해상풍력발전기는 공해가 없는 전기에너지원으로서 기존에 이용되던 화석연료 발전을 대체하면서 전세계적으로 이용되고 있다. 해상풍력발전기, 특히 발전기를 지지하는 기초구조물의 하중조건은 매우 복잡하다. 해상풍력발전기에는 구조물의 자중에 의한 수직하중, 그리고 풍력, 바람, 해류 등에 의한 수평하중과 모멘트하중 등이 작용한다. 현재 일반적으로 이용되고 있는 해상풍력발전기 종류에는 중력식, 모노파일, 또는 트라이포드 파일 등이 있다. 기존의 기초구조물은 일반적으로 시공방법이 어렵고 특정한 지반과 해상 조건에만 적용이 가능하다. 예를 들어, 중력식 기초구조물은 중량이 매우 무겁지만, 그에 비하여 큰 모멘트 하중을 지지하기 어렵다. 그리고, 모노파일은 가격이 비싼 다량의 ...
해상풍력발전기는 공해가 없는 전기에너지원으로서 기존에 이용되던 화석연료 발전을 대체하면서 전세계적으로 이용되고 있다. 해상풍력발전기, 특히 발전기를 지지하는 기초구조물의 하중조건은 매우 복잡하다. 해상풍력발전기에는 구조물의 자중에 의한 수직하중, 그리고 풍력, 바람, 해류 등에 의한 수평하중과 모멘트하중 등이 작용한다. 현재 일반적으로 이용되고 있는 해상풍력발전기 종류에는 중력식, 모노파일, 또는 트라이포드 파일 등이 있다. 기존의 기초구조물은 일반적으로 시공방법이 어렵고 특정한 지반과 해상 조건에만 적용이 가능하다. 예를 들어, 중력식 기초구조물은 중량이 매우 무겁지만, 그에 비하여 큰 모멘트 하중을 지지하기 어렵다. 그리고, 모노파일은 가격이 비싼 다량의 강재가 필요하며 특수 시공장비가 필요하다. 그러므로, 해상풍력발전기를 경제적으로 지지할 수 있는 새로운 기초구조물 공법을 개발하는 것이 필요하다. 해상풍력발전기에 적용할 수 있는 경제적 기초공법에는 석션 버켓기초가 있다. 버켓기초는 시공이 빠르고 다른 기초구조물 형식에 비하여 비용이 30% 이상 저렴하기 때문에 혁신적인 기술로 알려져 있다. 석션 버켓기초는 기초구조물 자중과 버켓내부의 물을 배출하면서 발생하는 석션압력에 의하여 지중에 관입된다. 버켓내부의 흙은 석션 압력에 의해 구속되면서 버켓과 함께 거동하게 된다. 버켓내부의 흙을 구속하는 석션 압력은 설치시점부터 풍력발전기의 사용기간 동안 발생하는 하중 또는 장기간의 반복하중에 의해 발생하기도 한다. 본 연구는 점토지반에 설치되는 해상풍력발전기에 적용할 수 있는 단일 버켓과 트라이포드 버켓 기초구조물을 대상으로 비배수 지지력과 누적 회전량을 산정하는데 중점을 두었다. 이를 위하여 3차원 유한요소해석과 1-g 모형실험을 수행하였다. 이 때, 수직력, 수평력, 모멘트 하중, 그리고 이러한 하중이 함께 작용하는 복합하중 조건과 같이 다양한 하중조건의 영향을 고려하였다. 수치해석 결과, 단일버켓과 트라이포드 버켓의 지지력은 근입깊이가 증가함에 따라 또는 점토의 비균질성이 감소함에 따라 증가하였다. 그리고, 트라이포드 버켓의 수평 지지력과 모멘트 지지력은 버켓간격이 증가함에 따라 크게 증가하는 것으로 나타났다. 1-g 모형실험에서는 Kaolin 점토지반에 설치된 모형 버켓을 이용하여 수평하중 반복재하 실험을 수행하였다. 장기 수평 반복하중의 진폭을 3가지로 변화시켰으며, 반복하중의 재하횟수는 104번이었다. 실험결과, 반복하중에 의해 누적되는 기초구조물의 회전량은 반복하중의 진폭과 재하횟수에 비례하여 증가하였다. 실험결과를 토대로, 점토지반에 설치된 해상풍력발전기 버켓 기초구조물의 비배수 지지력과 누적변형률을 예측할 수 있는 설계공식을 제안하였다.
해상풍력발전기는 공해가 없는 전기에너지원으로서 기존에 이용되던 화석연료 발전을 대체하면서 전세계적으로 이용되고 있다. 해상풍력발전기, 특히 발전기를 지지하는 기초구조물의 하중조건은 매우 복잡하다. 해상풍력발전기에는 구조물의 자중에 의한 수직하중, 그리고 풍력, 바람, 해류 등에 의한 수평하중과 모멘트하중 등이 작용한다. 현재 일반적으로 이용되고 있는 해상풍력발전기 종류에는 중력식, 모노파일, 또는 트라이포드 파일 등이 있다. 기존의 기초구조물은 일반적으로 시공방법이 어렵고 특정한 지반과 해상 조건에만 적용이 가능하다. 예를 들어, 중력식 기초구조물은 중량이 매우 무겁지만, 그에 비하여 큰 모멘트 하중을 지지하기 어렵다. 그리고, 모노파일은 가격이 비싼 다량의 강재가 필요하며 특수 시공장비가 필요하다. 그러므로, 해상풍력발전기를 경제적으로 지지할 수 있는 새로운 기초구조물 공법을 개발하는 것이 필요하다. 해상풍력발전기에 적용할 수 있는 경제적 기초공법에는 석션 버켓기초가 있다. 버켓기초는 시공이 빠르고 다른 기초구조물 형식에 비하여 비용이 30% 이상 저렴하기 때문에 혁신적인 기술로 알려져 있다. 석션 버켓기초는 기초구조물 자중과 버켓내부의 물을 배출하면서 발생하는 석션압력에 의하여 지중에 관입된다. 버켓내부의 흙은 석션 압력에 의해 구속되면서 버켓과 함께 거동하게 된다. 버켓내부의 흙을 구속하는 석션 압력은 설치시점부터 풍력발전기의 사용기간 동안 발생하는 하중 또는 장기간의 반복하중에 의해 발생하기도 한다. 본 연구는 점토지반에 설치되는 해상풍력발전기에 적용할 수 있는 단일 버켓과 트라이포드 버켓 기초구조물을 대상으로 비배수 지지력과 누적 회전량을 산정하는데 중점을 두었다. 이를 위하여 3차원 유한요소해석과 1-g 모형실험을 수행하였다. 이 때, 수직력, 수평력, 모멘트 하중, 그리고 이러한 하중이 함께 작용하는 복합하중 조건과 같이 다양한 하중조건의 영향을 고려하였다. 수치해석 결과, 단일버켓과 트라이포드 버켓의 지지력은 근입깊이가 증가함에 따라 또는 점토의 비균질성이 감소함에 따라 증가하였다. 그리고, 트라이포드 버켓의 수평 지지력과 모멘트 지지력은 버켓간격이 증가함에 따라 크게 증가하는 것으로 나타났다. 1-g 모형실험에서는 Kaolin 점토지반에 설치된 모형 버켓을 이용하여 수평하중 반복재하 실험을 수행하였다. 장기 수평 반복하중의 진폭을 3가지로 변화시켰으며, 반복하중의 재하횟수는 104번이었다. 실험결과, 반복하중에 의해 누적되는 기초구조물의 회전량은 반복하중의 진폭과 재하횟수에 비례하여 증가하였다. 실험결과를 토대로, 점토지반에 설치된 해상풍력발전기 버켓 기초구조물의 비배수 지지력과 누적변형률을 예측할 수 있는 설계공식을 제안하였다.
Offshore wind turbines (OWT) are used worldwide as a clean electric power source, replacing the use of hydrocarbon materials to obtain energy. OWTs are usually subjected to complex loading conditions, specifically on the supporting foundations. The loads imposed on OWTs are typically vertical loads ...
Offshore wind turbines (OWT) are used worldwide as a clean electric power source, replacing the use of hydrocarbon materials to obtain energy. OWTs are usually subjected to complex loading conditions, specifically on the supporting foundations. The loads imposed on OWTs are typically vertical loads contributed by the weight of the structure and horizontal and moment loads from the wind, waves, and currents. The usual foundation type of OWTs are gravity base foundations, mono-piles, or tripod piles. These foundations usually require complex construction techniques and special ground conditions and have limited access to the offshore environment. For example, the gravity base foundation usually has a massive weight, but it is difficult to resist a high overturning moment. The mono-pile for OWTs requires a large amount of expensive steel and a specialized ship to install the foundation into the seabed. Therefore, a new economical foundation technology is necessary to support OWTs. A potential foundation technology for OWTs is the suction bucket foundation. The bucket foundation is an innovative technology for OWTs, because this foundation can be installed faster and at a significantly cheaper cost (approximately 30%) than other foundations such as gravity bases or mono-piles. The suction bucket foundation is installed using the weight of the foundation and the suction pressure pumping inside water out of the bucket. Water will flow into the bucket through the soil and along the inside skirt of the bucket. The suction pressure confines the soil inside the bucket make the soil move together with the bucket. The suction pressure inside the bucket is developed during loading or accumulated from the cyclic loading during the lifetime of an OWT. This research focuses on the evaluation of undrained bearing capacities and accumulated rotations of single and tripod bucket foundations for OWTs in clay ground. Three-dimensional finite element analyses and 1-g experimental tests were performed. The effect of various loading conditions were investigated, such as pure vertical, horizontal, and moment loads and a combined vertical-horizontal-moment loads. The results of the numerical analyses indicated that the bearing capacities of single and tripod bucket foundations increased with the increase in the embedment depth and decreased with the increase in the non-homogeneity degree of the clay ground. In addition, the bearing capacities of the tripod bucket foundations significantly increased with the increase in bucket spacing, particularly for the horizontal and moment bearing capacities. The 1-g experimental tests were conducted using two different bucket models in kaolin clay. The accumulated rotations of the foundations were investigated at different cyclic horizontal load magnitudes with the number of load cycles of 104. The accumulated rotation increased as both cyclic load magnitudes and number of load cycles increased. Based on the results of this research, design equations were proposed to calculate undrained bearing capacities and accumulated rotations of the bucket foundations for OWTs in clay grounds.
Offshore wind turbines (OWT) are used worldwide as a clean electric power source, replacing the use of hydrocarbon materials to obtain energy. OWTs are usually subjected to complex loading conditions, specifically on the supporting foundations. The loads imposed on OWTs are typically vertical loads contributed by the weight of the structure and horizontal and moment loads from the wind, waves, and currents. The usual foundation type of OWTs are gravity base foundations, mono-piles, or tripod piles. These foundations usually require complex construction techniques and special ground conditions and have limited access to the offshore environment. For example, the gravity base foundation usually has a massive weight, but it is difficult to resist a high overturning moment. The mono-pile for OWTs requires a large amount of expensive steel and a specialized ship to install the foundation into the seabed. Therefore, a new economical foundation technology is necessary to support OWTs. A potential foundation technology for OWTs is the suction bucket foundation. The bucket foundation is an innovative technology for OWTs, because this foundation can be installed faster and at a significantly cheaper cost (approximately 30%) than other foundations such as gravity bases or mono-piles. The suction bucket foundation is installed using the weight of the foundation and the suction pressure pumping inside water out of the bucket. Water will flow into the bucket through the soil and along the inside skirt of the bucket. The suction pressure confines the soil inside the bucket make the soil move together with the bucket. The suction pressure inside the bucket is developed during loading or accumulated from the cyclic loading during the lifetime of an OWT. This research focuses on the evaluation of undrained bearing capacities and accumulated rotations of single and tripod bucket foundations for OWTs in clay ground. Three-dimensional finite element analyses and 1-g experimental tests were performed. The effect of various loading conditions were investigated, such as pure vertical, horizontal, and moment loads and a combined vertical-horizontal-moment loads. The results of the numerical analyses indicated that the bearing capacities of single and tripod bucket foundations increased with the increase in the embedment depth and decreased with the increase in the non-homogeneity degree of the clay ground. In addition, the bearing capacities of the tripod bucket foundations significantly increased with the increase in bucket spacing, particularly for the horizontal and moment bearing capacities. The 1-g experimental tests were conducted using two different bucket models in kaolin clay. The accumulated rotations of the foundations were investigated at different cyclic horizontal load magnitudes with the number of load cycles of 104. The accumulated rotation increased as both cyclic load magnitudes and number of load cycles increased. Based on the results of this research, design equations were proposed to calculate undrained bearing capacities and accumulated rotations of the bucket foundations for OWTs in clay grounds.
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