수평하중이 지배적인 해상 풍력발전기 설계 시에는 지반-기초구조물 거동을 정확히 모사하여야 상부구조물에 대한 정확한 거동예측이 가능하며, 합리적 설계가 이루어질 수 있다. 현재 다양한 지반 모델링 기법이 존재하나, 모노파일 기초 설계 시, 각 해석 기법에 대한 충분한 검증 절차 없이 해석 결과를 그대로 사용할 경우 구조물을 과다 및 과소하게 설계할 우려가 있다. 이에 본 연구에서는 지반 모델링 기법 차에 따른 모노파일의 부재력 및 수평변위 차를 비교 분석하였다. 검토 결과 고정단 모델은 최대 수평변위를 과소평가 하여 사용성 검토 측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났으며, 고정단 모델, 지반강성행렬 모델은 모노파일의 부재력을 과소평가하는 것으로 나타났다. 반면 가상고정점 모델은 모노파일의 부재력을 과대평가하여 경제성 측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났다. 지반반력계수 모델과 p-y곡선 모델의 경우 3D 지반 모델링 해석 결과와 비교적 유사한 수평변위 및 부재력을 나타냈으며, 지반을 2D로 모델링한 경우 타 모델링 기법에 비해 과대한 수평변위와 부재력을 산정했다.
수평하중이 지배적인 해상 풍력발전기 설계 시에는 지반-기초구조물 거동을 정확히 모사하여야 상부구조물에 대한 정확한 거동예측이 가능하며, 합리적 설계가 이루어질 수 있다. 현재 다양한 지반 모델링 기법이 존재하나, 모노파일 기초 설계 시, 각 해석 기법에 대한 충분한 검증 절차 없이 해석 결과를 그대로 사용할 경우 구조물을 과다 및 과소하게 설계할 우려가 있다. 이에 본 연구에서는 지반 모델링 기법 차에 따른 모노파일의 부재력 및 수평변위 차를 비교 분석하였다. 검토 결과 고정단 모델은 최대 수평변위를 과소평가 하여 사용성 검토 측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났으며, 고정단 모델, 지반강성행렬 모델은 모노파일의 부재력을 과소평가하는 것으로 나타났다. 반면 가상고정점 모델은 모노파일의 부재력을 과대평가하여 경제성 측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났다. 지반반력계수 모델과 p-y곡선 모델의 경우 3D 지반 모델링 해석 결과와 비교적 유사한 수평변위 및 부재력을 나타냈으며, 지반을 2D로 모델링한 경우 타 모델링 기법에 비해 과대한 수평변위와 부재력을 산정했다.
To predict behaviors of offshore wind turbines which are highly laterally loaded structures and to design them rationally, evaluating the soil-foundation interaction is important. Nowadays, there are many soil modeling methods for structural analysis of general structures subjected to vertical loads...
To predict behaviors of offshore wind turbines which are highly laterally loaded structures and to design them rationally, evaluating the soil-foundation interaction is important. Nowadays, there are many soil modeling methods for structural analysis of general structures subjected to vertical loads, but using the methods without any consideration for design of a monopile foundation is eschewed because it might cause wrong structural design due to the deferent loading state. In this paper, we identify the differences of the member forces and displacements by design methods. The results show that fixed end method is barely suitable for monopile design in terms of checking the serviceability because it underestimate the lateral displacement. Fixed end method and stiffness matrix method underestimate the member forces, whereas virtual fixed end method overestimates them. The results of p-y curve method and coefficient of subgrade reaction method are similar to the results of 3D soil modeling method, and 2D soil modeling method overestimates the displacement and member forces as compared with other methods.
To predict behaviors of offshore wind turbines which are highly laterally loaded structures and to design them rationally, evaluating the soil-foundation interaction is important. Nowadays, there are many soil modeling methods for structural analysis of general structures subjected to vertical loads, but using the methods without any consideration for design of a monopile foundation is eschewed because it might cause wrong structural design due to the deferent loading state. In this paper, we identify the differences of the member forces and displacements by design methods. The results show that fixed end method is barely suitable for monopile design in terms of checking the serviceability because it underestimate the lateral displacement. Fixed end method and stiffness matrix method underestimate the member forces, whereas virtual fixed end method overestimates them. The results of p-y curve method and coefficient of subgrade reaction method are similar to the results of 3D soil modeling method, and 2D soil modeling method overestimates the displacement and member forces as compared with other methods.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 육상의 말뚝기초 거동 해석에 대해 제안되어온 다양한 지반-기초 모델링 기법에 대하여 수평하중을 지배적으로 받는 해상풍력발전기의 모노파일 기초의 거동 해석에 적용하고 각 모델링 기법의 특징과 모델링 방법이 해석결과에 미치는 영향을 정량적으로 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 수평하중이 지배적인 해상풍력발전기 모노파일 기초 설계 시, 단일 사질토 지반에 대하여 모델링 기법 차에 따른 부재력 및 수평변위 차를 비교 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
본 연구에서는 해저면 상부 모노파일에 대한 고정단 모델을 구축하고 작용하중을 재하하여 단면력을 검토하였다.
따라서 국외 연구에서는 모노파일의 거동을 분석하기 위하여 지반을 사질토와 점성토, 암반층 등의 단일 층으로 고려하여 분석하고 이들 연구결과를 종합 분석하여 다층지반조건에 적용하는 해석을 시도하고 있다[12],[13],[14]. 본 연구에서도 사질토지반 거동을 고려한 해상풍력 모노파일 해석 시 지반 모델링 기법에 대한 방향을 제시하고자 함에 따라 효율적인 비교분석을 위하여 국내 서해안 지역의 사질토 지반 특성을 고려한 단일 층으로 지반을 단순화하였다. 이때, 심도에 따른 지반의 유효응력이 반영되도록 모델링하였으며, 지반 물성치는 지반 변형계수(E0) 25,000kN/m2, 내부마찰각(Φ) 36 degree, 단위중량(γs) 20kN/m3, 포와송비(ν) 0.
수치해석의 경우 2D 및 3D 모델링에 따라 거동의 양상이 다르게 평가되므로, 본 연구에서는 2D 모델과 3D 모델에 대한 해석을 수행하였다. 이때, 모노파일은 Beam 요소를 적용하였고, 지반 모델의 경우 2D는 Shell 요소, 3D는 Solid요소를 이용하여 모델링을 실시하였으며, 범용 지반해석 프로그램인 MIDAS/GTS ver.
가설 설정
본 연구 대상 모노파일 기초는 수심 25m의 서해안 해상에 설치됨을 가정하였으며, 수면 위 5m에서 타워부와 결속된다. 따라서 수면 위 5m에 해당하는 부분에서는 바람하중을, 수면 아래에서는 조류 및 파랑하중을 받게 된다.
1에 도시된 바와 같이 해상풍력 발전기는 너셀과 블레이드, 타워 및 TP(transition piece), 기초부로 구성된다. 본 연구 대상 발전기의 규모는 5MW급으로써, 모노파일의 직경은 5m를 가정하였으며, API[11]에서 제시하고 있는 직경에 따른 최소 파일 두께를 고려하여 60mm의 파일 두께를 가정하였다. 본 모노파일은 STK 490 강관으로써탄성계수(Es) 210,000MPa, 포아송비(ν) 0.
본 연구에서 지반변형계수(E0)는 25,000kN/m2값을 가정하였으며, α는 평상시에 해당하는 값으로써 계수 4를 적용하였다.
즉, 상기 변수를 이용하여 식 (1)과 같이 기초의 특성치(β)를 산정한 후, Fig. 2 (b)에 도시된 바와 같이 해저 지반 아래 1/β인 지점에 가상고정점이 있다고 가정하고 해석을 수행한다[20].
지반반력계수 모델을 이용한 해석법은 지반이 각각 독립된 일련의 선형 탄성 스프링으로 거동함을 가정한다.
따라서 가상고정점의 위치는 1/β깊이인 -11.3m로 고려하여 해당 가상고정점 모델을 구축하고 해석을 수행하였다.
6% 미만으로 매우 작은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구 조건에서 절점 간격(0.5m~2.0m)에 대한 구조해석은 결과 값의 신뢰도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 사료됨에 따라, 본 연구에서는 절점 간격을 1m씩 나누어 지반반력계수를 부여하였으며, 지반반력계수와 p-y 곡선 모델을 이용하여 모노파일의 거동을 비교한 결과는 Fig. 6과 같다.
본 연구에서는 구조물기초설계기준[15]과 도로교설계기준[16]에서 제시한 극한지지력 산정식과 본 연구에서 적용한 연직하중(Table 1)을 고려하여 모노파일 기초 근입 깊이를 안전측으로 설계하여 60m로 산정하였다. 대구경 말뚝의 지지력 산정 시 선단의 폐색 정도에 따라 강관의 내외부 마찰력을 적용한 지지력과 선단 폐색을 가정하여 산정한 지지력 중 작은 값을 적용하도록 하는 국내 설계기준[16]의 제안사항을 반영하였다.
본 연구에서는 상기 하중에 영향을 미치는 극한환경조건으로써 해당 지역의 10분간 최대풍속 47.4m/s, 조류속도 1.1m/s, 파장 7.5m, 파랑주기 11.1sec를 적용하였다.
본 연구에서는 수평하중을 지배적으로 받는 해상풍력발전기의 모노파일 기초부에 대하여 지반 모델링 기법에 따른 거동 해석의 차를 분석하기 위하여 단일 경계조건만으로 지반을 구현하는 고정단 모델, 가상고정점 모델, 지반강성행렬 모델과 모노파일 모델의 각 절점에 대한 스프링 경계조건으로 지반을 구현하는 지반반력계수 모델, p-y 곡선 모델에 의한 해석 결과를 상호 비교하였다. 최종적으로 상기 해석기법의 결과와 지반을 직접 모델링한 수치해석 결과와의 비교를 통해 수평하중을 지배적으로 받는 모노파일 기초에 대한 각 해석기법 적용의 타당성을 검토하였다.
상부구조에 작용하는 하중으로써 모노파일 기초의 수평 거동에 영향을 미치는 하중은 회전하는 블레이드에 의해 발생하는 추력과 바람하중이 있으며, 상부구조의 자중은 연직하중으로써 모노파일의 연직 거동에 영향을 미친다. 상기 하중들은 모노파일에 직접 재하되지는 않으나, 모노파일의 수평, 수직 거동에 영향을 미치므로 2.1절에 서술한 바와 같이 모노파일 상부에 작용하는 하중으로 적용시켜 해석을 수행하였다. 각 작용하중의 크기는 ISO 코드에서 정한 바에 따라 Table 2와 같이 산정하였으며[17],[18],[19], 각 산정된 하중의 합력은 해저면 위치에서 수평력 14.
수치 해석의 2D 및 3D 모델 별 거동을 분석하기 위하여 2D와 3D 요소를 이용하여 해석을 실시하였으며, 수치 해석을 이용하여 모노파일의 거동을 비교한 결과는 Fig. 7과 같다.
수치해석의 경우 2D 및 3D 모델링에 따라 거동의 양상이 다르게 평가되므로, 본 연구에서는 2D 모델과 3D 모델에 대한 해석을 수행하였다. 이때, 모노파일은 Beam 요소를 적용하였고, 지반 모델의 경우 2D는 Shell 요소, 3D는 Solid요소를 이용하여 모델링을 실시하였으며, 범용 지반해석 프로그램인 MIDAS/GTS ver. 430을 사용하였다. 본 연구는 지반의 거동이 아닌 모노파일의 변위 및 모멘트에 관한 비교가 목적임에 따라, 모노파일과 지반의 Interface는 Rigid 조건을 적용하였고, 지반은 M-C(Mohr-Coulomb)모델을 사용하였으며, Fig.
이때, 심도에 따른 지반의 유효응력이 반영되도록 모델링하였으며, 지반 물성치는 지반 변형계수(E0) 25,000kN/m2, 내부마찰각(Φ) 36 degree, 단위중량(γs) 20kN/m3, 포와송비(ν) 0.3으로 적용하였다.
전술한 산정 식에 따라 수평반력계수(kh)는 28,017 kN/m3, 연직반력계수(kv)는 369,183kN/m로 도출되었으며, 해당 값을 각 절점의 경계조건으로 적용하여 해석을 수행하였다. 즉 Fig.
)는 369,183kN/m로 도출되었으며, 해당 값을 각 절점의 경계조건으로 적용하여 해석을 수행하였다. 즉 Fig. 2(d)에 도시된 바와 같이 지반과 접하는 모노파일에 대하여 각 절점에 수평 스프링 계수를 적용하고 모노파일 단부에는 연직 스프링 계수를 추가 적용하여 해석을 수행하였다. 해석 모델의 절점 간 간격은 1m로 하였으며, 절점 간격에 따른 해석 결과의 차를 확인하기 위해 0.
본 연구에서는 수평하중을 지배적으로 받는 해상풍력발전기의 모노파일 기초부에 대하여 지반 모델링 기법에 따른 거동 해석의 차를 분석하기 위하여 단일 경계조건만으로 지반을 구현하는 고정단 모델, 가상고정점 모델, 지반강성행렬 모델과 모노파일 모델의 각 절점에 대한 스프링 경계조건으로 지반을 구현하는 지반반력계수 모델, p-y 곡선 모델에 의한 해석 결과를 상호 비교하였다. 최종적으로 상기 해석기법의 결과와 지반을 직접 모델링한 수치해석 결과와의 비교를 통해 수평하중을 지배적으로 받는 모노파일 기초에 대한 각 해석기법 적용의 타당성을 검토하였다.
대구경 말뚝의 지지력 산정 시 선단의 폐색 정도에 따라 강관의 내외부 마찰력을 적용한 지지력과 선단 폐색을 가정하여 산정한 지지력 중 작은 값을 적용하도록 하는 국내 설계기준[16]의 제안사항을 반영하였다. 해당 모노파일을 각 지반 모델링 기법에 따라 모델링하고 해석을 수행하였다. 작용하중에 대한 상세 해석은 다음 절에서 설명하였다.
해석 결과는 지반 구현 특성 상, 해저지반에 근입된 모노파일과 지반을 직접 모델링하지 않고 하나의 경계조건으로써 지반특성을 반영하는 단일 경계조건 해석법(고정단 모델, 가상고정점 모델, 지반강성행렬 모델)과 지반에 근입된 모노파일의 각 절점에 대한 스프링 경계조건으로 지반특성을 반영하는 스프링 경계조건 해석법(지반반력계수 모델, p-y 곡선 모델), 그리고 수치해석(2D, 3D)으로 구분하여 분석하였다.
2(d)에 도시된 바와 같이 지반과 접하는 모노파일에 대하여 각 절점에 수평 스프링 계수를 적용하고 모노파일 단부에는 연직 스프링 계수를 추가 적용하여 해석을 수행하였다. 해석 모델의 절점 간 간격은 1m로 하였으며, 절점 간격에 따른 해석 결과의 차를 확인하기 위해 0.5m와 2m 절점 간격에 대한 해석을 추가로 수행하였다.
대상 데이터
본 모노파일은 STK 490 강관으로써탄성계수(Es) 210,000MPa, 포아송비(ν) 0.3, 단위중량(γs) 77kN/m3의 재료 물성치를 갖는다.
이론/모형
다만 각 지반을 대표하는 p-y 곡선을 산정하는 것이 쉽지 않기 때문에 많은 연구자들에 의해 다양한 지반과 하중조건을 고려한 p-y 곡선이 제안되어 왔으며[21], 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 Reese 등[22]이 사질토 층에 대하여 제안한 p-y 곡선을 이용하여 해석을 수행하였다.
에서 제시한 극한지지력 산정식과 본 연구에서 적용한 연직하중(Table 1)을 고려하여 모노파일 기초 근입 깊이를 안전측으로 설계하여 60m로 산정하였다. 대구경 말뚝의 지지력 산정 시 선단의 폐색 정도에 따라 강관의 내외부 마찰력을 적용한 지지력과 선단 폐색을 가정하여 산정한 지지력 중 작은 값을 적용하도록 하는 국내 설계기준[16]의 제안사항을 반영하였다. 해당 모노파일을 각 지반 모델링 기법에 따라 모델링하고 해석을 수행하였다.
430을 사용하였다. 본 연구는 지반의 거동이 아닌 모노파일의 변위 및 모멘트에 관한 비교가 목적임에 따라, 모노파일과 지반의 Interface는 Rigid 조건을 적용하였고, 지반은 M-C(Mohr-Coulomb)모델을 사용하였으며, Fig. 4에는 수치해석 요소망을 나타내었다.
성능/효과
(1) 고정단 모델은 수평하중이 지배적인 해상풍력발전기 모노파일 기초 설계 시, 최대 수평변위를 과소평가 하여 사용성 검토측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났다.
(2) 일반적으로 횡하중을 받고 있는 모노파일은 해저면 이하에서 최대 휨모멘트가 발생한다. 따라서 해저면 이하 모노파일을 구현하지 않는 고정단 모델, 지반강성행렬 모델은 모노파일 부재력을 다소 과소평가하는 것으로 나타났다.
(3) 지반 특성을 일부 반영하나 모노파일 근입 깊이에 따른 효과를 반영하지 못하는 가상고정점 모델의 경우 모노파일에 발생하는 최대 휨모멘트를 과대평가하여 경제성 측면에서 적합하지 않은 모델링 기법인 것으로 나타났다.
(4) 지반 특성을 일부 반영하여 모노파일 근입 깊이까지의 지반 거동을 구현하는 지반반력계수 모델과 p-y 곡선 모델의 경우 3D 지반 모델링 해석 결과와 유사한 수평변위와 부재력 값을 나타냈다. 다만 지반의 비선형 거동을 구현하는 p-y 곡선 모델에서 조금 더 큰 최대 수평변위를 산정했다.
(5) 지반을 2D로 모델링한 경우 타 지반 모델링 기법에 비해 과대한 수평변위와 부재력을 산출했다. 이는 해상풍력발전기와 같이 큰 수평하중을 받고 있는 구조물 주변지반을 단위 폭으로 고려된 2D 모델로 치환하여 해석할 경우, 오차가 크게 나타날 수 있음을 나타낸다.
2D 수치해석의 경우 타 변수에 비하여 응답값이 과다하게 발생되는 것을 확인할 수 있었고, 일반적인 경우 해저면 하단 -10m 이내에서 모멘트 감소 형상이 나타났으나, 2D 수치해석의 경우 -20m를 지나서야 조금씩 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 입체 요소인 지반을 단위폭으로 고려된 2D 모델로 치환하여 해석하는 과정에서 원활한 응력전달이 이루어지지 않아 나타나는 현상으로 판단된다.
2D 수치해석의 최대 모멘트는 해저면에서 -20m 지점에 439,760kN·m이 발생되었으며, 3D 수치해석은 -2.5m 지점에 306,518kN·m가 발생되어, 최대 모멘트 또한 2D 해석이 과다하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
2D 수치해석의 최대 수평변위는 1.71m, 3D 수치해석은 0.49m로서 2D 해석이 3D 해석에 비해 약 3배 이상 큰 변위가 나타났다. 2D 수치해석의 최대 모멘트는 해저면에서 -20m 지점에 439,760kN·m이 발생되었으며, 3D 수치해석은 -2.
각 지반모델링 기법과 수치해석을 수행하여 모노파일에 발생하는 변위를 검토한 결과, 최대 변위의 경우 고정단 모델이 가장 낮게 평가되었고, 2D 수치해석 모델이 가장 크게 평가되었다. 또한, 가상고정점, 지반반력계수, p-y 곡선 및 3D 수치해석 모델의 변위 최대값과 변위도의 양상이 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 지반강성행렬 모델의 경우 최대 변위 값은 비슷했으나, 해저면 근처에서 변위가 상쇄되지 않는 현상을 확인할 수 있었다.
따라서 가상고정점 모델의 휨모멘트는 해저면 아래에서 선형하게 증가하여 -11.3m 지점에서 446,709kN·m의 최대 휨모멘트 값을 나타내, 고정단 및 지반강성행렬 모델의 294,841kN·m 값보다 약 1.52배 큰 값을 나타냈다.
(2) 일반적으로 횡하중을 받고 있는 모노파일은 해저면 이하에서 최대 휨모멘트가 발생한다. 따라서 해저면 이하 모노파일을 구현하지 않는 고정단 모델, 지반강성행렬 모델은 모노파일 부재력을 다소 과소평가하는 것으로 나타났다. 상기 기법의 오차는 지반강성이 작을수록 커지기 때문에 해당 기법 사용 시 3D 해석 모델병행검토가 권장된다.
각 지반모델링 기법과 수치해석을 수행하여 모노파일에 발생하는 변위를 검토한 결과, 최대 변위의 경우 고정단 모델이 가장 낮게 평가되었고, 2D 수치해석 모델이 가장 크게 평가되었다. 또한, 가상고정점, 지반반력계수, p-y 곡선 및 3D 수치해석 모델의 변위 최대값과 변위도의 양상이 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 지반강성행렬 모델의 경우 최대 변위 값은 비슷했으나, 해저면 근처에서 변위가 상쇄되지 않는 현상을 확인할 수 있었다.
모멘트 검토 결과, 해저면 상부에 작용하는 모멘트는 모든 변수가 비슷하게 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 단일경계조건 해석을 제외한 변수들의 경우 해저면 하부로 갈수록 특정 포인트를 지나서 부터는 모멘트가 상쇄되는 경향을 확인할 수 있었다. 그중, 지반반력계수 모델과 p-y 곡선 모델의 경우 -30m 지점부터 역방향(-) 모멘트가 발생되는 현상이 나타났다.
분석 결과 Table 3에 나타난 바와 같이 지반 위 30m, 지반 내 60m의 길이를 갖는 본 모노파일 길이에 대하여 절점 간격 0.5m, 1.0m, 2.0m에 대한 민감도는 변위의 경우 0.5mm이하, 모멘트의 경우 3.6% 미만으로 매우 작은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구 조건에서 절점 간격(0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력에너지가 국제 에너지 시장에서 매우 빠른 속도로 확대된 이유는 무엇인가?
가용한 신재생에너지원 중 풍력에너지는 지역에 따라 지속적인 에너지 추출이 가능하며, 충분한 경제성을 갖고 있어 국제 에너지 시장에서 매우 빠른 속도로 확대되고 있다. 특히 해상풍력발전은 대규모 발전단지 조성이 가능하고 바람의 난류와 높이 및 방향에 대한 풍속변화가 적기 때문에[2], 유사조건의 육상풍력발전에 비해 약 1.
해상풍력발전이 유사조건의 육상풍력발전에 비해 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있는 이유는 무엇인가?
가용한 신재생에너지원 중 풍력에너지는 지역에 따라 지속적인 에너지 추출이 가능하며, 충분한 경제성을 갖고 있어 국제 에너지 시장에서 매우 빠른 속도로 확대되고 있다. 특히 해상풍력발전은 대규모 발전단지 조성이 가능하고 바람의 난류와 높이 및 방향에 대한 풍속변화가 적기 때문에[2], 유사조건의 육상풍력발전에 비해 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있다.
해상풍력 발전의 해상풍력발전기의 지지구조로써 모노파일의 형식은 무엇이라 평가되고 있는가?
해상풍력발전기의 지지구조로써 모노파일은 직경 4~6m의 강관말뚝으로 해저 지반에 항타 또는 pre-boring 후 그라우팅하여 시공된다. 모노파일 형식은 제작 및 설치가 용이하고 해상풍력 기초 형식 중 비교적 얕은 수심에서 가장 경제적인 것으로 평가되고 있다[5]. 이에 따라 모노파일은 1994년부터 지속적으로 개발 및 설치되어왔으며, 현재 세계 해상풍력발전단지에 기 설치된 기초 형식의 약 80%에 가까운 비중을 차지하고 있다[6].
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