버켓기초는 현재 해양 구조물의 앵커나 해양 풍력발전의 기초로 광범위하게 쓰이고 있다. 그러나, 지금까지 버켓기초에 대한 설계 방법은 명확하게 제시되지 않았다. 그러므로, 본 연구에서는 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS(2010)를 이용하여 점성토 지반에 설치된 버켓기초의 지지력 및 하중-변위거동에 대해 분석하였다. 버켓기초의 지지력에 영향을 주는 매개변수로 기초지름에 대한 근입깊이 비(L/D)를 선정하고 L/D 비를 0.25~ 1.0로 변화시키며 수직방향 압축과 수평방향의 지지거동을 분석하였다. 수치해석 결과 버켓기초의 지지력은 L/D비에 큰 영향을 받으며 L/D비가 0.25에서 1.0으로 증가함에 따라 수직방향 지지력은 약 40%, 수평방향 지지력은 약 90% 증가하는 것으로 나타났다. 수직하중이 작용하는 경우 버켓기초의 지지력은 깊은 기초와 유사하게 선단지지력과 주변마찰력을 분리하여 산정할 수 있었다. 그리고, 수평하중이 작용하는 경우 L/D비가 0.25 인 경우 기초의 수평이동 경향이 지배적이지만, L/D비가 0.5 이상으로 증가하면 기초의 회전파괴 경향이 지배적인 것으로 나타났다.
버켓기초는 현재 해양 구조물의 앵커나 해양 풍력발전의 기초로 광범위하게 쓰이고 있다. 그러나, 지금까지 버켓기초에 대한 설계 방법은 명확하게 제시되지 않았다. 그러므로, 본 연구에서는 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS(2010)를 이용하여 점성토 지반에 설치된 버켓기초의 지지력 및 하중-변위거동에 대해 분석하였다. 버켓기초의 지지력에 영향을 주는 매개변수로 기초지름에 대한 근입깊이 비(L/D)를 선정하고 L/D 비를 0.25~ 1.0로 변화시키며 수직방향 압축과 수평방향의 지지거동을 분석하였다. 수치해석 결과 버켓기초의 지지력은 L/D비에 큰 영향을 받으며 L/D비가 0.25에서 1.0으로 증가함에 따라 수직방향 지지력은 약 40%, 수평방향 지지력은 약 90% 증가하는 것으로 나타났다. 수직하중이 작용하는 경우 버켓기초의 지지력은 깊은 기초와 유사하게 선단지지력과 주변마찰력을 분리하여 산정할 수 있었다. 그리고, 수평하중이 작용하는 경우 L/D비가 0.25 인 경우 기초의 수평이동 경향이 지배적이지만, L/D비가 0.5 이상으로 증가하면 기초의 회전파괴 경향이 지배적인 것으로 나타났다.
Suction buckets have been widely used for offshore structures such as anchors for floating facilities, and the foundations of offshore wind energy turbines. However, the design guidelines for suction buckets have not been clearly suggested. Therefore, this study performed the numerical analysis by u...
Suction buckets have been widely used for offshore structures such as anchors for floating facilities, and the foundations of offshore wind energy turbines. However, the design guidelines for suction buckets have not been clearly suggested. Therefore, this study performed the numerical analysis by using ABAQUS (2010) to evaluate bearing capacities and load-movement behaviors of the suction bucket in NC clay. For the numerical analysis, the depth ratio L/D (L=embedded length of skirt; D=diameter of a bucket) was varied from 0.25 to 1.0. The analysis results showed that the L/D ratio has a significant effect on the bearing capacity, and the vertical and horizontal capacities respectively increased by about 40% and 90%, when L/D ratio increased from 0.25 to 1.0. At the vertical loading, the bucket showed the similar failure mode with a deep foundation, so the shaft and toe resistances can be separately evaluated. At the horizontal loading, the bucket with L/D=O.25 showed the sliding failure mode and the bucket with $L/D{\geq}0.5$ showed the rotational failure mode.
Suction buckets have been widely used for offshore structures such as anchors for floating facilities, and the foundations of offshore wind energy turbines. However, the design guidelines for suction buckets have not been clearly suggested. Therefore, this study performed the numerical analysis by using ABAQUS (2010) to evaluate bearing capacities and load-movement behaviors of the suction bucket in NC clay. For the numerical analysis, the depth ratio L/D (L=embedded length of skirt; D=diameter of a bucket) was varied from 0.25 to 1.0. The analysis results showed that the L/D ratio has a significant effect on the bearing capacity, and the vertical and horizontal capacities respectively increased by about 40% and 90%, when L/D ratio increased from 0.25 to 1.0. At the vertical loading, the bucket showed the similar failure mode with a deep foundation, so the shaft and toe resistances can be separately evaluated. At the horizontal loading, the bucket with L/D=O.25 showed the sliding failure mode and the bucket with $L/D{\geq}0.5$ showed the rotational failure mode.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 점성토 지반에 설치된 버켓기초를 대상으로 3차원 유한요소 해석을 수행하여 L/D 비가 지지거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여, 버켓기초의 L/D비를 변화시키며 버켓기초의 수직방향과 수평방향 흐!중변위 곡선을 산정하고 지지거동을 분석하였다.
본 연구에서는 점성토 지반에 근입된 버켓기초의 지지거동을 3차원 범용 유한요소 해석을 수행하여 분석하였다. 수치해석으로부터 얻어진 결과는 다음과 같다.
가설 설정
(2) 버켓기초의 지반내 관입거동은 본 해석에서 모델링하지 않았으며, 기초설치가 완료된 후의 상태를 가정하였다. 버켓기초 요소를 활성화시키고, 기초와 인접지반 사이에 인터페이스 요소를 설치하였다.
통해 연구되어 왔다. 이 중, 많은 연구들이 수치해석에서 버켓기초를 2차원으로 근사화시키거나 버켓기초의 거동이 얕은기초와 유사하다고 가정하고 얕은 기초로 모델링하였다(Yun and Bransby, 2007a, b; Taiebat and Carter, 2000). 실제, DNV 설계기준(2007)에서는 버켓 설치가 완료되면 기초저면이 벽체하단부에 놓이는 일반 중력식 구조물로 간주하여 지지력을 평가하는 방법을 제안하고 있다.
표 1은 본 해석에서 적용한 지반과 기초의 입력물성값이다. 점성토 지반은 정규압밀 상태를 가정하였고 Tresca 항복기준을 이용한 탄성-완전소성구성모델을 적용하였다. 점성토의 비배수 전단강도 & 값은 깊이에 관계없이 일정한 값을 적용하였으며, 탄성계수는 500X%(구조물 기초설계기준 해설, 2003), 포아송비는 0.
제안 방법
(3) 하중재하는 기초상단 중앙부를 reference point로 지정한 후에 이 점의 수평방향과 수직방향의 변위를 서서히 증가시키면서 재하하였다. 수평방향의 경우 수평방향의 변위만을 일정하게 증가시키면서 기초의 회전등을 자유롭게 허용하는 pure horizontal loading 조건을 적용하였다(그림 7 참조).
(4) 기존에 제안된 수평방향 지지력 산정공식은 L/D비에 따른 수평방향 지지력 계수 Nh의 변화를 고려하지 못하고 일정한 값을 적용하였다. 그러나, 본 연구에서 Nh값은 L/D비가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여주었다.
지반과 기초모델링에 적용된는 eight nodded-linear brick elements with reduced integration(C3D8R)이다. L/D비가 지지력에 미치는 영향을 고려하기 위하여 D니0m로 고정시킨 조건에서 L/D비가 0.25, 0.5, 0.75, 1.0이 되도록 L을 변화시켰다.
대칭조건을 고려하여 반단면만을 모델링하였다. 그리고, 경계면 위치는 버켓기초의 상단 중앙으로부터 좌우로 8D, 아래로 6D로 하여 경계면의 구속조건이 버켓기초의 지지거동에 영향을 미치지 않도록 하였다. 요소망의 크기는 기초 인접지반에서의 응력과 변형률의 변화를 정밀히 고려하기 위해 기초 인접지반에 가까워질수록 요소크기를 작게 적용하였다.
모사하였다. 그리고, 기초의 상판과 내부 흙 사이의 인터페이스는 석션압에 의해 기초가 설치된 후에 점성토의 낮은 투수계수에 의해 석션압이 계속 유지되므로 흙과 기초의 분리가 발생하지 않는다 그러므로 점성토의 경우 기초 상단면과 내부 흙이 미끄러짐과 분리가 없이 항상 접촉을 유지하도록 하였다. 미끄러짐은 그림 4와 같이 Coulomb 마찰이론을 적용하여 인터페이스에서 발생한 전단응력이 기준값 '“X (contact pressure), 보다 커질 때 미끄러짐이 발생하도록 하였고, 전단응력한계값 碎睡값은 적용하지 않았다 분리현상은 hard contact 조건을 적용하였는데, 이 조건은 기초와 인접지반이 붙어있는 경우에는 법선방향의 구속응력이 크기에 관계없이 서로 전달되며 인장력 등에 의해 기초와 인접지반이 분리되는 경우에는 응력이 전달되지 않는다.
버켓기초 요소를 활성화시키고, 기초와 인접지반 사이에 인터페이스 요소를 설치하였다. 그리고, 기초자중에 의한 지중 응력증가를 구현하였다(그림 6 참조).
기초의 내부와 외부의 좌우측면에는 인터페이스 요소를 설치하여 기초-지반 사이의 미끄러짐과 분리현상을 모사하였다. 그리고, 기초의 상판과 내부 흙 사이의 인터페이스는 석션압에 의해 기초가 설치된 후에 점성토의 낮은 투수계수에 의해 석션압이 계속 유지되므로 흙과 기초의 분리가 발생하지 않는다 그러므로 점성토의 경우 기초 상단면과 내부 흙이 미끄러짐과 분리가 없이 항상 접촉을 유지하도록 하였다.
대칭조건을 고려하여 반단면만을 모델링하였다. 그리고, 경계면 위치는 버켓기초의 상단 중앙으로부터 좌우로 8D, 아래로 6D로 하여 경계면의 구속조건이 버켓기초의 지지거동에 영향을 미치지 않도록 하였다.
버켓기초 요소를 활성화시키고, 기초와 인접지반 사이에 인터페이스 요소를 설치하였다. 그리고, 기초자중에 의한 지중 응력증가를 구현하였다(그림 6 참조).
그리고, 경계면 위치는 버켓기초의 상단 중앙으로부터 좌우로 8D, 아래로 6D로 하여 경계면의 구속조건이 버켓기초의 지지거동에 영향을 미치지 않도록 하였다. 요소망의 크기는 기초 인접지반에서의 응력과 변형률의 변화를 정밀히 고려하기 위해 기초 인접지반에 가까워질수록 요소크기를 작게 적용하였다. 지반과 기초모델링에 적용된는 eight nodded-linear brick elements with reduced integration(C3D8R)이다.
점토층에 근입된 버켓기초의 지지력 산정방법 중 실무설계에 간단히 적용할 수 있는 방법들을 조사하였다. 본 지지력 공식들은 수직 압축방향 지지력과 회전 구속이 없이 버켓기초가 자유롭게 회전하는 조건에서의 수평방향 지지력의 산정방법들이다.
수평방향 흐!중변위 곡선을 산정하고 지지거동을 분석하였다. 그리고, 수치해석에서 얻어진 버켓기초의 지지력과 기존에 제안된 이론식의 지지력 계산결과와 비교하여 분석하였다.
구현흐卜는 것이다. 초기응력 조건을 계산흐}기 위하여 기초부분에 해당하는 요소들을 제거하고 기초와 인접지반사이의 절점에 변위 구속조건을 적용하여 버켓기초의 형상이 유지되도록 하였다. 그리고, ABAQUS 프로그램에서 지원하는 geostatic option을 적용하여 중력가속도에 의한 자중과 지반구속압이 균형이 되고, 요소 절점의 변위가 0으로 안정화되는 조건을 구현하였다.
데이터처리
이를 위하여, 버켓기초의 L/D비를 변화시키며 버켓기초의 수직방향과 수평방향 흐!중변위 곡선을 산정하고 지지거동을 분석하였다. 그리고, 수치해석에서 얻어진 버켓기초의 지지력과 기존에 제안된 이론식의 지지력 계산결과와 비교하여 분석하였다.
이론/모형
본 연구에서는 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS (2010)를 이용하였다. 표 1은 본 해석에서 적용한 지반과 기초의 입력물성값이다.
성능/효과
(1) 수직방향 지지 력은 L/D비에 따라 선형적으로 증가하며, L/D비가 0.25에서 1.0으로 증가할 때 지지력이 약 40% 증가하는 것으로 나타났다. L/D비가 0.
(2) 수평방향 지지력은 L/D비가 0.25에서 1.0으로 증가할 때 약 90% 증가하는 것으로 나타났다. 그런데, L/D비가 증가함에 따라 L/D비가 작은 경우에는 지지력 증가비율이 크며, L/D비가 0.
초기응력 조건을 계산흐}기 위하여 기초부분에 해당하는 요소들을 제거하고 기초와 인접지반사이의 절점에 변위 구속조건을 적용하여 버켓기초의 형상이 유지되도록 하였다. 그리고, ABAQUS 프로그램에서 지원하는 geostatic option을 적용하여 중력가속도에 의한 자중과 지반구속압이 균형이 되고, 요소 절점의 변위가 0으로 안정화되는 조건을 구현하였다. 그림 5는 최종적으로 계산된 수직방향의 초기응력으로서 이론적£로 계산한 값과 일치하는 것을 확인하였다.
나타났다. 그리고, 수치해석 결과와 비교하여 Deng and Carter방법의 지지력은 약 30% 크며, Yun and Bransby 방법의 지지력은 약 15% 작은 것으로 나타났다.
그러나, 본 연구에서 Nh값은 L/D비가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여주었다. 그리고, 수치해석에서 얻어진 Nh의 평균값은 6.31 로서 Deng and Carter 방법의 값과 일치하는 것으로 나타났다.
25일때의 지지력으로 나누어 정규화하였다. 그림을 보면, L/D비가 0.25~ 1.0으로 증가함에 따라 지지력이 90% 증가하였으며, L/D비가 0.25에서 0.5로 증가할 때 지지력이 50% 증가하였다.
그러나, L/D비가 05이상인 경우에는 깊은기초의 파괴형태인 관입전단파괴 형상를 보여준다. 이 결과는 버켓기초의 수직방향 지지력을 산정할 때 선단지지력과 주면마찰력을 각각 분리하여 산정할 수 있음을 보여준다. 그러므로, 지지력 산정공식중 선단지지력과 주면마찰력을 분리하여 지지력을 산정하는 Yun and Bransby(2007a)와 Zhan and Liu(2010)의 지지력 공식이 합리적인 것으로 판단된다.
25일 때의 지지력 값으로 나누어 정규화한 결과이다. 이 결과에서 수직방향 지지력 값은 L/D비의 증가에 따라일정한 비율로 증가하며 L/D비가 0.25~ 1.0으로 증가함에 따라 지지력은 약 40% 증가하였다.
변위곡선으로서 하중은 (단면적 A- 비배수 전단강도 Su)로 나누어 정규화하였으며, 수직방향 변위 u는 기초직경。로나 누어 정규화흐였다. 정규화된 수직방향 흐증 값은 旋비가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 즉, L이 증가함에 따라(L/D비의 증가) 기초측벽과 지반사이의 마찰력이 증가하므로 지지력이 증가하는 것으로 판단된다.
해석결과 정규화된 수평방향 하중값은 ud비가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다 즉, D가 일정한 조건에서 L이 증가하는 경우 전체 지지력 크기는 증가하지만 지지력의 증가비율은 감소하는 것을 의미한다. 수평방향 지지력 값은 그림 11(b)의 그림에서 Zhan and Liu(2010)가 제안한 바와 같이 수평방향 변위가 근입깊이(L)의 2%에 도달하였을 때의 값으로 결정 하였다 그림 12는 L/D비의 변화에 따른 수평방향 지지력계수 Nh값(0.
참고문헌 (19)
(사)한국지반공학회 (2003), 구조물 기초설계기준 해설, 구미서관, pp.239.
Abaqus (2010), User's Manual. Version 6.10-1.
Aubeny, C. P., Han, S. W., and Murff, J. D. (2003), "Inclined load capacity of suction caissons", Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech, Vol.27, pp.1235-1254.
Deng, W., and Carter, J. P. (1999), Analysis of Suction Caissons in Uniform Soils Subjected to Inclined Uplift Loading, Report No. R798, Department of Civil Engineering, The University of Sydney, Australia.
DNV (2007), Offhore Standard DNV-OS-J101, Design of Offshore Wind Turbine Structures.
Gourvenes, S., and Jensen, K. (2009), "Effect of embedment and spacing of cojoined Skirted Foundation systems on Undrained Limit States under General Loading", International Journal of Geomechanics, ASCE, Vol.9, No.6
Hansen, J. B. (1970), "A revised and extended formula for bearing capacity", Danish Geotech. Institute Bull. 98, pp.5-11.
Mayne, P. W., and Poulos, H. G. (1999). "Approximate displacement influence factors for elastic shallow foundations." Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.125, No.6, pp.453-460.
Meyerhof, G. G. (1953), "The bearing capacity of foundations under eccentric and inclined loads", Proc. 3rd Int. Soc. for Soil Mechanics and Foundation Engineering, Zurich, Switzerland, Vol.1, pp.440-445.
Taiebat, H. A., and Carter, J. P. (2000), "Numerical studies of the bearing capacity of shallow foundations on cohesive soil subjected to combined loading", Geotechnique, Vol.50, No.4, pp.409-418.
Taini, K., and Craig, W. H. (1995), "Bearing capacity of circular foundations on soft clay of strength increasing with depth", Soils and Foundations, Vol.35, No.4, pp.21-35.
Tran, M. N., and Randolph, M. F. (2008), "Variation of suction pressure during caisson installation in sand", Geotechnique, Vol.58, No.1, pp.1-11.
Tresca, H. (1864), "Sur l'ecoulement des corps solides soumis a de fortes pressions", C. R. Acad. Sci. Paris, Vol.59, pp.754-763.
Watson, P. G., and Randolph, M. F. (1997), "Vertical capacity of caisson foundations in calcareous sediments", Proc. 7th int. Offshore and Porlar Eng. Conf., Honolulu, Hawaii, pp.784-790.
Yun, G., and Bransby, M. F. (2007a), "The undrained vertical bearing capacity of skirted foundations", Soils and Foundations, Vol.47, No.3, pp.493-505.
Yun, G., and Bransby, M. F. (2007b), "The horizontal-moment capacity of embedded foundations in undrained soil", Canadian Geotechnical Journal, Vol.44, No.4, pp.409-424.
Zhan, Y. G., and Liu, F. C. (2010), "Numerical Analysis of Bearing Capacity of Suction Bucket Foundation for Offshore Wind Turbines", Electronic Journal of Geotechnical Engineering, Vol.15, pp.633-644.
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