KR20140122219A - 저소음 설치가능한, 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전용 터빈의 기초 구조물 및 그 조립 방법 - Google Patents

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클라스 브런스
랄프 호즈다
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발루렉 도이칠란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전 설비를 위한 기초 구조물로서, 해저에 고정될 수 있는 적어도 하나의 기초 요소(중력식 기초와 부유형 기초를 배제함)와, 여기에 부착될 수 있으며 해양 시설물을 고정하기 위한 지지 구조체(2)를 갖는 기초 구조물(1)에 관한 것이다. 설치시에 기초 구조물(1)의 높은 수준의 환경 적합성을 달성하고 단순하며 저렴한 설치를 위해서, 기초 요소는 시추 및/또는 진동 삽입으로 해저에 설치할 수 있고 유기 및/또는 무기 재료로 해저 내에 고정시킬 수 있으며 해저상의 수직선에 대해 소정 각도록 향하도록 배치되는 파일(5)을 제안한다. 또한, 본 발명은 해저(4) 기초 구조물(1)을 조립하는 방법에 관한 것으로서, 우선 결합 요소(3)를, 해저(4) 속에 삽입된 파일(5)을 이용하여 고정한 다음에 지지 구조체(2)를 결합 요소(3)에 연결한다.

Description

저소음 설치가능한, 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전용 터빈의 기초 구조물 및 그 조립 방법 {FOUNDATION STRUCTURE OF AN OFFSHORE PLANT, IN PARTICULAR AN OFFSHORE WIND TURBINE, WHICH FOUNDATION STRUCTURE IS TO BE INSTALLED AT A LOW NOISE LEVEL, AND INSTALLATION METHOD THEREFOR}
본 발명은 저소음 설치가능한, 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전 설비의 기초 구조물로서, 해저에 고정될 수 있는 적어도 하나의 기초 요소(중력식 기초(gravity foundation)와 부유형 기초(floating foundation)를 배제함)와, 여기에 부착될 수 있으며, 해양 시설물을 고정하기 위한 지지 구조체를 갖는 기초 구조물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 기초 구조물을 해저에 조립하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서, 용어 '해양 시설물(offshore plant)'은 해양 플랫폼과 해양 풍력 발전 설비를 포괄하는 개념이다. 해양 플랫폼은 또한, 소위 드릴링 아일런드(drilling island)를 포함한다. 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전 설비(OWEP: offshore wind energy plant)용으로 사용되는 일반적으로 알려진 기초(foundation)는 두 가지 구조 영역으로 나눌 수 있다. 첫 번째 구조 영역은 피로에 극도로 노출되며 해저에서 시작되어서 OWEP의 타워 끝의 플랜지 연결부에 이르는 지지 구조체(support structure)이다. 플랜지 연결부는 OWEP의 타워와 터빈을 지지하며 거기서 발생하는 하중과 작용을 분산시킨다. 두 번째 구조 영역은, 지지 구조체, 타워, 및 풍력 터빈에서 발생하는 하중을 받아서 바닥으로 분산시키고 지지 구조체 아래의 해저에 설치되는 기초 요소(foundation element)이다. 따라서 OWEP는 전체적으로 기초 요소와 지지 구조체를 갖는 기초와 타워 및 터빈으로 구성된다.
해저에 OWEP용 기초를 설치하기 위하여, 이른바 파일(pile)을 기초 요소로서 사용하는 것이 DE 20 2010 010 094 U1에 공지되어 있다. 이들 기초 요소는 시공 상황에 따라 대략 1.5m 내지 6m의 직경을 갖는다. 사용되는 파일의 수는 관련된 지지 구조체에 의존한다. 현재 기술에 따르면, 다양한 철제 건조물이 지지 구조체로서 공지되어 있는데, 여기에 파일, 즉, 모노파일(monopile), 재킷(jacket), 트라이파일(tripile), 그리고 트라이포드(tripod)로 된 기초가 적용된다.
EP 2 067 913 A2에 공지된 재킷 지지 구조체는 네 개의 파일에 의해 해저에 부착되고, 트라이파일과 트라이포드는 더 큰 직경을 갖는 파일을 필요로 한다. 모노파일의 경우에는 단일 파일이 다른 기초보다 실질적으로 큰 직경을 갖는한 충분히 사용할 수 있을 것이다. 또한, 문서 DE 20 2011 101 599 U1에는 6개의 파일로 된 기초를 갖는 육각형의 지지 구조체가 개시되어 있다.
건조물 및 바닥부의 속성에 따라 다르지만, 파일은 해저로 65m 까지 내려간다. 바닥부의 속성과 선택된 지지 구조체에 따라 다르지만, 무게는 약 220 ~ 700 톤이 된다. 지지 구조체의 하단부, 즉, 지지 구조체의 발(feet)은 기초 파일에 연결될 수 있는데, 이때에는, 지지 구조체의 발이, 더 큰 직경을 갖는 기초 파일 속으로 밀려 들어가도록 연결된다. 다음, 기초 파일과 지지 구조체의 발은 특수 시멘트 혼합물(그라우트 화합물)에 의해 서로 결합된다.
파일을 사용한 기초 방식 뿐만 아니라, 중력식 기초는 DE 10 2010 012 094 B3의 해양 풍력 발전 설비용 기초에서 공지되어 있다. 이 중력식 기초는 보강 콘크리트로 구성되어 약 7000 톤까지의 중량을 지지할 수 있다.
또한, 국제출원 WO 2011/030167 A1에는, 해저로 수직으로 시추되는 그라우트 파일(grouted pile)을 사용하여 해수면 아래의 조력 발전소에 터빈을 부착하는 것이 개시되어 있다. 해양 풍력 발전 설비에 그라우트 파일을 적용한 것은 미국 특허출원 US 2011/0061321A1에 개시되어 있다. 그러나 그라우트 파일은 일종의 혼합형(하이브리드)으로서 중력식 기초와 함께 사용된다.
또한, 영국특허 GB 880 467에는 해저에 격자주(lattice mast)와 같은 형태의 기초 구조물을 부착하기 위해 항타 파일(driven pile)을 사용하는 방법을 설명한다. 미국 특허출원 US 2011/0293379A1에는 그라우트 파일을 통해서 해저에 연결되고 부유 해양 시설물용 닻줄이 연결되는 격자주 형태의 앵커 구조물이 개시되어 있다.
해양 풍력 단지의 건립에 대한 승인 절차는 해양에 적용되는 기술의 선택에 지대한 영향을 미친다. 승인 절차는 독일의 연방해양수로국(Bundesamt fur Seeschifffahrt und Hydrografie: BSH)이 담당한다. 또, 환경 보호에 관련된 문제 및 충돌이 발생시에는 자연보호를 위한 연방기관(Bundesamt fur Naturschutz: BfN)이 승인 절차에 관여한다.
지지 구조체 및 기초 요소에 관련하여, 승인 절차시에는 운용자가 제안한 기초 요소와 지지 구조체로 구성된 구조물의 사용 가능 여부가 결정된다. 환경에 중요한 고려사항 및 기술적 요구사항이 의사 결정 과정에서 중요시된다. OWEP를 설계하는 데 있어서, 해저의 피복(sealing)을 피하거나 감소시키도록, 가장 환경 친화적인 해법에 특히 신경을 써야 한다.
현재 기본적으로 여섯 가지 기초 구조물, 즉, 모노파일, 중력식 기초, 트라이포드, 트라이파일, 재킷, 부유 앵커리지가 있는데, 이들은 수심에 따라 서로 다르게 사용된다. 중력식 기초를 제외한 모든 구조에는 일반적으로 파일 기초가 적용된다. 파일 항타(pile-driving) 공정에 사용되는 무거운 파일 해머는 상당한 소음 및 진동 공해를 유발한다. 이러한 공해는 대기 및 수질 모두로 방출되며 자연계 및 환경에 상당한 해를 준다.
멸종 위기종에는 여러 가지가 있지만 그 중에서도, 어류, 일반 바다 표범과 회색 바다표범, 고래 및 돌고래, 그리고 해저동물군(저생 생물)이 있다. 방출 음압의 제한치는 현재, 방출원에서 750m 떨어진 곳에서 160dB이다. 그러나 파일 항타 시에는 일반적으로 이 값을 항상 초과한다.
해양 환경에 미치는 영향으로 인해서, 풍력발전 사업자 및 설치 회사는 파일 항타 작업시에 소음 저감 조치를 취해야 할 의무를 갖는다. 그러나 아직도 이는 현재 시험 단계이다. 여러 가지가 있지만 그 중에서도 이른바 퀀칭워터(quenching water)가 사용된다. 그러나 한계치 미만으로 소음을 저감하는 데 충분한지 여부는 아직 명확하지 않다. 또한 퀀칭워터는 해류에 영향을 받기 때문에 그 소음 감쇠 효과가 저감된다. 퀀칭워터의 사용은 또한 시간소모적이고 고가이며, 따라서 비경제적이다.
중력식 기초는 또한, 환경 적합성에 있어서 비판적으로 평가된다. 중력식 기초는 보강 콘크리트로부터 유래한 것으로서, 그 형태 및 동작 원리로 인해서 다른 방법에 비해 훨씬 많은 표면적을 차지하고 기초가 설치된 영역의 해저를 피복시키기 때문에, 해저 동물군 및 식물군에게 더 이상 쓸모없게 된다. 또한, 이러한 기초는 정교하게 시간을 많이 소모하여서 해저를 찾아야 한다. 따라서 해양 풍력 발전 설비에는 일반적으로 파일은 사용하되 중력식 기초는 사용하지 않는 기초가 적용된다.
해저에 가해지는 하중 효과의 정적 및 동적 계산을 위해, 각 예정 장소에서 지질 조사가 필요한데, 이는 시간소모적이고 고가이다.
승인 절차에서 또한 중요한 점은, OWEP의 사용 종료 후에 이를 제거할 수 있는가이다. OWEP의 사용 연한은 20~25년으로 주어진다. 사용 완료 후에 파일 또는 중력식 기초를 제거해서 해체해야 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전 설비용 기초 구조물에 있어서, 설치 중의 높은 수준의 환경 적합성을 가지며 단순하고 비용효율적으로 제조할 수 있으며, 낮은 소음으로 설치가능한 기초 구조물 및 그 조립 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 기초 구조물과, 청구항 23의 특징을 갖는 조립 방법으로 달성된다. 기초 구조물의 유용한 실시예들은 청구항 1~22, 24, 25항에 기재되어 있다.
본 발명의 사상은, 해양 시설물(offshore plant), 특히 해양 풍력 발전 설비(offshore wind energy plant)를 위한 기초 구조물(foundation structure)에 관한 것으로서, 이 기초 구조물은 해저에 고정될 수 있는 적어도 하나의 기초 요소(foundation element)(중력식 기초와 부유형 기초는 배제함)와, 여기에 부착될 수 있으며 해양 시설물을 고정하기 위한 지지 구조체(support structure)를 갖는다. 여기서 상기 기초 요소는, 시추 및(bore) 및/또는 진동 삽입(vibrate)에 의해서 해저 내로 설치할 수 있으며 유기 및/또는 무기 재료로써 해저 내에 고정할 수 있고, 해저 상의 수직선에 대해 소정 각도의 방향을 향하는 파일(pile)로서 구성된다.
시추 및 또는 진동 삽입에 의해서 해저에 설치될 수 있는 파일을 사용하여 고정함으로써, 본 발명은 비용효율적이며 시간이 절약되고 환경 친화적인 기초 구조물을 제공하게 되어서 모든 환경 사양에 용이하게 부합할 수 있다.
유기 및/또는 무기 재료는 해저 내에 파일을 신속하고 영구히 견고하게 고정하기 위하여 경화성을 갖는 것이 유리하다.
본 발명의 맥락에서, "중력식 기초와 부유형 기초는 배제함"이라는 표현은, 기초 구조물을 모노파일(monopile), 트라이포드(tripod), 쿼드로포드(quadropod), 트라이파일(tripile), 재킷(jacket) 형태 중 하나로 구성함을 의미하는 것으로 이해해야 한다. "해저 상의 수직선"이라는 표현은 해저의 표면의 수직선, 즉, 해저에 대해 직각 방향을 향하는 직선을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 따라서 수평 해저의 경우에 해저 상의 수직선은 공간상의 수직이 되며, 수평면에 대해 기울어져 있는 해저의 경우에 해저 상의 수직선은 공간상의 수직에 대해 일정 각도를 갖는 직선이 된다. 굴곡진 해저의 경우에는 적정한 탄젠트를 취한다.
또한, "진동 삽입"이라는 말은, 삽입대상 파일(driven pile)에 개별적인 타격을 가하여 항타(driving)하는 것과 구별하기 위하여, 파일에 하방 수직으로 진동을 가한다는 의미로 이해해야 한다. 진동 삽입은 또한, 진동식 파일 항타(vibratory pile driving)라 부르기도 한다.
본 발명의 사상에 따르면, 주된 이점은, 시추 및/또는 진동 삽입에 의해서 해저 속으로 파일을 설치할 때에 파일 항타(pile-driving)가 필요없을 수 있다는 점에서 찾을 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 파일은, 시추공 및/또는 진동을 이용함으로써 기초 시공현장에 삽입시에 적은 소음과 가장 환경친화적으로 삽입할 수 있다. 기존 방식에 비해서, 본 발명에 따른 기초 구조물은 단순하고 신속하게 제조할 수 있고 이에 따라 한층 더 비용효율적인 방식이라 할 수 있다. 소음이 발생하며 시간 소모적인 파일 항타 작업이 불필요하게 된다.
본 발명에 따른 파일을 사용한 기초는 160dB의 허용 한계값에 확실하게 이르지 못함을 의미한다. 기존의 파일 항타 방법은 최대 약 230dB의 소음을 발생하지만, 본 발명에 따른 OWEP(해양 풍력 발전 설비)의 설치시에는, 바닥면에 파일을 설치할 때에 약 65dB의 소음 수준만이 나올 뿐이며, 퀀칭워터(quenching water)와 같은 정교한 소음 감소책이 설치 과정에서 필요없게 된다. 해양 설치의 시간이 단축될 수 있으며, 따라서 정해진 기상 조건에 대한 의존성이 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 파일은, 기초 파일로서, 매우 적은 소음과 흔들림으로 해저 속에 삽입할 수 있고 시간을 절약할 수 있다. 기초 파일은 해저 속에 시추 및 진동 방식으로 삽입되는데, 이때에는 시추공과 파일 사이에 환형의 공간이 생기고, 시추 공정 후에 경화성이 있는 유기 및/또는 무기 재료(가령, 시멘트 모르타르)를 동시에 주입하여서 기초 시공현장의 전체 길이에 걸쳐서 충전한다. 동작 상태에서 흡수되어야 하는 힘은, 파일과 그라우트(grout)에 의해 형성된 합성물에 의해서 전체 파일 길이를 따라 전달되어서, 파일 부착에 의해서 땅으로의 하중 전달이 일어나게 된다. 필요한 파일의 개수와 해저의 수직선에 대한 파일의 기울기는, 분산시켜야 할 하중 및 기초 시공 장소의 특성에 따라 결정된다. 파일들은, 해저 평면에서의 하중의 분산을 증가시키기 위해서 수직에 대해서 기울어져서 고정된다.
수직에 대한 파일 각도는 바람직하게는 5 ~ 85°이고, 특히 10 ~ 45°이다다. 따라서 해저로 전달되는 하중이 늘어날 수 있다.
특히 유리한 방식으로서, 파일은 적어도 60mm의 직경을 갖는다.
하나의 특정 실시예에서, 적어도 하나의 파일은 해저 속으로 모든 공간 방향으로 하중을 분산시킨다. 따라서 해저로 전달되는 수평 하중이, 수직으로 삽입된 파일에 비해서 더욱 증가될 수 있다.
기초 요소를 다수의 파일로 구성하고 기초 시스템을 구성함으로써 추가적인 이익을 얻을 수 있다.
해저로 전달될 수 있는 하중을 더욱 증가시키기 위하여, 적어도 3개의 파일을, 세 곳의 발산하는 방향으로 그 길이방향을 따라 연장되도록 해저에 배치한다.
본 발명의 또다른 사상에 따르면, 파일은 로스트 시추봉(lost boring rod)과 동등한 역할을 하는 지지 부재(support member), 주입관(injection pipe), 및 그 밖에 철제 지지부재(보강 부재)인 리브 강관(reebed steel pipe)이 포함된 앵커 파일인 것이 바람직하다. S 355 J2H 또는 S 460NH 등의 건설용 강철을 파일의 재료로 사용할 수 있다.
파일을 사용함으로 인해, 본 발명에 따른 구성은 견인력, 압력, 굽힘, 및 피로에 견딜 수 있다. 따라서 모든 공ㆍ서보ㆍ유 탄성력(aero-servo-hydro-elastic force)이 흡수 및 분산될 수 있다.
본 발명에 따른 구성의 또다른 본질적인 특징은 구조물의 조립 및 해체를 상당히 단순화시키는 분리가능 연결을 제공하는 것이다.
종래 기술에 따르면, 해양에서의 방식은 해안에 가까운 육지에서 함께 용접하고 여기서 선박으로 이동해야 한다. 이러한 구조물의 크기 때문에, 육지 운송은 가능하지 않고, 따라서 제작시에는 적합한 인프라를 갖는 항구 부근에 가까운 곳에 현장이 있어야 한다. 이는 매우 고가이며 시간 소모가 많으며 물류 투입이 많이 필요하고, 제작 현장의 선택지가 수 개의 장소로 제한된다.
본 발명에 의하면, 스크류 또는 바요넷(bayonet) 연결구 등과 같은 분리가능한 연결구를 써서 OWEP 구성요소들을 용이하게 조립 및 분리할 수 있다. 따라서 구성요소들을, 조용히 수송할 수 있는 크기로 제작하여서 적재 항구로 이동할 수 있고 거기에서 또는 조립 선박상에서 서로 연결할 수 있다. 또한, 탈착 가능한 연결을 행함으로써, 해체 조건이 상당히 용이해지며 해체가 더욱 비용효율적이 된다.
본 발명의 한 가지 유익한 개발에 따르면, 파일과 지지 구조체는 별도의 결합 요소(coupling element)에 의해서 서로 연결된다(바람직하게는 분리가능하도록 연결된다). 결합 요소와 지지 구조체 간의 연결 및 결합 요소와 파일 간의 연결은, 일체 접합식으로 및/또는 비적극적으로 및/또는 적극적으로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 결합 요소는 지지 구조체 및 파일 양자의 부착을 위한 대응되는 연결구를 갖는다. 예를 들어 모노파일의 경우에, 예컨대 해당되는 결합 요소의 중심에서의 지지 구조체의 부착을 위한 연결구와 파일의 부착을 위한 연결구는, 예컨대, 결합 요소의 모서리(코너)에 배치될 수 있다.
본 발명의 또다른 유익한 특징에 의하면 결합 요소는 격자구조체 요소(lattice structure element)로서 이루어진다. 이 격자구조체 요소는 파이프로 구성되는 것이 바람직하다. 이 파이프는 이음매없는 열간 압연 및/또는 냉간 성형된 파이프, 그리고/또는 개방형 단면을 갖는 핫(hot) 스트립(strip) 및/또는 프로필(profile)로 용접 제작된 튜브로 형성될 수 있다. 또한, 파이프는, 원형 또는 각진 형태, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 혹은 다각형의 단면 또는 이들의 조합 단면과 같이, 동일하거나 상이한 단면 형상으로 형성될 수 있다.
결합 요소는 풍력발전소의 하중을 지지 구조체를 통해서 파일 기초로 전달해야 하고 기계적으로 가장 높은 수준의 응력(스트레스)을 받기 때문에, 최적의 기초 구조물을 결정하기 위하여 광범위한 조사가 수행되었다.
이에 따라 격자구조체 요소는 그것이 받는 응력의 정도에 따라, 원형, 삼각형, 사각형, 또는 다각형의 기저면을 갖는 입방체 설계 또는 절단된 사면체, 원뿔, 또는 절단된 피라미드형 설계와 같이 입체 구조물로서 구성하는 것이 유리하다. 격자구조체 요소는 하중을 최적으로 분산시킬 수 있도록 비렌딜(Vierendeel), 프레임(frame), 또는 프레임웍(framework) 구조를 갖는 것이 유리하다. 기저면이 원형인 경우에, 파일은 원형으로 배치되는 것이 바람직하다. 만일 격자구조체 요소가 각형의 기저면을 갖는다면, 코너 파일(corner pile)들이 모서리들에 배치되며, 이 코너 파일들은 해저 상에 지지되고 파일을 수용하는 역할을 한다.
상기 격자구조체 요소는 철제 및/또는 시멘트 또는 콘크리트 및/또는 복합 재료로 제조되는 것이 바람직하다.
결합 요소를 해저 위에 놓은 다음에 지지 구조체를 조립하고, 파일을 통해서 해저에 고정할 수 있다는 점에서 기초 제작이 매우 단순화된다.
다른 방법으로서, 결합 요소를 해저 위에 배치하는데, 바람직하게는 1 ~ 5m 사이의 거리에 배치하고, 적어도 하나의 파일에 의해서 해저에 고정할 수 있다.
파일과 결합 요소 간의 연결은, 격자구조체 요소의 내측, 외측, 양측, 또는 중심부 모두에서 이루어질 수 있다. 본 발명의 또 다른 유리한 특징에 따르면, 해저 상에 서 있는 격자구조체 요소의 코너 파일들은, 파일들이 - 격자구조체 요소의 설계에 따라 다르지만 - 코너 파일을 통해서 수직선에 대해 소정 각도로 해저 속으로 시추 및 또는 진공 삽입 방식으로 설치될 수 있으며, 예컨대 시멘트 현탁액을 사용하여 해저 속에 그라우트할 수 있도록, 파일을 위한 가이드 역할을 한다. 이는, 별도의 연결이 필요하지 않다는 점에서 장점이 된다.
준비와 관련하여서도 본 발명은 또한, 비용을 절감하고 시간을 절약하는 장점을 갖는다. 설명한 바와 같이, 현재, 비용이 많이 드는 해저 조사를 수행해야만 한다. 해저에 결합 요소를 고정하기 위한 본 발명에 따른 시추 및/또는 진동 삽입 그리고 그라우팅 기술은 파일 항타 공정을 대체한다. 해저에의 시추 작업은 흡입 벨(suction bell) 하에서, 또는 다이버, 기계, 또는 로봇에 의해 수중에서 수행될 수 있다. 또한, 긴 가이드 파이프를 이용하여 전적으로 수면 위에서 하는 것도 가능하다.
이 기술의 장점은 지질학적 경계 조건에 유연하게 적응할 수 있는 능력에서 나온다. 적절한 시추 헤드를 선택함으로써, 모래, 미사, 및 심지어는 단단한 바위를 시추하는 것이 가능하다. 이러한 적극적인 특징에 힘입어, 정교하고 값비싼 해저 조사의 필요성이 훨씬 적어진다.
본 발명의 사상에 따르면, 해저 표본들이 제거되는 것이 감소되므로, 더욱 더 생태적인 장점을 얻게 된다. 또한, 기초 구조물의 시공 방식에 의해서 해저의 피복(sealing)이 제한된다. 또다른 독특한 특징은, 해체 필요시 용이하게 해체할 수 있다는 점이다.
특히 유리하게, 파일은 시추공 그라우트 파일(bored grouted pile), 특히, 시추공 주입 파일이다.
본 발명에 따른 기초 구조물을 해양 풍력 발전 설비의 기초로 사용하는 용도는 특히 유리하다.
본 발명에 따른 상기 기초 구조물을 조립하는 방법은, 우선 결합 요소를, 해저 속에 삽입된 파일을 이용하여 고정한 다음에 지지 구조체를 결합 요소에 연결하는 것을 특징으로 한다.
이에 대한 첫 번째 다른 방식은, 결합 요소를 해저 상에 배치한 다음에 이를 해당 위치에 고정하는 것이다.
두 번째 다른 방식은, 우선 파일(들)을 그 끝이 해저 위에 있도록 해저 속에 삽입하고 나서 이 삽입된 파일에 결합 요소를 연결한 다음에, 이 결합 요소에 지지 구조체를 연결하는 것이다.
본 발명에 대해서, 그 범위를 제한함이 없이, 실시예들과 다른 측면들을 활용하여 그리고 이하의 도면을 참조하여 보다 더 설명한다. 실시예들과 그 변형예 그리고 본 발명의 다른 측면들은, 명백하게 반대되는 결과가 나오지 않는한, 원하는대로 서로 조합할 수 있다.
본 발명에 의하면, 해양 시설물의 시공 시에 소음 방출이 크게 줄어들며 시설물의 강성이 증가하고, 해저의 피복을 줄여서 해저 동물군과 식물군을 보호할 수 있다. 또한 기초 구조물에 대한 최적의 효과적인 구조에 의한 재료의 절약, 기초 현장 조사의 간소화, 소형의 설치용 선박 사용 가능, 중량 감소에 힘입은 기초 배치의 단순화, 최적화된 공정 및 선택된 결합 요소 등에 의해서 비용과 시간을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기초 구조물의 개략 측면도로서 결합 요소와 트라이포드와의 연결을 나타낸다.
도 2는 도 1과 유사하지만 재킷과 연결되는 것을 도시한다.
도 3은 도 1과 유사하지만 트라이파일과 연결되는 것을 도시한다.
도 4는 도 1과 유사하지만 모노파일과 연결되는 것을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 결합 요소들의 예를 나타내는 개략 평면도이다.
도 6 내지 14는 본 발명에 따른 결합 요소인 격자구조체 요소의 입체도이다.
도 1은 해양 풍력 발전 설비로 구성된 해양 시설물이 트라이포드 구조에 연결되고 결합 요소(3)가 포함된 본 발명에 따른 기초 구조물(1)의 측면도이다. 기초 구조물(1)은, 트라이포드 형태의 지지 구조체(2), 결합 요소(3), 및 해저(4)용 기초 요소인 파일(5)로 구성된다. 지지 구조체(2)는 세 개의 결합 요소(3)를 이용하여 파일(5)에 의해서 해저(4)에 고정된다. 파일(5)은 시추 및/또는 진동에 의해서 해저에 삽입할 수 있는 그라우트 파일(grouted pile)인 것이 바람직하다. 그 다음, 파일(5)은 경화성이 있는 것이 바람직한 유기 및/또는 무기 재료로써 해저(4)에 고정된다. 이 과정에서 파일(5)은 해저의 수직선에 대해 소정의 각도를 갖도록 그 길이방향을 따라 연장된다. 도 1에 나타낸 경우에, 해저(4)는 그 수직선이 공간의 수직선과 일치하도록 수평으로 펼쳐져 있다. 해저(4)가 기울어진 경우에는, 해저(4)의 수직선은 공간의 수직선과 소정의 각도를 이루게 된다. 해저(4)에 대한 수직선과 파일(5) 사이의 각도는 5~85°이며, 바람직하게는 10~45°이다. 또한, 파일(5)은 적어도 60mm의 직경을 갖는다.
파일(5)이 해저(4)의 수직선에 대해 소정 각도로 길이방향으로 연장되기 때문에, 적어도 하나의 파일(5)은 하중을 모든 공간 방향으로 해저(4) 속으로 분산시킬 수 있다. 그 각도는 5~85°이며, 따라서 해저에 대한 수직은 제외된다. 결합 요소(3)당 세 개의 파일(5)이 있는 것이 바람직한데, 도시된 예시 실시예에서는, 네 개의 파일(5)이 해저(4)에 배치되어 있다. 여기서, 파일(5)들은 서로 발산하는 방향으로 그 길이방향을 따라 연장된다.
결합 요소(3)는 따라서, 지지 구조체(2)에 파일(5)을 연결하는 부속물(어댑터) 형태를 구성한다. 또한 결합 요소(3)는 격자구조체 요소(lattice structure element)의 형태를 갖는데, 본 실시예에서는 비렌딜(vierendeel) 구조(도 9를 참조)의 절단된 피라미드 형태이다. 여기서 격자구조체 요소는 원형 단면을 가진 파이프로 구성된다. 이 예에서, 절단된 피라미드의 네 모서리에 배치된 코너 파일(6)들은 유용하게, 세 개의 결합 요소(3)를 해저(4)에 고정하기 위한, 파일(5)용 가이드 파이프의 역할을 한다. 따라서 별도의 파일(5)용 가이드를 결합 요소(3)에 배치할 필요가 없다.
기초 구조물(1)을 설치할 때에는, 우선 결합 요소(3)를 해저(4)에 배치한다. 그런 다음, 시추공 주입 앵커(bore-injection anchor) 형태인 것이 바람직한 파일(5)을 본 실시예의 절단 피라미드의 네 모서리에 있는 코너 파일(6)을 통해 밀어 넣어서, 시추(boring) 및 그라우팅(grouting)에 의해 해저(4)에 앵커링한다. 파일(5) 및 결합 요소(3) 간의 연결은 스크류(도시하지 않았음) 체결식을 이용하여 분리가능하게 작업할 수 있다.
이와 다른 방식으로, 결합 요소(3)를 해저(4) 위에(1~5 m 거리를 두는 것이 바람직함) 배치하고 적어도 하나의 파일(5)로 해저(4)에 고정하는 것도 가능하다.
종래 기술과 대조적으로, 지지 구조체(2)는 따라서, 해저(4)에 직접 고정되지 않고 결합 요소(3)를 통해서 간접적으로 고정된다. 해저(4)에 결합 요소(3)가 설치 또는 고정된 후에, 지지 구조체(2)는 결합 요소(3) 위에 적극적인 방식, 비적극적인 방식, 및/또는 일체 접합 방식 등의 적절한 수단을 써서 연결된다.
지지 구조체(2)의 설계 및 결합 요소(3)의 설계에 따라 다르지만, 파일(5)과 지지 구조체(2)는 해당 결합 요소(3)의 중앙 및/또는 그 외측, 내측, 중심부 또는 모서리에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 파일(5)은 시추공 주입 파일(bore-injection pile)인데, 특히, 로스트 시추봉(lost boring rod)과 동등한 역할을 하는 지지 부재, 주입관(injection pipe), 및 그 밖에 철제 지지부재(보강 부재)인 리브 강관(reebed steel pipe)이 포함된 앵커 파일이다. S 355 J2H 또는 S 460NH 등의 건설용 강철을 시추공 주입 앵커의 재료로 사용할 수 있다.
해저(4)에 기초 구조물(1)을 조립하기 위한 본 발명에 따른 방법은 기본적으로 다음과 같은 방법 단계들을 포함한다.
- 해저(4)의 표면에 본 발명에 따른 기초 구조물(1)을 위치시킨다. 여기에는 OWEP의 지지 구조체(2), 타워, 터빈 등의 구성요소들이 그 위에 위치하게 되는 적어도 하나의 결합 요소(3)가 포함된다.
- 결합 요소(3)를 고정하기 위해 해저(4)에 적어도 하나의 파일(5)을 시추 및 또는 진동 삽입으로 설치한다.
- 주입 앵커를 통해서 파일 주위의 해저(4) 속으로 시멘트 슬러리, 콘크리트, 모르타르, 또는 기타 건설 재료를 주입한다.
- 결합 요소(3)에 주입 앵커를 연결한다.
또한, 우선 파일(들)(5)을 그 끝이 해저(4) 위에 있도록 해저(4) 속에 삽입하고 나서 이 삽입된 파일(5)에 결합 요소(3)를 연결한 다음에, 이 결합 요소(3)에 지지 구조체(2)를 연결하는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 기초 구조물(1)이 연결되는 지지 구조체(2)로서 재킷(jacket)이 사용된 것을 나타내는 측면도이다. 기초 구조물(1)의 시공 및 파일(5)을 사용한 기초는 도 1에 나타낸 것과 대동소이하므로 상세한 설명은 필요치 않을 것이다. 트라이포드 형태의 기초와 달리, 이 경우에는, 재킷을 위한 지지체가 결합 요소(3)의 위에 배치되지 않고 결합 요소(3)의 가운데를 통해 연결되어서 해저(4) 위에 직접 세워진다.
도 3은 트라이파일 형태의 지지 구조체(2)를 사용하는 다른 적용례를 나타내고, 도 4는 모노파일 형태의 지지 구조체(2)를 사용하는 또다른 적용례를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 결합 요소(3)의 기본적인 형태의 예들을 개략적으로 나타내는 평면도인데, 이는 사안별 요구조건에 따라 사용할 수 있다. 여기 든 예들은 완전하게 열거된 것은 아니며 다른 가능한 형태들을 배제하는 것이 아니다. 결합 요소(3)는 격자형 구조를 갖는 격자구조체 요소의 형태, 평면 기초, 프레임웍(framework), 비렌딜(vierendeel) 체계로 구성되며, 삼각형(도시하지 않음)ㆍ원형ㆍ사각형ㆍ다각형의 기저면을 갖는다. 원형 기저면의 경우에는 파일(5)은 원형으로 배치되는 것이 바람직하다.
도 6 내지 14는 격자구조체 요소로 된 본 발명에 따른 결합 요소(3)의 다양한 실시예를 입체적으로 나타낸다.
도 6 및 도 7은 평면 기초를 위한 입방체 설계의 입체적인 격자 구조를 보여준다.
도 8 내지 12는 프레임웍(도 8, 10, 12) 또는 비렌딜 체계(도 9, 11)를 갖는 격자구조체 요소의 사면체 실시예(도 8)와 잘린 피라미드 실시예(도 9 및 10)를 도시한다. 원뿔 형태도 또한 가능하다.
도 13 및 14에서는 기저면의 또다른 예로서 결합 요소(14)가 8각형 격자구조체 요소인 예를 도시하고 있다. 도 13에 도시된 격자구조체 요소는 비렌딜 구조를 가지며 도 14에 도시된 요소는 프레임웍 구조를 갖는다. 두 격자구조체 요소의 결합 요소(3)는 그 상부에, 예컨대 모노파일로 된 지지 구조체(2)를 수용하는 중앙공이 있다. 지지 구조체(2)가 이 결합 요소(3)의 중앙공을 통과한 다음에 결합 요소(3)에 연결된다. 이러한 예에서, 해저(4)에 결합 요소(3)를 고정시키기 위하여, 기울어진 코너 파일(6)들로써 수용부가 형성되는 것이 유리하다. 이들 코너 파일들은 사각면의 이른바 중공 측면을 형성한다. 이들 코너 파일(6)에 시추공 주입 앵커를 밀어넣고(도시하지 않음) 결합 요소(3)와 연결시키는데, 해저(4)에 고정한 후에 분리가능하도록, 예컨대 스크류를 이용하여 연결시킨다.
요약하면, 본 발명에 따른 기초 구조물(1)은 다음과 같은 장점을 갖는다고 말할 수 있다.
a) 종래 기술에 비해 설치 과정에서 소음 방출이 확실하게 줄어든다.
b) 언더워싱(underwashing) 깊이의 감소에 의해서 강성이 확실하게 커진다.
c) 해저 피복을 크게 줄여서 해저 동물군과 식물군을 보호할 수 있다.
d) 다음과 같은 이유로 비용과 시간을 절감할 수 있다.
- 기초 구조물에 대한 최적의 효과적인 구조에 의한 재료의 절약,
- 기초 현장 조사의 간소화,
- 소형의 설치용 선박 사용 가능,
- 중량 감소에 힘입은 기초 배치의 단순화,
- 본 발명에 따른 최적화된 공정 및 선택된 결합 요소에 힘입어 설치를 위한 시간창(time window)이 길어짐
e) 결합 요소와 파일의 최적화되고 상호적응되는 조합,
f) 기초 구조물을, 현재 사용중인 대부분의 지지 구조체에 큰 지출 없이 적용시킬 수 있다.
격자구조체 요소는 철제 및/또는 시멘트 또는 콘크리트 및/또는 복합 재료로 제조된다. 격자구조체 요소는 파이프인 것이 바람직한데, 특히, 이음매없는 열간 압연 및/또는 냉간 성형된 파이프, 그리고/또는 개방형 단면을 갖는 핫 스트립 및/또는 프로필로 용접 제작된 튜브인 것이 바람직하다. 이들 파이프는 동일하거나 상이한 단면 형상, 가령, 원형 또는 각진 형태, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 혹은 다각형의 단면 또는 이들의 조합 단면을 갖는다.
여기서 예시된 실시예들은 해양 풍력 발전 설비에 관련된 것들이다. 본 발명에 따른 기초 구조물(1)은 또한, 소위 드릴링 섬과 같은 해양 플랫폼 등에도 널리 사용될 수 있다.
1 기초 구조물 2 지지 구조체
3 결합 요소 4 해저
5 파일 6 코너 파일

Claims (25)

  1. 해저에 고정될 수 있는 적어도 하나의 기초 요소(중력식 기초와 부유형 기초는 배제함)와, 여기에 부착될 수 있으며 해양 시설물을 고정하기 위한 지지 구조체를 갖는 기초 구조물을 갖는 해양 시설물, 특히 해양 풍력 발전 설비를 위한 기초 구조물(1)에 있어서,
    상기 기초 요소는, 시추 및/또는 진동 삽입에 의해서 해저에 설치될 수 있으며 유기 및/또는 무기 재료로써 해저 내에 고정될 수 있고 해저 상의 수직선에 대해 소정의 각도로 배치되는 파일(5)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    수직선에 대한 파일(5)의 각도는 5~85°, 특히, 10~45°인 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    파일(5)의 직경은 적어도 60mm인 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 파일(5)이 해저 속으로 모든 공간 방향으로 하중을 분산하는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서,
    기초 요소는 다수의 파일(5)로 구성되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  6. 제5항에 있어서,
    해저로 전달될 수 있는 하중을 증가시키기 위하여, 적어도 3개의 파일(5)이 서로 발산하는 방향으로 그 길이방향을 따라 연장되도록 해저에 배치되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 파일(5) 및 지지 구조체(2)가, 힘을 전달하는 결합 요소(3)를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  8. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 파일(5) 및 지지 구조체(2)가, 결합 요소(3)를 통해 서로 분리가능하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    결합 요소(3)와 지지 구조체(2) 간의 연결 및 결합 요소(3)와 적어도 하나의 파일(5)간의 연결은 일체 접합식으로 및/또는 비적극적으로 및/또는 적극적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  10. 제7항 내지 제9항 중 한 항에 있어서,
    결합 요소(3)는 격자구조체 요소로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 격자구조체 요소는 파이프로 구성되되, 특히, 이음매없는 열간 압연 및/또는 냉간 성형된 파이프, 그리고/또는 개방형 단면을 갖는 핫 스트립 및/또는 프로필로 용접 제작된 튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파이프는, 원형 또는 각진 형태, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 혹은 다각형의 단면 또는 이들의 조합 단면과 같이, 동일하거나 상이한 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  13. 제10항 내지 제12항 중 한 항에 있어서,
    상기 격자구조체 요소는, 각형의 기저면과 모서리들에 배치되는 코너 파일(6)들을 포함하되, 코너 파일(6)들은 해저 상에 지지되며 파일(5)을 수용하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  14. 제10항 내지 제13항 중 한 항에 있어서,
    상기 격자구조체 요소는 원형, 삼각형, 사각형, 또는 다각형의 기저면을 갖는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  15. 제14항에 있어서,
    원형의 기저면인 경우에, 파일은 원형으로서 배치되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 격자구조체 요소는 철제 및/또는 시멘트 또는 콘크리트 및/또는 복합 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  17. 제10항 내지 제16항 중 한 항에 있어서,
    상기 격자구조체 요소는 입방체 설계 또는 절단된 사면체, 원뿔, 또는 절단된 피라미드형 설계인 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  18. 제10항 내지 제17항 중 한 항에 있어서,
    상기 격자구조체 요소는 비렌딜, 프레임, 또는 프레임웍 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  19. 제7항 내지 제18항 중 한 항에 있어서,
    결합 요소(3)는 해저(4) 위에 놓이고, 적어도 하나의 파일(5)에 의해서 해저에 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  20. 제7항 내지 제18항 중 한 항에 있어서,
    결합 요소(3)는 해저(4) 위에 배치되는데, 바람직하게는 1~5m 사이의 거리에 배치되고, 적어도 하나의 파일(5)에 의해서 해저에 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  21. 제1항 내지 제20항 중 한 항에 있어서,
    파일(5)은 시추공 그라우트 파일인 것을 특징으로 하는 기초 구조물.
  22. 제1항 내지 제21항의 한 항 또는 다수 항에서 청구된 기초 구조물(1)을 해양 풍력 발전 설비에 사용하는 용도.
  23. 제1항 내지 제21항의 한 항 또는 다수 항에서 청구된 기초 구조물(1)을 해저(4) 상에서 조립하는 방법에 있어서,
    우선 결합 요소(3)를, 해저(4) 속에 삽입된 파일(5)을 이용하여 고정한 다음에 지지 구조체(2)를 결합 요소(3)에 연결하는 것을 특징으로 하는 기초 구조물의 조립 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    결합 요소(3)를 해저(4) 상에 배치한 다음에 이를 고정하는 것을 특징으로 하는 기초 구조물의 조립 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    우선 파일(들)(5)을 그 끝이 해저(4) 위에 있도록 해저(4) 속에 삽입하고 나서 이 삽입된 파일(5)에 결합 요소(3)를 연결한 다음에, 이 결합 요소(3)에 지지 구조체(2)를 연결하는 것을 특징으로 하는 기초 구조물의 조립 방법.
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