해상 풍력발전기의 기초로 사용되는 버켓기초에는 수평하중과 모멘트가 크게 작용한다. 그러므로, 수평하중과 모멘트에 대한 지지력을 증가시키기 위해 3개의 단일 버켓기초를 묶은 Tripod 버켓기초가 적용되고 있다. 본 연구는 ABAQUS(2010) 해석을 수행하여 점토 지반에 근입된 Tripod 기초의 무리효과와 지지력을 분석하였다. 변수연구를 위해 버켓간 간격비 S/D(S=버켓과 타워중심간의 거리, D=버켓 직경)와 근입깊이비 L/D(L=버켓의 지반 근입깊이)를 변화시키며 해석을 수행하였다. 구성모델은 정규압밀 점토지반에 대해 Tresca 항복기준을 적용한 탄성-완전 소성 모델, 그리고 버켓기초에 대해 탄성모델을 적용하였다. 하중조건은 절점의 변위를 증가시키는 방법으로 연직, 수평 그리고 모멘트 하중을 재하하였다. 해석결과로부터, 단일 버켓기초와 Tripod 기초의 지지거동과 지지력을 비교한 후 단일 버켓의 지지력을 이용하여 Tripod 기초의 지지력을 산정하는 방법을 제안하였다.
해상 풍력발전기의 기초로 사용되는 버켓기초에는 수평하중과 모멘트가 크게 작용한다. 그러므로, 수평하중과 모멘트에 대한 지지력을 증가시키기 위해 3개의 단일 버켓기초를 묶은 Tripod 버켓기초가 적용되고 있다. 본 연구는 ABAQUS(2010) 해석을 수행하여 점토 지반에 근입된 Tripod 기초의 무리효과와 지지력을 분석하였다. 변수연구를 위해 버켓간 간격비 S/D(S=버켓과 타워중심간의 거리, D=버켓 직경)와 근입깊이비 L/D(L=버켓의 지반 근입깊이)를 변화시키며 해석을 수행하였다. 구성모델은 정규압밀 점토지반에 대해 Tresca 항복기준을 적용한 탄성-완전 소성 모델, 그리고 버켓기초에 대해 탄성모델을 적용하였다. 하중조건은 절점의 변위를 증가시키는 방법으로 연직, 수평 그리고 모멘트 하중을 재하하였다. 해석결과로부터, 단일 버켓기초와 Tripod 기초의 지지거동과 지지력을 비교한 후 단일 버켓의 지지력을 이용하여 Tripod 기초의 지지력을 산정하는 방법을 제안하였다.
Bucket foundations, which are used in the foundations of offshore wind turbines, should be able to withstand large amounts of horizontal and moment loads. Tripod bucket foundation, which combines three single buckets, has been used to increase horizontal and moment capacities. This study performed n...
Bucket foundations, which are used in the foundations of offshore wind turbines, should be able to withstand large amounts of horizontal and moment loads. Tripod bucket foundation, which combines three single buckets, has been used to increase horizontal and moment capacities. This study performed numerical analysis using ABAQUS (2010), to analyze the group effect and the bearing capacity of a tripod bucket in clay. Parametric studies were performed varying the bucket spacing ratio S/D (S=spacing between the centers of the bucket and the tower; D=diameter of the bucket) and depth ratio L/D (L=embedded length of skirt). The applied constitutive models were a linear elastic perfectly plastic model with Tresca yield criteria for normally consolidated clay and an elastic model for buckets. Loading in the vertical, horizontal, and moment directions was simulated with an increase in each movement at a reference point. The bearing behavior and the capacities of a single and a tripod bucket were compared. Capacity evaluation method of the tripod bucket was suggested using the capacity of a single bucket.
Bucket foundations, which are used in the foundations of offshore wind turbines, should be able to withstand large amounts of horizontal and moment loads. Tripod bucket foundation, which combines three single buckets, has been used to increase horizontal and moment capacities. This study performed numerical analysis using ABAQUS (2010), to analyze the group effect and the bearing capacity of a tripod bucket in clay. Parametric studies were performed varying the bucket spacing ratio S/D (S=spacing between the centers of the bucket and the tower; D=diameter of the bucket) and depth ratio L/D (L=embedded length of skirt). The applied constitutive models were a linear elastic perfectly plastic model with Tresca yield criteria for normally consolidated clay and an elastic model for buckets. Loading in the vertical, horizontal, and moment directions was simulated with an increase in each movement at a reference point. The bearing behavior and the capacities of a single and a tripod bucket were compared. Capacity evaluation method of the tripod bucket was suggested using the capacity of a single bucket.
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문제 정의
또한, 연직하중, 수평하중 그리고 모멘트 하중 등 3가지 하중조건에 대한 지지거동을 분석하였다. 본 변수연구 해석결과를 이용하여 Tripod 기초의 지지거동을 분석하고, Tripod 기초의 지지력을 산정할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 Tripod와 단일버켓 기초의 지지력을 비교하여 분석하였다. 각 결과에서 Tripod 기초의 지지력은 버켓의 개수로 나누어 단일 버켓기초의 지지력으로 환산하였으며 단일기초의 지지력과 비교하였다.
가설 설정
(2) 버켓기초의 지반내 관입거동은 본 해석에서 모델링하지 않았으며, 기초설치가 완료된 후의 상태를 가정하였다. 버켓기초 요소를 활성화시키고, 기초와 인접지반 사이에 인터페이스 요소를 설치하였다.
제안 방법
본 연구에서는 Tripod와 단일버켓 기초의 지지력을 비교하여 분석하였다. 각 결과에서 Tripod 기초의 지지력은 버켓의 개수로 나누어 단일 버켓기초의 지지력으로 환산하였으며 단일기초의 지지력과 비교하였다.
모멘트 하중이 가해지면 단일버켓은 회전이 발생하며 인접지반의 수평지지력으로 저항하는데 반하여, Tripod 기초는 각 버켓의 연직방향 압축과 인발 지지력으로 저항한다. 그러므로, Tripod 기초의 지지력은 각 단일 버켓기초의 연직방향 지지력으로부터 산정된 모멘트 지지력의 합에 보정계수를 곱하여 산정하는 식을 제안하였다. 이 때, 보정계수는 안전측의 설계를 위해 0.
그러므로, 그림 2와 같이 기초 상단의 구조체가 위치하는 지점을 기준점(reference point)으로 지정한 후에 이 점의 연직방향(w)과 수평방향(u), 그리고 회전(θ) 변위를 서서히 증가시키면서 연직(V), 수평(H), 모멘트(M) 하중을 재하하였다.
(1) 초기응력 조건(geostatic condition)은 구조물이 없는 조건에서 토체의 자중에 의해 지반내에 존재하는 구속압을 구현하는 것이다. 그러므로, 기초부분에 해당하는 요소들을 제거하고 기초와 인접지반사이의 절점에 변위 구속조건을 적용하여 버켓기초의 형상이 유지되도록 하였다. 그리고, 중력가속도를 작용시켜 지반구속압을 구현하였다.
그러므로, 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 점성토 지반에 설치된 Tripod 기초의 지지거동을 분석하였다. 이를 위해, Tripod 기초의 실제 근입형상을 모사하는 3차원 유한요소망을 작성하였다.
버켓기초 요소를 활성화시키고, 기초와 인접지반 사이에 인터페이스 요소를 설치하였다. 그리고, 기초 자중에 의한 지중 응력증가를 구현하였다.
요소의 크기는 기초 인접지반에서의 응력과 변형률의 변화를 정밀히 고려하기 위해 기초 인접지반에 가까워질수록 요소크기를 작게 적용하였다(Gourvenec and Randolph, 2003). 그리고, 기초와 지반 모델링에 적용된 요소는 eight nodded-linear brick elements with reduced integration(C3D8R)을 사용하였다.
이를 위해, Tripod 기초의 실제 근입형상을 모사하는 3차원 유한요소망을 작성하였다. 그리고, 버켓기초 지지력의 매개 변수로서 버켓 간격 영향을 고려하는 S/D비, 그리고 지반 근입깊이 영향을 고려하는 L/D비를 적용하였다. 또한, 연직하중, 수평하중 그리고 모멘트 하중 등 3가지 하중조건에 대한 지지거동을 분석하였다.
0로 변화시켰다. 그리고, 버켓기초의 직경은 D=5m로 고정시킨 조건에서 L/D비를 0.25, 0.5, 0.75, 1.0로 변화시켰다. 하중조건의 경우 각각 연직(V), 수평(H), 모멘트(M)의 3가지을 적용하였다.
그러므로, 기초부분에 해당하는 요소들을 제거하고 기초와 인접지반사이의 절점에 변위 구속조건을 적용하여 버켓기초의 형상이 유지되도록 하였다. 그리고, 중력가속도를 작용시켜 지반구속압을 구현하였다. 이 때, ABAQUS 프로그램에서 지원하는 geostatic option을 적용하여 중력가속도에 의한 자중과 지반구속압이 균형이 되고, 요소 절점의 변위가 0 또는 무시할 수 있을 정도로 안정화되는 조건을 구현하였다.
그리고, 버켓기초 지지력의 매개 변수로서 버켓 간격 영향을 고려하는 S/D비, 그리고 지반 근입깊이 영향을 고려하는 L/D비를 적용하였다. 또한, 연직하중, 수평하중 그리고 모멘트 하중 등 3가지 하중조건에 대한 지지거동을 분석하였다. 본 변수연구 해석결과를 이용하여 Tripod 기초의 지지거동을 분석하고, Tripod 기초의 지지력을 산정할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
(2) 버켓기초의 지반내 관입거동은 본 해석에서 모델링하지 않았으며, 기초설치가 완료된 후의 상태를 가정하였다. 버켓기초 요소를 활성화시키고, 기초와 인접지반 사이에 인터페이스 요소를 설치하였다. 그리고, 기초 자중에 의한 지중 응력증가를 구현하였다.
495, 수중단위중량은 6kN/m3, 지반의 탄성계수는 400×Su를 적용하였다(표 2). 버켓기초의 탄성계수는 지반의 탄성계수보다 106배 큰 값을 적용하여 강성기초로 거동하도록 하였다. 그리고, 기초와 인접지반 사이에 설치되는 인터페이스 요소의 경우 버켓에 하중이 가해지면 버켓주면의 흙에 석션압이 발생하면서 점토의 인장강도가 발휘되기 때문에 기초와 지반간의 분리와 미끄러짐 현상이 발생하지 않는 rough 조건을 적용하였다(Bransby and Yun, 2009).
본 연구에서 수행한 변수연구 해석종류를 표 1에 정리하였다. 버켓형식은 단일버켓(monopod)과 Tripod의 2가지 종류를 적용하였다. 이 때, Tripod 버켓기초는 버켓간격의 영향을 살펴보기 위해 버켓간격을 정의하는 S/D비를 1.
본 연구에서는 점성토 지반에 근입된 Tripod 버켓기초에 대하여 3차원 수치해석을 수행하여 다음의 결론을 도출하였다.
점성토 지반은 Gourvenec(2008)의 연구결과를 참조하여 정규압밀 상태의 점토에 대한 입력물성값을 결정하였다. 비배수 전단강도는 일반적으로 깊이에 따른 유효구속압에 비례하여 증가하지만, 본 연구의 경우 버켓의 근입깊이가 얕고 버켓의 지지력이 깊이에 따른 비배수 전단강도의 모델링에 관계없이 유사한 값을 도출하였기 때문에 본 연구에서는 모델링의 편의를 위하여 비배수 전단강도값을 Su=5kPa로 깊이에 관계없이 일정하게 적용하였다.
그러므로, 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 점성토 지반에 설치된 Tripod 기초의 지지거동을 분석하였다. 이를 위해, Tripod 기초의 실제 근입형상을 모사하는 3차원 유한요소망을 작성하였다. 그리고, 버켓기초 지지력의 매개 변수로서 버켓 간격 영향을 고려하는 S/D비, 그리고 지반 근입깊이 영향을 고려하는 L/D비를 적용하였다.
그림 3은 해석에 적용된 전형적인 요소망을 보여준다. 해석요소망은 대칭조건을 고려하여 반단면만을 모델링하였다. 요소의 크기는 기초 인접지반에서의 응력과 변형률의 변화를 정밀히 고려하기 위해 기초 인접지반에 가까워질수록 요소크기를 작게 적용하였다(Gourvenec and Randolph, 2003).
해석요소망의 크기는 최적화 연구를 수행하여 연직방향과 수평방향 지지력에 영향을 미치지 않는 최소 범위를 결정하였다. 그림 4는 단일버켓에 대한 최적화 연구결과로서, 버켓의 선단으로부터 요소망 바닥까지의 거리 BV와 버켓의 측면으로부터 요소망 측면까지의 거리 BH를 증가시키면서 연직방향 지지력(V0)과 수평방향 지지력(H0)의 변화를 관찰하였다.
이론/모형
본 연구에서는 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS 6.10(2010)을 이용하여 변수연구를 수행하였다. 본 연구에서 수행한 변수연구 해석종류를 표 1에 정리하였다.
점성토 지반은 Gourvenec(2008)의 연구결과를 참조하여 정규압밀 상태의 점토에 대한 입력물성값을 결정하였다. 비배수 전단강도는 일반적으로 깊이에 따른 유효구속압에 비례하여 증가하지만, 본 연구의 경우 버켓의 근입깊이가 얕고 버켓의 지지력이 깊이에 따른 비배수 전단강도의 모델링에 관계없이 유사한 값을 도출하였기 때문에 본 연구에서는 모델링의 편의를 위하여 비배수 전단강도값을 Su=5kPa로 깊이에 관계없이 일정하게 적용하였다.
그림 4는 단일버켓에 대한 최적화 연구결과로서, 버켓의 선단으로부터 요소망 바닥까지의 거리 BV와 버켓의 측면으로부터 요소망 측면까지의 거리 BH를 증가시키면서 연직방향 지지력(V0)과 수평방향 지지력(H0)의 변화를 관찰하였다. 지지력 V0와 H0는 그림 5에 나타낸 tangent intersection 방법(Mansur and Kaufman, 1956)을 적용하여 산정하였다. 이 방법은 하중-변위 곡선의 초기와 후반 부분을 따라 그린 2개의 접선이 교차하는 점의 하중을 지지력으로 결정한다.
성능/효과
1. 점성토 지반에 설치된 Tripod 기초는 S/D=2.0이상인 경우 연직방향 지지력에 대한 기초의 무리효과는 무시할 수 있다. 그리고, Tripod 기초의 연직지지력은 각 단일 버켓 기초의 주면마찰력과 선단지지력을 분리하여 산정할 수 있다.
2. 수평하중에 대한 Tripod 기초의 거동은 S/D비가 증가할수록 버켓의 회전경향이 줄어들고 수평이동의 경향이 커지기 때문에 수평방향 지지력은 S/D비에 따라 증가한다. 그리고, S/D비가 2.
3. 모멘트 하중이 가해지면 단일버켓은 회전이 발생하며 인접지반의 수평지지력으로 저항하는데 반하여, Tripod 기초는 각 버켓의 연직방향 압축과 인발 지지력으로 저항한다. 그러므로, Tripod 기초의 지지력은 각 단일 버켓기초의 연직방향 지지력으로부터 산정된 모멘트 지지력의 합에 보정계수를 곱하여 산정하는 식을 제안하였다.
본 그림에 단일버켓의 회전구속여부에 따른 지지력을 함께 나타내었다. 단일버켓에 대하여 회전을 고정한 조건(그림에서 별표 기호)의 지지력은 회전을 허용한 조건(S/D=0에서의 값)과 비교하여 L/D=0.25, 0.5, 0.75, 1.0에서 각각 1.0배, 1.2배, 1.7배, 2.1배 큰 것으로 나타났다. 이것은 회전을 고정하면 전체 근입깊이에서 일정한 수평방향 변위가 발생하면서 수평방향 지지력이 증가하는 것이다.
그리고, 중력가속도를 작용시켜 지반구속압을 구현하였다. 이 때, ABAQUS 프로그램에서 지원하는 geostatic option을 적용하여 중력가속도에 의한 자중과 지반구속압이 균형이 되고, 요소 절점의 변위가 0 또는 무시할 수 있을 정도로 안정화되는 조건을 구현하였다.
모멘트 하중이 가해질 때 버켓이 회전하지 않고 각 버켓의 인발과 압축변위만 발생한다고 가정하면 Tripod 기초의 모멘트 저항력은 이론적으로 (단일 버켓기초의 인발저항력 또는 압축저항력)과 (타워중앙과 버켓 간의 모멘트 거리)의 곱으로 산정된다. 해석에서 얻어진 모멘트 지지력은 이 이론적인 값의 평균 약 83%로 나타났으며 이 값은 S/D비가 1.5이상인 경우, S/D와 L/D비에 영향을 받지 않았다. 그러므로, Tripod 기초의 모멘트 지지력 M0는 다음 식 (2)와같이 각 단일버켓의 모멘트 지지력의 합에 보정계수 fM를 곱하여 산정할 수 있다.
후속연구
실제, DNV 설계기준(2007)에서는 버켓 하단부를 얕은기초의 저면으로 가정하고 지지력을 평가하도록 제안하고 있다. 그러나, 버켓기초의 지지거동은 실제 근입형상과 버켓기초-인접 지반간의 상호작용에 의해 달라질 수 있으므로 버켓기초의 실제조건을 고려할 수 있는 수치해석 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
버켓기초에 작용하는 힘은 무엇이 있는가?
해상 풍력발전기의 기초로 사용되는 버켓기초에는 수평하중과 모멘트가 크게 작용한다. 그러므로, 수평하중과 모멘트에 대한 지지력을 증가시키기 위해 3개의 단일 버켓기초를 묶은 Tripod 버켓기초가 적용되고 있다.
버켓기초는 어떤 형상을 이루고 있는가?
버켓기초는 수중에 설치되는 기초로서 푸팅아래에 주변 벽체(skirt)가 달려있는 형상을 가지고 있다. 설치방법은 버켓 내부의 물을 바깥으로 배출하면서 생기는 내부와 외부의 압력차(suction pressure)를 이용하여 관입시킨다(Tran and Randolph, 2008).
버켓기초의 설치방법은?
버켓기초는 수중에 설치되는 기초로서 푸팅아래에 주변 벽체(skirt)가 달려있는 형상을 가지고 있다. 설치방법은 버켓 내부의 물을 바깥으로 배출하면서 생기는 내부와 외부의 압력차(suction pressure)를 이용하여 관입시킨다(Tran and Randolph, 2008).
참고문헌 (15)
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