KR20090056401A - 부유식 방파제의 에너지 저감 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정착장치, 케이블 및 부유체로 구성된 부유식 방파제에 있어서, 케이블 중간 또는 부유체의 하부면에 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동저감장치를 장착하여, 파도에 의해 부유식 방파제에 전달되는 에너지를 방향에 관계없이 감쇠할 수 있도록 하여 보다 효율적인 방파제로 기능하도록 하는 부유식 방파제의 구조에 관한 것이다.

부유체, 부유식, 방파제, 진동저감, 스프링, 댐퍼

Description

부유식 방파제의 에너지 저감 구조{ENERGY ABSORBING SYSTEM FOR FLOATING BREAKWATER}

본 발명은 부유식 방파제의 에너지 저감 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정 주기의 파도에 의해 전달되는 에너지를 저감시켜 보다 효율적인 방파제로 기능하도록 하는 부유식 방파제의 구조에 관한 것이다.

근래에 해상에서 부유체(浮游體)를 해상 구조물로 활용하는 사례가 점차 증가하고 있다.

이러한 부유식 구조물은 해상플랜트, 컨테이너 터미널, 석유비축시설 또는 해상공원 등으로 이용되고 있으며, 그 규모 역시 점차 증가하고 있는 실정이다.

또한 현재까지 주로 고정식 방파제를 설치하여 왔으나, 경제적/환경적인 측면에서 부유식 방파제의 적용이 종종 시도되고 있다.

부유식 방파제는 통상 속이 빈 중공형으로 제작된 콘크리트 블록을 해수면에 부유시킨 상태에서 케이블 등으로 해저면에 정착하여, 파도에 의한 충격 에너지를 차단하여 항구에 정박한 선박의 안정을 유지하는 항만 시설물이다.

이러한 종래의 부유식 방파제가 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.

즉, 부유식 방파제는 해수면(1)에 부유하는 부유체(10)와 부유체(10)의 이동을 제한하는 계류 시스템으로 구성되는데, 부유식 방파제의 계류 시스템은 통상 도 1a와 같이 해저면(2)에 설치된 정착장치(12) 및 부유체(10)와 정착장치(12)를 서로 연결시키는 케이블(11)로 구성되어, 부유체(10)의 이동을 제한하게 된다.

또한 도 1b와 같이 부유체(10)의 이동을 양방향으로 제한하기 위하여 2개 또는 그 이상의 케이블(11) 및 정착장치(12)가 설치되는 경우도 있다.

통상 어떤 물체의 이동 또는 진동을 제한하기 위한 구조로는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 스프링(31) 및 댐퍼(32)로 구성된 진동저감장치(30)가 이용되고 있다.

즉 어떤 질량체(20)에 힘이 가해지는 경우 스프링(31)의 탄성력과 댐퍼(32)의 감쇠력에 의해 에너지를 흡수하면서 질량체(20)의 이동 또는 진동을 제한하게 되며, 이러한 스프링(31)과 댐퍼(32)의 규격 및 조합은 질량체(20)의 특성(고유진동수) 및 가해지는 힘의 진동 특성(주기)에 따라 결정된다.

도 2a에서는 스프링(31)과 댐퍼(32)의 병렬 조합으로, 도 2b에서는 스프링(31)과 댐퍼(32)의 직렬 조합으로 진동저감장치(30)가 구성될 수 있음을 보여주고 있으며, 도 2c에서는 스프링(31)과 댐퍼(32)의 직/병렬 조합으로 진동저감장치(30)가 구성될 수 있음을 보여주고 있다.

이러한 진동저감장치(30)는 도 2d에 도시된 바와 같이 지진 등에 의한 건물(50)의 진동을 감소시키기 위한 장치로 사용되고 있다.

즉 지진이 발생하여 건물(50)이 진동하는 경우에 건물(50)과 앵커블록(60) 사이에 설치된 진동저감장치(30)에 의해 진동 에너지를 흡수하여 건물(50)의 피해를 최소화 하게 된다.

그러나 부유식 방파제의 경우, 파도에 의해 부유체에 힘이 전달되면, 파도에 의해 전달되는 힘의 방향이 일정하지 않고, 부유체는 수직방향 및 수평방향을 포함한 단면을 기준으로 원운동 또는 타원운동을 하면서 반응하게 되며, 이는 부유체(100)가 임의의 방향으로 이동하는 결과가 되어, 진동 방향이 일정하지 않다는 문제점이 있다.

또한 건물(50)에 진동저감장치(30)를 설치하는 경우와는 달리 부유식 방파제에는 해수면에 부유 상태로 있다는 점에서 진동저감장치(30)의 설치가 용이하지 않은 문제점이 있으므로, 이러한 파도에 의한 진동을 감소시켜 에너지를 적절히 흡수시킬 수 있는 부유식 방파제 구조에 대한 기술 개발의 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적은 방향의 한정이 없는 특정 주기의 파도에 의해 부유식 방파제에 전달되는 에너지를 흡수할 수 있도록 하여 방파제로서의 기능을 극대화 시킬 수 있는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 부유식 방파제에 간단하고 용이하게 적용할 수 있는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 정착장치, 케이블 및 부유체로 구성된 부유식 방파제에 있어서,

해저면에 설치된 정착장치, 해수면에 부유하는 부유체, 상기 정착장치에 일단부가 연결되고 상기 부유체에 타단부가 연결되는 케이블 및 상기 케이블 중간에 삽입되어 설치되되, 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동저감장치를 포함하도록 하여, 파도에 의해 부유식 방파제에 전달되는 에너지를 방향에 관계없이 흡수할 수 있도록 하였다.

또한 본 발명은 다른 특성을 갖는 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동저감장치를 다수 포함하도록 하여 다양한 주기를 갖는 파도에 의해 부유식 방파제에 전달되는 에너지를 흡수할 수 있도록 하였다.

본 발명은 스프링과 댐퍼로 구성된 진동저감장치에 의해 방향에 관계없이 파도에 의한 에너지 흡수 능력을 증대시켜 부유식 방파제의 능력을 향상시킬 수 있게 되고, 보다 작은 규모의 부유식 방파제를 이용할 수 있게 되어 매우 경제적이다.

또한 본 발명은 기존의 부유식 방파제에도 파도에 의한 에너지 흡수 능력을 증대시킬 수 있는 진동저감장치를 간단하고 용이하게 설치할 수 있도록 하여 기존 부유식 방파제의 효율성을 높일 수 있게 된다.

본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위하여 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

도 3는 본 발명의 진동저감장치가 적용된 부유식 방파제의 에너지 저감 구조의 개념도를 도시한 것이다.

우선 부유식 방파제를 구성하는 부유체(100)는 부유식 구조물의 일종으로 통상 내부에 중공부가 형성된 콘크리트 블록으로 이루어지며, 강재로 이루어지기도 한다.

상기 부유체(100)에 파도에 의하여 힘, 즉 에너지가 전달되며, 여기서 파도는 다양한 주기를 갖게 된다.

이러한 부유체(100)의 하부에는 케이블(200)이 연결되는데, 상기 케이블(200)은 부유체(100)의 이동을 제한하게 된다.

즉, 케이블(200)은 인장응력만을 부담하는 부재이므로, 부유체(100)의 이동방향에 관계없이 케이블(200)에는 한 방향의 힘이 전달되고, 이때 케이블(200)은 부유체(100)의 움직임을 제한할 수 있게 된다.

상기 케이블(200)은 통상 강재 와이어 또는 쇠사슬로 이루어지며, 일단부는 정착장치(300)에, 타단부는 부유체(100)에 연결되어 있다.

상기 정착장치(300)는 해저면(2)에 설치되는 것으로서, 해저면에 삽입된 파일 또는 앵커블록 등으로 이루어지게 되며, 부유체(100)에 의해 케이블(200)로 전달된 힘은 결국 정착장치(300)를 통하여 해저면에 전달된다.

상기 케이블(100)의 중간에는 스프링(410) 및 댐퍼(420)로 구성된 진동저감장치(400)가 삽입되어 설치되어 파도에 의한 에너지를 흡수하게 되는데, 이에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

상기 진동저감장치(400)는 스프링(410) 및 댐퍼(420)의 조합으로 이루어진 기계장치로서 규격화된 기성품은 아니며, 진동을 저감시키고자 하는 대상 구조물의 특성과 저감시키고자 하는 진동의 특성에 따라 설계된다.

보다 상세히 살펴보면,

본 발명에 따른 부유식 방파제의 에너지 저감 구조에 의하면, 파도에 의해 부유체(100)에 힘이 전달되는 경우, 파도의 방향에 관계없이 케이블(200)에는 분력으로서 길이방향으로의 힘이 전달되고, 또한 부유체(100)의 움직임은 방향에 관계없이 케이블(200) 길이방향으로의 움직임(변위)으로 표현되며, 이때 부유체(100)의 케이블(200) 길이방향으로의 변위에 대해서는 부유체(100)가 원위치에 있으려고 하 는 관성력, 상기 스프링(410)에 의한 복원력 및 상기 댐퍼(420)에 의한 감쇠력이 반대방향으로 저항하는 힘으로 작용하게 된다.

여기서 상기 부유체(100)의 관성력은 가속도에 비례하고, 스프링(410)의 복원력은 변위에 비례하며, 댐퍼(420)의 감쇠력은 속도에 비례한다.

이와 같은 관계를 식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서,

x : 부유체(100)의 케이블(200) 길이방향으로의 변위(응답)

m : 부유체(100)의 질량

c : 댐퍼(420)의 감쇠계수

k : 스프링(410)의 탄성계수

F : 부유체(100)에 케이블(200) 길이방향으로 작용하는 힘

이때 파도에 의해 부유체(100)에 작용하는 힘은 특정한 주기를 갖고 있으므로, 부유체(100)에 케이블(200) 길이방향으로 작용하는 힘은 케이블(200)의 경사 정도에 따라 크기와 방향은 다르며 주기는 동일한 힘이 된다.

이러한 부유체(100)의 케이블(200) 길이방향으로의 응답은 부유체(100), 스프링(410) 및 댐퍼(420)의 특성에 따라 점점 더 큰 값으로 수렴하거나 또는 작아지게 된다.

즉, 부유체(100), 스프링(410) 및 댐퍼(420)를 포함하여 구성된 본 발명의 부유식 방파제는 특정한 고유 진동수를 갖게 되며, 파도에 의해 특정한 주기의 힘이 부유체 방파제에 전달되는 경우에는 부유체(100)가 점점 더 크게 진동하게 되어 매우 위험한 상황을 초래할 수 있게 되므로, 부유식 방파제는 이에 대비하여 보다 큰 강성을 갖도록 제작되어야 한다.

이에 본 발명의 부유식 방파제는 스프링(410) 및 댐퍼(420)를 포함한 진동저감장치(400)를 설치함에 있어, 부유식 방파제의 설계시 예상되는 가장 위험한 주기의 파도에 대하여 부유식 방파제의 고유진동수가 일치하지 않도록 스프링(410) 및 댐퍼(420)의 특성을 조정하여 설치함으로서,

부유체(100)의 진동을 저감시키고, 파도에 의해 전달되는 에너지를 방향에 제한없이 감쇠시킬 수 있게 되어, 방파제로서의 능력이 향상되고, 보다 작은 규모의 방파제를 이용할 수 있게 된다.

또한 진동저감장치가 장착되지 않은 기존의 부유식 방파제에도 본 발명의 진동저감장치(400)를 케이블 중간에 삽입, 설치할 수 있으므로, 기존 부유식 방파제의 진동을 저감시키고, 파도에 의해 전달되는 에너지를 방향에 제한 없이 감쇠시킬 수 있게 된다.

도 4는 각각 특성이 다른 진동저감장치(401,402)를 연결하여 설치한 부유식 방파제의 에너지 저감 구조를 도시한 것이다.

즉, 부유식 방파제의 설계시에는 위험한 주기의 파도를 다수 예상할 수 있으므로, 각각 특성이 다른 스프링(411,412) 및 댐퍼(421,422)로 구성된 진동저감장치(401,402)를 케이블(200) 중간에 2개 또는 그 이상 직렬로 삽입, 설치하여 본 발 명에 따른 부유식 방파제의 에너지 저감 구조가 다양한 주기를 갖는 파도에 의해 전달되는 에너지를 감쇠시킬 수 있도록 한 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 진동저감장치를 부유체에 직접 장착한 부유식 방파제의 에너지 저감 구조의 개념도를 보여주는 것이다.

이는 케이블(200) 중간에 본 발명의 진동저감장치(400)를 설치하는 경우에는 상기 진동저감장치(400)가 케이블(200) 길이방향의 직각방향으로 유동하게 되어, 손상의 우려가 있으므로, 보다 안정되게 본 발명의 진동저감장치(400)를 설치하고자 한 것이다.

즉, 부유체(100)의 하부면에 스프링(410) 및 댐퍼(420)로 구성된 진동저감장치(400)를 장착하고, 상기 진동저감장치(400)의 하단부에 케이블(200)이 연결되도록 하여 파도에 의한 에너지를 흡수할 수 있도록 하였다.

이러한 진동저감장치(400)는 부유체(100)의 하부면에 매입되도록 설치될 수도 있으나, 계속 변화하는 케이블(200)의 길이방향으로 진동저감장치(400)가 변위를 수용할 수 있도록 상기 진동저감장치(400)는 부유체(100) 하부면에서 회전이 구속되지 않아야 한다.

따라서 도 3과 같이 진동저감장치(400)가 케이블(200) 중간에 삽입, 설치된 경우와 마찬가지로, 도 4와 같이 본 발명의 진동저감장치(400)가 부유체(100) 하부면에 장착된 경우에도, 파도에 의해 부유체(100)에 힘이 전달되면, 파도의 방향에 관계없이 진동저감장치(400)에는 분력으로서 그 길이방향으로 힘이 전달되고, 이때 부유체(100)의 움직임은 방향에 관계없이 진동저감장치(400)의 길이방향으로의 움 직임(변위)으로 표현되며,

이러한 진동저감장치(400)에 의하여 파도에 의한 부유체(100)의 진동 방향에 제한없이 부유체(100)의 진동을 저감시키고, 파도에 의해 전달되는 에너지를 감쇠시킬 수 있게 되어, 방파제로서의 능력이 향상되고, 보다 작은 규모의 방파제를 이용할 수 있게 된다.

도 6은 각각 특성이 다른 진동저감장치(403,404, 405)를 부유체(100)의 하부면에 나란히 장착한 부유식 방파제의 에너지 저감 구조를 도시한 것이다.

즉, 각각 특성이 다른 스프링(413,414,415) 및 댐퍼(423,424,425)로 구성된 다수의 진동저감장치(403,404,405)를 부유체(100)의 하부면에 회전이 구속되지 않도록 장착하고, 상기 진동저감장치(403,404,405)에는 각각 정착장치(303,304,305)에 일단부가 연결된 케이블(203,204,205)의 타단부를 연결하여 부유체(100)의 이동을 제한하도록 한 것으로서,

위험한 주기를 갖는 파도를 다수 예상하여 부유식 방파제를 설계함으로서 각각 특성이 다른 스프링(413,414,415) 및 댐퍼(423,424,425)로 구성된 진동저감장치(403,404,405)에 의하여 본 발명에 따른 부유식 방파제의 에너지 저감 구조가 다양한 주기를 갖는 파도에 의해 전달되는 에너지를 방향에 제한 없이 감쇠시킬 수 있도록 한 것이다.

도 1a 및 1b는 종래의 부유식 방파제를 도시한 것이다.

도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 종래의 진동을 제한하기 위한 일반적인 진동저감장치를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 부유식 방파체의 에너지 저감 구조의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 부유식 방파체의 에너지 저감 구조의 다른 실시예를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:부유체 200:케이블

300:정착장치 400:진동저감장치

410:스프링 420:댐퍼

Claims (5)

1. 정착장치, 케이블 및 부유체로 구성된 부유식 방파제에 있어서,

   해저면에 설치된 정착장치; 해수면에 부유하는 부유체; 상기 정착장치에 일단부가 연결되고 상기 부유체에 타단부가 연결되는 케이블; 및 상기 케이블 중간에 삽입되어 설치되되, 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동저감장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 케이블 중간에는 각각 다른 특성을 갖는 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동저감장치가 2개 또는 그 이상 직렬로 삽입되어 설치된 것을 특징으로 하는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조.
3. 정착장치, 케이블 및 부유체로 구성된 부유식 방파제에 있어서,

   해저면에 설치된 정착장치; 해수면에 부유하는 부유체; 상기 부유체 하부면에 장착되되, 스프링 및 댐퍼로 구성된 진동저감장치; 및 상기 정착장치에 일단부가 연결되고 상기 진동저감장치에 타단부가 연결되는 케이블을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 진동저감장치는 부유체의 하부면에서 회전이 구속되지 않는 것을 특징으로 하는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 부유체의 하부면에는 각각 다른 특성을 갖는 스프링 및 댐퍼로 구성된 다수의 진동저감장치가 장착된 것을 특징으로 하는 부유식 방파제의 에너지 저감 구조.

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