, 상기의 실시 형태 1에서는, 원형 강관에 있어서의 판두께가 변화하는 부위를 테이퍼면을 개재하여 연속시키도록 했지만, 본 발명에서는, 판두께가 변화하는 부위에 단부가 형성되는 것을 배제하고 있는 것은 아니다.

상기의 실시 형태에 있어서는, 강관주 구조물의 예로서 단면이 원형의 원형 강관을 이용한 것을 예로 들어 설명했지만, 조관(造管) 방법을 각형 강관주로 해도 좋다. 각형 강관의 단면 형상으로서는, 사각형(직사각형) 단면뿐만이 아니라, 육각형, 팔각형 등의 다각형 단면이라도 좋다. 각형 강관의 경우도 원형 강관의 경우와 동일하게, 둘레 방향에서 판두께가 큰 개소와 작은 개소가 있도록 둘레 방향으로 판두께가 변화하고 있다. 이러한 각형 강관의 제조 방법은, LP 강판 혹은 테이퍼 플레이트를 프레스 밴딩에 의해 단면이 다각형이 되도록 성형하는 방법이 있다.

도 23은 LP 강판(도 23(a))을 이용하여 팔각형의 각형 강관을 성형하는 예이다. 도 23에 있어서의 각 변 a∼h가, 각각 도 23(b)의 변 a∼h에 대응하고 있다.

도 23(b)에 나타나는 바와 같이, 팔각형 단면이 대향하는 변 a, e가 박육의 변이며, 대향하는 변 c, g가 후육의 변으로 되어 있다. 그리고, 후육의 변과 박육의 변의 사이에 있는 변 b, d, f, h가 테이퍼 형상의 변으로 되어 있다. 후육의 변을 판두께가 두꺼운 영역으로 하고, 박육의 변을 판두께가 얇은 영역으로 하여 파악하면, 도 23에 나타나는 예도, 「판두께가 두꺼운 영역끼리 및 판두께가 얇은 영역끼리가 각각 선대칭의 위치에 형성되어 있다」라는 것이 된다.

또한, 박육의 변 a, e를 판두께가 얇은 영역, 후육의 변과 테이퍼 형상의 변을 포함하는 (b·c·d), (f·g·h)를 판두께가 두꺼운 영역으로 파악해도, 도 23에 나타나는 예는, 「판두께가 두꺼운 영역끼리 및 판두께가 얇은 영역끼리가 각각 선대칭의 위치에 형성되어 있다」라는 것이 된다.

또한, 다른 방법으로서, 각 변을 구성하는 평판 형상의 강재를 둘레 방향으로 각형으로 늘어놓고 각 강재를 용접하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 강관을 둘레 방향에서 감지 않기 때문에, 완성되는 강관주 구조물을 구성하는 강관 중 하나의 길이가 길어진다.

도 24의 A-A에 따른 단면도인 도 25에, 팔각형 단면을 갖는 각형 강관주 구조물(79)의 일 예가 나타나 있다. 도 24, 도 25에 나타낸 예는, 각 변을 구성하는 평판 형상의 강재를 둘레 방향으로 8각형을 형성하도록 늘어놓고 용접하여 형성한 것으로, 도 25에 있어서의 좌우 대향하는 변에 상당하는 면의 판두께가 동일하며, 이들 판두께가 다른 부위보다도 얇게 되어 있다. 이와 같이 판두께가 상이한 평판을 용접으로 접합하는 경우에는, 접합 개소에 있어서 판두께가 바뀌게 되지만, 용접 단부는 일부를 잘라내어 개선(開先;groove)을 만들어 용접하기 때문에, 용접부에 단이 생길 일은 없다.

또한, 도 24, 도 25에 나타내는 바와 같이, 평판 형상의 강재를 둘레 방향으로 다각형을 형성하도록 늘어놓고 용접하여 형성하는 경우는, 동일한 평판을 원환상으로 하여 형성하는 경우에 비교하여, 기둥 구조물(columnar structure)을 구성하는 하나의 강관의 길이가 길어진다. 구체적으로는, 도 24, 도 25에 나타내는 각형 강관주 구조물(79)을 구성하는 제1 각형 강관(79a), 제2 각형 강관(79b), 제3 각형 강관(79c)의 길이가, 도 1에 나타낸 원형 단면의 강관주 구조물(1)을 구성하는 제1 원형 강관(1a) 등 보다도 길어져 있다.

[실시 형태 2]

본 실시 형태를 도 4∼도 6에 기초하여 설명한다.

본 실시 형태에 따른 강관주 구조물(10)은, 강관주 구조물(10)을 구성하는 강관의 일부에 개구부(13)을 갖고, 당해 개구부(13)가 판두께가 두꺼운 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

개구부(13)를 갖는 강관주 구조물(10)의 구체예로서는, 강제 굴뚝(steel smokestack), 풍력 발전용 타워, 풍력 발전용 해중 기초 파일 등이 있다.

도 4∼도 6에 나타내는 예는, 강관의 직경이 6m(φ6000)이고, 폭 1m, 높이 2m의 개구부(13)가 형성되어 있는 경우이다.

본 실시 형태의 강관주 구조물(10)은, 실시 형태 1과 동일하게 복수의 원형 강관을, 그의 원형 단부를 맞닿게 하도록 겹쳐 쌓고, 맞닿음부를 맞대기 용접하여 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 강관주 구조물(10)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 최하부의 제1 원형 강관(10a)과, 아래로부터 2번째의 제2 원형 강관(10b)의 양쪽에 걸친 부위에 개구부(13)가 형성되어 있다.

최하부의 제1 원형 강관(10a)과, 그 위의 제2 원형 강관(10b)은, 도 4의 A-A 에 따른 단면도인 도 5에 나타내는 바와 같이, 개구부(13)에 상당하는 영역이 두껍게 형성되어 있다.

개구부(13)가 형성되는 영역을 두껍게 한 원형 강관을, 도 5에 나타내는 제2 원형 강관(10b)을 예로 들어 구체적으로 설명한다. 제2 원형 강관(10b)은, 표준 판두께 영역(21)과, 후육 영역(23)과, 표준 판두께 영역(21)과 후육부를 잇는 테이퍼면 영역(25)을 구비하고 있다.

제2 원형 강관(10b)은, 예를 들면 폭(C방향) 3m×길이(L방향) 약 18.8m(6m×3.14＝18.84m)의 LP 강판을, L방향을 원주 방향으로 굽혀 제작한다.

개구부(13)의 약 1m와 그 주변의 1m의 합계 3m의 영역이 후육 영역(23)이며, 후육 영역(23)의 양측의 1.5m의 부분이 5㎜/m의 테이퍼면 영역(25)이 되고, 그 이외의 부분이 원주의 절반이 되는 약 12.84m(L방향 길이 18.84－3－1.5－1.5＝12.84m)가 표준 판두께 영역(21)으로 되어 있다.

표준 판두께 영역(21)의 판두께는 40㎜, 후육 영역(23)의 판두께는 50㎜, 테이퍼면 영역(25)의 경사는 5㎜/m이다.

아래로부터 3번째의 제3 원형 강관(10c)은, 도 4의 B-B에 따른 단면도인 도 6에 나타내는 바와 같이, 판두께가 둘레 방향에서 변화하지 않고 표준의 판두께(4㎜)로 되어 있다.

제3 원형 강관(10c)에 대해서는, 종래대로의 두께 차이가 있는 강판이 아닌 통상의 압연 강판을 이용하여 조관된 강관이다.

<제조 방법>

강관주 구조물(10)의 제조 방법은, 실시 형태 1과 동일하며, 두께 차이가 있는 강판을 압연 방향으로 굽힘으로써, 원주 방향으로 판두께가 변화하는 원형 강관을 제조한다. 원형 강관을, 그 원형 단부를 맞대기 용접에 의해 접합한다. 개구부(13)는, 원형 강관을 접합한 후에 형성하면 좋다.

LP 강판의 판두께 변화부, 판두께 일정부는 압연시의 제어에 의해 제작 가능하다. 통상은 1매의 압연 후판(厚板)으로 조관 가능하다.

그러나, 타워의 대형화에 수반하여, 강관지름이 6m를 초과하여, 10m에 가까운 경우도 있으며, 그 경우는, 1매의 압연 후판으로 제작하는 경우에는 30m 정도의 길이가 필요시되지만, 강판 제조에 더하여, 제작시의 핸들링도 나빠진다. 그래서, 이러한 경우에는, 15m 정도의 길이의 후판을 2매 이은 후에 조관하는 편이 바람직하다. 그 경우, 2매 모두 LP 강판인 경우, 편측만이 LP 강판인 경우도 있다.

본 실시 형태의 강관주 구조물(10)에 있어서는, 개구부(13)의 단면 결손에 의한 좌굴 내력을 방지하기 위해, 그 부분의 판두께를 미리 조관 단계에서 후육화하여 좌굴 내력의 향상이 이루어져 있다. 그 때문에, 보강 부재가 불필요하여, 보강에 수반하는 용접 작업도 불필요해진다. 또한, 용접부가 존재하면 품질, 피로 균열의 문제도 염려되지만, 본 실시 형태에서는 개구부(13) 근방에 보강용의 용접부가 존재하지 않는 점에서, 품질의 문제나, 피로 균열의 문제도 없다.

상기의 실시 형태 2에 있어서는, 강관주 구조물(10)의 예로서 단면이 원형의 원형 강관을 이용한 것을 예로 들어 설명했지만, 조관 방법을 각형 강관주로 해도 좋다. 이 경우에 있어서, 그 제조 방법 등은, 실시 형태 1에서 설명한 내용과 동일하다.

(실시예 1)

상기 실시 형태 1에 대응하는 실시예 1을, 도 7, 도 8에 기초하여 설명한다. 또한, 도 7, 도 8에 있어서 도 1∼도 3과 동일 부분에는 동일한 부호가 붙어 있다.

실시예 1의 강관주 구조물(1)은, 강관지름 4000㎜, 판두께 30㎜의 원형 단면을 갖는 종래의 강관주 구조물(1)을 대신하는 것으로서, 본 발명을 적용하여 두께 차이가 있는 강판을 이용하여 제작한 원형 강관을 높이 방향으로 25개 접합함으로써, 각 원형 강관의 단면이 둘레 방향에서 변화하도록 한 것이다.

실시예 1의 강관주 구조물(1)은, 도 7의 X-X에 따른 단면도인 도 8에 나타내는 바와 같이, 두께 차이가 있는 강판을 이용하여, 둘레 방향으로 70° 구간을 판두께 22㎜로 하고, 그 사이를 점점 가늘어지게 한 단면을 갖고 있다. 도 8에 있어서, 강관주 구조물의 단면은, 보조선 A-A, 보조선 B-B에 대하여, 각각 선대칭의 단면으로 되어 있다.

탁월 풍향에 의한 흔들림의 방향(도면 중 A-A 방향)의 반복 횟수에 대하여, 탁월 풍향과 직각 풍향에 의한 흔들림의 반복 횟수(도면 중 B-B 방향)가 40％인 점에서, B-B 방향의 흔들림에 대해서는 A-A 방향의 40％의 피로 수명으로 충분하다. 그래서, B-B 방향의 판두께를 30㎜에서 22㎜로 얇게 한 것이다.

B-B 방향의 판두께를 얇게 함으로써, 도 8에 있어서의 연직 방향(A-A 방향)으로 힘이 작용하는 경우의 강성(단면 2차 모멘트)은 거의 바꾸지 않고, 수평 방향(B-B 방향)으로 힘이 작용하는 강성(단면 2차 모멘트)을 줄일 수 있어, 수평 방향(B-B 방향)의 단면 2차 모멘트는 약 80％로 되어 있다.

보 이론(beam theory)에서는, 발생 응력 σ＝(M/I)·y(M: 굽힘 모멘트, I: 단면 2차 모멘트, y: 테두리 가장자리부까지의 거리(원관의 경우, 강관 바깥 치수 반경))이기 때문에, 판두께의 변화에 의해 단면 2차 모멘트만이 변화하여, 발생 응력이 바뀐다. 단면 2차 모멘트가 80％이면, 발생 응력은 1/0.8＝1.25배가 된다. 피로 수명은 발생 응력의 3제곱에 반비례하는 점에서, 판두께를 얇게 한 방향의 피로 수명은 1/(1.25×1.25×1.25)＝0.51배가 된다. 요구되는 피로 수명이 40％ 이상이면, 이 단면에서도 충분히 성능을 만족하는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

상기 실시 형태 2에 대응하는 실시예 2를, 도 9∼도 11에 기초하여 설명한다. 또한, 도 9∼도 11에 있어서 도 4, 도 5에 나타낸 것과 동일 부분에는 동일한 부호가 붙어 있다 .

실시예 2의 강관주 구조물(10)은, 직경 5m(φ5000), 판두께 40㎜의 강관주의 기부에 개구부(13)(1m 폭×2m 높이)가 형성되어 있는 것이며, 개구부(13)의 보강 부재를 형성하고 있었던 종래예를 대신하는 것으로서, 본 발명을 적용하여 개구부(13)가 형성되는 부위에 두께 차이가 있는 강판을 이용하여 개구부(13)의 근방이 두꺼워지도록 한 것이다.

실시예 2에서는, 개구부(13)와 그의 주위 1m의 영역인 후육 영역(23)의 판두께를, 표준 판두께 영역(21)의 판두께인 40㎜보다 8㎜ 늘려 48㎜로 하고, 표준 판두께 영역(21)과 후육 영역(23)과의 경계를 8㎜/m의 점점 가늘어지는 테이퍼면 영역(25)으로 하고 있다. 개구부(13) 이외의 부분은 표준 판두께로 판두께의 변화가 없다.

실시예 2의 강관주 구조물(10)은 이하와 같이 하여 제조한다.

압연 강판은 폭(C방향) 3m×길이(L방향) 약 15.7m(5m×3.14＝15.7m)로 하고, 도 12에 나타내는 바와 같이, 1매의 두께 차이가 있는 강판(27)에 있어서의 L방향을 환상으로 굽혀 단부를 용접함으로써 원형 강관을 복수 제작한다. 이 원형 강관을 높이 방향으로 겹쳐 접합함으로써 강관주 구조물(10)이 제작된다.

개구부(13)가 형성되는 부위의 제1 원형 강관(10a), 제2 원형 강관(10b)은, 압연 강판을 LP 강판으로 하고, 개구부(13)의 약 1m와 그의 주변의 1m의 합계 3m의 영역의 판두께가 48㎜, 그 양측의 1m의 영역이 2㎜/m의 테이퍼가 되고, 그 이외의 영역인 원주의 절반이 되는 약 10.7m(L방향 길이 15.7－3－1－1＝10.7m)가 40㎜의 판두께로 되어 있다.

제3 원형 강관(10c)은, 둘레 방향으로 판두께의 변화가 없는 것이다.

종래의 구조라면, 개구부(13)를 형성한 후에, 후육 주조 부재, 보강 부재를 넣을 필요가 있지만, 본 실시예에서는, 두께 차이가 있는 강판(27)을 이용함으로써 판두께가 증가하여 좌굴 내력의 향상이 이루어지고 있기 때문에, 보강 부재는 불필요해진다.

실시예 2에 대해서, 좌굴 해석을 실시한 결과를 나타내는 그래프가 도 13이다. 도 13의 그래프는, 종축이 기부 저항 모멘트(KN㎜), 횡축이 수평 변위(㎜)이며, 개구부(13)에 보강 부재를 형성한 종래예(그래프 기둥의 ○표시), 개구부(13)에 보강을 형성하지 않은 비교예(도면 중의 △표시), LP 강판을 이용한 실시예 2(도면 중의 ●표시)의 각각을 나타내고 있다.

도 13의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 개구부(13)를 형성하여 보강을 하지 않는 비교예에서는, 수평 변위가 작은 단계로부터 내력이 저하되어 있다. 또한, 개구부(13)를 형성하여 보강을 한 종래예에서는, 어느 정도의 수평 변위까지는 내력이 저하되지 않지만, 수평 변위가 어느 단계 이후에서는 내력이 저하된다. 이들에 대하여, 실시예 2에서는, 수평 변위가 커져도 내력이 대부분 저하되지 않는 것을 알 수 있다.

1 : 강관주 구조물
3 : 기초
1a : 제1 원형 강관
1b : 제2 원형 강관
1k : 제11 원형 강관
1r : 제18 원형 강관
10 : 강관주 구조물
13 : 개구부
10a : 제1 원형 강관
10b : 제2 원형 강관
10c : 제3 원형 강관
21 : 표준 판두께 영역
23 : 후육 영역
25 : 테이퍼면 영역
50 : 강관주 구조물
51 : 압연 강판
53 : 원형 강관
55 : 강관주 구조물
57 : 개구부
59 : 더블링 플레이트
61 : 후육재
65 : 두께 차이가 있는 강판
67 : 원형 강관
69 : 압연 강판
71 : 원형 강관
73 : 강관주
75 : 해중 구조물
77 : 강관주
79 : 각형 강관주 구조물
79a : 제1 각형 강관
79b : 제2 각형 강관
79c : 제3 각형 강관

Claims (9)

1. 강관(鋼管)에 의해 형성되며, 높이 방향 중 적어도 일부의 범위에 있어서, 강관주(鋼管柱) 구조물의 축방향에 직교하는 단면에 있어서의 강관의 판두께가 둘레 방향에서 변화하는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
2. 제1항에 있어서,
   두께 차이가 있는 강판을 원환상으로 형성하여 이루어지는 원형 강관을, 높이 방향으로 겹쳐 쌓고 접합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 판두께가 변화하는 경계부를 테이퍼면에 의해 연속하도록 한 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   판두께가 두꺼운 영역과 얇은 영역이 강관 둘레 방향에서 번갈아 형성되어, 두꺼운 부위와 얇은 부위가 각각 복수 개소 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
5. 제4항에 있어서,
   판두께가 두꺼운 영역끼리 및 판두께가 얇은 영역끼리가 각각 선대칭의 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   판두께가 변화하는 영역이, 높이 방향 중 일부의 영역에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   판두께가 변화하는 영역이 둘레 방향의 동일한 영역에서 상하에 걸쳐 형성됨과 함께, 하부의 판두께의 변화율이 상부의 판두께의 변화율보다도 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   강관주 구조물의 둘레면의 일부에 개구부를 갖고, 당해 개구부가 판두께가 두꺼운 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강관주 구조물.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 강관주 구조물의 제조 방법으로서, LP 강판을 1매, 혹은 복수매 접합한 것을 원환상으로 형성하여 원형 강관을 제작하는 원형 강관 제작 공정과, 제작된 원형 강관을 겹쳐 쌓고 접합하는 원형 강관 접합 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 강관주 구조물의 제조 방법.

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