해상풍력발전 설치를 위한 jack-up rig 작업 시 연약지반에 발생하는 지반침하에 관한 연구 A Study on the Soft Ground Subsidence beneath the Jack-up Rig Working for Offshore Wind Turbine Installation원문보기
신재생에너지의 관심이 증가함에 따라 해상풍력발전시장이 확대되고 있다. 열악한 환경에서 해상풍력발전을 안전하게 설치하기 위해서는 jack-up rig를 이용한 작업이 이루어져야하며, 최근에는 기존 jack-up rig의 단점을 보완한 자체추진력을 가진 WTIV가 개발되었다. 이는 60 m이하의 연안에서 주로 작업이 이루어지며, 이러한 지역은 연약 점성토 및 사질토로 jack-up rig 작업 시 지반침하에 대한 안정성 검토가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 압밀이론을 고려하여 jack-up rig 작업이 연약지반에 미치는 영향을 FLAC3D를 이용하여 수치해석적인 연구를 진행하였다. 침하정도를 분석하고, 안정적인 jack-up rig 작업을 위해 재하방법을 달리하였다. 본 연구에서 적용한 차등재하방법 중 mid-loading 방법은 clay층에 유리하며, pre-loading 방법은 sand층에 유리한 결과가 나타났다.
신재생에너지의 관심이 증가함에 따라 해상풍력발전시장이 확대되고 있다. 열악한 환경에서 해상풍력발전을 안전하게 설치하기 위해서는 jack-up rig를 이용한 작업이 이루어져야하며, 최근에는 기존 jack-up rig의 단점을 보완한 자체추진력을 가진 WTIV가 개발되었다. 이는 60 m이하의 연안에서 주로 작업이 이루어지며, 이러한 지역은 연약 점성토 및 사질토로 jack-up rig 작업 시 지반침하에 대한 안정성 검토가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 압밀이론을 고려하여 jack-up rig 작업이 연약지반에 미치는 영향을 FLAC3D를 이용하여 수치해석적인 연구를 진행하였다. 침하정도를 분석하고, 안정적인 jack-up rig 작업을 위해 재하방법을 달리하였다. 본 연구에서 적용한 차등재하방법 중 mid-loading 방법은 clay층에 유리하며, pre-loading 방법은 sand층에 유리한 결과가 나타났다.
With concern for new renewable energy sources rising, the offshore wind turbine energy market is growing. In order to install offshore wind turbines safely in a harsh environment, jack-up rigs need to be used. Recently, a WTIV(Wind Turbine Installation Vessel), which has a self-propelling system, wa...
With concern for new renewable energy sources rising, the offshore wind turbine energy market is growing. In order to install offshore wind turbines safely in a harsh environment, jack-up rigs need to be used. Recently, a WTIV(Wind Turbine Installation Vessel), which has a self-propelling system, was developed to replace traditional jack-up rigs. Since the jack-up rig works at 60 meters of depth in offshore and the seafloor is composed mostly of soft clay and sand, it is necessary to conduct a stability examination for ground subsidence before using it. This study conducts an improved numerical analysis of the effect of jack-up rig loading on the soft ground by using FLAC3D considering consolidation theory. This includes analyzing the amount of subsidence when applying different cases of surchargings. It can be concluded that the mid-loading method has an advantage as regards clay layers and the pre-loading method has an advantage as regards sand layers.
With concern for new renewable energy sources rising, the offshore wind turbine energy market is growing. In order to install offshore wind turbines safely in a harsh environment, jack-up rigs need to be used. Recently, a WTIV(Wind Turbine Installation Vessel), which has a self-propelling system, was developed to replace traditional jack-up rigs. Since the jack-up rig works at 60 meters of depth in offshore and the seafloor is composed mostly of soft clay and sand, it is necessary to conduct a stability examination for ground subsidence before using it. This study conducts an improved numerical analysis of the effect of jack-up rig loading on the soft ground by using FLAC3D considering consolidation theory. This includes analyzing the amount of subsidence when applying different cases of surchargings. It can be concluded that the mid-loading method has an advantage as regards clay layers and the pre-loading method has an advantage as regards sand layers.
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제안 방법
Grid의 분할은 해석의 편의를 위해 X-축과 Y-축 방향의 grid는 비교적 큰 mesh로 모델링 하였으며, Z-축 방향은 침하를 좀 더 정확하게 관찰하기 위해 floor1은 0.5 m간격으로, floor2와 floor3는 1 m 간격으로 모델링 하였다(Figure 3). 모델링을 좀 더 사실적으로 해석하기 위해 외부 하중에 의해 감소하는 간극과 간극의 감소로 인해 감소되는 투수계수의 영향을 고려하였다.
간극과 투수계수는 일반적인 점토와 모래의 자연조건상태 값을 적용하여 A층은 간극률 45%, 투수계수 10-10 m/sec를 B층은 간극률 40%, 투수계수 10-6 m/sec를 적용하였고[10], 습윤정도는 두 층 모두 완전습윤상태를 적용하였다.
경계조건의 영향을 무시하기 위해 외부하중을 받는 spudcan의 좌· 우측을 각각 4배로 적용하여 spudcan직경을 포함해 전체면적 72 m × 72 m로 하여 모델링을 하였으며, 수심 19 m를 고려하여 정수압을 가하였다.
5 m간격으로, floor2와 floor3는 1 m 간격으로 모델링 하였다(Figure 3). 모델링을 좀 더 사실적으로 해석하기 위해 외부 하중에 의해 감소하는 간극과 간극의 감소로 인해 감소되는 투수계수의 영향을 고려하였다.
수치해석 방법을 이용하여 차등재하에 따른 해상풍력발전 jack-up rig 작업 시에 발생하는 지반침하 양상과 침하에 따른 지반의 저항정도를 분석하였다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.
수치해석을 위한 입력변수는 부산시 OO지역의 지질조사보고서[7]의 총 40공 시추공 중 해상시추공 10공의 시추주상도 및 시추공 정보를 통해 조성, 특성, N치 등을 파악하였다. 획득한 연구지역 해상시추공의 평균 물성은 Table 1과 같고 이를 한국도로공사[8], Bowles 등[9]이 제시한 사질· 점성토 물성값을 적용하였다.
Figure 4의 그래프 분석결과 floor1에서 급속하게 침하가 발생하여, 불안정한 침하가 예상됨에 따라 재하방법을 달리하여 지반의 저항 정도를 높여 지반침하 정도를 분석하였다. 재하방법은 완전압밀이 시작되는 3.1 m의 지반에 발생한 응력 4.84 MPa을 초기에 가하고 3.1 m 이후부터는 서서히 압력을 증가하는 방법(pre-loading)과 3.1 m까지 서서히 압력을 가하다가 3.1 m에서 floor1층에 완전한 침하가 발생하는 10 m에서 지반에 발생하는 응력 7.03 MPa를 한번에 가하는 방법(mid-loading)으로 그래프 양상의 변화 및 spudcan의 침하정도를 분석하였다. Figure 8의 (a)는 floor1에 pre-loading 방법을 적용한 그래프이다.
대상 데이터
FLAC3D란 유한차분해석 프로그램으로 토질 및 암석역학 분야에 널리 사용되는 상용화 프로그램으로 Lagrangian 해석방법을 사용한다[11]. 부산 OO지역의 지질조사 보고서를 통하여 산정한 두께는 floor1 10 m, floor2 14 m로 모델링하였고, floor3은 10 m로 모델링 후 Z축 방향으로 롤러조건을 부여하여 각 층의 물성값을 입력하였다. 경계조건의 영향을 무시하기 위해 외부하중을 받는 spudcan의 좌· 우측을 각각 4배로 적용하여 spudcan직경을 포함해 전체면적 72 m × 72 m로 하여 모델링을 하였으며, 수심 19 m를 고려하여 정수압을 가하였다.
이론/모형
수치해석을 위한 프로그램은 Itasca社의 FLAC3D를 사용하였다. FLAC3D란 유한차분해석 프로그램으로 토질 및 암석역학 분야에 널리 사용되는 상용화 프로그램으로 Lagrangian 해석방법을 사용한다[11].
획득한 연구지역 해상시추공의 평균 물성은 Table 1과 같고 이를 한국도로공사[8], Bowles 등[9]이 제시한 사질· 점성토 물성값을 적용하였다.
성능/효과
1) Floor1의 점토층의 초기침하는 간극의 영향을 받아 지수곡선으로 침하가 발생하였으며, 완전히 압밀된 이후에는 선형적인 침하를 보였다. Floor2의 모래층은 floor1보다는 빠르게 간극이 닫혔으며, 응력-변위 그래프의 기울기가 floor1보다 완만하여 보다 안정된 침하양상을 보였다.
2) 8 m × 8 m의 spudcan에 하중을 가하고 지반에 11 MPa의 응력이 작용할 때, 13 m의 침하가 최종적으로 발생하였다.
3) 차등재하방법을 적용하여 지반에 압력을 가한 floor1에서는 pre-loading 방법을 적용하였을 때, 최대저항 7.97 MPa, mid-loading 방법을 적용하였을 때, 8.28 MPa의 저항이 나타났다.
4) 지반에 발생한 응력이 11 MPa 일 때, pre-loading 방법 적용 시, 12.37 m의 침하가 발생하였고, mid-loading 방법을 적용 시, 12.76 m의 침하가 발생하였다.
5) 응력-변위 그래프 분석결과 mid-loading 방법은 점토층, 즉, 간극이 크고 투수계수가 작은 층에 유리하며, pre-loading 방법은 간극이 적고 투수계수가 큰 모래층에 유리한 결과를 나타내었다.
03 MPa이었다. Spudcan이 floor1을 지나 floor2 지반에 접근하면서 침하가 급격하게 감소하였으며, 침하양상은 floor1과 동일하게 초기에는 지수 곡선을 그리다가 선형적인 침하를 보이나 floor2에 접근하면 침하가 현저하게 감소하여 그래프의 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있다.
Figure 4는 spudcan 하부의 응력-변위 그래프를 나타낸다. 그래프의 곡선은 침하 초기에는 간극의 영향으로 지수 곡선을 그리며 침하가 발생하였으며, 이론적으로 완전압밀이 이루어지는 3.1 m 부근부터는 선형적인 침하곡선이 나타났다. 완전압밀이 시작되는 3.
Figure 6과 Figure 7은 spudcan에 접하는 하부지반이 받는 응력이 11 MPa 일 때, 지반이 받는 하중분포와 지반에 발생하는 변위를 각각 나타낸 것으로 spudcan 하부를 중심으로 응력이 집중됨을 알 수 있다. 또한 집중된 응력에 의해 지반에 나타나는 변위를 확인 할 수 있으며, 심도가 증가함에 따라 응력이 감소하고 이에 따라 변위량도 감소되었다.
후속연구
최근 국내에서 해상풍력발전단지 입지구성을 위한 탐사가 계획·진행되고 있다. 따라서 탐사를 통한 대상지반의 적절한 물성을 획득하고, 본 연구를 바탕으로 하여 jack-up rig 작업 시 적절한 재하방법을 이용한다면 보다 안정적이고 효과적인 해상풍력발전의 설치를 기대할 수 있을 것이라 사료된다.
따라서 발전용량의 증가에 따라 해상풍력발전이 점차 대형화됨으로 해상풍력발전 설치를 위한 jack-up rig 작업 시 연약지반에 발생하는 침하 정도는 안전한 작업을 위해 사전에 검토해야 할 요소이다. 본 연구는 수치해석 프로그램을 이용하여 jack-up rig 작업 시 지반 침하 정도를 분석하였고, 이러한 연구를 통하여 보다 안전하고 효율적인 jack-up rig 작업을 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상풍력발전시장이 확대되는 이유는?
신재생에너지의 관심이 증가함에 따라 해상풍력발전시장이 확대되고 있다. 열악한 환경에서 해상풍력발전을 안전하게 설치하기 위해서는 jack-up rig를 이용한 작업이 이루어져야하며, 최근에는 기존 jack-up rig의 단점을 보완한 자체추진력을 가진 WTIV가 개발되었다.
열악한 환경에서 해상풍력발전을 안전하게 설치하기 위해서는 무엇을 이용한 작업이 이루어져야 하는가?
신재생에너지의 관심이 증가함에 따라 해상풍력발전시장이 확대되고 있다. 열악한 환경에서 해상풍력발전을 안전하게 설치하기 위해서는 jack-up rig를 이용한 작업이 이루어져야하며, 최근에는 기존 jack-up rig의 단점을 보완한 자체추진력을 가진 WTIV가 개발되었다. 이는 60 m이하의 연안에서 주로 작업이 이루어지며, 이러한 지역은 연약 점성토 및 사질토로 jack-up rig 작업 시 지반침하에 대한 안정성 검토가 선행되어야 한다.
참고문헌 (12)
Ji-Young Kim, Kyuong-Yul Kim and Jun-Shin Lee, "Optimal layout design of offshore wind turbines by response surface analysis", Journal of the Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, vol. 23, no. 2, pp. 163-170, 2011 (in Korean).
Young-Ho Lee and Beom-Seok Kim, "Outline and outlook of the offshore wind power generation", The 2nd Proceedings of the Korean Society of Marine Engineers Conference, pp. 167-168, 2005 (in Korean).
Yoon-Kyung Kang and Won-Yil Jang, "A study on subsidence of soft ground using artificial neural network", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 6, pp. 914-921, 2010 (in Korean).
Byung-Sik Chun, Geomechanical Engineerning, Goomibook, 1998 (in Korean).
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Sang-Hoon Lee, A Elementary Design Geological Survey Report of Outer Ring Road in Coast Section, Korea Institute of Construction Technology, 1992 (in Korean).
Korea Expressway Corporation, Road Design Working Affairs Book - Soil and Foundation, 1996 (in Korean).
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Burt G. Look, Handbook of Geotechnical Investigation and Design Tables, Taylor and Francis, pp. 91-100, 2007.
Tho Kee Kiat, Chun Fai Leung and Yean Khow Chow, A coupled Eulerian-Lagranian Approach for Spudcan Penetration Analysis, PetroMin Offshore Week, pp. 32-37, 2011.
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