KR20220091973A - 이중강관 해상풍력 기초구조물 - Google Patents

Abstract

해저에 놓이며 암반고정용 파일에 의해 고정되는 하부 베이스 블럭, 베이스 블럭 위에 설치되는 콘크리트 충진 이중 강관을 가진 지지구조, 지지구조 위에 놓이며 그 위에 풍력발전기 타워가 설치되는 상부 설치 블럭을 구비하며, 지지구조는 지주를 이루도록 설치되는 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관을 구비하고, 베이스 블럭과 콘크리트 충진 이중 강관의 하단, 설치 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 상단 가운데 적어도 하나는 조립 설치가 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 기초구조물이 개시된다.
본 발명에 따르면, 구성부분이 조립 성형이 가능하여 여건에 따라 지상작업과 해상작업 비율을 유리하게 조절할 수 있고, 지지구조를 이루는 지주로서 강재와 콘크리트라는 두 재료를 복합하여 만든 콘크리트 충진 이중 강관을 도입하여 부식, 피로 및 좌굴 등에 상대적으로 강한 해상풍력 기초구조물을 제공할 수 있으며, 일 측면에 따르면 콘크리트 충진 이중강관에 공동구를 형성하여 이를 통한 해수 유통으로 해상 설치시의 안정성을 높일 수 있고, 친생태적인 기능을 수행하는 것도 가능하게 된다.

Description

이중강관 해상풍력 기초구조물{basic structure for marine wind power generation having dual tube CFT column}

본 발명은 해상풍력 기초구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해상에 풍력발전기를 설치할 때 그 기초가 되는 해상풍력 기초구조물에 관한 것이다.

지구의 환경파괴 방지를 위한 온실가스 문제해결을 위하여 화석연료 에너지를 대체할 수 있는 다양한 신재생 에너지 개발에 대한 연구가 활발하고, 기술개발과 시장 확대에 대한 기대감이 커지고 있다.

대표적 친환경 재생에너지로서 풍력발전은 해외는 물론 국내에서도 이미 운영 중이며, 발전용량의 확대에 따라 풍력터빈의 대형화, 단지의 확장, 그리고 저주파 소음 공해 회피를 위한 해상풍력 발전으로의 전환 등이 이루어지고 있다.

풍력발전의 규모 확장 추세를 보면, 2020년에는 전 세계 풍력시장 신규 설치용량을 76GW로 예상하고 있으며, 앞으로 5년 동안 매년 70GW씩 성장할 것으로 기대하고 있으며, 특히 해상풍력은 매년 약 20%의 성장률을 이어갈 것으로 예상된다.

풍력발전기는 블레이드, 발전장치를 포함하는 너셀, 타워, 기초구조물 등으로 구성되며, 이중 해상풍력 기초구조물(기초구조물)은 지반조건과 수심, 풍하중, 부식, 풍력터빈 규모, 파고높이, 결빙 등의 다양한 설계인자에 의하여 영향을 받게 된다.

해상에서는 장비이동과 운용이 육상과 달리 어렵기 때문에 공사 관리와 품질 관리 등에 전문성이 크게 요구되는 실정이며, 따라서 기초구조물 공사비도 전체 공사비의 약 25∼30% 정도를 차지하며, 설치수심이 깊어질수록 증가되므로 설치현장 조건에 따른 적합한 기초구조물 형식 선정이 매우 중요하게 된다.

해상풍력 기조구조물로는 일반적으로 모노파일 기초, 중력식 기초가 가장 많이 사용된다. 최근에는 쟈켓 기초, 합성파일 기초, 트라이포드 기초가 개발되고, 해외에서는 일부 실용화되고 있지만 우리나라에서는 개발단계인 부유식 기초가 있으며, 서남권에 일부 적용된 석션파일 기초 등이 있다.

모노파일 기초는 대형 강관파일을 해저지반에 항타 또는 사전천공 설치 후 그라우팅으로 고정하는 것이며, 대심도 연약지반에는 시공성, 경제성이 약하고 대규모 모노파일 장비를 준비해야 한다는 어려움이 있다.

중력시 기초는 우물통 형상의 케이젼(caission)을 육상에서 제작 후 운반 및 거치하는 것으로, 마찬가지로 대심도 연약지반에는 시공성, 경제성이 약한 문제가 있다.

자켓 기초는 육상에서 제작된 철골구조물을 해저면에 거치, 파일을 항타하여 지반에 고정하는 방식이며, 대심도 연약지반에도 설치가 적합하고 육상에서 제작 작업을 하여 제작품질 확보가 용이한 이점이 있다.

합성파일 기초는 대구경 강관파일을 해상 항타 후에 그 상부에 콘크리트 구조체를 설치하는 것으로, 대심도 연약지반에도 적합하지만 해상 공기가 길어져 공사관리가 중요하고, 세심한 품질 관리가 필요한 방식이다.

도1은 이상과 같은 기존의 해상풍력 기초구조물의 대략적 형태를 도시한 표이다.

우리나라 서남해 해상풍력 단지가 예상되는 해역은 수심이 9∼20m, 조차가 약 7m 정도이고, 지반 특성은 모래와 자갈 및 점토로 이루어진 퇴적층이 해저 지표면 아래 5.5∼42m 두께로 분포되어 있고, 점토층은 실트질과 점토 또는 모래와 실트가 혼재되어 나타나며, 퇴적층 하부에는 풍화암과 기반암인 연암층이 존재하는 입지 특성을 가지고 있다.

한편, 이런 해상풍력 단지에 설치되는 풍력발전 터빈은 국내기술로 개발된 3.0MW∼7.0MW 용량의 규모의 것이 실증단지에 설치되며, 시범단지와 확산단지에서는 그 이상의 터빈 용량도 고려되고 있고, 해외에서는 12.0MW의 것도 개발 완료 단계에 있다.

이러한 제반 여건에서 쟈켓 형식의 기초구조물이 서남해권 해상풍력을 위한 유력한 방식으로 검토되고 있으나 공사비용 측면에서 쟈켓 형식의 기초는 합성파일 기초보다 훨씬 높아 문제가 된다. 쟈켓 기초가 유력한 방식으로 채택되는 이유는 공장 제작이 가능하여 공사일정에 영향을 받지 않기 때문이며, 합성파일 기초는 해상에서 공사가 이루어지기 때문에 날씨의 영향으로 해상공기가 길어지면 오히려 쟈켓 기초보다 공사비가 증가할 수도 있는 불규칙성 때문이다.

그리고 쟈켓 기초는 일반적으로 강재로 제작되기 때문에 해양환경의 특성상 부식에 취약하고 풍하중의 영향으로 인한 강재 연결부의 피로파괴에 취약한 단점을 내포하고 있으며, 하중의 응력집중에 의한 좌굴 안정성의 문제를 내포하고 있다.

또한 터빈의 용량이 증가함에 따라 기초구조물의 강성을 증가시켜야 하는데 쟈켓 기초의 강성을 증가시키기 위해서는 기초구조물의 주부재인 원형강관의 직경과 두께를 증가시켜야 하는데. 이런 경우에는 제작비가 상대적으로 상당히 증가할 수 있다.

대한민국 등록특허 10-1652378호 대한민국 등록특허 10-1650232호 대한민국 등록특허 10-1086764호

본 발명은 상술한 기존의 해상풍력 기초구조물 설치상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 어느 정도 깊이가 있는 연약 지반에 해상풍력발전기를 설치할 때 안정적이고 비용 대비 효율적으로 설치할 수 있는 해상풍력 기초구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 성능은 합성파일 기초와 유사한 효과를 발휘하면서 제작은 쟈켓 기초와 같이 공장 제작이 가능한 새로운 형식의 해상풍력 기초구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 일반 강재로 제작되는 쟈켓 기초 구조물의 부식성, 피로, 좌굴 등 측면에서의 문제점을 보완하여 일반 쟈켓 기초구조물보다 성능이 우수하여 합성파일 기초구조물과 같이 대심도의 해양에 적용이 가능한 해상풍력 기초구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 설치에 사용되는 재료 및 구조에 있어서 생태에 악영향을 억제하고, 친환경적 기능을 겸할 수 있는 해상풍력 기초구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해상풍력 기초구조물은,

해저에 놓이며 암반고정용 파일에 의해 고정되는 하부 베이스 블럭,

베이스 블럭 위에 설치되는 콘크리트 충진 이중 강관을 가진 지지구조,

상기 지지구조 위에 놓이며 그 위에 풍력발전기 타워가 설치되는 상부 설치 블럭을 구비하며,

상기 지지구조는 삼각뿔대 혹은 사각뿔대와 같은 다각 뿔대의 경사진 모서리(빗변) 혹은 다각기둥의 측벽 모서리 위치에 있는 지주를 이루도록 설치되는 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관을 구비하고,

상기 베이스 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 하단, 상기 설치 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 상단 가운데 적어도 하나는 조립 설치가 가능하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 지지구조는 같은 레벨에서 상기 콘크리트 충진 이중 강관 복수개를 서로 연결하는 수평 브레이싱 부재를 구비하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 베이스 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 하단, 상기 설치 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 상단 가운데 적어도 하나는 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 상단 혹은 하단에 결합된 플랜지 블럭에 형성된 관통홀에 상기 베이스 블럭 혹은 상기 설치 블럭에 결합되는 볼트를 관통시켜 체결함으로써 체결되는 것일 수 있다.

본 발명에서 콘크리트 충진 이중 강관은 원활한 해수 유통과 어초로서 작용할 수 있는 공동구를 구비할 수 있다.

본 발명에서 베이스 블럭 및 설치 블럭은 프리캐스트 콘크리트 블럭으로 이루어지는 것일 수 있다. 이때, 베이스 블럭 혹은 설치 블럭에 결합되어 플랜지 블럭과 체결에 사용되는 볼트는 베이스 블럭 혹은 설치 블럭 형성시 일체로 형성되는 앵커 볼트일 수 있다.

본 발명에서 콘크리트 충진 이중 강관을 위한 콘크리트로 무시멘트 콘크리트를 사용하여 이산화탄소 배출량을 줄이고 해양 설치시 시멘트 독성으로 인한 생태에 대한 악영향도 줄일 수 있다.

본 발명에서 기초구조물를 이루는 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관은 단위 콘크리트 충진 이중 강관을 길이 방향으로 복수 개를 결합시켜 형성한 다단 구조로 이루어질 수 있으며, 다단 구조를 위해 단위 콘크리트 충진 이중 강관을 서로 연결할 때에는 플랜지 결합 방식을 채용할 수 있다. 이때 플랜지 결합을 위한 플랜지로는 플랜지 블럭이 사용될 수도 있다.

본 발명에서 브레이싱 부재는 복수 레벨에서 각 레벨마다 상기 콘크리트 충진 이중 강관 복수 개를 수평으로 서로 연결하도록 설치되는 것일 수 있다. 콘크리트 충진 이중 강관이 다단 구조를 이루는 것이라면 각 단위 콘크리트 충진 이중 강관마다(다단 구조의 각 단마다) 적어도 하나의 브레이싱 부재 연결이 사용될 수 있다.

본 발명에서 콘크리트 충진 이중 강관은 다각뿔대의 경사진 빗변을 이루는 모서리에 해당되도록 설치될 수 있는 것이므로 베이스 블럭 및 설치 블럭이 수평적으로 설치되면 이들 블럭과 수직으로 만나지 않고 일정한 경사각을 이루는 것이 일반적이고, 이렇게 경사지게 만나는 것을 위해 플랜지 블럭과 콘크리트 충진 이중강과 사이의 결합 구조는 자유로운 각도로 만나는 것을 허용하는 구조, 혹은 일정 범위에서 변위를 허용할 수 있는 유격을 가지는 구조가 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 해상풍력 기초구조물 가운데 쟈켓 기초 구조물이 강재로 제작되어 부식, 피로 및 좌굴 등에 취약한 단점을 내재하는 것에 비해 본 발명은 강재와 콘크리트라는 두 재료를 복합하여 사용한 콘크리트 충진 이중 강관을 도입하여 부식, 피로 및 좌굴 등에 상대적으로 강한 해상풍력 기초구조물을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 자체적 구조 재료 결합 특성에 의해, 또한, 내부의 빈 공간이나 별도로 형성된 공동구의 빈 공간을 가질 수 있어서 상대적으로 가벼운 중량이면서 큰 강도를 낼 수 있으며, 이를 통한 해수 유통으로 해상 설치시의 안정성을 높일 수 있고, 대용량 발전 시설의 설치에도 적합한 해상풍력 기초구조물을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면 기존 합성파일 기초구조물은 일반 콘크리트를 충진하여 사용하는 방식이기 때문에 해양환경의 오염이 발생할 수 있지만, 역서는 충전 콘크리트로 친환경 무시멘트 콘크리트를 사용하여 해양환경의 오염을 최소화할 수 있다.

본 발명에 따르면, 공동구와 같은 빈 공간을 형성하여 물의 흐름에 대한 저항을 줄이고, 파도와 같은 반복적인 물의 흐름에 대비하여 내구성을 높일 수 있으며, 해양생태계에 도움이 되는 어초와 같은 구성을 제공하여 생태친화적인 해상풍력 기초구조물을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 성능은 일반 쟈켓 기초구조물에 비해 월등히 우수하거나 합성파일 기초 수준의 성능을 발휘하면서 제작은 쟈켓 기초와 같이 공장 제작이 가능한 기초구조물을 개발함으로써 풍력발전기 설치에 큰 비중을 차지하는 공사비용을 절감할 수 있는 해상풍력 기초구조물을 제공할 수 있다.

도1은 종래의 해상풍력 기초구조물 유형을 나타내는 대비 설명표,
도2는 본 발명의 일 실시예의 기본 구성을 개략적으로 나타내는 단면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 강관을 나타내는 정면도
도4 및 도5는 본 발명의 일 실시예 및 본 발명의 타 실시예에 따른 이중 강관을 나타내는 측단면도,
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 강관에서 상단의 원형 강판 혹은 연결플레이트를 제거하고 위에서 바라본 상태를 나타내는 평면도,
도7 및 도8은 본 발명의 일 실시예 및 또 다른 실시예에 따른 이중 강관의 내측강관과 외측강관의 관계를 나타내는 부분적 분해 사시도,
도9 및 도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플랜지 블럭을 나타내는 평면도 및 측단면도,
도11는 본 발명의 서로 다른 실시예들에 따른 베이스 블럭을 비교하여 나타내는 사시도이다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명을 구체적 실시예를 통해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 기본 구성을 개략적으로 나타내는 구성 개념도이다. 도면을 참조하면서 도시된 실시예를 설명하면,

본 실시예에서 해상풍력 기초구조물은 해저에 놓이며 암반고정용 파일(120)에 의해 해저에 고정되는 하부 베이스 블럭(110), 베이스 블럭(110) 위에 설치되는 콘크리트 충진 이중 강관 지지구조(200), 지지구조(200) 위에 놓이며 그 위에 풍력발전기 타워(400)가 설치되는 상부 설치 블럭(310)을 구비하여 이루어진다.

여기서 지지구조(200)는 다각기둥의 기둥 모서리 위치에 설치되는 지주로서 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관(210)과, 이들 콘크리트 충진 이중 강관(210) 복수 개를 서로 연결하는 브레이싱 부재(240)를 구비하여 이루어질 수 있지만, 본 실시예에서 지지구조(200)는 다각뿔대의 경사진 빗변(모서리) 위치에 설치되는 지주로서 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관(210)과, 이들 콘크리트 충진 이중 강관 복수 개를 서로 연결하는 브레이싱 부재(240)를 구비하여 이루어지는 것으로 상정한다.

이중 강관(210)의 배치 형태를 지지구조(200)가 다각기둥 형태를 띄도록 할 것인지 혹은 다각뿔대 형태를 띄도록 할 것인지는 주변 상황과 바다의 깊이와 그에 따르는 이중 강관의 필요 길이, 연약지반 상태, 기초구조물 위에 세워질 풍력발전기의 크기 등을 고려하여 선택할 수 있고, 브레이싱 부재(240)의 설치를 어떻게 할 것인지에 따라서도 달라질 수 있다.

가령, 이중 강관(210)의 길이가 매우 길어야 하는 것이 아니라면 기초구조물는 다각기둥 형태가 되는 것도 좋지만 바다가 깊어서 이중 강관의 길이가 매우 길게 된다면 이중 강관 사이의 간격이 아래쪽으로 가면서 더 커지는 다각뿔대 형태를 이루는 것이 브레이싱 부재(240) 설치 및 이중 강관의 직경을 줄이면서도 더 안정적인 구조를 이룰 수 있다.

실질적으로 전체적 지지구조(200)의 형태가 되는 다각 기둥은 3각 혹은 4각 기둥 형태가 많이 채택될 것이며, 풍력발전기의 용량에 따라 지지구조의 형태를 3각 기둥 형태 또는 4각 기둥 형태로 유연하게 설계할 수 있으며, 직경이 큰 3각 지주 형태보다는 직경이 작은 4각 지주 형태가 더 경제적일 수도 있기 때문에 경제성을 고려한 설계 및 시공을 할 수 있다.

도 3 내지 도 8을 참조하여 설명하면, 여기서 콘크리트 충진 이중 강관(210)은 일반 콘크리트 충진 강관(CFT)이 아니고, 내측강관(213)과 외측강관(211) 사이에 콘크리트층(215)을 충진하여 기초구조물의 강성을 증가시키고 단위길이 당 중량을 감소시켜 운반 및 시공이 용이하도록 한 이중 강관 CFT 구조물(Dual Tube CFT, DT-CFT)를 칭하는 것이며, 명세서 전반을 통해 단순히 이중 강관(210)으로 약칭하여 혼용하기로 한다.

또한 본 실시예에서는 이중 강관(210)에, 대략 이중 강관의 길이 방향과 수직한 방향으로 공동구(217)가 설치된다. 이런 공동구(217)의 존재는 공동구를 통한 해류나 조류 흐름을 가능하게 하여 해수 속에 있는 기초구조물가 해류나 조류 흐름에 의해 외력을 많이 받고 이에 따라 내구성이 약화되는 것을 줄이는 역할을 할 수 있다. 이런 측면에서 공동구의 설치 간격, 갯수, 크기, 공동구가 향하는 방향은 주변 해류나 조류를 감안하여 형성할 수 있다. 물론, 공동구(217) 갯수가 너무 많아지면 이중 강관(210)의 기계적 강도가 약화될 수 있으므로 기계적 강도의 저하가 크지 않은 범위 내에서 공동구(217)의 갯수를 정하는 것이 필요하다.

또한, 이런 이중 강관 내의 공동구(217)는 이를 통해 물고기와 같은 해양 생물이 통과하거나 몸을 가리거나 쉴 수 있게 함으로써 인공 어초와 비슷한 역할을 할 수도 있다.

공동구(217)는 이중 강관(210)을 지상에서 제작하는 과정에서 함께 형성하며, 먼저 내측강관(213)과 외측강관(211)으로 이중 강관을 형성하고, 이중 강관 사이 공간에 콘크리트층(215)을 채우기 전에 먼저 이중 강관을 관통하는 구멍을 내고, 그 구멍를 통과하면서 내부를 외부에서 차단하는 원통형 강관(217')을 설치하는 형태로 이루어질 수 있다.

이때, 이런 강관(217')은 내부에 콘크리트를 채울 때 콘크리트 유통에 큰 방해가 되지 않는 크기 및 설치상태를 이루는 것이 바람직하고, 이중 강관의 내측강관(213)을 중간에서 완전히 절단하거나 대부분을 절단하지 않는 크기 및 설치상태를 이루는 것이 바람직하다.

실시예에 따라서는 우선 공동구(217)를 이루는 이 강관에 구멍을 형성하여 이중 강관 중심의 빈 공간인 중공과 통하도록 하거나, 공동구를 형성할 때 이중 강관에 형성된 관통 구멍에서 내측강관(213)과 외측강관(211) 사이의 부분만을 도4와 같이 원형 강관(217")(강판을 원형 띠 모양으로 가공하여 결국 원형 강관의 형태를 이루는 것 포함)으로 마감하고 공동구(217)가 이중 강관의 중공을 드러내도록 하고, 기초 구조물 설치시 해수가 중공 내부를 채우도록 하는 방법을 생각할 수 있다.

다른 실시예로에서는 이중 강관 사이의 중공은 해수가 채워지지 않은 빈 상태가 되는 것을 생각할 수 있다. 즉, 도5와 같이 이중 강관의 외측강관(211)과 내특강관(213)을 설치하고, 공동구(217)를 이루는 구멍을 뚫고, 공동구를 마감하는 강관(217') 등의 마감재를 설치한다. 두 강관 사이에 콘크리트를 채워넣는 과정에서 각 공정의 구체적 실시 방법은 다양하게 이루어질 수 있다, 가령, 먼저 공동구를 이루는 구멍으로 콘크리트를 구멍 아래 수위까지 채우고 그 상태에서 해당 공동구를 마감하는 강관을 용접 등으로 설치하고, 다시 그 위의 공동구를 이용하여 콘크리트를 채워넣고, 최종적으로는 이중 강관 위쪽에서 콘크리트를 채우고, 상단을 원형 강판 등으로 마감하는 방법, 모든 공동구를 강관으로 마감하고 위쪽에서 단순히 콘크리트를 부어넣어 채우는 방법, 강관 대신 임시 거푸집으로 마감하여 이중 강관 사이 공간에 콘크리트를 채워 양생한 후 거푸집을 떼고 강관을 설치하여 마감하는 방법 모두가 가능하며 조건에 맞게 선택할 수 있다.

이중 강관(210)의 외측강관(211)과 내측강관(213) 사이의 결합 및 간격 유지는 도7에서 도시된 것과 같이 두 강관의 단부에 있는 플랜지나 원형 강판(219b) 혹은 마감플레이트와 같은 것에 의해 주로 이루어질 수 있으나, 마감재를 강판(219b)으로 하는 경우, 이 강판(219b)과 외측강관(211), 강판(219b)과 내측강관(213)이 서로 만나는 부분을 용접 등을 강하게 결합시켜 이 강판이 외측강관과 내측강관 사이의 상호 위치를 유지시키면서 서로 강하게 결합되도록 하는 이중 강관 구조 유지용 보조부재의 역할도 할 수 있을 것이다. 그리고 이런 경우, 도5에서 본 것과 같이 공동구를 마감하기 위한 강관(217")이 외측강관과 내측강관에 함께 용접되어 거리 유지 부재의 역할이 더욱 중요하게 될 수 있다.

또한, 도8에서와 같이 거리 유지를 위해 내측강관(213)의 외측면에 거리 유지 부재(213') 혹은 스페이서(spacer)를 길이 방향으로 일정 간격을 두고 설치하는 방법을 사용할 수도 있다. 이런 경우, 이 거리 유지 부재(213')는 용접 등을 이용하여 해당 위치에 고정할 수 있다. 이 거리유지 부재는 일(-)자형 십자형(+) 등으로 형성할 수 있고, 단 콘크리트 투입시 문제가 없는 크기 및 형태로 하는 것이 바람직하다. 가령, 길이 방향으로 50cm, 배열 간격 2m 정도로 설치할 수 있다.

지지구조(200)를 하부 베이스 블럭(110) 및 상부의 설치 블럭(310)과 결합시키기 위해 이중 강관(210)의 양단은 이들 블럭과 서로 안정적으로 결합될 수 있고, 결합을 위한 시공도 용이하게 이루어질 수 있는 수단을 채택할 필요가 있다.

여기서는 이중 강관(210) 양단에 플랜지와 같은 역할을 하는 플랜지 블럭(220, 230)을 설치하는 경우를 개시한다. 도9 및 도10은 플랜지 블럭(220)의 일 실시예를 나타내는 평면도 및 평면도의 절개선에 따라 절개한 뒤 화살표 방향으로 본 단면도이다. 도9 및 도10을 참조하여 설명하면, 플랜지 블럭(220)에는 이중 강관(210)의 단부가 끼워지고 고정되는 중앙 고정부(221)와 플랜지 블럭(220) 자체를 베이스 블럭(110)이나 설치 블럭(310)과 결합시키기 위한 볼트 관통홀(223)이 형성된다.

중앙 고정부(221)는 통상적인 파이프 단부에 설치되는 플랜지의 경우와 비슷하게 단순한 중앙 통공으로 이루어질 수 있지만, 플랜지 블럭과 이중 강관의 결합을 보다 안정적으로 하기 위해 단순한 통공이 아닌 관체형 슬리브(미도시) 형태로 이루어질 수도 있다.

또한, 지지구조(200)에서 이중 강관(210)이 다각 기둥의 측면 모서리 위치에 있는 경우, 플랜지 블럭(220, 230) 평면에 이중 강관(210)은 서로 수직으로 만나는 형태가 되겠지만, 본 실시예와 같이 다각 뿔대의 측면 모서리 위치에 있는 경우, 플랜지 블럭(220, 230) 평면과 이중 강관(210)은 수직에서 벗어나 일정 각도를 이루게 될 수 있으므로, 처음부터 플렌지 블럭(220, 230)을 이중 강관(210)과 일정 각도를 이루도록 고정 성형하거나, 이중 강관의 말단이 삽입되는 관체형 슬리브가 블럭과 일정 각도를 갖도록 하거나, 혹은 설치 시공 단계에서 일정 유격을 가지고 서로 만나는 각도가 어느 범위 내에서 조절될 수 잇는 구조, 가령 볼 조인트 구조나, 플랜지 블럭(220)의 중앙 고정부(221)를 홈이나 홀로 형성하되 이중 강관보다 큰 직경으로 하여, 도8에는 다소 과장되어 도시되지만, 유격을 가지고 따라서 이중 강관의 단부가 이 중앙 고정부(221)의 홈이나 홀에서 벗어나지는 않지만 결합 각도를 시공시 조절할 수 있도록 형성할 수 있다.

본 발명은 시공상의 융통성을 확보할 수 있는 구성이므로 경우에 따라서는 이상의 실시예와 다른 방식으로 제작하는 것도 가능하다, 가령, 이중강관과 후부 베이스 블럭 또는 이중강관과 상부 설치 블럭은 지상 제작시 조립식이 아닌, 현장 시공의 편의성을 위한 일체식으로 제작할 수도 있다.

한편, 이 실시예에서 해저면에 놓이는, 기초구조물 하부의 베이스 블럭(110) 및 상부의 설치 블럭(310)은 중량에 비해 강도를 높일 수 있는 프리캐스트 콘크리트 블럭으로 형성한다. 물론 이들 블럭도 지상에서 제작하여 해상의 풍력발전소 설치 위치로 이동시켜 이중 강관 단부에 설치할 수 있다.

도11 및 도2를 참조하여 설명하면, 베이스 블럭(110, 110')의 경우, 놓이는 곳이 해저의 연약 지반(20)인 경우, 어느 정도의 침하가 이루어질 것을 고려하고, 하면에 지반에 잘 박혀 고정되도록 뾰족한 돌출부(미도시)를 형성하는 것도 가능하다. 정확한 레벨 조정 및 위치 고정은 베이스 블럭(110)의 일부 개소에 형성된 파일공(120a, 120a')을 관통하도록 설치되는 파일(120)을 암반(10)과 같은 강한 지반에 이르게 하는 파일 작업을 하고, 파일(120)과 베이스 블럭(110)을 상호 고정하는 고정 작업을 통해 이루어질 수 있다. .

베이스 블럭(110)을 형성할 때에는 이중 강관(210)의 말단이 놓이는 위치에, 정확하게는 이중 강관에 결합된 플랜지 블럭(220)이 놓이는 위치에 미리 앵커 볼트(130, 130')를 설치하고, 앵커볼트(130, 130')가 플랜지 블럭에 형성된 볼트 관통홀(223)을 잘 통과하도록 한다. 볼트 관통홀(223)을 관통한 앵커볼트(130, 130')의 상단에는 대용량 유압 너트 등을 설치하여 베이스 블럭(110)과 이중 강관(210)의 상호 고정을 실시할 수 있다.

앵커볼트는, 도11에 도시된 바와 같이 실질적으로 전체적 지지구조의 형태가 되는 3각 기둥 혹은 4각 기둥 형태가 채택될 때, 이중 강관으로 된 지주의 하단과 결합된 플랜지 블럭의 관통홀이 놓이는 위치에 설치되도록 한다. 이중 강관으로 된 지주가 3개가 사용되어 전체적 지지구조가 3각 기둥이나 3각 뿔대가 되게 하는 것과, 이중 강관으로 된 지주가 4개가 사용되어 전체적 지지구조가 4각 기둥이나 4각 뿔대가 되게 하는 것은, 이미 언급하듯이 주변 상황과 설치될 풍력발전기의 용량에 따라 유연하게 결정될 수 있다. 가령, 같은 풍력발전기 중량을 견디게 하기 위해 서 지지구조 형태를 설계할 때, 직경이 큰 3각 지지구조 형태보다는 직경이 작은 4각 지지구조 형태가 더 경제적일 수도 있기 때문에 경제성을 고려한 설계 및 시공을 할 수 있다.

마찬가지로 기초구조물 상부의 설치 블럭을 이중 강관의 상부 말단과 결합시키는 작업을 할 때에도 이중 강관의 상부 말단이 놓이는 위치에, 정확하게는 이중 강관에 결합된 플랜지 블럭이 놓이는 설치 블럭 위치에 미리 앵커 볼트를 설치하고, 앵커볼트가 플랜지 블럭에 형성된 관통홀을 잘 통과하도록 한다. 관통홀을 관통한 앵커볼트의 상단에는 대용량 유압 너트 등을 설치하여 베이스 블럭과 이중 강관의 고정을 실시할 수 있다.

베이스 블럭과 이중 강관의 결합, 이중 강관과 설치블럭의 결합은 같은 작업 개념을 볼 수도 있지만 이중 강관과 설치블럭 사이의 결합은 수중에서 이루어지는 것이 아니고 해상에서 이루어지는 것이므로 결합의 난이도, 시간의 차이가 필요하다면 베이스 블럭과 이중 강관 사이의 결합은 좀 더 쉽게고 빠르게 이루어지고, 이중 강관과 설치블럭 사이의 결합은 좀 더 시간을 가지고 조정을 하면서 이루어지도록 기초구조물 및 시공 방법을 설계하는 것이 바람직하다.

이중 강관은 하나의 단위체로 형성되어 기초구조물를 이루도록 설치될 수도 있지만, 바다 깊이가 깊은 경우, 하나의 단위 이중 강관으로 기초구조물를 형성하기 어렵고, 이런 경우, 단위 이중 강관을 길이 방향으로 복수개 연결하여 기초구조물를 위한 이중 강관을 만들 수 있다. 이런 단위 이중 강관의 연결 작업에는 플랜지 결합 방식이 사용될 수 있다.

한편, 기초구조물는 이중 강관들만으로 이루어질 경우, 좌굴이나 외부에 의한 횡압력에 취약할 수 있으므로 기초구조물를 이루는 이중 강관들을 상호 고정하는 브레이싱 부재(240)가 사용될 수 있다. 이들 브레이싱 부재는 일반적인 구조물 형성시 구조물의 기계적 안정성을 위해 통상적으로 사용하는 다양한 방법으로 설치될 수 있으며, 여기서는 같은 레벨에서 수평으로 이들 이중 강관을 연결하는 수평 브레이싱 부재 복수 개로 이루어진 수평 브레이싱 세트를 설치하는 것이 개시되어 있다.

수평 브레이싱 부재는 이중 강관의 설치 길이에 따라 이중 강관 길이의 중간 부분에 한 세트만 형성할 수도 있고, 이중 강관의 길이가 길어지면 적당한 간격으로 복수 레벨에서 각 레벨마다 수평 브레이싱 세트를 설치할 수 있다.

이런 수평 브레이싱 부재를 설치할 때 이중 강관과 수평 브레이싱 부재를 결합하는 방법으로 다양하게 있을 수 있지만 이중 강관에 형성된 일부 공동구를 브레이싱 부재 설치에 필요한 볼트 등을 관통시켜 고정 수단 설치에 이용할 수 있다.

수평 브레이싱 부재 작업을 이중 강관과 상부 설치 블럭 사이의 결합이 이루어지기 전에 할 경우, 이중 강관과 설치 블럭 사이의 결합 위치, 가령 설치 블럭의 앵커볼트 위치와 이중 강관 상부 말단의 플랜지 블럭의 볼트 구멍 위치를 정렬하는 작업이 어려워져 문제가 될 수 있으나, 수평 브레이싱 작업을 가설 방식으로 진행하고, 수평 브레이싱의 양단을 볼트 등으로 형성하여 고정 죔 작업에 따라 수평 브레이싱에 의해 결합되는 두 이중 강관 사이의 거리가 조정될 수 있다면 수평 브레이싱 작업을 가설 방식으로 먼저하고, 설치 블럭과 이중 강관 사이의 결합을 위한 시공시 수평 브레이싱을 통해 정렬 작업에 이용하고, 설치 블럭과 이중 강관 사이의 결합이 완료되면 수평 브레이싱 설치도 가설 방식에서 정식 고정 방식으로 전환하는 방법을 사용할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 일반 콘크리트 충진 강관(CFT)이 아닌 이중 강관 사이에 콘크리트를 충진하여 기초구조물의 강성을 증가시키고 단위길이당 중량을 감소시켜 운반 및 시공이 용이하여 전체적인 공사비를 절감할 수 있다.

또한 이중 강관 자체에 원활한 해수 유통과 어류의 피난처 및 휴식처 역할을 할 수 있는 공동구를 설치하여 친환경, 친생태적 성격을 가질 수 있다.

본 발명은 해저면에 설치되는 콘크리트 베이스 블럭과 같은 구조물과 DT-CFT 및 풍력발전기 타워 설치를 위한 상부 콘크리트 설치 블럭과 같은 구조물 모두 육상에서 제작한 후에 설치 해역까지 인양하여 조립식으로 설치할 수 있고, 바다 깊이, 주변 환경과 설치될 풍력발전기 규모, 준비 가능한 크레인 규모에 따라 조립의 정도를 정하여 지상작업의 비중과 해중 작업, 해상 작업의 비중을 조절할 수 있고, 최적의 시공 방법을 설계, 선택하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이와 같이 모두 구조물이 조립식으로 설치되기 때문에 상부 풍력설비 용량이 증가하면 그에 맞추어 탄력적으로 대응하여 각각의 구조물 강도와 크기를 증가시켜 제작할 수 있고, 특히 이중 강관 CFT 구조이기 때문에 일반 CFT 구조에 비하여 가벼워 상부 풍력설비 용량 증가에 따른 탄력적 대응이 훨씬 수월하게 된다.

결국 기존의 자켓 기초와 같은 일반 강관을 사용한 해상풍력 기초구조물의 경우에는 반복되는 파력에 의한 피로하중에 취약하다는 대표적인 단점이 있고, 합성 파일 기초와 같은 철근콘크리트 해상풍력 기초구조물은 대심도의 시공이 어렵다는 단점이 있지만 본 발명은 이러한 단점들을 보완하여 강관, 특히 이중 강관과 콘크리트를 합성하여 강도와 경제성 및 시공성을 보완할 수 있게 된다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10: 암반 20: 연약 지반
110: 베이스 블럭 120: 파일
120a, 120a': 파일 구멍 130, 130', 330: 앵커 볼트
200: 지지구조 210: 이중 강관
211: 외측강관 213: 내측강관
215: 콘크리트층 217: 공동구
219a, 219b: 강판 220, 230: 플랜지 블럭
240: 브레이싱 부재 310: 설치 블럭

Claims (5)

1. 해저에 놓이며 암반고정용 파일에 의해 고정되는 하부 베이스 블럭,
   상기 베이스 블럭 위에 설치되는 콘크리트 충진 이중 강관을 가진 지지구조,
   상기 지지구조 위에 놓이며 그 위에 풍력발전기 타워가 설치되는 상부 설치 블럭을 구비하며,
   상기 지지구조는 다각 뿔대의 경사진 모서리 혹은 다각기둥의 측면 모서리 위치에 있는 지주를 이루도록 설치되는 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관을 구비하고,
   상기 베이스 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 하단, 상기 설치 블럭과 상기 콘크리트 충진 이중 강관의 상단 가운데 적어도 하나는 조립 설치가 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 기초구조물.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 콘크리트 충진 이중 강관에는 해수 유통이 가능한 공동구가 설치되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 기초구조물.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 기초구조물를 이루는 상기 복수 개의 콘크리트 충진 이중 강관은 단위 콘크리트 충진 이중 강관을 길이 방향으로 복수 개를 결합시켜 형성한 다단 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상풍력 기초구조물.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 지지구조는 상기 콘크리트 충진 이중 강관 복수개를 서로 연결하는 단일 또는 복수 레벨의 브레이싱 부재를 구비하여 이루어지는 해상풍력 기초구조물.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 베이스 블럭 및 상기 설치 블럭은 프리캐스트 콘크리트 블럭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상풍력 기초구조물.

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