KR20170017458A

KR20170017458A - 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물 및 그 설치 방법

Info

Publication number: KR20170017458A
Application number: KR1020150111394A
Authority: KR
Inventors: 김현기
Original assignee: 김현기
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-15

Abstract

본 발명은 하중전이 연결부를 갖는 하이브리드 해양플랜트 지지구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해양에 시공되는 지지구조물의 분리 운송과 단계별 구분설치로 시공성과 품질을 향상시키고, 구조물의 수평 및 수직도 조절을 가능하게 하기 위한 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물과 그 설치방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 하중전이 연결부를 갖는 하이브리드 해양플랜트 지지구조물에 있어서, 강재샤프트에 형성시킨 전단연결재와 콘크리트에 매입되어 프리캐스트로 제작되는 전단연결재가 구비된 합성용 보강 스틸 플레이트를 그라우팅재를 이용하여 합성시키는 방법으로, 해양에 설치되는 콘크리트 기초구조물과 강재 샤프트로 이루어진 하이브리드 지지구조물의 분리 운송 및 단계별 설치를 통해 시공성과 품질을 향상시키고, 구조물의 수평 및 수직도 조절이 가능한 하중전이 연결부를 형성시킬 수 있도록 하는 특징이 있다.

Description

하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물 및 그 설치 방법{A hybrid sub-structure having transition piece for offshore plant and installation method thereof}

본 발명은 하중전이 연결부를 갖는 하이브리드 해양플랜트 지지구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해양에 시공되는 지지구조물의 분리 운송과 단계별 구분설치로 시공성과 품질을 향상시키고, 구조물의 수평 및 수직도 조절을 가능하게 하기 위한 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물과 그 설치방법에 관한 것이다.

해양플랜트 산업은 원유, 가스 등 원자재 가격의 상승과 해양유전 관련 기술이 발전으로 급속히 성장해왔고, 환경오염으로 인한 친환경 에너지의 필요성이 증가 되어 해상풍력 발전 산업도 최근 주목받고 있다.

해양개발을 위해 설치되는 구조물은 항만이나 연안에서 사용되는 연안구조물과 해상, 해중, 해저에 설치되는 해상구조물로 나눌 수 있고, 해상구조물 형식으로는 모노파일, 석션기초, 중력식, 자켓 등이 이용되고 있다. 해상구조물 설치사업에 소요되는 비용 중 기초구조물이 차지하는 비중은 수심이 깊어질수록 더 높아지게 되므로, 사업의 성공을 위해서는 경제적인 기초구조물이 필수적이다. 따라서, 저렴하고 수급에 제약이 적은 콘크리트 재료와 강재를 이용한 하이브리드 지지구조물 형식에 대한 연구개발이 활발하다.

해상에 설치되는 기초나 지지구조물은 설치시 지반조건, 기상 등 다양한 해양환경 조건에 따라 중심축에 대한 편심 발생 가능성이 높고, 편심이 발생할 경우 해결하기가 쉽지 않으며, 수평 및 수직축이 정확하게 유지되지 않은 상태에서 구조물을 설치할 경우 설비작동에 문제가 발생한다. 육상 구조물에 있어서도 동일한 문제가 유발될 수 있으며, 기초의 수평 및 수직도를 조정하기 위한 다양한 종래의 방법이 있다.

중력식 기초의 경우 EP1 777 348 A1에 기재된 바와 같이, 해저지반의 편평화 작업이 별도로 필요하여 비교적 천해에 설치되지만 시공기간과 공사비용이 높게 소요되는 단점이 있다. 도 1은 종래의 중력식 기초 설치모습을 도시한 개념도를 나타낸다.

모노파일의 경우, US 2011/0006538 A1 또는 WO 2013057459 A1에 기재된 바와 같이, 트랜지션 피스와 모노파일의 사이에 콘크리트로 그라우팅을 하여 구조물의 수평을 맞추게 된다. 도 2는 종래 모노파일에 설치되는 트랜지션 피스를 도시한 단면도이다. 모노파일 형식은 수심이 깊어지면 증가하는 하중에 저항하기 위해 직경이 커져 경제성이 떨어지고 시공장비 수급문제를 초래하므로 소규모 해상 구조물에 사용되어 왔다.

해상풍력발전을 포함한 해양플랜트 지지구조물의 경제성을 확보하기 위해 개발되는 콘크리트와 강재를 이용한 하이브리드 지지구조물에 있어서, 상부하중을 기초로 원활하게 전달할 수 있으며, 해상운송과 단계별 구분 설치를 가능하게 하고, 수평 및 수직도 조절을 용이하게 하기 위해서는 하중전이 연결부(Transition Piece)가 필수적으로 적용되어야 한다.

US[0013] 2011/0006538 A1 WO 2013057459 A1 EP 1 777 348 A1 10-2014-0104675

본 발명은 하중전이 연결부를 갖는 하이브리드 해양플랜트 지지구조물에 있어서, 강재샤프트에 형성시킨 전단연결재와 콘크리트에 매입되어 프리캐스트로 제작되는 전단연결재가 구비된 합성용 보강 스틸 플레이트를 그라우팅재를 이용하여 합성시키는 방법으로, 해양에 설치되는 콘크리트 기초구조물과 강재 샤프트로 이루어진 하이브리드 지지구조물의 분리 운송 및 단계별 설치를 통해 시공성과 품질을 향상시키고, 구조물의 수평 및 수직도 조절이 가능한 하중전이 연결부를 형성시킬 수 있도록 하는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물과 그 설치방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면 상부강재구조물과 콘크리트 구조물이 하중전이 연결부를 통해 하이브리드 구조물로 합성되어 상부구조의 하중을 하부로 전달하고 이질적인 두 재료를 사용하는 구조체의 합성거동을 원활하게 하는 효과가 있다.

둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면 하중전이 연결부를 구성하는 전단연결재가 구비된 합성용 보강 스틸 플레이트가 콘크리트 구조체를 보강하는 역할을 하므로 연결부 길이를 크게 하지 않더라도 충분한 안전성을 확보하는 효과가 있다.

셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면 하중전이 연결부를 이용하여 콘크리트 구조체와 강재샤프트가 해상에서 그라우팅재를 통해 합성되므로, 육상제작장에서 프리캐스트로 일체시공 후 운송할 경우 대형 해상장비가 소요되는 종래의 방법을 배제하고 콘크리지지구조를 설치한 후 강재샤프트를 조립하여 운송 및 설치가 간편하고 경제적인 효과가 있다.

넷째, 본 발명의 일실시예에 따르면 상부에 설치되는 목적 시설물의 수직도 확보를 위해 해상공사의 난이도 및 해양 환경조건으로 인해 발생하는 수직도 오차에 대해 하중전이 연결부 시공시 정밀도 보정 후 그라우팅재를 주입하여 합성시키므로 수직도 조절을 위한 별도의 장치가 필요없는 효과가 있다.

다섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면 콘크리트 기초구조물과 강재샤프트의 연결부간 유격이 조립과 설치에 있어서 시공성을 향상시키고, 콘크리트 상단 연결부 내측 및 외측에 프리캐스트로 매입되어 제작되는 전단연결재가 구비된 합성용 보강 스틸 플레이트는 해상설치시 발생할 수 있는 충격으로 부터 콘크리트의 파손을 방지하고 강재샤프트와의 합성효율을 높이는 효과가 있다.

도 1은 종래의 중력식 기초의 설치 모습을 도시한 개요도
도 2는 종래의 모노파일에 설치된 트랜지션 피스를 도시한 개요도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물의 설치 개요도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물의 설치 단면도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하중전이 연결부의 단면도
도 6, 도7 내지 도8은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 하중전이 연결부의 단면도
도 9는 본 발명의 하중전이 연결부를 형성시키기 위해 콘크리트 기초구조물에 설치되는 보강 스틸 플레이트의 예시도
도 10a는 콘크리트 기초구조물의 육상제작 단계를 설명하기 위해 도시한 개략적인 시공순서도
도 10b는 콘크리트 기초구조물의 인양단계를 설명하기 위해 도시한 개략적인 시공순서도
도 10c는 콘크리트 기초구조물의 운송단계를 설명하기 위해 도시한 개략적인 시공순서도
도 10d는 콘크리트 기초구조물의 해저지반 설치를 설명하기 위해 도시한 개략적인 시공순서도
도 10e는 강재샤프트 설치 후 레벨링(leveling) 및 그라우팅(grouting)단계를 설명하기 위해 도시한 개략적인 시공순서도
도 10f는 타워 및 터빈 구조물 설치단계를 설명하기 위해 도시한 개략적인 시공순서도
도 11은 하중전이 연결부 시공시 그라우팅재의 충진으로 수평 및 수직도를 조절하는 방법을 설명하기 위한 개념도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 하중전이 연결부(200)를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물(100)을 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 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 하중전이 연결부(200)는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물(100)에서 도시되어 있지 않은 해양 구조물의 상부구조(예를 들면 해상풍력발전용 낫셀과 블레이드 및 타워)를 직접 지지하는 강재샤프트(400)와 콘크리트 기초구조물(300)의 합성체를 형성시키고, 수평 및 수직도를 조절하기 위해 구성된다.

상기 콘크리트 기초구조물(300)은 육상에서 제작되는 프리캐스트 콘크리트로 해상 운반되어 설치되기 때문에 중량이 가벼워야 운반 및 설치가 용이하므로, 본 발명에서 콘크리트 기초구조물(300)의 속이 비워져 있는 중공형태와 얇은 벽체구조로 형성된다. 또한, 콘크리트 기초구조물(300)은 해상 운반과 설치과정 및 공용중에 파랑하중, 풍하중 등의 해양 환경하중에 노출되므로 얇은 벽체를 보강하기 위해 벽체 내부에 긴장재(310)를 설치하여 콘크리트 구조체를 보강하였다.

상기 긴장재(310)는 콘크리트 기초구조물(300)내에 위치하며 긴장력 도입 후 긴장재 양 끝단이 정착장치로 고정된다. 긴장재는 시공성을 고려하여 콘크리트 기초구조물(300)의 하단부는 고정(dead) 정착구(330), 상단부는 인장(live) 정착구(320)를 적용 할 수 있으나, 콘크리트 1회 타설 높이와 거푸집의 설치 여건을 고려하여 양단에 인장 정착구도 사용 될 수 있으며, 중간부에 연결정착구를 두어 제작 편의를 도모할 수 있다.

상기 콘크리트 기초구조물(300)에는 강재샤프트를 지지하는 받침부(340)가 형성되어 해상으로 운반된 콘크리트 기초구조물이 해저지반에 설치된 후 하중전이 연결부(200)를 형성하는 시공중인 단계 및 공용중에도 강재샤프트를 지지하는 역할을 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하중전이 연결부(200)를 나타내며 강재샤프트(400) 내면과 콘크리트 기초구조물(300)의 외면이 접하는 구조로 형성된다. 강재샤프트와 콘크리트 기초구조물 사이의 공간은 그라우팅재(220)로 충진하여 합성구조체를 형성시키고, 그 과정에서 수평 및 수직도 조절이 가능하여 최종 목적구조물인 상부 구조물의 정밀 시공이 가능하다(도 11참조). 상기 강재샤프트(400) 내면은 원형 때 형태의 전단연결재(210)가 구비되어 그라우팅재(220)와의 부착력을 증대시킨다.

도 6을 참조하면 콘크리트 기초구조물(300)의 상단부 외주면에는 보강 스틸 플레이트(230)가 설치되어 있어 강재샤프트(400) 설치시 발생하는 충격과 공용중의 외력에 저항할 수 있도록 콘크리트 기초구조물의 벽체를 보강하는 역할을 한다. 보강 스틸 플레이트(230) 내주면에는 스터드형 전단연결재(240)가 구비되어 콘크리트 기초구조물(300)과 보강 스틸 플레이트(230)가 합성되어 거동하도록 구성된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하중전이 연결부(200)이며, 강재샤프트9400) 외면과 콘크리트 기초구조물(300) 내면이 접하는 구조로 형성된다. 상기 콘크리트 기초구조물(300) 내부는 강재샤프트(400)가 삽입될 수 있도록 축공(350)이 구비되어 있다. 강재샤프트(400) 외부와 콘크리트 기초구조물(300) 사이의 공간에는 그라우팅재(220)가 충진되어 합성구조체를 형성한다.

도 8을 참조하면 콘크리트 기초구조물(300)의 상단부 내주면에는 보강 스틸 플레이트(230)가 설치되어 있어 강재샤프트(400)의 설치시 발생하는 충격과 공용중의 외력에 저항할 수 있도록 콘크리트 기초구조물의 벽체를 보강하는 역할을 한다. 보강 스틸 플레이트(230) 외주면에는 스터드형 전단연결재(240)가 구비되어 콘크리트 기초구조물(300)과 보강 스틸 플레이트(230)가 합성되어 거동하도록 구성된다(도 9 참조).

도 10은 본 발명에 따른 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물 설치방법의 예를 나타내며, 지지구조물을 구분하여 프리캐스트 제작 후 운송하여 해상에서 조립 및 설치하기 위한 방법으로서,

육상에 확보된 제작장에서 프리캐스트 콘크리트 기초구조물(300)을 제작하는 단계; 제작된 콘크리트 기초구조물(300)을 해상장비를 이용하여 인양하고 운송하는 단계; 운송된 콘크리트 기초구조물(300)을 해저면에 안착시키는 설치 단계; 육상에서 제작된 강재샤프트(400)를 해상운송하고 해저면에 안착된 콘크리트 기초구조물 상단부에 삽입하는 단계; 및 강재샤프트의 수직도를 조절한 후 그라우팅(220)을 실시하는 작업단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

콘크리트 기초구조물(300)의 제작단계는 구조체의 보강을 위해 적용되는 긴장재(310), 보강 스틸 플레이트(230), 스터드형 전단연결재(240) 및 원형 띠 형태의 전단연결재(210)를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 육상에서 제작된 콘크리트 기초구조물(300)의 운송은 해상크레인을 이용하여 인양한 후 직접 설치지역까지 운송하는 방법과 해상크레인으로 인양후 운송선(플로팅 바지선)에 적치시키고 설치 현장까지 운송하는 방법을 해안 및 해양지역 환경 여건에 따라 선택적으로 적용할 수 있다.

100 : 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
200 : 하중전이 연결부
210 : 원형 띠 형태의 전단연결재
220 : 그라우팅재
230 : 보강 스틸 플레이트
240 : 스터드형 전단연결재
300 : 콘크리트 기초구조물
310 : 긴장재
320 : 긴장재의 인장 정착장치
330 : 긴장재의 고정 정착장치
340 : 강재샤프트 받침
350 : 축공
400 : 강재샤프트

Claims

해양에 설치되는 콘크리트 기초구조물과 강재 샤프트로 이루어진 하이브리드 구조물의 분리운송 및 단계별 설치가 가능하고, 별도의 수직도 조절장치 없이 상부 구조물의 수직도를 하중전이 연결부를 통해 확보하는 구조물에 있어서,
강재샤프트와 콘크리트 구조물의 합성을 위한 그라우팅재;
그라우팅재와 강재샤프트의 부착력을 증대시키기 위한 원형 띠 형태의 전단연결재;
콘크리트 구조체를 보강하기 위한 긴장재; 를 포함하는 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제1항에 있어서,
하중전이 연결부의 강재샤프트 내측면과 콘크리트 기초구조물 상단 외측면이 접하는 공간에 충진되는 그라우팅재; 및
걍재샤프트와 그라우팅재의 부착력을 증대시키기 위해 강재샤프트 내측면에 설치된 원형 띠 형태의 전단연결재;를 포함하는 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제2항에 있어서,
콘크리트 기초구조물 상단 외측면에 콘크리트 구조체의 보강을 위해 설치되는 보강 스틸 플레이트; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제3항에 있어서,
외주면에 그라우팅재와의 부착력 증대를 위한 원형 띠 형태의 전단연결재가 구비된 보강 스틸 플레이트; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부; 를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제3항에 있어서,
보강 스틸 플레이트와 콘크리트 기초구조물과의 합성효율을 증대시키기 위해 내주면에 스터드형 전단연결재가 구비된 보강 스틸 플레이트; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부; 를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제1항에 있어서,
강재샤프트 내측면과 콘크리트 기초구조물 상단의 외측면이 접합되는 하중전이 연결부 및 강재샤프트 외측면과 콘크리트 기초구조물 상단의 내측면이 접합되는 하중전이 연결부에 있어서,
콘크리트 기초구조물 내부에 강재샤프트가 삽입되어 설치되는 축공;
강재샤프트 외측면과 콘크리트 기초구조물 축공의 내측면이 접하는 공간에 충진되는 그라우팅재;
강재샤프트 외측면에 그라우팅재와의 부착력 증대를 위해 구비되는 원형 띠 형태의 전단연결재; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부; 를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제6항에 있어서,
콘크리트 기초구조물 축공 내측면에 콘크리트 구조체의 보강을 위해 설치되는 보강 스틸 플레이트; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제7항에 있어서,
내주면에 그라우팅재와의 부착력 증대를 위한 원형 띠 형태의 전단연결재가 구비된 보강 스틸 플레이트; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부; 를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
제7항에 있어서,
보강 스틸 플레이트와 콘크리트 기초구조물과의 합성효율을 증대시키기 위해 외주면에 스터드형 전단연결재가 구비된 보강 스틸 플레이트; 및 이를 포함하는 하중전이 연결부; 를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물
하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물을 구분하여 프리캐스트 제작후 운송하여 해상에서 조립 및 설치하기 위한 방법으로서,
육상에 확보된 제작장에서 프리캐스트 콘크리트 기초구조물을 제작하는 단계;
제작된 콘크리트 기초구조물을 해상장비를 이용하여 인양하고 운송하는 단계;
운송된 콘크리트 기초구조물을 해저면에 안착시키는 설치 단계;
육상에서 제작된 강재샤프트를 해상운송하고 해저면에 안착된 콘크리트 기초구조물 상단부에 삽입하는 단계; 및
강재샤프트의 수직도를 조절한 후 그라우팅을 실시하는 작업단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중전이 연결부를 갖는 해양플랜트 하이브리드 지지구조물의 설치방법