케이슨인양계획   http://blog.naver.com/nugurang/120028972228   <네이버 누구랑님의 블러그에서 자료인용> 지난 2002년 8월 31일 제주를 강타하여 전국에 엄청난 피해를 안겨 주었던 태풍 "루사"의 영향으로 제주외항 서방파제 축조공사 현장에 거치되어 속채움 작업까지 종료되었던 신규제작장 교량기초 케이슨이 강풍과 고파의 영향으로 전도되어 수중에 침몰한 것을 재인양함에 있어 작업 계획을 아래와 같이 수립하여 작업 완료함.    가. 케이슨 일반도 나. 케이슨 전도된 상태  - 신규 제작장 교량하부용 케이슨은 태풍의 여파로 후면 법면부로 밀려 전도된 상태로     조사된 상태이며 격벽등은 비교적 양호한 상태임.  - 표준단면도  - 태풍전 작업상태  - 케이슨 전도상태  - 전도 케이슨의 상세도  - 케이슨 내부 속채움 모래 상태     - FLOATING CRANE에 의한 방법      작업 공정상 가장 단순한 방법으로 케이슨에 2차적인 손상을 줄 수 있는 요인이      많으며 대형 해상크레인(1,000ton급 이상)과 WIRE SLIP 또는 체인등의 인양자재가      필요함.      더욱이 대형장비의 동원 등에 의한 현장 이미지상 좋지 않음과 장비 회항비에 대한      금액이 과다하게 소요됨으로 절대적인 방법이 될 수 없어 현장 여건에 맞지 않음.      (예상 금액 : 160,000,000원)   - AIR LIFTING에 의한 방법      케이슨에 철재로 제작된 두껑을 씌우고 콤퓨레샤를 이용하여 에어를 밀어 넣으면서      케이슨 내부에 있는 물을 배수하는 방법으로 철재 뚜껑에 가해지는 내부 압력을 견      딜 수 있는 정밀하고 튼튼한 시스템이 요구되며 작업이 번거럽고 공기가 과다하게      소요됨. (예상금액 : 150,000,000원)   - PUMPING SYSTEM 방식      케이슨에 철재로 제작된 두껑을 씌우는 것은 AIR LIFTING 방법과 동일하나      케이슨 내부와 외부와의 압력차가 발생하지 않고 단지, 철재에 가해지는 수압에      견딜 수 있는 구조로 철재거푸집을 제작하면 됨.      공정이 간단하고 케이슨에 2차적인 손상의 염려가 없음.      (예상금액 : 95,000,000원) 가. 방수재 제작 및 설치    케이슨과 철재 거푸집 사이에 완충작용과 진공상태를 만들어 주기 위한 설비로서    우레탄이나 넝마(걸레)로서 제작 (Φ300㎜) 나. 방수용 철재 거푸집    케이슨을 덮을 수 있도록 10m x 14m의 크기로 제작을 하되    케이슨의 접촉면은 12㎜ 철판으로 하고 전체의 FRAME은 400 x 200 x 8 x 13 H-BEAM    으로 구성하고 200 x 200 x 8 x 12 H-BEAM으로 보강한다. 다. PUMP 투입구                                작업 예상 소요일 수                            1. 철재거푸집 제작 및 완충재설치 : 20일                            2. 인양작업 : 6일                            3. 총 작업일 수 : 26일 라. PUMP SYSTEM   공종 규격 단위 수량 소요일 수 비  고 수중조사 - 식 1 4 . 속채움모래준설 모래 ㎥ 278 5 . 사석준설 - ㎥ 72 20 . 기초사석투하 0.015~0.03㎥/EA ㎥ 190 1 . 기초사석고르기 - ㎡ 192 3 . 케이슨두껑제작 10 x 14m EA 1 17 . 두껑 설치 - EA 1 2 . 케이슨 인양 - 함 1 1 . 케이슨 거치 - 함 1 1 . 속채움 모래 해사 ㎥ 720 2 .     케이슨의 안정검토방법     1) 안정 흘수 계산 가. 케이슨의 자중계산 -  전체 (본체) = (13.0 x 10.0 x 17.5 x 2.45) = 5,573.7ton     (Hunch) = {½ (0.5 + 1.2) x 2 x 10 x 2EA x 2.45} = 83.3ton     (Fender) = {½ (2.6 + 3.2) x 0.3 x 2.9 x 2.45} = 6.2ton     S/T = 5,663.2ton -  공간부분     (4.5 x 3.9 x 17.0) 4EA (4.5 x 3.9 x 17.0) - (½ x 0.3 x 0.3 x 16.7 x 4ea) - (½ x 0.7 x 0.7 x 4.2 x 2ea) - (½ x 0.3 x 0.3 x 3.4 x 2ea) = (298.35 - 3.006 - 2.058 - 0.306) x 4ea x 2.45 = 2,871.2ton     (4.5 x 4.0 x 17.0) 2EA (4.5 x 4.0 x 17.0) - (½ x 0.3 x 0.3 x 16.7 x 4ea) - (½ x 0.3 x 0.3 x 3.7 x 2ea) - (½ x 0.3 x 0.3 x 4.2 x 2ea) = (306 - 3.006 - 0.333 - 0.378) x 2ea x 2.45 = 1,481.2ton S/T = 4,352.4ton   ※ 케이슨의 자중 = (5,663.2 - 4,352.4) = 1,.310.8ton (HOOK-BAR는 무시) 2) 케이슨의 안정 검토 W = 1,310.8ton B = 13 x 10 x 1.025 x y W = B ∴ y = 1,310.8 ÷ 133.25 = 9.84 - 바닥면에서 중심 G1 까지의 높이 y   1,310.8 x y = [(13 x 10 x 17.5 x 17.5/2) - {1,776.458 x {1/2(17.5 - 0.5) + 0.5}] x 2.45 1,310.8 x y = (19,906.25 - 15,988.12) x 2.45 1,310.8 x y = 9,599.42 ∴ y = 7.323m - 바닥에서 부심까지의 높이    C = ½ x y = ½ x 9.84 = 4.92m - 경심높이    MG = I/V' - CG     = {(1/12 x 13 x 10³) ÷ 1,278.8} - (7.323 - 4.92) = 0.847 - 2.403 = -) 1.556 ＜ 0  ∴ 불안정 여기서 V' 는 수중부분 체적 V' = 1,310.8 ÷ 1.025 = 1,278.8㎥ 3) 케이슨이 불안정하므로 해수 3m보충 후 재검토 - 중량   . 콘크리트 = 1,310.8ton . 해수 = (11.8 x 9.0 x 3.0 x 1.025) = 326.56ton . 소계 = 1,637.36ton - 안정계산   . 케이슨의 흘 수 y = (1,637.36 ÷ 133.25) = 12.29m . 바닥에서 중심 G1 까지의 높이 y   1,637.36 x y = (9,599.42) + {326.56 x (0.5 + 2/2)} = 10,089.26 ∴ y = 6.16m . 수중부분 체적 V'   V' = 1,637.36 ÷ 1.025 = 1,597.4㎥ . 경심높이   MG = I/V' - CG = {(1/12 x 13 x 10³) ÷ 1,597.4} - (6.160 - 6.145) = 0.680 - 0.015 = +) 0.665 ＞ 0  ∴ 안정   - 해수 1m 상승 시 케이슨의 하강 흘수   중량 W = 11.8 x 9 x 1.025 = 108.86ton 흘 수 y = 108.36 ÷ (13 x 0) ≒ 0.837m 4) 케이슨 거치시 주수량 판단   - 케이슨의 흘 수 :  y = 9.84m - 케이슨의 격실 내부면적 :   (4,352.4 ÷ 2.45) = 1,776.5㎡ ∴ 1,776.5 ÷ 17 ≒ 104.5㎡ - 케이슨이 사석부에 거치될 때 까지의 주수량   Q = 11.8 x 9.0 x 7.314 = 776.7㎥ - 케이슨 격실 내부 수위   H = 776.7 ÷ 104.5 ≒ 7.5m - 케이슨 거치시 주수시간 판단   . 1m당 주수량 : Q = 11.8 x 9 x 1m = 106.2㎥ . 흡입고 : H = (7.66 + 1.0) ≒ 8.7m . 양수기 능력 (Φ200m/m, 엔진 25HP)     여기서 양수기의 효율 h1 = 0.73, 엔진효율 h2 = 0.80 HP= (8.918 x Q) ÷ 2.628 Q = (2.628 x 25 ) ÷ 8.918 ≒ 7.367㎥/min   . 주수시간 : 106.2㎥ ÷ 7.367 ≒ 14.4분     양수기 3대 가동시 14.4 ÷ 3 = 4.8분 . 3m 주수시 시간판단 : 4.8분 x 3m = 14.4분 5) 배수시간 판단   - 1m당 배수량 : Q = 106.2㎥ - 흡입고 H = (4.5 + 5.0) + 1.0 = 10.5m - 양수기 능력 (Φ200m/m, 엔진 25HP)   여기서 양수기의 효율 h1 = 0.73, 엔진효율 h2 = 0.80 HP= (10.763 x Q) ÷ 2.628 Q = (2.628 x 25 ) ÷ 10.763 ≒ 6.104㎥/min . 배수시간 : 106.2㎥ ÷ 6.104 ≒ 17.4분 . 전체 배수시간 : 7.5m x 17.4min x ⅓대 = 43.5분 6) 케이슨 거치시 주수시간 판단 작업표 조 위 케이슨 흘수 케이슨수면 높이 (전현고) 케이슨 내부수위 수량 8"양수기 4대 (분) 8" 양수기 3대 (분) 비  고 저면에서의 높이 상부에서의 높이 2.0 14.5 3.0 5.47 11.53 559.85 19.0 25.3   2.4 14.9 2.6 5.97 11.03 611.03 20.7 27.6   2.8 15.3 2.2 6.46 10.54 661.18 22.4 29.9   3.2 15.7 1.8 6.96 10.04 712.36 24.2 32.2   3.6 16.1 1.4 7.46 9.54 763.53 25.9 34.5   4.0 16.5 1.0 7.95 9.05 813.68 27.6 36.8   4.4 16.9 0.6 8.45 8.55 864.86 29.3 39.1   4.8 17.3 0.2 8.94 8.06 915.01 31.1 41.4   5.2 17.7 월류로 작업 불가능           5.6 18.1               6.0 18.5               6.4 18.9               6.8 19.3    중공부분 체적 = (13 x 10 x 17.5) - (1,310.8 ÷ 2.45) = 1,739.98  1,739.98 ÷ 17.0 = 102.35㎥/m당  102.35 x 1.025 = 104.91㎥/m당   7.2 19.7     7.6 20.1     8.0 20.5     8.4 20.9     8.8 21.3     9.2 21.7                                                                                                         7) 케이슨 거치시 인양 안정검토   가. 현장상태     나. 케이슨의 중량산출   - 중량   . 콘크리트 = 1,310.8ton   . 케이슨의 내부 해수중량 = (11.8 x 9.0 x 3.0 x 1.025) = 326.6ton   . 소  계 : 1,637.4ton - 부력 B   B = 1.025 x 13 x 10 x 12.29 = 1,637.6ton   ∴ 실제 인양중량 = (1,637.4 - 1,637.6) = 0       거의 인양고리에 작용하는 힘이 없으나 100ton정도 가정 다. 가정   - 콘크리트의 압축강도 : δck = 240 ㎏/㎠ - 콘크리트의 전단강도 : δb = 0.4 √ δck = 7.13 ㎏/㎠ - 콘크리트의 전단파괴각도 : 45˚ - 콘크리트의 전단길이 : 20㎝ - 수평력에 대한 콘크리트의 전단 강도상의 안정성만을 검토   라. 콘크리트 전단강도 주 문제성 검토   - ℓ = 10m로 제작하여 사용한다고 했을 때   θ = sin―¹ (4.8 ÷ 10) = 28˚ 41´ 07.45˝   수평력 Sw = 100ton x tan28˚ 41´ 07.45˝ x ¼ = 13.7ton   전단파괴면적 A = A1 + A2 = (37 x 20) + (37 x 20) = 1,420㎠   전단강도 δb = 13,700㎏ / 1,420㎠ = 9.65 ㎏/㎠   ∴ 9.65㎏/㎠  ＞ 7.13㎏/㎠   ∴ 전단파괴 발생 - ℓ = 20m로 제작하여 사용한다고 했을 때   θ = sin―¹ (4.8 ÷ 20) = 13˚ 53´ 11.55˝   수평력 Sw = 100ton x tan13˚ 53´ 11.55˝ x ¼ = 6.18ton   전단파괴면적 A = A1 + A2 = (37 x 20) + (37 x 20) = 1,420㎠   전단강도 δb = 6,180㎏ / 1,420㎠ = 4.35 ㎏/㎠   ∴ 4.35㎏/㎠ ＜  7.13㎏/㎠   ∴ 안전하다 ※ Wire를 10m 이상 작업시 유격이 심하여 정거치시 어려움이 많으므로     소형 보조 조금구가 필요함. 8) 유수압력 계산   가. 현장상태 P = S x W x k x (ν² / 2g) 여기서 P = Caisson에작용하는 수평압력 (㎏)   S = 유수압이 받는 케이슨의 면적 (㎡) W = 물의 단위중량 (1,000㎏/㎥) g = 중력가속도 (9.8m/sec²) k = 케이슨의 수평단면 형상에 의한 계수(1.47) ν = 유속 (m/sec) S = (17 x 0.5) + {½ (13 + 17) x 0.7} +       (13 x 16.3) = 230.9㎡ ν = 현장유속 4knot v = 1.853 ㎞/hr x 1,000 / 3,600 x 4    = 2.06 m/sec P = 230.9 x 1,000 x 1.47 x (2.06² / 2 x 9.8)    = 73,488㎏    = 73.5ton 9) 케이슨 예인시의 안정성 및 적정 설비 검토   가. 케이슨 예향시의 유체 저항   T = W / 2g x Cd x V² x A    여기서 T : 견인력 (또는 유체 저항력) ton               g : 중력 가속도 (9.8m/sec)               Cd :  항력계수 (1.5)               V : 유체와 물체와의 상대속도 (m/sec)               A : 작용면적 (흘수심 + 여유고 1m에 대한 저항 면적) T = 1.03 / (2 x 9.8) x 1.5 x  V² x 112.2    = 8.84 V² (ton) ---------------------------- ① 예인선의 소요 마력수 :   1HP = 75.06 ㎏.M/sec 소요마력수 (N) = T x V x 10³ / 75.06 ÷ 0.6                       = 8.84 x V² x V x 10³ /75.06 ÷ 0.6                       = 196.3V³ -------------------- ② 나. 견인속도 및 조류속에 따른 소요마력수 계산   소요 최대마력이 소요되는 경우는 조류에 거슬러 케이슨을 견인하는 경우로서 견인속도를 최대 3knot까지 계산하였으며, 케이슨이 이동방향과 조류방향이 일치하는 경우는 조류의 반대방향으로 제어능력을 가질 수 있어야 하므로 조류에 거슬러 케이슨을 견인하는 경우와 마찬가지 크기의 동력이 필요한 것으로 간주하였다. 이러한 케이슨의 견인 및 제어에 필요한 견인력 및 소요동력수는 다음과 같다.   예항속도 (vt, knot) 소요견인력(ton) 소요마력수 (HP) 창조시 낙조시 창조시 낙조시 2knot 4knot - 2knot - 4knot 2knot 4knot - 2knot - 4knot 0 (0.0m/sec) - 8.84 - 35.36 + 8.84 - 35.36 196.3 1,570.4 196.4 1,570.4 1 (0.5m/sec) - 19.89 - 55.25 + 19.89 + 55.25 662.0 3,067.1 622.0 3,067.1 2 (1.0m/sec) - 35.36 - 79.56 + 35.36 + 79.56 1,570.4 5,302.1 1,570.4 5,302.1 3 (1.5m/sec) - 55.25 - 108.29 + 55.25 + 108.29 3,067.1 8,416.4 3,067.1 8,416.4 다. 설계상 예인장비 조합에 대한 검토   - 설계 예인장비   예선 (800HP) : 1척   예선 (450HP) : 2척   기중기선 (50ton) : 2척 (별도장비임) - 조류속 현황 (일 최대치)   구  분 항  로 설치지점 부근 조  금 0.54 m/sec 0.64 m/sec 사  리 1.70 m/sec 1.50 m/sec     ※ 설치지점 부근의 유속은 실제 기록에 의한 것임.      . 조금 : 1993년 10월 15일 기록      . 사리 : 1993년 10월 18일 기록   ※ 항로부의 조류속은 그 최대치 (사리때 1.7m/sec)가 해도에 의한 것이며       조금때의 값은 설치지점 부근의 값을 이용하여 추정한다.       (설치지점 부근의 값에 비례로 추정)       즉, 1.7 x (0.64 ÷ 2.0) = 0.54 m/sec   - 최대 조류속에 대한 검토   . 항로부     (vc)max = 1.7m/sec     설계예인속도 vt = 1.5m/sec (5.5㎞/hr)     소요 견인력 (T)는 앞의 ①식에 의하여     T = 8.84 x v²        = 8.84 x (1.7 + 1.5)²        = 90.52ton     소요마력수 (N)은 ②식에 의하여      N = 196.3 x v³         = 196.3 x (1.7 + 1.5)³         = 6,432HP     그런데 설계 예인동력은     Nd = (800HP x 1) + (450HP x 2) = 1,700HP밖에 되지 않으므로     최대 조류속 발생시 설계 예항속도 (5.5㎞/hr)때는 예인이 불가능하다.   . 설치지점 부근     유속이 더욱 빠른 곳이므로 최대 조류속 발생시 설계속도로는 접근이 불가능하다.   - 최대 조류속 발생시 설계 예인 동력에 의한 예인 가능 속도   . 항로부 :     Nd = 1,700HP     vc = 1.7m/sec     Nd = 196.3 x (Vc + Vt)³으로부터 상기 조건일 때     Vt = 0.35m/sec (1.26㎞/hr)     운반하는 도중에 조류속은 점차 감소함으로 작업 가능   . 설치지점 부근 :     Nd = 1,700HP     vc = 2.0m/sec     Nd = 196.3 x (Vc + Vt)³으로부터     Vt = 0.05m/sec (1.26㎞/hr)     조류속의 감소를 기다려 접근함이 필요함.   - 적정 예인 속도를 갖기 위한 소요 마력수    최대 조류속 발생시에도 조류방향에 거슬려 케이슨을 제어할 수 있도록    예인선의 동력을 결정한다.    이 때, 조류에 거슬려 예인 가능한 속도는 Vt = 0.3m/sec로 가정한다.    (Vc)max = 2.0m/sec    Vt = 0.3m/sec    V = Vc + vt = 2.3m/sec    소요 N = 196.3 x V³              = 196.3 x 2.3³              = 2,388HP              ≒ 2,400HP (1,200HP 2대가 필요)   라. 예인시 케이슨의 안정검토     여기서 C = 부력중심           G = 무게중심           H = Rope의 연결점 (회전중심)   - 케이슨의 전체 중량 및 부력 :    W' = B ≒ 12 x 9 x 11.2 x 1.03              ≒ 1.245ton 93m 충수 무게 포함)    - 유체 저항력 및 작용 moment    최대 조류속 (Vc)max = 2.0m/sec    견인속도 Vt = 0.3m/sec    T = 8.84 V²    = 8.84 x (2.0 + 0.3)²    = 46.8ton Mt = 4.4 x T      = 4.4 x 46.8       = 205.92ton     - 저항 모멘트    기울어 짐에 따른 부심의 이동은 무시하고 계산    Mr = B x 0.5 tanΘ         = W x 0.5 tanΘ         = 1.245 x 0.5 tanΘ         = 622.5 x 0.5 tanΘ   - 기울기 계산    Mt = Mr로부터    622.5 x tanΘ = 205.92    ∴ Θ ≒ 18.3˚        실제로는 이보다 다소 작을 것임. (부심의 이동 효과 때문에)    - 기울어 짐으로 인한 수침 높이 산정   D' = Draft + 6.0 tanΘ       = 11.2 + 6.0 x tan18.3˚       = 13.15m ＜ 14.5m       정적인 상태에서는 침몰의 염려가 없으나 견인과정에서 일어나는 진행방향의 수위상승,           예인선에 의한 수면 교란 및 예기치 못한 물결( 잔파랑) 등의 영향으로 수침의 염려가           있으므로 다음과 같은 방법으로  이에 대비하여야 한다.           수침에 대한 안정성 증진방안       1. 케이슨 하부를 Rope로 묶어 견인하는 방법                         2. 케이슨 상부에 철판등으로 덮개를 하거나 월류방지용 Parapet를 두는 방법                         3. 기중기선 (FLOATING CRANE 150ton급)으로 물고 기중기선을 견인하는 방법         기중기 선의 조류 저항면적 증가로 인해 예인선의 동력이 약 25% 정도 증가하여야 한다. 조금구 무게등을 고려할 때 150ton급으로는 안정성 증진 효과가 부족함.   5. 일 평균 예인수량 판단   - 1회 예인 Cycle Time    Tc = T1 + T2 + T3 + T4     여기서 T1 : 2,000ton 기중기선으로부터 케이슨을 인계받는 데 걸리는 시간                      (예인선에 연결 및 2,000ton 기중기선 인양 훅크볼트 해체에 필요한 시간으로서                       약 1시간 예상)               T2 : 예인시간 ( L = 6.5㎞)                       평균예인속도는 1.0m/sec (Max 1.5m/sec, Min 0.5m/sec)                      6,500 ÷ 3,600 = 1.8hr               T3 : 정치용 앵커 시스템에 연결하는 시간으로 케이슨 상단 훅크볼트 및 예인고리등을 이                      용하여 정치시킨다.                      앵커 시스템 연결 및 위치잡기, Rope 결속등의 시간으로서 약 2시간 예상               T4 : 회항시간 (L =6.5㎞)                       설계 기준속도 (12.9㎞/hr)                       6.5 ÷ 12.9 = 0.5hr    ∴ Tc = 1.0 + 1.8 + 2.0 +0.5 = 약 6시간     - 작업상 제약조건   . 케이슨의 정치작업         가호안 설치 위치의 여건상 조류속이 최대 2.0m/sec이며 향휴 2.2m/sec까지 증가 예상되는 바 예인된 케이슨의 정치 작업은 정조시 주변에서만 작업이 가능할 것임. 또한 거치 후 안정되도록 조류속이 증가하기 전에 충분한 높이까지 충수하여야 하므로 가급전 정조전에정치작업을 완료함이 바람직하다. 조위 및 유속변동을 단순화시켜 주기 12시간의 정현곡선으로 가정하면, 정조와 정조사이의 시간이 약 6시간 소요되며 케이슨 함당 예인 사이클타임이 대략 6시간이므로 정조시마다 1개씩 케이슨을 설치할 수 있고 1일 3교대로 24시간 연속 작업 시 일당 최대 4개의 설치가 가능하다. 그러나 현장의 여건 및 야간 작업의 난이점에 의해 일 평균 2함으로 보는 것이 가장 적당하리라 판단됨,     - 케이슨 설치부 (기초사석 마운드)의 바닥 높이    가호안의 구간별로 기초사석 마운드의 TOP E.L 및 케이슨 흘수심은 다음과 같다.       구  간 기초사석 Mound Top E.L 케이슨의 흘수심 작업 가능 조위 안  벽 E.L (-) 12.5 12.29m E.L (+) 1.21       케이슨 설계에 필요한 여유 수심을 1.0m 정도 볼 때 작업 가능한 조위는 E.L (+) 1.21이상으로서 저조위 이전에 정치작업을 종료하는데 어려움은 없으나 작업능률이 상당히 저하된다.