KR20160143599A - 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물 및 그 제조방법과 설치방법 - Google Patents

해상풍력발전 콘크리트 기초구조물 및 그 제조방법과 설치방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 개시한다. 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물은, 해상풍력발전 나셀과 블레이드 및 타워로 이루어진 상부구조물을 지지하기 위해 해저 지반에 설치되는 것으로, 블록형 몸체 외주에 균등한 간격으로 배치되도록 형성된 복수의 축공이 구비된 콘크리트 구조체와, 그 콘크리트 구조체를 해저 지반에 고정된 상태로 지지하기 위해 상기 축공에 관통되도록 삽입되어 해저 지반에 설치되는 강관 말뚝 및 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 합성구조를 형성하기 위해 축공과 강관 말뚝 사이에 개재되도록 설치되는 이종재 합성 보강용 커넥터 부재를 포함하는 구성을 가진다. 이러한 구성에 따르면, 콘크리트 및 강재의 이종재 합성구조에 의해 제작비용의 대폭적인 삭감이 가능하여 매우 경제적일 뿐만 아니라 변형과 진동 및 피로 강도와 부식에 대한 저항성을 높여 내구성 확보가 용이하도록 최적화된 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 제공할 수 있다.

Description

해상풍력발전 콘크리트 기초구조물 및 그 제조방법과 설치방법{HYBRID TYPE CONCRETE FOUNDATION OF OFFSHORE WIND TURBINE USING COMPOSITE OF CONCRETE AND STEEL SLEEVEE AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(Foundation)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재(異種材) 합성구조로 이루어진 하이브리드형(hybrid type) 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물 및 그 제조방법과 설치방법에 관한 것이다.
오늘날 화석연료의 과도한 사용으로 인하여 환경오염이 날로 심각해 짐에 따라 친환경적 신재생 그린 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 신재생 그린 에너지는 자연적인 제약이 크고 화석 에너지에 비해 경제적인 효율성이 떨어지지만, 환경 친화적이면서 화석 에너지의 고갈 문제와 환경 오염 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 대체 에너지로 주목받고 있다. 이와 같은 새로운 에너지원 중에서도 대표적 그린 에너지인 풍력발전은 현재 국내는 물론 해외에서도 이미 운영중에 있으며, 발전용량의 확대에 따라 풍력 터빈의 대형화와 단지의 확장 등으로 인하여 육상풍력발전에서 해상풍력발전으로 전환되는 추세이다.
해상풍력발전 시스템은 터빈보다 해상 기초구조물에 대한 사업비 비중이 상대적으로 높아 기초구조물의 제작과 설치비용이 전체비용의 최소 30 % 정도를 차지하며, 수심이 깊어지면 50 %에 이를 정도로 높아지게 된다.
기존 해상풍력발전 시스템의 기초구조물은 주로 강재를 이용한 구조물이 적용되어 왔으나, 강재의 원가상승에 따라 제작비용이 급격히 증가 되고 있어 대용량의 터빈과 깊은 수심에 적용하여 경제성을 확보하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.
한편, 강재 기초구조물이 가지는 단점을 해소하기 위한 방안으로 구조적인 안정성과 경제성의 확보가 가능한 중력식 콘크리트 기초구조물이 개발되어 적용되고 있으나, 기존의 중력식 콘크리트 기초구조물의 경우 규모가 크고 본체의 자중이 과다하여 운반 및 설치비용이 오히려 증가할 수 있는 문제점과 연약지반의 침하가 일어나는 지형에 적합하지 않은 단점이 있다.
따라서, 기존 해상풍력발전 시스템의 중력식 콘크리트 기초구조물과 강재 기초구조물의 단점을 극복할 수 있는 새로운 형식에 의한 경제적인 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 개발과 적용이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경하에서 도출된 것으로서, 상술한 배경 기술의 문제점은 본 출원인이 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나 본 발명의 도출 과정에서 습득한 내용으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공지된 내용이라 할 수는 없다.
대한민국 등록특허공보 제10-0215300호 대한민국 등록특허공보 제10-0396655호 대한민국 등록특허공보 제10-0997765호 대한민국 등록특허공보 제10-1446956호
본 발명은 상술한 바와 같은 기존의 해상풍력발전 기초구조물이 지니고 있는 문제점을 감안하여 이를 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재 합성구조에 의해 제작비용의 대폭적인 삭감이 가능하여 경제적인 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재 합성구조에 의해 변형과 진동 및 피로 강도와 부식에 대한 저항성을 높여 내구성과 시공성 확보가 용이하도록 최적화된 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 목적들을 달성하기 위한 수단으로서, 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재 합성구조 보강용 커넥터로서의 강재 슬리브를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 목적들을 달성하기 위한 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 설치방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물은, 해상풍력발전 나셀과 블레이드 및 타워로 이루어진 상부구조물을 지지하기 위해 해저 지반에 설치되는 것으로, 블록형 몸체 외주에 균등한 간격으로 배치되도록 형성된 복수의 축공이 구비된 콘크리트 구조체와; 상기 콘크리트 구조체를 해저 지반에 고정된 상태로 지지하기 위해 상기 축공에 관통되도록 삽입되어 해저 지반에 설치되는 강관 말뚝; 및 상기 콘크리트 구조체와 상기 강관 말뚝의 합성구조를 형성하기 위해 상기 축공과 강관 말뚝 사이에 개재되도록 설치되는 이종재 합성 보강용 커넥터 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 커넥터 부재는, 상기 강관 말뚝의 관통 삽입을 허용하도록 상기 콘크리트 구조체의 축공에 각각 설치되는 강재 슬리브와, 상기 강재 슬리브와 강관 말뚝 사이에 충전되는 그라우팅재를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 커넥터 부재는, 상기 강관 말뚝의 관통 삽입을 허용하도록 상기 콘크리트 구조체의 축공에 각각 설치되는 강재 슬리브와, 상기 각 강재 슬리브를 연결하도록 상기 콘크리트 구조체에 심재(心材)로 설치되는 원호상의 강재 지지플레이트 및 상기 강재 슬리브와 강관 말뚝 사이에 충전되는 그라우팅재를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
상기 강재 슬리브는 원통형 몸체의 외주면에 돌출되도록 형성된 다수의 단위 스터드가 상기 콘크리트 구조체에 삽입되도록 일정한 간격을 유지하며 방사상의 다층 배열 구조로 배치되어 이루어진 전단 연결재를 구비한다.
또한, 상기 강재 슬리브는 상기 콘크리트 구조체의 활동 방지벽으로 작용하도록 내주면에 연속되는 띠형태로 다중 배열되도록 돌출 형성된 다수의 전단 연결재가 구비된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 콘크리트 구조체는 블록형 몸체 외주에 균등한 간격으로 배치되도록 방사상으로 돌출 형성된 복수의 레그 플랜지를 가지며, 그 레그 플랜지에 상기 강관 말뚝이 관통되도록 삽입되는 축공이 구비되는 구성을 가질 수 있다.
본 발명에 있어서 상술한 바와 같은 구성을 가지는 강재 슬리브는 별도의 단위 유닛 부품으로서, 본 발명에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 강관 말뚝 합성구조 연결용 커넥터 부재로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물에 따르면, 상기 콘크리트 구조체와 강재 슬리브는 프리캐스트 제조공정을 통하여 이종재 합성구조체로 형성된다.
그리고, 상기 강재 슬리브의 주위에는 각 스터드 사이에 횡 방향과 종 방향으로 예를 들면 철근 등과 같은 보강재가 설치된 구성을 가지는 것이 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 이루는 콘크리트 구조체의 제조방법은, 상기 콘크리트 구조체의 몸체를 형성하고, 그 외주에 거푸집을 설치하는 단계와, 상기 거푸집의 내부에 상기 강재 슬리브를 설치하는 단계와, 상기 거푸집과 강재 슬리브 사이에 보강재를 설치하는 단계와, 상기 콘크리트 구조체의 외주와 거푸집 및 강재 슬리브의 사이에 콘크리트를 타설하는 단계 및 상기 거푸집을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 설치방법은, 프리캐스트 제조공정에 의해 강재 슬리브가 합성된 콘크리트 구조체를 해상으로 운반하여 해상풍력발전기 시공위치의 해저 지반에 거치하는 단계; 상기 콘크리트 구조체에 구비된 강재 슬리브의 축공에 강관 말뚝을 동축상으로 정렬하여 삽입한 상태에서 항타 및 굴착작업을 병행하여 해저 지반에 설치하는 단계; 상기 강관 말뚝과 철근망의 이음 작업을 수행하는 단계; 상기 콘크리트 구조체의 강재 슬리브와 강관 말뚝의 사이에 그라우팅재를 타설하는 단계; 및 상기 강관 말뚝의 상부 돌출부를 절단 제거하는 단계;를 포함하여 구성된다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 다른 설치방법은, 해상풍력발전기 시공위치의 해저 지반에 강관 말뚝을 항타 및 굴착하여 설치하는 단계; 프리캐스트 제조공정에 의해 강재 슬리브가 합성된 콘크리트 구조체를 해상으로 운반하는 단계; 상기 콘크리트 구조체의 강재 슬리브 축공에 강관 말뚝이 동축상으로 정렬되어 삽입되도록 콘크리트 구조체를 해저 지반에 거치하는 단계; 상기 강관 말뚝과 철근망의 이음 작업을 수행하는 단계; 상기 콘크리트 구조체의 강재 슬리브와 강관 말뚝의 사이에 그라우팅재를 타설하는 단계; 및 상기 강관 말뚝의 상부 돌출부를 절단 제거하는 단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.
첫째로, 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재 합성구조에 의해 제작 기간과 비용의 대폭적인 삭감이 가능하여 매우 경제적인 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 제공할 수 있다.
둘째, 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재 합성구조에 의해 변형과 진동 및 피로 강도와 부식에 대한 저항성을 높여 안정성과 내구성의 확보가 용이하도록 최적화된 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 제공할 수 있다.
셋째, 콘크리트 구조체와 강관 말뚝의 이종재 합성구조에 의해 시공과정에서 수직도 조절에 대한 정밀도를 높일 수 있으므로 시공 기간의 단축과 시공효율 향상을 도모할 수 있는 신형식 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 개략적으로 도시해 보인 측면도.
도 2는 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 요부를 분리해 도시해 보인 개략적 사시도.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 요부를 발췌하여 도시해 보인 개략적 측면도.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 요부를 발췌하여 도시해 보인 개략적 평면도.
도 5는 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 이종재 합성 보강용 커넥터로 설치되는 강재 슬리브를 발췌하여 하여 개략적으로 도시해 보인 일부 절제 사시도.
도 6은 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 요부를 발췌하여 확대 도시해 보인 개략적 측면도.
도 7은 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 제작공정을 설명하기 위해 공정순서에 따른 요부를 발췌하여 도시해 보인 개략적 평면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 요부를 발췌하여 나타내 보인 개략적 사시도.
도 9는 각각 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 콘크리트 구조체 베이스부가 변형된 실시예의 유형을 예시적으로 나타내 보인 개략적 사시도.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 포스트 파일링(Pre-Piling) 방식에 의한 설치방법을 설명하기 위해 도시해 보인 개략적 시공순서도.
도 11은 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 프리 파일링(Pre-Piling) 방식에 의한 설치방법을 설명하기 위해 도시해 보인 개략적 시공순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 내용과 첨부된 도면은 본 발명에 따른 기술 구성과 동작을 이해하기 위한 것이며, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분은 생략될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(100)은, 도시되어 있지 않은 해상풍력발전 나셀과 블레이드 및 타워로 이루어진 상부구조물을 지지하기 위한 콘크리트 구조체(110)와, 그 콘크리트 구조체(110)를 해저 지반에 고정된 상태로 지지하기 위한 강관 말뚝(120) 및 상기 콘크리트 구조체(110)와 강관 말뚝(120)을 이종재 합성구조체로 연결시켜 주기 위한 커넥터 부재(130)를 포함하여 구성된다.
상기 콘크리트 구조체(110)는 원통형 몸체 외주에 돌출되도록 형성된 복수의 레그 플랜지(111)가 균등한 간격을 유지하도록 방사상으로 배치된 베이스부(110B)와, 그 상부에 순차적으로 형성되는 콘형 중공부(110C)와 실린더 중공부(100R-1) 및 링부(100R-2)로 구획된 중공형 구조체로 이루어진다. 여기서, 미설명 도면부호 10은 상부구조물의 타워와 연결되도록 상기 실린더 중공부(110R-1) 및 링부(110R-2)에 삽입되는 강재 샤프트를 나타낸다.
상기 각 레그 플랜지(111)에는 상기 강관 말뚝(120)이 관통되도록 결합되는 축공이 형성되어 있다.
상기 콘크리트 구조체(110) 및 레그 플랜지(111)는 도면에서 본 발명의 바람직한 실시예의 하나로 예시된 것일 뿐, 도면에 도시한 바와 같은 형상 구조와 배치 수량 등이 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 도 1 내지 도 8에 도시된 콘크리트 구조체(110)는 원통형 몸체 외주에 복수의 레그 플랜지(111)가 돌출되도록 형성되고, 그 레그 플랜지(111)에 축공이 형성된 구성을 예시해 보인 것으로서, 이러한 구성은 시공과정에서 레그 플랜지(111)의 축공에 보다 용이하게 강관 말뚝(120)을 설치하기 위한 것이다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 콘크리트 구조체(110)는 도 9에 각각 예시적으로 나타내 보인 바와 같이 실제 시공 현장의 조건에 따라 베이스부(100B)를 다양한 형태의 다각형 블록체로 변형한 실시예를 적용할 수 있다. 이때, 상기 레그 플랜지(111)가 배제된 구성을 가질 수 있으며, 콘크리트 구조체(110)의 베이스부(110B)에 축공(111h)이 균등한 간격으로 배치된 구성을 가질 수 있다.
상기 콘크리트 구조체(110)는 프리 파일링(Pre-Piling) 방식과 포스트 파일링(Post-Piling) 방식에 의해 해저 지반에 고정된 상태로 설치되는 것으로서, 그 설치방법에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 커넥터 부재(130)는 강관 말뚝(120)의 관통 삽입을 허용하도록 콘크리트 구조체(110)의 각 레그 플랜지(111)의 축공(111h)에 삽입된 상태로 설치되는 강재 슬리브(131) 및 그 강재 슬리브(131)와 강관 말뚝(120)의 사이에 타설되어 충전되는 그라우팅재(132)를 포함하여 이루어진다.
상기 그라우팅재(132)는 예를 들어 기존의 자켓 파일(Jacket Pile) 공법 등에서와 같이 통상적인 수중 그라우팅 공정을 통하여 충전된다.
상기 강재 슬리브(131)는 원통형 몸체(131A)의 외주면에 돌출되도록 형성된 다수의 스터드(131S)가 전단 연결재로 구비된다.
상기 스터드(131S)는 강재 슬리브(131)의 외주면에 일정한 간격을 유지하도록 방사상의 다층 배열 구조로 배치된다.
상기 스터드(131S)는 예를 들어 콘크리트 구조체(110)의 프리캐스트 제작과정에서 레그 플랜지(111)의 콘크리트 블록에 삽입되어 쐐기 형태로 박히도록 세팅된다. 이에 따라 콘크리트와 강재의 이종재 합성구조체를 형성하기 위한 연결 보강재의 역할과 기능을 수행하게 된다.
따라서, 상기 스터드(131S)는 도면에 예시해 보인 바와 같이 강재 슬리브(131)의 외주면으로부터 일정한 길이로 돌출되도록 용접되는 돌출편(도면부호 없음) 및 그 끝단부에서 확장되도록 구비되는 확장 머리편(도면부호 없음)을 가지는 형상 구조를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기한 바와 같은 스터드(131S)의 구성은 레그 플랜지(111)의 콘크리트 구조체에 쐐기 형태로 박히는데 유효하게 작용하도록 하기 위한 것으로서, 예시된 형상 구조가 본 발명을 한정하는 것은 아니며 다양하게 변형된 형상 구조의 채택이 가능하다.
그리고, 상기 스터드(131S)는 돌출편이 강재 슬리브(131)의 외주면에 대해 실질적으로 직교하도록 수평상태로 구비되는 동시에 확장 머리편은 수직상태를 이루도록 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스터드(131S)는 후술하는 철근(133)의 배근 구조와 간섭되는 것을 피하기 위해 예를 들면 횡 방향으로 설치되는 철근(133) 간격의 정수배 등으로 규칙적인 배열 패턴을 가지도록 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 강재 슬리브(131)는 내주면과 강관 말뚝(120)의 외주면에는 연속되는 띠 형태로 다중 배열되도록 돌출되게 형성된 다수의 용접 비드(beads)(131B)가 전단 연결재로 구비된다. 이에 따라 상기 용접 비드(131B)는 콘크리트 구조체(110)의 활동 방지벽으로 작용하게 된다.
여기서, 도 5의 미설명 참조부호 131F는 상기 강재 슬리브(131)의 상단 및 하단에 각각 구비된 플랜지를 나타낸다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 콘크리트 구조체(110)의 강재 슬리브(131)의 주위에는 각 스터드(131S)의 사이에 횡 방향과 종 방향의 보강재로서 철근(133)이 배근되는 구성을 가질 수 있다.
상기 철근(133)은 콘크리트 구조체(110)에 네트워크상의 보강재로 설치되는 것으로서, 상기 슬리브(131)의 직경이나 강판 두께 등에 따라 횡 방향으로 150 내지 300mm 범위의 배근 간격을 유지하도록 설치되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 스터드(131S)는 횡 방향 철근(133)의 배근 구조와 간섭되는 것을 피하기 위해 300 내지 600mm 범위의 간격을 유지하도록 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 콘크리트 구조체(110)와 강재 슬리브(131)는 프리캐스트 제조공정에 의해 이종재 합성 구조체로 형성되는 것으로서, 도 7은 그 제작공정에 따른 요부 구성을 발췌하여 나타내 보인 도면이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 상기 콘크리트 구조체(110)의 저부(110B) 몸체 외주에 플랜지를 형성하기 위하여 강재 거푸집(110D)을 설치한다.
이어서, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 강재 거푸집(100D)의 내측에 강재 슬리브(131)를 설치한다.
다음 공정으로, 도 7의 (c)에서와 같이 강재 거푸집(100D)의 내측에 횡 방향과 종 방향의 보강재로 철근(133)을 배근한다.
다음 공정으로, 도 7의 (d) 및 (e)에 각각 도시된 바와 같이 콘크리트(110C)를 타설하여 양생한 후, 강재 거푸집(110C)를 제거함으로써, 레그 플랜지(111)의 축공(111h)에 강재 슬리브(131)가 구비된 이종재 합성 구조체로 이루어진 콘크리트 구조체(110)의 제작을 완성할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(100)을 구축하기 위해서는 육상에서 프리캐스트 제작공정에 의해 레그 플랜지(111)의 축공(111h)에 강재 슬리브(131)가 합성된 콘크리트 구조체(110)를 단위 유닛의 시공부품으로 제작한 다음, 그 콘크리트 구조체(110)의 링형 중공부(110R)에 강재 샤프트(110S)를 설치한 상태에서 해상으로 운송하여 강관 말뚝(120)에 의해 해저 지반에 고정되도록 설치하게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 요부로서, 콘크리트 구조체와 강재 슬리브를 발췌하여 나타내 보인 개략적 사시도이다.
도 8에 예시된 실시예에 따르면, 상기 강재 슬리브(131)는 원호상의 강재 지지플레이트(131C)에 의해 서로 연결된 단위 구조체로 형성된다는 점에 그 구성적 특징이 있다. 이와 같은 구성에 있어서, 상기 강재 지지플레이트(131C)는 상기 콘크리트 구조체(110)의 몸체 콘크리트 블록에 심재(心材)로 설치된다.
즉, 상기 콘크리트 구조체(110)와 강재 슬리브(131) 및 강재 지지플레이트(131C)는 프리캐스트 제조공정에 의해 이종재 합성 구조체로 형성되어 본 발명에 따른 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(100)을 구축하기 위한 단위 시공부품을 이루게 되며, 이를 해상으로 운송하여 해저 지반에 설치 시공함으로써, 상술한 바와 같은 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(100)로 구축된다. 이때, 강재 슬리브(131)의 축공에 관통된 상태로 결합되는 강관 말뚝(120)과 강재 슬리브(131)의 사이에 기존의 통상적인 수중 그라우팅 작업을 통하여 그라우팅재(131)가 충전된다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 포스트 파일링(Post-Piling) 방식 및 프리 파일링(Pre-Piling) 방식에 의한 설치방법을 설명하기 위해 도시해 보인 시공 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 포스트 파일링 방식에 의한 설치방법은, 먼저 도 10의 (a)를 참조하면, 프리캐스트 제조공정에 의해 강재 슬리브(131)가 합성된 콘크리트 구조체(110)를 바지선 및 해상 크레인 등을 이용해 해상으로 운반하여 해상풍력발전기 시공위치의 해저 지반에 거치한다.
이어서, 도 10의 (b)를 참조하면, 상기 콘크리트 구조체(110)의 레그 플랜지(111) 또는 콘크리트 구조체(110)에 구비된 강재 슬리브(131)의 축공에 강관 말뚝(120)을 동축상으로 정렬하여 삽입한 상태에서 항타 및 굴착작업을 병행하여 해저 지반에 설치한다(S-120 단계). 이때, 상기 강재 슬리브(131)는 강관 말뚝(120)과의 정렬상태를 파악할 수 있는 중심축으로 작용하게 됨에 따라 콘크리트 구조체(110)의 수직도를 정밀하게 조정할 수 있게 된다.
다음 단계로, 도 10의 (c)를 참조하면, 철근망(N)과 강관 말뚝(120)의 이음 작업을 수행한다(S-130 단계).
이어서, 도 10의 (d)를 참조하면, 콘크리트 구조체(110)의 강재 슬리브(131)와 강관 말뚝(120)의 사이에 레미콘으로 그라우팅재를 타설한다(S-140 단계).
다음 시공 단계로서, 도 10의 (e) 및 (f)를 각각 참조하면, 강관 말뚝(120)의 상부 돌출부를 절단 제거함으로써, 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(100)의 설치를 완료한다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 의한 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 프리 파일링 방식에 의한 설치방법은, 먼저 해상풍력발전기 시공위치의 해저 지반에 강관 말뚝(120)을 항타 및 굴착하여 설치한다(S-110 단계).
다음 공정으로, 프리캐스트 제조공정에 의해 강재 슬리브(131)가 합성된 콘크리트 구조체(110)를 바지선 및 해상 크레인 등을 이용해 해상으로 운반한다(S-120 단계).
이어서, 상기 콘크리트 구조체(110)의 레그 플랜지(111)에 구비된 강재 슬리브(131)의 축공에 강관 말뚝(120)이 동축상으로 정렬되어 삽입되도록 콘크리트 구조체(110)를 해저 지반에 거치한다(S-130 단계). 이때, 상기 강재 슬리브(131)는 강관 말뚝(120)과의 정렬상태를 파악할 수 있는 중심축으로 작용하게 됨에 따라 콘크리트 구조체(110)의 수직도를 정밀하게 조정할 수 있게 된다.
다음 공정으로, 철근망(N)과 강관 말뚝(120)의 이음 작업을 수행한다(S-140 단계).
이어서, 콘크리트 구조체(110)의 강재 슬리브(131)와 강관 말뚝(120)의 사이에 레미콘으로 그라우팅재를 타설한다(S-150 단계).
다음 시공 단계로서, 강관 말뚝(120)의 상부 돌출부를 절단 제거하고(S-160 단계), 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물(100)의 설치를 완료한다(S-170 단계).
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시예가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
100 : 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물
110 : 콘크리트 구조체
110B : 콘크리트 구조체의 베이스부
110C : 콘크리트 구조체의 콘형 중공부
110R-1 : 콘크리트 구조체의 실린더 중공부
110R-2 : 콘크리트 구조체의 링부
111 : 레그 플랜지
120 : 강관 말뚝
130 : 커넥터 부재
131 : 강재 슬리브
131B : 용접 비드(shere key)
131S : 스터드(전단 연결재)
132 : 그라우팅재
133 : 보강재(철근)

Claims (23)

  1. 해상풍력발전 나셀과 블레이드 및 타워로 이루어진 상부구조물을 지지하기 위해 해저 지반에 설치되는 것으로,
    블록형 몸체 외주에 균등한 간격으로 배치되도록 형성된 복수의 축공이 구비된 콘크리트 구조체와;
    상기 콘크리트 구조체를 해저 지반에 고정된 상태로 지지하기 위해 상기 축공에 관통되도록 삽입되어 해저 지반에 설치되는 강관 말뚝; 및
    상기 콘크리트 구조체와 상기 강관 말뚝의 합성구조를 형성하기 위해 상기 축공과 강관 말뚝 사이에 개재되도록 설치되는 이종재 합성 보강용 커넥터 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 커넥터 부재는,
    상기 강관 말뚝의 관통 삽입을 허용하도록 상기 축공에 설치되는 강재 슬리브와;
    상기 강재 슬리브와 강관 말뚝 사이에 충전되는 그라우팅재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 커넥터 부재는,
    상기 강관 말뚝의 관통 삽입을 허용하도록 상기 축공에 설치되는 강재 슬리브와;
    상기 각 강재 슬리브를 연결하도록 상기 콘크리트 구조체에 심재(心材)로 설치되는 원호상의 강재 지지플레이트; 및
    상기 강재 슬리브와 강관 말뚝 사이에 충전되는 그라우팅재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브는 원통형 몸체의 외주면에 돌출되도록 형성된 다수의 단위 스터드가 상기 콘크리트 구조체에 삽입되도록 일정한 간격을 유지하며 방사상의 다층 배열 구조로 배치되어 이루어진 전단 연결재를 구비하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브는 상기 콘크리트 구조체의 활동 방지벽으로 작용하도록 내주면에 연속되는 띠형태로 다중 배열되도록 돌출 형성된 다수의 전단 연결재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브의 주위에는 각 스터드 사이에 횡 방향과 종 방향으로 보강재가 설치되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 콘크리트 구조체와 상기 강재 슬리브는 프리캐스트 제조공정을 통하여 이종재 합성구조체로 형성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘크리트 구조체는 블록형 몸체 외주에 균등한 간격으로 배치되도록 방사상으로 돌출 형성된 복수의 레그 플랜지를 가지며, 그 레그 플랜지에 상기 강관 말뚝이 관통되도록 삽입되는 축공이 구비되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물.
  9. 해상풍력발전 나셀과 블레이드 및 타워로 이루어진 상부구조물을 지지하기 위한 기초구조물을 이루는 콘크리트 구조체를 해저 지반에 고정된 상태로 지지시켜 주기 위해 상기 콘크리트 구조체의 축공에 관통되도록 삽입되어 해저 지반에 설치되는 강관 말뚝과 상기 콘크리트 구조체를 합성구조체로 연결시켜 주기 위한 커넥터부재로서,
    상기 콘크리트 구조체의 축공에 삽입되도록 설치되는 원통형 몸체와, 그 원통형 몸체의 외주면에 방사상의 다층 배열 구조로 돌출되도록 형성되어 상기 콘크리트 구조체에 삽입되는 다수의 스터드를 전단 연결재로 구비하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 강관 말뚝 합성용 강재 슬리브.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원통형 몸체의 내주면에는 상기 콘크리트 구조체의 활동 방지벽으로 작용하도록 돌출된 연속 띠형태로 다중 배열되는 다수의 전단 연결재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 강관 말뚝 합성용 강재 슬리브.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 원통형 몸체는 강재 지지 플레이트에 의해 연결되는 단위 구조체 유닛으로 형성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 강관 말뚝 합성용 강재 슬리브.
  12. 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물을 이루는 콘크리트 구조체의 제조방법에 있어서,
    상기 콘크리트 구조체의 몸체를 형성하고, 그 외주에 거푸집을 설치하는 단계;
    상기 거푸집의 내부에 강재 슬리브를 설치하는 단계;
    상기 거푸집과 강재 슬리브 사이에 보강재를 설치하는 단계;
    상기 콘크리트 구조체의 외주와 거푸집 및 강재 슬리브의 사이에 콘크리트를 타설하는 단계; 및
    상기 거푸집을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 콘크리트 구조체 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브의 외주면에는 방사상으로 돌출되게 형성된 다수의 스터드가 전단 연결재로 구비된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 콘크리트 구조체 제조방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브의 내주면에는 상기 콘크리트 구조체의 활동 방지벽으로 작용하도록 돌출 형성된 연속 띠형태로 다중 배열되는 다수의 전단 연결재가 구비된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 콘크리트 구조체 제조방법.
  15. 프리캐스트 제조공정에 의해 강재 슬리브가 합성된 콘크리트 구조체를 해상으로 운반하여 해상풍력발전기 시공위치의 해저 지반에 거치하는 단계;
    상기 콘크리트 구조체에 구비된 강재 슬리브의 축공에 강관 말뚝을 동축상으로 정렬하여 삽입한 상태에서 항타 및 굴착작업을 병행하여 해저 지반에 설치하는 단계;
    상기 강관 말뚝과 철근망의 이음 작업을 수행하는 단계;
    상기 콘크리트 구조체의 강재 슬리브와 강관 말뚝의 사이에 그라우팅재를 타설하는 단계; 및
    강관 말뚝의 상부 돌출부를 절단 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 설치방법.
  16. 해상풍력발전기 시공위치의 해저 지반에 강관 말뚝을 항타 및 굴착하여 설치하는 단계;
    프리캐스트 제조공정에 의해 강재 슬리브가 합성된 콘크리트 구조체를 해상으로 운반하는 단계;
    상기 콘크리트 구조체의 강재 슬리브 축공에 강관 말뚝이 동축상으로 정렬되어 삽입되도록 콘크리트 구조체를 해저 지반에 거치하는 단계;
    상기 강관 말뚝과 철근망의 이음 작업을 수행하는 단계;
    상기 콘크리트 구조체의 강재 슬리브와 강관 말뚝의 사이에 그라우팅재를 타설하는 단계; 및
    상기 강관 말뚝의 상부 돌출부를 절단 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 설치방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브의 외주면에는 상기 콘크리트 구조체에 삽입되도록 방사상으로 돌출되게 형성된 다수의 스터드가 전단 연결재로 구비된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 설치방법.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브의 내주면에는 상기 콘크리트 구조체의 활동 방지벽으로 작용하도록 돌출 형성된 연속 띠형태로 다중 배열되는 다수의 전단 연결재가 구비된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 콘크리트 기초구조물의 설치방법.
  19. 해상풍력발전용 나셀과 블레이드 및 타워로 이루어진 상부구조물을 지지하기 위해 해저 지반에 설치되는 것으로,
    프리캐스트 제작과정에서 콘크리트 블록 몸체 외주에 방사상으로 돌출되도록 구비되는 복수의 레그 플랜지의 중심 축공에 강재 슬리브가 설치되어 이종재(異種材) 합성 구조체를 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 기초 지지구조물의 콘크리트 베이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브는 적어도 둘 이상이 강재 지지 플레이트에 의해 다중 배열형으로 연결되는 단위 구조체를 이루도록 형성되며, 상기 강재 지지 플레이트는 콘크리트 블록 몸체에 심재(心材)로 설치되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 기초 지지구조물의 콘크리트 베이스.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브는 원통형 몸체의 외주면에 돌출되도록 형성된 다수의 단위 스터드가 상기 콘크리트 베이스에 침투된 상태로 세팅되도록 일정한 간격을 유지하며 방사상의 다층 배열 구조로 배치되어 이루어진 전단 연결재를 구비하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 기초 지지구조물의 콘크리트 베이스.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 강재 슬리브는 중공에 삽입되도록 결합되는 강재 파일의 활동 방지벽으로 작용하기 위하여 내주면에 다수의 전단 키이(shear key)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 기초 지지구조물의 콘크리트 베이스.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전단 키이는 상기 강재 슬리브의 내주면에 연속되는 띠형태로 다중 배열되도록 돌출 형성된 다수의 용접 비드(beads)로 이루어진 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 기초 지지구조물의 콘크리트 베이스.
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