해상풍력 석션 버켓기초의 지지력 평가와 성능 향상 방안 연구

Abstract

본 연구에서는 버켓기초가 적용된 해상풍력 기초구조물의 지지력 성능을 평가하고 거동을 분석하였으며, 지지력 성능을 향상시키기 위한 방법과 압입저항력에 대하여 연구하였다. 원심모형실험을 통해 서남해지역의 실트질모래 지반에서 해상풍력타워의 하중조건에 대한 재하실험을 수행하였으며, 수치모델링 결과와 비교하였다. 버켓기초의 지지력 설계에 활용될 수 있는 원형기초의 지지력에 대하여 수직하중에 대한 지지력과 조합하중에 대한 지지력에 대하여 수치모델링을 통하여 연구하였다. 원심모형실험을 위한 모형지반은 서남해지역 해상풍력 예정지의 대표적인 지반조건과 유사하도록 시료를 선정하여 조성하였으며, 콘 선단저항값과 전단파속도를 측정하여 조성 상태를 평가하였다. 서남해지역의 해상풍력타워에 대한 모노포드와 트라이포드형 버켓기초 예비설계안에 대하여 단순하중과 반복하중 조건에서 재하실험을 수행하여 지지력을 평가하고 기초구조물 형식과 하중에 따른 거동의 차이에 대하여 분석하였다. 버켓기초의 지지력 성능 향상 방안으로서 보강형 트라이포드와 클러스터형 버켓기초에 대하여 연구하였다. 내부 스커트벽체를 추가하고 인발버켓의 수를 증가시킨 보강형 트라이포드는 일반형 트라이포드에 비하여 강성과 지지력 성능이 향상되는 것으로 나타났으며, 모노포드와 동일한 중량을 가진 클러스터형 버켓기초는 수직하중, 수평하중, 모멘트 - 수평 조합하중 조건에서 모노포드에 비하여 지지력 성능이 증가되는 것으로 나타났다. 원심모형실험을 통해 버켓기초 스커트벽체의 압입저항력에 대하여 연구하였으며, 버켓기초의 길이와 스커트벽체의 두께에 따른 거동의 변화에 대하여 분석하였고, 중간조밀한 실트질모래 지반에서 스커트벽체의 주면저항력에 의한 지반의 응력증가 효과를 고려하여 압입저항력을 산정하기 위한 지반정수를 도출하였다. 수치모델링을 통해 모래지반에서 팽창각의 변화에 따른 연속기초와 원형기초의 지지력계수 Nγ와 원형기초의 형상계수 sγ에 대하여 연구하였다. 실제 지반과 유사한 팽창각 범위를 적용한 경우와 지지력계수 Nγ에 대한 제안식들이 가정하고 있는 관련흐름법칙이 적용된 경우를 비교하여 실제 지반의 팽창각 범위를 고려하여 지지력을 산정할 수 있도록 하였다. 원형기초의 형상계수에 대한 기존의 제안식들이 큰 편차를 보이는 원인에 대하여 분석하였으며, 적절한 형상계수 값을 제안하였다. 모래지반에서 강성 원형기초에 대하여 수치모델링을 통해 조합하중 지지력에 대하여 연구하였다. 적은 수의 요소를 사용한 결과를 이용하여 조밀한 요소망에 해당하는 결과를 도출할 수 있는 분석 절차를 개발하여 적용하였으며, 조합하중 지지력 상관도를 효율적으로 산출할 수 있는 swipe 재하방법과 실제 구조물이나 통상적인 재하실험의 하중 경로와 유사한 probe 재하방법은 유사한 결과를 나타내었다. 최대 수직지지력으로 정규화한 지지력 상관도의 내부마찰각에 따른 변화는 미미하였으며, 수직 - 수평 조합하중을 고려하기 위한 경사계수와 수직 - 모멘트 조합하중을 고려하기 위한 편심계수는 기초의 형상에 무관하며 연속기초, 직사각형 및 정방형 기초에 대한 제안식을 원형기초에도 동일하게 적용할 수 있는 것으로 나타났다.