Outer tube
4.3. 모듈러 DSCT 타워
해상 풍력타워 건설에 있어서 현장에서 타설하고 시공하는 것은 매우 어렵고 비용이 많 이 드는 작업이다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 연안에서 모듈을 제작하여 해상의 현 장에 운송한 후에 현장에서 잭업 바지 등으로 조립 시공하는 방법이 가장 경제적이고 효율 적이라 판단된다. 현장에서 타설을 하거나 시공하는 것을 최소한으로 감소시키는 것이 본 기술의 포인트라 할 수 있다. 모듈러 공법은 일반적으로 프리캐스트 공법이나 조립식 공법 이라고 불리 우는데 최근에는 육상 공사뿐만 아니라 해상에서도 많이 적용되고 있다. 일반 적인 풍력타워의 경우 강재튜브로만 되어 있기 때문에 볼팅으로 인한 접합을 하는 것이 특 징이다. 그러나 본 과업에서 제시한 DSCT(Double-Skinned Composite Tubular) 풍력타워 단 면의 경우에는 내․외부 튜브에 콘크리트로 채워진 구조를 가지고 있어 기존의 강재 풍력타 워의 접합방법을 적용하기에는 큰 한계가 따른다. 이에 본 연구에서는 DSCT 풍력타워의 모 듈접합부와 기초 접합부를 제시하고 이를 실험적으로 검토하여 장단점 분석을 통하여 최적 모듈 접합방법을 도출하고자 한다.
§ 구조 안정성
§ 현장 적용성(설계 및 시공) §경제성
모듈러 풍력타워
•타워 단면의 구조 성능
•타워 세그먼트의 접합 성능
•타워-기초 접합부의 성능
•타워 시스템의 구조 안정성
모듈러 풍력타워 개발 3대 요소
•현장에서의 작업량 최소화
•시공법의 간단화 및 현실성
•교통 차단 및 민원의 최소화
•단면 시스템의 재료비용
•공기 단축 효과
•현장 사용 장비의 최소화
그림 156. 모듈러 풍력타워 개발 3대 고려 요소
4.3.1. DSCT 타워 모듈러 공법
DSCT 타워 모듈화 공법을 위한 기둥 세그먼트 접합방법과 기초 접합부를 설계하는 방법 을 제안되었으며, 조립식 DSCT 기둥의 시공은 공장에서 기둥 세그먼트를 사전에 제작하여 현장에서 기초 접합부, 기둥 세그먼트 접합부를 각각 조립하여 조립식 기둥이 완성된다.
문에 조립식 기둥화 시키기 위해서는 기둥 부분에 분절화가 필수적이다. 기둥 부분을 분절 화 시킨다는 것은 현장에서 시공 시 분절화 된 부분을 접합할 수 있는 기술을 제시하고 또 한 설계를 해야 한다. 기본적인 기둥 세그먼트 접합방법과 기둥세그먼트 접합부와 기초 접 합부는 다음과 같다.
그림 157. 기둥 세그먼트의 접합 및 기초 연결부
가. 보강재 보강법
내·외부튜브를 접합함에 있어서 그림 158과 같이 보강재로 보강하여 필렛 용접하는 구 조를 제시하였다. 이 때 보강재의 설계 방법으로 식 71과 같이 기존 일체형 기둥을 분절화 하면서 손실된 콘크리트부와 내·외부튜브의 손실된 단면이차모멘트 값을 보강재로 보강하 는 방법을 제시하였다. 반면 현장 사정에 따라서 내·외부튜브가 용접 가능하다면 식 72와 같이 손실량에서 내·외부 튜브는 제거하는 설계방법을 사용할 수 있다. 여기서, 는 보강재의 관성모멘트, 는 외부튜브의 관성모멘트, 는 내부튜브의 관성모멘트, 는 콘크리트의 관성 모멘트, 는 탄성계수비이다.
그림 158. Connection method of internal and external tube
(71)
(72)
그림 159. Dimension of internal and external stiffeners
보강재의 두께는 식 71 혹은 식 72에서 계산된 보강재의 관성모멘트()를 내·외 부로 각각 15%, 85% 나누어 보강을 한다.(원덕희, 20105)) 이때 각 튜브 두께는 식 73과 식 74를 이용하여 설계 가능하다. 여기에서, 는 외부보강재의 관성모멘트, 는 외부 보강재 의 두께, 는 외부튜브의 외경, 는 내부보강재의 관성모멘트, 는 내부 보강재의 두께, 그리고 은 내부튜브의 내경이다. 콘크리트부의 전단키의 형상은 그림 160과 같이 부분 전단키, 전체 전단키, 기계적 전단키로 구분할 수 있다.
(73)
(74)
그림 160. 콘크리트부의 전단키 형상
5) 원덕희, 한택희, 이동준, 강영종, 조립식 내부 구속 중공 CFT 교각을 위한 교각세그먼트 접합부 연구, 한국강구조학회 논문
나. 몰탈 주입법
몰탈 주입법은 보강재 보강법과는 다르게 원래의 비분절형 DSCT 기둥에 가장 가까운 접 합방법이다. 외부 튜브는 완전 홈용입용접을 통하여 외부에서 보이는 미관을 확보하고 내 부튜브의 접합은 홈용입용접이나 볼트 용접을 통하여 중공부의 작업공간 확보에 따라서 방 법을 달리하도록 제시하였다. 그리고 콘크리트는 기둥 세그먼트 제작 시 하단은 콘크리트 전단키로 만들며 상단은 전단키의 높이만큼 공간을 비워둔 후 빈 공간에 몰탈을 타설하고 마지막으로 내·외부 튜브를 제시된 방법으로 접합을 한다.
(a) 연결부 설치 (b) 몰탈 채움 (c) 내외부 강관 연결 그림 161. 몰탈 주입법
4.3.2. 표준모듈 개발 및 모듈시험체 설계
DSCT 단면을 설계하기 위해서는 내․외부튜브가 설계되어야 한다. 외부튜브 외경은 600mm, 외부튜브의 두께는 4mm로 결정한 후 내부튜브를 설계하였다.
그림 162. DSCT 기둥의 구성 가. 내부 튜브
내부 튜브의 두께는 Han et. al.(2010)이 제안한 설계방법을 적용한다.
내부 튜브의 항복파괴조건식
:
′·
·
·
(75)
내부 튜브의 좌굴 파괴 조건식
:
·
′·
·
(76)
여기서
,
:
구속콘크리트의 내경,
′:
구속 콘크리트의 외경,
:
외부튜브의 항복강도,
:
외부튜브의 두께,
:
내부튜브의 항복강도, :
내부튜브의 탄성계수내부 튜브의 두께
:
(77)
항복파괴두께
:
×
× ×
좌굴파괴두께
:
×
× ×
∴ 내부튜브의 두께는 3.20mm
나. 모듈 접합부
① Type 1(
소켓형 접합부)
본 모듈 접합부는 상부 모듈에 위의 그림과 같이 소켓형식으로 하부의 모듈을 연결할 수 있도록 튜브가 보강되어 설치된다. 공장에서 내부튜브와 외부튜브를 배치하고 내부에 콘크 리트를 타설 및 양생 후에 현장에서는 볼팅을 통하여 접합한다. 본 방법은 볼트 접합에 의 하여 시공되기 때문에 시공성이 매우 좋으나 볼트가 파괴되거나 볼트마찰접합에서 마찰력 이 사라질 경우에는 성능이 접합부 성능이 저하되는 특성을 가지고 있다. 본 시험체에서는 접합시 M20볼트가 14개를 배치하였다.
그림 163. Type 1(소켓형 접합부) 형상 및 제원
② Type 2(H
형 커넥터)
Type 1 시험체와 유사한 접합방법으로서 상․하단 모듈사이를 H형 커넥터를 이용하여 접 합가능하다. 본 방법은 커넥터와 상부 모듈을 볼트 혹은 용접접합이 가능하며, 하부 모듈의 경우에는 현장에서 볼팅 접합하는 것을 주로 한다. H형 커넥터는 내․외부튜브를 완벽하게 일체 거동을 할 수 있도록 해주며, 또한 접합부를 보강해주어 보강부 전단성능을 향상시켜 주는 장점을 가지고 있다. H형 커넥터의 외부플레이트 두께는 6mm, 내부플레이트 두께는 4mm, 그리고 가로 플레이트의 두께는 5mm로 하였다. 상부 모듈과 커넥터는 사전에 제작 후 용접접합을 하며, 하부측은 현장에서 볼트 접합을 하는 것으로 한다.
그림 164. H형 커넥터 접합 형상 및 제원
(3) Type 3(
용접접합)
본 접합모델은 외부튜브는 완전홈용입용접을 통하여 접합을 하며, 내부튜브는 볼트 접합을 하 는 구조이다. 본 모듈은 외관이 비분절형 DSCT 풍력타워와 동일한 형태를 가지나 현장에서 용 접을 해야 하는 특징을 갖는다. 실제 현장에서 용접 시공을 할 경우에는 자동용접장치가 개발되 어 있어 현장에서 자동적으로 시공이 가능한 것이 특징이다.
그림 165. 용접접합 형상 및 제원
그림 166. 자동 용접방법
③ Type 0
본 시험체는 조립화 시키지 않은 시험체로서 비교군으로 적용된다.
④
기초부 제원 및 철근 배근기초부는 베이스플레이트법을 적용하였다. 상하부 베이스플레이트의 높이는 275mm 이고 상부 베이스 플레이트의 폭은 200mm이다. 상하부 플레이트를 연결하기 위한 리브플레이트 의 두께는 10mm를 가지며 120mm의 폭을 가지고 10개의 고장력볼트가 연결될 때 좌굴이 발생하지 않도록 한다. 내부튜브는 하부 베이스플레이트에 용접접합으로 접합되며 삼각리 브플레이트를 이용하여 접합한다. 여기서 상하부 베이스플레이트의 두께는 25mm이다. 이 러한 베이스 플레이트가 기초부에 접합되기 위해서는 앵커 플레이트가 기초부에 시공이 되 어 있어야 한다. 앵커플레이트는 아래의 그림과 같이 링의 형태를 가지며, 앵커볼트와 너트 로 고정이 되어 시공을 한다. 기초부에 2개의 앵커플레이트가 설치되어 앵커볼트를 고정 시 킨다. 기초부 철근의 경우에는 기초부가 균열 및 파괴가 발생하지 않도록 철근을 배근하였 다.
그림 167. 기초 접합부 베이스플레이트 제원
그림 168. 앵커플레이트 제원
그림 169. 기초부 철근 배근
4.4.3. 모듈별 접합부 성능 해석 가. 해석 조건
해석프로그램은 유한요소해석 프로그램 ABAQUS 6.10을 사용하였다. 해석에 사용된 제원 은 도로교설계기준(2005)에서 제시한 값과 KS규격에서의 M20 볼트와 너트를 사용하였다.
콘크리트의 탄성계수는
식에 의해 산정된 값인 27GPa 값을 사용하였다. 해 석시 사용된 요소는 Solid Elements(C3D8R)이며, 지반조건은 완전히 고정되었다고 가정하였 다. 접합부 부분의 볼트 구멍을 고려하여 Tetra mesh를 사용하는 것이 합리적이라 판단하 여 접합부는 Tetra mesh를 사용하였으며, 접합부 부분을 제외한 타워부분은 Hexa mesh를 사용하였다. 타워 상부에 변위하중을 가력하였다. 이때, 하중은 축하중 10tonf(=9.806× N), 횡하중 20tonf(=1.961× N)이다.
474mm 600mm 3mm 4mm 1800mm 850mm
표 64. 해석 단면
Steel Concrete
Density 7860 2400
Young’s Modulus 210GPa 27GPa
Poisson’s Ratio 0.3 0.16
표 65. 재료 물성치
Element Boundary SI Procedure Contact 하중 Mesh
Solid C3D8R
상부-변위제어
하부-Fix mm/ton/MPa Dynamic
Explicit General
축하중 10t 횡하중
20t
접합부-Tet 타워-Hex 표 66. 해석 정보
해석 모델링에 대한 검증을 위해 동일한 조건일 때의 Static 해석과 Dynamic 해석을 수행 하였다. 타워의 접합부 부분이 일체화된 내부강관, 외부강관 콘크리트를 Tie로 접합하여 모 델링하였다. 해석에 사용된 하중 가력조건은 다음과 같다. 다음 표는 이론식에 의해 산정된 변위를 나타낸 것으로, 계산과정은 다음과 같다.