KR20180135153A - 해양구조물용 날개확장형 석션파일 - Google Patents

해양구조물용 날개확장형 석션파일 Download PDF

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KR20180135153A
KR20180135153A KR1020170072707A KR20170072707A KR20180135153A KR 20180135153 A KR20180135153 A KR 20180135153A KR 1020170072707 A KR1020170072707 A KR 1020170072707A KR 20170072707 A KR20170072707 A KR 20170072707A KR 20180135153 A KR20180135153 A KR 20180135153A
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suction
wing
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suction file
file
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KR1020170072707A
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김동현
김영진
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군산대학교산학협력단
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
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    • E02D27/52—Submerged foundations, i.e. submerged in open water
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02B17/00—Artificial islands mounted on piles or like supports, e.g. platforms on raisable legs or offshore constructions; Construction methods therefor
    • E02B2017/0056—Platforms with supporting legs
    • E02B2017/0073—Details of sea bottom engaging footing
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2250/00—Production methods
    • E02D2250/0053—Production methods using suction or vacuum techniques

Abstract

본 발명은 횡방향 지지력과 모멘트 하중 저항력을 증가시켜 해양구조물의 안정성을 높이는 해양구조물용 날개확장형 석션파일에 관한 것이다.
본 발명의 해양구조물용 날개확장형 석션파일은 하단에 개구부가 형성되어 해저 지반에 관입되는 중공의 석션파일 몸체와, 석션파일 몸체의 외면 상단에서 하측으로 길이방향을 따라 돌출 형성된 복수의 확장날개와, 복수의 확장날개를 연결하며 석션파일 몸체의 상단에 구비된 캡을 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 확장날개 및 캡에 의해 횡방향 지지력 및 모멘트 하중 저항력이 증가되고 횡방향 변위 억제 및 회전각 억제효과를 통해 해양구조물의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

해양구조물용 날개확장형 석션파일{Suction pile using extension wing for marine structure}
본 발명은 해양구조물용 날개확장형 석션파일에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수평방향 지지력과 모멘트 하중 저항력을 증가시켜 해양구조물의 안정성을 높이는 해양구조물용 날개확장형 석션파일에 관한 것이다.
일반적으로 해양 구조물은 해상에 다양한 물체를 설치하기 위하여 해양의 지반에 설치되는 구조체이다. 해양 구조물에는 항상 파도, 조류 및 바람 등에 의한 외력이 작용하게 된다.
이러한 해양 구조물의 지지구조로 활용되는 석션파일은 파일 내부의 물이나 공기와 같은 유체를 외부로 석션함으로써 발생된 파일 내부와 외부의 압력차를 이용하여 해저 지반에 설치되는 파일이다.
석션파일이 해저 지반에 관입되고 그 위에 구조물이 설치되면, 석션파일은 구조물의 자중 및 다양한 환경하중 등에 의한 수직방향 하중, 수평방향 하중 및 인발 하중을 받게 되며, 이러한 조건하에서는 석션파일이 충분한 설계지지력을 발휘하지 못하고 운영 시 불안정하게 되는 문제가 있다.
즉, 석션파일은 선단부가 암반에 관입되는 것은 불가능하며 보통 연약지반에 시공되고 있으므로 선단지지력과 수평지지력과 및 인발지지력 발현에 취약할 수 밖에 없다는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1687368호(해상 풍력발전 지지구조물 및 그 시공방법) 한국등록특허 제10-1352095호(석션파일 하부구조물)
본 발명의 목적은 수평방향 지지력과 모멘트 하중 저항력을 증가시켜 해양구조물의 안정성을 높이는 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단단한 지반에 사용될 경우에 경제성을 높이는 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일은 하단에 개구부가 형성되어 해저 지반에 관입되는 중공의 석션파일 몸체와, 석션파일 몸체의 외면 상단에서 하측으로 길이방향을 따라 돌출 형성된 복수의 확장날개와, 복수의 확장날개를 연결하며 석션파일 몸체의 상단에 구비된 캡을 포함한다.
확장날개는 석션파일 몸체의 전길이에 걸쳐 형성된 전체 확장날개일 수 있다. 확장날개는 석션파일 몸체의 상단에서 하측으로 일부분에만 형성된 부분 확장날개로 되어 있을 수 있다.
확장날개는 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 사선형태로 돌출 형성될 수 있다.
확장날개의 돌출 높이는 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 하측으로 갈수록 낮게 되어 있을 수 있다.
확장날개의 중간에는 확장날개의 길이방향을 따라 돌출띠가 형성될 수 있다. 돌출띠는 확장날개의 일측면이나 양측면에 형성될 수 있다. 돌출띠의 돌출높이는 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 하측으로 갈수록 낮게 되어 있을 수가 있다.
석션파일 몸체의 상단부에는 복수의 확장날개의 끝단을 덮는 통형의 세굴방지부가 구비될 수 있다. 통형의 세굴방지부는 다수곳에 형성될 수 있다.
석션파일 몸체는 원통형이나 다각통형일 수 있다.
확장날개는 석션파일 몸체의 내면에 추가로 형성될 수 있다.
확장날개는 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 다수 부분으로 나누어져 단속되어 있을 수가 있다.
석션파일 몸체의 하단부에는 둘레를 따라 삼각형 또는 굴곡형의 요철부가 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일에 의하면, 확장날개 및 캡에 의해 수평방향 지지력 및 모멘트 하중 저항력이 증가되고 횡방향 변위 억제 및 회전각 억제효과를 통해 해양구조물의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 부분 확장날개를 가지는 구조에서는 전체 확장날개를 가지는 구조에 비해 수평방향 저항력 및 모멘트 하중 저항력이 감소하기 때문에 단단한 지반에서 사용할 경우 전체 확장날개를 가지는 구조의 석션파일보다 경제적 효과가 높고 관입성이 양호하며, 세굴방지부를 추가로 가지는 구조에서는 수평방향 변위를 더욱 감소시켜 지지력을 더욱 높이고 해양구조물의 안정성을 높이며 세굴효과를 저감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 4은 본 발명의 제4실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제9실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제10실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제11실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제12실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 일부단면 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제13실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제14실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 15는 본 발명의 제15실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일과 비교 해석하기 위한 해양구조물용 석션파일의 모델링 도면이다.
도 17은 도 16의 석션파일에 설치되는 타워와 함께 비교 해석하기 위한 전체 모델링 도면이다.
도 18은 도 16의 해양구조물용 석션파일의 모델링 해석을 위한 설계 지반 모델링도이다.
도 19는 도 16에서 석션파일의 케이스 1에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 20은 도 16에서 석션파일의 케이스 2에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 21은 도 16에서 석션파일의 케이스 3에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 22은 도 16에서 석션파일의 케이스 4에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 23은 도 16의 석션파일의 케이스 1 내지 케이스 4에 대한 해석결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 24은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 날개확장형 석션파일이 설치되는 해양구조물의 전체 모델링 도면이다.
도 25는 본 발명의 날개확장형 석션파일을 비교하기 위한 날개확장형 석션파일의 비교예에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 26은 본 발명의 날개확장형 석션파일의 실시예 2에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 27은 본 발명의 날개확장형 석션파일의 실시예 8에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 의한 날개확장형 석션파일(01)은 석션파일 몸체(110)와 확장날개(120)와 캡(130)을 포함한다.
석션파일 몸체(110)은 하단에 개구부가 형성되어 해저 지반에 관입되는 중공의 원통형 몸체로서, 상단에는 해상 구조물을 지지하는 상판(111)으로 막힌다. 상판(111)에는 석션펌프를 작동시켜서 중공 내부의 물을 외부로 배수시키기 위한 관통구멍(111a)이 형성된다.
석션파일 몸체(110)가 해저면에 안착되어 자중에 의해 지반의 일정 깊이까지 관입되고 석션펌프가 작동되면, 석션파일 몸체(110)는 하단 개구부를 제외한 부분들에는 물의 흐름이 완전히 차단되어 있으므로 내부의 압력이 저하되어 석션파일 몸체(110)의 외부와 압력차가 발생하고, 이 압력차에 따라 석션파일 몸체(110)는 해저 지반으로 관입되면서 침설된다. 석션파일 몸체(110)가 침설된 후 관통구멍(111a)은 착탈가능한 폐쇄부재로 폐쇄되며, 지반에서 해체시에는 다시 관통구멍(111a)을 통해 물을 석션파일 몸체(110) 내부로 주입하여 내부에 양압력을 가함으로써 지반으로부터 쉽게 인발할 수 있게 된다.
확장날개(120)는 석션파일 몸체(110)의 외면 상단에서 하측으로 길이방향을 따라 복수개가 돌출 형성되며, 석션파일의 수평방향 지지력 및 모멘트 하중 저항을 증가시키고 수평방향 변위를 억제한다. 제1실시예에서 확장날개(120)는 석션파일 몸체(110)의 전 길이에 걸쳐 형성된 전체 확장날개로 되어 있다.
캡(130)은 복수의 확장날개(120)를 연결하며 석션파일 몸체(110)의 상단에 구비되며, 고리띠판으로 되어 있다. 캡(130)은 확장날개(120)의 변형을 억제하여 구속하며 모멘트 하중 저항을 증가시킨다. 캡(130)은 확장날개(120)의 폭(돌출높이)과 동일한 폭의 고리띠판으로, 확장날개(120) 및 선셕파일 몸체(110)에 고정된다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 의한 날개확장형 석션파일(02)는 확장날개(220)가 석션파일 몸체(110)의 상단에서 하측으로 일부분에만 형성된 부분 확장날개로 되어 있다. 부분 확장날개로 된 제2실시예의 석션파일(02)은 전체 확장날개로 된 제1실시예의 석션파일(01)에 비해 관입저항이 감소하는 장점은 있지만, 수평방향 지지력과 모멘트 하중 저항력은 제1실시예의 석션파일(01)에 비해 감소하게 된다.
제2실시예의 날개확장형 석션파일(02)은 수평방향 저항력 및 모멘트 하중 저항력이 감소하기 때문에 단단한 지반에서 사용할 경우 전체 확장날개를 가지는 구조의 석션파일(01)보다 경제적 효과가 높고 관입성이 양호하다.
도 3는 본 발명의 제3실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 의한 날개확장형 석션파일(03)은 확장날개(320)가 석션파일 몸체(110)의 길이방향을 따라 사선형태로 기울어져 돌출형성되어 있다. 제3실시예의 석션파일(03)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제4실시예에 의한 날개확장형 석션파일(04)은 확장날개(420)의 돌출높이가 석션파일 몸체(110)의 길이방향을 따라 하측으로 갈수록 낮게 되어 있다. 제4실시예의 날개확장형 석션파일(04)에 의하면 석션파일(04)이 해저 저면에 용이하게 관입될 수 있다. 제4실시예의 석션파일(04)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제5실시예에 의한 날개확장형 석션파일(05)은 확장날개(520)의 중간 일측면에 확장날개(520)의 길이방향을 따라 돌출띠(521)가 형성된 구조로 되어 있다.
도 6는 본 발명의 제6실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제6실시예에 의한 날개확장형 석션파일(06)은 확장날개(620)의 중간 양측면에 확장날개(620)의 길이방향을 따라 돌출띠(621, 622)가 형성된 구조로 되어 있다.
도 7는 본 발명의 제7실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제7실시예에 의한 날개확장형 석션파일(07)은 확장날개(720)의 중간 양측면에 확장날개(720)의 길이방향으로 따라 돌출띠(721, 722)가 형성되며, 돌출띠(721, 722)의 돌출높이는 석션파일 몸체(110)의 길이방향을 따라 하측으로 갈수록 낮게 되어 있다. 제7실시예의 날개확장형 석션파일(07)는 제4실시예의 날개확장형 석션파일(04)과 같이 석션파일(07)이 해저 저면에 용이하게 관입될 수 있게 한다.
제5실시예 내지 제7실시예에서는 석션파일(05, 06, 07)의 수평방향 지지력 및 모멘트 하중 저항을 더욱 증가시키고 수평방향 변위를 더욱 억제한다. 제5실시예 내지 제7실시예에서 석션파일(05, 06, 07)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제8실시예에 의한 날개확장형 석션파일(08)은 석션파일 몸체(110)의 상단부에는 복수의 확장날개(120)의 끝단을 덮는 통형의 세굴방지부(140)가 구비된 구조이다. 세굴방지부(140)는 세굴효과를 저감하고 방지하며, 확장날개(110)와 함께 석션파일(08) 상단부의 수평방향 변위를 더욱 억제하는 역할을 한다. 세굴 현상은 수중에 구조물이 설치될 시에 그에 접하는 토사가 물의 흐름에 의해 세굴되어 구조물의 안정성을 저하시키는 현상이다. 제8실시예의 석션파일(08)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 9은 본 발명의 제9실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제9실시예에 의한 날개확장형 석션파일(09)은 석션파일 몸체(110)의 상단부에서 도 2의 부분 확장날개(220)의 끝단을 덮는 통형의 세굴방지부(240)가 구비된 구조이다. 제9실시예의 석션파일(09)의 나머지 구성은 제2실시예의 석션파일(02)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 10은 본 발명의 제10실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제10실시예에 의한 날개확장형 석션파일(10)은 석션파일 몸체(110)의 상단부에는 복수의 확장날개(120)의 끝단을 덮는 통형의 세굴방지부(340)가 구비되는 한편, 석션파일 몸체(110)의 중간부에 복수의 확장날개(120)의 끝단을 덮는 통형의 세굴방지부(340)가 추가로 구비된 구조로 되어 있다. 제10실시예의 석션파일(10)은 세굴방지부(340)가 확장날개(120)의 길이방향으로 일정한 간격을 두고 다수 곳에 구비된 구조로 될 수 있다. 제10실시예에 의하면 석션파일(10)의 관입 깊이에 따라 세굴방지 효과를 더욱 높이게 된다. 제10실시예의 석션파일(10)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 11은 본 발명의 제11실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제11실시예에 의한 날개확장형 석션파일(11)은 석션파일 몸체(210)가 사각통 형태로 되어 있으며, 이에 따라 석션파일 몸체(210)의 상단에 구비된 상판(211)은 사각판으로 되어 있으며, 사각판 형태의 상판(211) 중앙에 관통구멍(211a)이 형성되고, 복수의 확장날개(120)를 연결하며 석션파일 몸체(210)의 상단에 구비된 캡(230)은 사각 고리띠판 형태로 되어 있다.
제11실시예에 의한 날개확장형 석션파일(11)은 석션파일 몸체가 오각통형 등 다각통형으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 석션파일 몸체의 상단에 구비되는 상판과 캡은 다각형통에 맞춘 형태로 구비될 수 있다.
도 12는 본 발명의 제12실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 일부단면 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제12실시예에 의한 날개확장형 석션파일(12)은 석션파일 몸체(110)의 내면에 복수의 확장날개(150)가 추가로 형성된 구조이며, 석션파일의 수평방향 지지력 및 모멘트 하중 저항을 더욱 증가시키고 수평방향 변위를 더욱 억제한다. 제12실시예의 석션파일(12)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 13은 본 발명의 제13실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제13실시예에 의한 날개확장형 석션파일(13)은 확장날개(820)가 석션파일 몸체(110)의 길이방향을 따라 간격(C)을 두고 다수 부분으로 나누어져 단속된 구조로 되어 있다. 제13실시예에 의하면 석션파일(13)이 관입된 후 간격(C) 사이에 토사가 채워지므로 구조물의 안정성을 높이게 된다. 제13실시예의 석션파일(13)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 14는 본 발명의 제14실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제14실시예에 의한 날개확장형 석션파일(14)은 석션파일 몸체(310)의 하단부에는 둘레를 따라 굴곡형(반원형, 원호형 등)의 요철부(312)가 형성된 구조로 되어 있다. 석션파일 몸체(310)의 상단에는 관통구멍(311a)이 형성된 상판(311)으로 막히어 해상 구조물을 지지한다.
도 15는 본 발명의 제15실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 제15실시예에 의한 날개확장형 석션파일(15)은 석션파일 몸체(410)의 하단부에는 둘레를 따라 삼각형(톱니형 등)의 요철부(412)가 형성된 구조로 되어 있다. 석션파일 몸체(410)의 상단에는 관통구멍(411a)이 형성된 상판(411)으로 막히어 해상 구조물을 지지한다.
제14실시예 및 제15실시예에서는 석션파일(14, 15)이 요철부(312, 412)에 의해 해저 지반에 용이하게 관입되어 침설되게 한다. 석션파일(14, 15)이 더욱 해저지반에 용이하게 관입되도록 확장날개(120)가 하단부가 쐐기형으로 형성될 수도 있다. 제14실시예 및 제15실시예에서 석션파일(14, 15)의 나머지 구성은 제1실시예의 석션파일(01)과 동일하므로 동일한 부호를 붙이며 자세한 설명을 생략한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 해양구조물용 날개확장형 석션파일과 비교 해석하기 위한 해양구조물용 석션파일의 모델링 도면이고, 도 17은 도 16의 석션파일에 설치되는 타워와 함께 비교 해석하기 위한 전체 모델링 도면이며, 도 18은 도 16의 해양구조물용 석션파일의 모델링 해석을 위한 설계 지반 모델링도이다.
날개확장형 석션파일의 경우 일반형 석션파일에 비하여 자재를 더 사용하기 때문에, 날개확장형 석션파일과 중량이 같으며 직경이 증가한 석션파일에 대한 비교를 하여 경제성을 입증하기 위해, 도 16에 도시한 바와 같이 원통형의 석션파일 몸체로 된 일반형 석션파일(케이스 1)과, 날개확장형 석션파일과 질량이 같으며 직경이 증가한 원통형의 석션파일 몸체로 된 일반형 석션파일(케이스 2)과, 원통형의 석션파일 몸체 전체에 확장날개가 보강되고 캡이 없는 날개확장형 석션파일(케이스 3)과, 원통형의 석션파일 몸체에 상측 절반에 확장날개가 보강되고 캡이 없는 날개확장형 석션파일(케이스 4)을 모델링하여, 수평하중과 모멘트 하중이 작용되는 것으로 하여 수치해석을 수행하였다. 그리고, 타워 상단의 변위를 비교하기 위하여 도 17에 도시한 바와 같은 타워의 높이를 20m로 가정하고 해석을 수행하였다. 하기 [표 1]은 해석에 사용된 석션파일의 제원을 나타낸다.
케이스 1 케이스 2 케이스 3 케이스 4
석션파일 직경(m) 6 6.83 6 6
석션파일 깊이(m) 12 12 12 12
확장날개 폭(m) - - 1 1
확장날개 높이(m) - - 12 6
상판 두께(mm) 38 38 38 38
경간 두께(mm) 19 19 19 19
확장날개 두께(mm) - - 38 38
해석에 사용된 지반으로 다층구조의 군산 남방파제 지역의 지반 조사 자료를 이용하여 도 18에 도시한 바와 같이 설계 지반 모델링을 하였다. 하기 [표 2]는 해석에 사용된 동적 지반 설계정수를 나타낸다. 지반과 석션파일의 이격 현상을 고려하기 위하여 접촉면에 접촉(contact) 조건을 적용하였으며, 접촉면의 마찰계수는 0.55를 적용하여 해석하였다.
구분 단위중량
(tf/㎥)		 변형계수
(㎪)		 내부마찰각
(°)		 비배수 전단강도
(tf/㎥)		 포아송비
상부모래 1.9 21,000 23.5 - 0.491
상부점토 1.8 25,000 - 7.08 0.491
하부모래 1.9 41,700 35.3 - 0.487
하부점토 1.8 43,000 - 7.08 0.488
풍화토 1.8 74,000 30 - 0.482
풍화암 2.0 76,000 32 - 0.450
도 19는 도 16에서 석션파일의 케이스 1에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이고, 도 20은 도 16에서 석션파일의 케이스 2에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이며, 도 21은 도 16에서 석션파일의 케이스 3에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이고, 도 22은 도 16에서 석션파일의 케이스 4에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이며, 도 23은 도 16의 석션파일의 케이스 1 내지 케이스 4에 대한 해석결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. 하기 [표 3]은 수평하중 및 모멘트 하중에 대한 수평변위 및 회전각 해석 결과를 나타내며, 감소율은 케이스 1에 대한 케이스 2 내지 케이스 4의 감소율(%)을 나타낸다.
케이스 1 케이스 2 케이스 3 케이스 4
석션 몸체 수평변위(m)
(감소율(%))		 0.0655
(-)		 0.0578
(11.45)		 0.0446
(31.94)		 0.0468
(28.52)
타워 상단
수평변위(m)
(감소율(%))		 1.0554
(-)		 1.0613
(0.56)		 0.9488
(11.24)		 0.9640
(9.48)
석션 상판
회전각(°)
(감소율(%))		 0.4348
(-)		 0.4314
(0.77)		 0.2994
(31.13)		 0.3287
(24.40)
표 3과 도 19 및 도 20에서 보는 바와 같이 일반형 석션파일(케이스 1 및 케이스 2)의 경우에는 수평하중 및 모멘트 하중이 작용할 때 하중 작용방향에서 최대 변위 및 회전각이 발생하기 때문에 지반의 변위가 크게 나타났지만, 표 3과 도 21 및 도 22에서 보는 바와 같이 날개확장형 석션파일(케이스 3 및 케이스 4)의 경우에는 원통 주변의 날개에 의해 파일 주변의 지반이 같이 거동하기 때문에 수평변위 및 회전각이 감소했다.
또한, 타워 상단의 수평변위도 석션 상단에서의 회전각 및 수평변위의 감소로 인해 일반형 석션파일보다 날개확장형 석션파일의 경우에 감소하였다. 석션 몸체 수평변위와 석션 상판 회전각과 타워 상단의 수평변위 모두 전체 날개확장형 석션파일(케이스 3)이 가장 작게 나타났으며, 부분 날개확장형 석션파일(케이스 4)이 그 다음으로 작게 나타났다. 일반형 석션파일(케이스 1)에 대한 감소율은 전체 날개확장형 석션파일(케이스 3)의 경우에는 석션 몸체의 수평변위는 약 31.94%, 타워 상단의 수평변위는 11.24%, 그리고 석션 상판의 회전각은 약 31.13% 감소하였으며, 부분 날개확장형 석션파일(케이스 4)은 각각 28.52%, 9.48%, 24.40%로 감소하였다. 만약 타워의 크기가 더 커질 경우 감소효과는 더 커질 것으로 판단된다.
도 24은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 날개확장형 석션파일이 설치되는 해양구조물의 전체 모델링 도면이고, 도 25는 본 발명의 날개확장형 석션파일을 비교하기 위한 날개확장형 석션파일의 비교예에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이며, 도 26은 본 발명의 날개확장형 석션파일의 실시예 1에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이고, 도 27은 본 발명의 날개확장형 석션파일의 실시예 8에 대한 해석결과를 나타내는 수치해석도이다.
도 25의 비교예는 도 16의 날개확장형 석션파일인 케이스 3과 동일하고, 도 26의 실시예 1는 도 1에 도시된 날개확장형 석션파일(01)과 동일하며, 도 27의 실시예 8은 도 8에 도시된 날개확장형 석션파일(08)과 동일한 형상이다. 비교예와 실시예 1 및 실시예 8은 석션파일 상단 중앙에 수평방향으로 1MN의 하중을 작용시키는 것(모멘트 하중이 동시에 작용)으로 하여 확장형 날개의 수평방향 변위를 확인하였으며, 나머지 시험조건은 도 16의 케이스 1 내지 케이스 4의 시험조건과 동일하게 하여 수치해석을 수행하였다. 하기 [표 4]는 수평하중 및 모멘트 하중에 대한 수평변위 해석 결과를 나타내며, 감소율은 비교예에 대한 실시예 1 및 실시예 8의 감소율(%)를 나타낸다.
비교예 실시예 1
(도 1의 형상)		 실시예 8
(도 8의 형상)
날개상단 수평변위(m)
(감소율(%))		 0.0062
(-)		 0.0058
(6.45)		 0.0049
(20.97)
석션파일 중량(ton)
(증가율(%))		 70.74
(-)		 77.27
(8.45)		 92.25
(23.31)
표 4에 나타난 바와 같이 날개상단 수평변위에서, 캡이 있는 날개확장형 석션파일(실시예 1)은 캡이 없는 날개확장형 석션파일(비교예)에 비해 약 6.45% 감소하고, 캡과 쇄굴방지부가 있는 날개확장형 석션파일(실시예 8)은 캡이 없는 날개확장형 석션파일(비교에)에 비해 20.97% 감소한 것 알 수 있다. 변위 감소율은 쇄굴방지부가 있는 석션파일에서 가장 크게 나타났으나 석션파일의 중량도 같이 증가하게 된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
01 내지 15 : 날개확장형 석션파일
110, 210 : 석션파일 몸체 111 : 상판
120, 220 : 확장날개(외면) 130, 230 : 캡
140, 240 : 세굴방지부 150 : 확장날개(내면)

Claims (14)

  1. 하단에 개구부가 형성되어 해저 지반에 관입되는 중공의 석션파일 몸체와,
    상기 석션파일 몸체의 외면 상단에서 하측으로 길이방향을 따라 돌출 형성된 복수의 확장날개와,
    상기 복수의 확장날개를 연결하며 상기 석션파일 몸체의 상단에 구비된 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개는 상기 석션파일 몸체의 상단에서 하측으로 일부분에만 형성된 부분 확장날개로 되어 있는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개는 상기 석션파일 몸체의 전 길이에 걸쳐 형성된 전체 확장날개로 되어 있는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개는 상기 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 사선형태로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개의 돌출 높이는 상기 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 하측으로 갈수록 낮게 되어 있는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개의 중간에는 상기 확장날개의 길이방향을 따라 돌출띠가 형성되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 돌출띠는 상기 확장날개의 일측면이나 양측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 돌출띠의 돌출높이는 상기 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 하측으로 갈수록 낮게 되어 있는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 석션파일 몸체의 상단부에는 상기 복수의 확장날개의 끝단을 덮는 통형의 세굴방지부가 구비되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 통형의 세굴방지부는 다수곳에 형성되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 석션파일 몸체는 원통형이나 다각통형인 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개는 상기 석션파일 몸체의 내면에 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장날개는 상기 석션파일 몸체의 길이방향을 따라 다수 부분으로 나누어져 단속되어 있는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 석션파일 몸체의 하단부에는 둘레를 따라 삼각형 또는 굴곡형의 요철부가 형성되는 것을 특징으로 하는 해양구조물용 날개확장형 석션파일.
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