대형 원형강관 가설공법 수직도 확보 기술 개발 최종보고서

본 보고서는 "대형강관 공법개발"의 공동연구과제로 진행된 "대형 원형강관 공법의 수직성 확보를 위한 기술개발"의 최종보고서로 제출된 것입니다. 해양 교량의 기초를 위한 라운드" 연구 프로젝트.

연구개요

수직도 확보 기술동향 조사분석

해상구조물 리프팅기법

이에 국내외 대형 해양구조물의 인양시스템 운용기준 및 인양사례를 조사하였다. 대형 해양 구조물의 인양과 관련된 기준으로는 API(American Petroleum Institute), DNV GL, Phillips Petroleum, HSE(Health and Safety Executive UK) 등에서 제공하는 대표적인 설계 기준을 들 수 있다.

석션파일 수직도확보 기술 동향

국내에서는 관입력을 높이고 흡인기초의 수직도를 조절하기 위해 프레임에 4개의 흡인기초를 추가로 장착한 흡인파일용 관입보조기가 개발되었다. 이 기술은 관통보조물에 추가로 부착된 석션 파일의 관통력을 상대적으로 조절하고 위치별로 관통력을 달리하여 수직성을 확보하는 방식이다.

그림 1.8 석션기초 설치사례(일본 미사키쵸 방충공, 1999~2000)

케이블 개별 길이제어 기법 개념설계

원형강관 석션관입시 수직도 제어가 용이한 케이블 개별 길이제어 기법
리프팅케이블 개별 길이조절 방법 검토
프레임 기본 형상 검토
수치해석을 통한 프레임 검토
리프팅케이블 개별 길이조절 시스템 구성안

분석에 사용된 프레임워크의 분석 모델은 다음 표와 같다. 수치해석 결과 X자형 결구의 경우 철근에 작용하는 장력이 사각결구보다 작았다.

실내 모형실험을 통한 케이블 개별 길이제어 기법 성능평가

모형실험시스템 구축
모형실험용 엑츄에이터 설계 및 제작
실험조건 및 방법
리프팅케이블 적용 방법에 따른 수직도보정 효과 비교·분석
리프팅케이블 개별 제어기법 적용 석션파일 관입시 수직도 보정효과 분석
케이블 개별 길이 제어에 의한 수직도 보정 메커니즘 분석
모형실험 결과 요약

세 번의 시도 후 흡입 파일의 돌파와 관련된 케이블의 수직도 및 부하 용량은 다음 그림에 나와 있습니다. 3개의 리프팅 케이블을 사용했을 때 모델 실험의 최종 수직도는 다음 표와 같습니다.

현장실험을 통한 수직도 확보기술 성능 검증

현장실험 개요

설계 및 구조안정성 검토

액추에이터 양단에 와이어와 원형 강관 러그를 연결할 수 있도록 핀이 설계되었습니다. 호이스트는 기존 호이스트에 연결된 와이어에 액추에이터와 장력 게이지로 구성됩니다.

그림 2.34 리프팅케이블 배치에 따른 원형강관 거동검토 수치해석 모델링

현장실험

케이블을 통한 원형강관의 지지력은 K이다. 원형강관의 흡입관 피딩시 수직도와 케이블 장력은 다음 그림과 같다. 다음 그림은 원형 강관 흡입 시 로프 길이 조정에 따른 수직도와 로프 장력을 나타낸 것이다.

케이블 개별조절 리프팅시스템 설계

개요

케이블 개별조절 유압 엑츄에이터 설계

액추에이터의 구조적 안정성을 검토하기 위해 설계 부분에서 수치해석을 수행하였다. 액추에이터에 200톤을 적용한 경우의 수치해석 결과는 아래 그림과 같다. 수치해석을 통해 구조적 안정성이 확보된 구동기의 설계는 아래 그림과 같다.

리프팅시스템 설계

설계된 연결부에 대해 수치해석을 수행하여 구조적 안전성을 확인하였다. 메인 프레임 상부에 와이어를 연결하기 위해 사용되는 인양 타이어의 경우 크레인 붐이 메인 프레임 중앙에 위치하기 때문에 인양 타이어와 인양 타이어 사이에 각도가 발생한다. 잭에 발생할 수 있는 수평 하중을 줄이기 위해 본체 상단 모서리에 있는 한 쌍의 잭을 본체 중앙과 만나도록 45° 회전했습니다. 또한 대형 원형 강관에 개별 케이블 제어 인양 시스템을 적용할 수 있도록 설계(안)를 제안하였다. 1) 리프팅 케이블의 개별 길이를 제어하는 기술을 이용한 흡수 파일의 내부 모델 실험.

개요

수직도 실시간 모니터링을 위한 제어정보시스템 개발

시스템 설계

시스템 소프트웨어 설계는 센서별로 별도의 쓰레드를 만들어 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 쓰레드 간 통신 기술 중 하나인 IPC(Inter-Process Communication)를 통해 공유하도록 했다. 2) 센서 시스템 프로토타입 테스트. 세 종류의 센서와 임베디드 컨트롤러 간의 데이터 통신을 위해 각각의 센서 통신 프로토콜(출력)을 매뉴얼을 통해 확인하였다. 원형 강관의 수직 상태 정보를 정확하게 모니터링하기 위해서는 센서를 통해 수집된 데이터가 실시간으로 전송되어야 합니다.

수직도 제어정보 GUI 설계

표시부는 컨트롤러로부터 원형 강관의 수직도 데이터를 수신하여 3D로 표시하여 원형 강관의 수직도 정보를 직관적으로 이해할 수 있도록 합니다. 또한 컨트롤러는 여러 아날로그/디지털 출력 신호를 적용하여 측정된 정보에 따라 강관의 수직도를 동적으로 자동 제어할 수 있습니다. 본 연구에서는 원형강관의 위치정보를 쉽게 확인할 수 있도록 GUI(Graphical User Interface)를 개발하였다.

수직도 제어정보시스템 성능 평가

수직도 표준오차율 평가

정보구현 지연속도 평가

적용성 평가 및 검증

수직도제어정보시스템의 성능평가를 위해 2020년 11월 전곡항에서 실시한 20m 원형강관 공법의 시험대에 수직도제어정보시스템을 적용하였다. 원형 강관과 수직 제어를 위한 정보 시스템이 적용되었습니다. 관제정보시스템 내 현장에서 전기 공급이 쉽지 않기 때문에 여기에 24V, 12Ah 사양의 리튬인산철 배터리를 설치해 원형 강관 설치와 1인당 작업시간 등을 고려해 10시간 주행이 가능하도록 했다. 낮.

리프팅시스템 운용 알고리즘 수립

케이블이 느슨해지도록 해야 합니다. 이 시간 동안 케이블 전압은 허용 값 내에 있어야 합니다. 이 부분은 액추에이터 피스톤을 움직여 케이블의 길이를 늘립니다.

케이블 개별 길이제어 자동화 모듈 개발

기존의 수직도 제어 정보시스템과 동일한 화면에서 호이스팅 로프의 길이를 확인하여 원형 강관의 수직도를 직관적으로 파악하고 제어할 수 있도록 프로그램을 개발하였습니다. 또한 액추에이터별 '상하' 버튼으로 직관적인 조작이 가능하다. 또한 수직도 제어정보시스템의 수직도 정보를 기반으로 승강케이블 구동기의 자동 길이조절 기술을 개발하였다.

그림 3.36 수직도 제어정보시스템과 리프팅케이블 엑츄에이터 제어모듈 연계 개념도 자동화 모듈은 리프팅 케이블 엑츄에이터 스위치를 on/off하는 relay회로, relay회로를 제 어하는 컨트롤러, 외부와 인터페이스를 위한 serial 통신 회로 등으로 구성되어 있다

모형실험 검증

액추에이터 자동화 제어모듈을 이용하여 흡입관입시 기울어진 위치에 따라 액추에이터 피스톤을 자동으로 제어함으로써 흡입관입시 파일의 수직성을 확보할 수 있을 것으로 추정된다. 그러나 자동화를 활용하더라도 침입 상황 및 수직도 정보를 모니터링하면서 현장의 외부 조건 변화에 대처할 수 있는 관리가 필요하다고 생각된다.