Cyclic behavior of unit bucket for tripod foundation system supporting offshore wind turbine via model tests

Abstract

해상 풍력발전기는 해상 환경에 노출되어 있기 때문에 풍랑과 파랑에 의한 반복하중이 풍력발전기의 기초에 장기적으로 작용한다. 그러므로 설계 시 정적 하중에 대한 성능평가와 더불어 반복하중에 대한 거동 특성을 평가하는 것은 중요한 기술적인 요소이다. 본 연구에서는 해상 풍력발전기 지지용 트라이포드 기초의 공용반복하중에 의한 기초의 영구 변위 및 지반의 강성 변화를 축소 및 원심모형실험을 통하여 평가한다. 트라이포드 석션버켓 기초에 수평 하중이 재하되면 이는 각 기초 요소에 수직력으로 작용하여 각각 압축 및 인발 거동이 일어나게 된다. 이때 트라이포드의 거동은 기초 요소의 압축 인발 거동으로 예측 할 수 있기 때문에 본 연구에서는 단일형 기초요소의 압축 인발 거동 평가에 초점을 맞춰 실시 하였다. 반복 거동 특성 평가는 현장응력상태를 재현 할 수 있는 센트리 퓨지 축소모형실험과 장기거동 해석에 유리한 1g 축소모형실험으로 시행 한다. 반복 거동 특성 평가를 위해 실험 시 반복 하중 횟수, 크기, 방향 및 주기에 대한 매개변수 연구를 실시하고 이에 대한 반복 거동 매커니즘을 비교 분석한다. 매캐변수 연구는 1g 축소모형실험을 이용하여 중점적으로 실시하였으며, 센트리 퓨지 원심모형 실험을 통하여 1g 축소모형실험의 결과의 신뢰성을 검증 하였다. 또한 본 실험을 위해서 매개변수 연구의 목적에 맞는 균일한 반복 하중을 재하 할 수 있는 실험 시스템을 개발 및 검증 하였으며 개발된 반복하중 재하 실험 시스템을 축소모형실험에 사용하였다. 반복하중의 크기를 증가 시키며 단일형 기초의 반복 거동을 평가 한 결과, 압축 하중을 재하 시킨 경우에는 하중의 크기가 증가 함 에 따라서 지반의 초기 강성이 감소하는 것을 관찰 할 수 있었으며 반복 횟수가 증가함에 따라서 지반 경화 현상에 의해 강성이 증가 하였다. 인발 및 양방향 반복 하중 재하 실험의 경우에는, 하중의 크기가 증가 함 에 따라서 초기 강성은 감소하며 하중 횟수가 증가 함 에 따라서 지반의 강성은 감소하였다. 또한 압축 하중 재하 실험의 경우 $\varsigma _b$ 값이 0.15 이상일 때, 양방향 하중 재하 실험의 경우 $\varsigma _c$ 값이 0.5 이상인 경우에는 지반 파괴가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 반복 하중의 속도를증가시켜 실시한 실험의 경우, 압축 하중 재하 시 하중 속도가 증가 함 에 따라서 간극수압의 증가와 느슨한 지반의 압축으로 인해 지반의 초기 강성이 감소하는 것을 관찰 할 수 있었으며 인발 및 양방향 반복 하중 재하 실험의 경우 초기에는 간극수압의 발현이 적기 때문에 초기 강성이 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히 인발 및 양방향 하중 재하 실험의 경우 하중의 속도가 감소하는 것은 지반의 지지력 감소에 매우 치명적이며 지반의 파괴를 유발 할 수 있는 것으로 평가 되었다. 그리고 양방향 하중의 경우 반복 횟수의 증가에 따라 간극 수압이 유발되어 급격한 지지력 감소와 지반의 파괴가 일어나는 것을 보아 반복 하중의 양방향 재하가 지반의 지지력 감소에 가장 치명적인 것을 확인 할 수 있었다.