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지반강성 산정방법에 따른 해상 모노파일의 설계하중 해석
Design Load Analysis for Offshore Monopile with Various Estimation Methods of Ground Stiffness 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.15 no.9, 2014년, pp.47 - 58  

장영은 (Department of Geospace engineering, Korea University of Science & Technology) ,  조삼덕 (Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) ,  최창호 (Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Department of Geospace Engineering, Korea University of Science & Technology)

초록
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본 연구에서는 해상풍력발전시스템(NREL 5 MW) 하중해석을 위해 필요한 기초구조물과 해저지반간의 상호작용 모델링 방안을 모색하고, 해상풍력시스템 해석프로그램인 GH-Bladed를 활용하여 하중해석을 수행함으로 지반모델링 방법과 설계하중조건에 따른 기초구조물 설계하중을 비교 분석하였다. 또한 상기 하중해석 결과를 기초구조물 해석프로그램 L-Pile에 적용하여 기초구조물 단면에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 본 논문에서 정리한 기초구조물 모델링 방법인 고정단, winkler spring, coupled spring 모델과 설계하중조건 DLC 1.3, DLC 6.1a, DLC 6.2a의 해석결과를 바탕으로 모노파일의 단면변화를 관찰하였다. 그 결과 모든 설계하중조건에서 고정단, coupled spring 모델의 경우 모노파일의 단면이 직경 7 m, 두께 80 mm로 산정되었으며, winkler spring 모델을 적용하여 해석을 수행한 결과 모노파일의 단면이 직경 5 m, 두께 60 mm로 산정되었다. 본 연구를 통해 지반-기초구조물간의 상호작용 모델링 방법이 기초구조물의 설계 단면을 결정하는 하중해석 결과에 영향을 미친다는 것을 파악하였으며, 이러한 영향을 고려하여 해상풍력시스템 기초구조물을 설계한다면 기초구조물 설계 시 발생할 수 있는 과다 과소설계 가능성을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study explores methods for modeling the foundation-seabed interaction needed for the load analysis of an offshore wind energy system. It comprises the comparison study of foundation design load analyses for NREL 5 MW turbine according to various soil-foundation interaction models by conducting ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러므로 본 논문에서는 기존에 제시되고 있는 지반-기초구조물 상호작용 고려방안들 중 해상풍력시스템에 영향을 미치는 수평하중 및 진동하중 등을 고려할 수 있다고 판단되는 대표적인 지반정수 산정방법을 기반으로 해상풍력 시스템 기초구조물의 설계하중을 합리적으로 산정하기 위한 연구를 수행하였다. 연구의 수행을 위해 해저지반과 기초구조물의 상호작용을 고려한 말뚝의 수평거동 및 지반의 강성 도출방안을 살펴보기 위해 기 제안된 연구사례를 바탕으로 해저지반-기초구조물 해석모델에 대한 지반정수를 도출하였다.
  • Novak(1974)은 지반의 지층별 특성과 기초구조물의 길이, 선단 및 두부 구속 조건, 휨 강성, 지중 근입 깊이 등의 다양한 요소가 기초의 거동에 영향을 미치는 것을 감안하여, 기초와 지반의 상호작용을 고려한 기초구조물의 강성 행렬 산정 방안을 제안하였다. 본 논문에서는 동적하중을 받는 플랜트 진동기 기초 설계법으로 사용되고 있는 Novak의 방법을 설계수명 동안 지속적인 반복수평하중의 영향을 받는 해상 풍력시스템 기초구조물의 연성을 고려하기 위한 방안으로 활용하였다. 각 행렬은 연직(vertical), 수평(horizontal), 회전(rotation), 그리고 상호 간섭 효과를 고려하여 도출할 수 있다.
  • 5m 관입되어 있다고 가정하였다. 본 논문에서는 지반과 기초구조물 간의 상호작용 해석을 통한 지반정수 산정의 편이성을 도모하기 위하여, 실제 지반조건에 비해 매우 간소화시킨 모델을 도출하여 활용하였다. 이에 따라 Table 3과 같이 점성토 지층과 암반층의 단위중량 γ를 각각 16.
  • 본 연구에서는 지반-기초구조물 상호작용 모델링 방법과 이를 통해 산정한 기초구조물의 설계하중이 기초구조물의 단면설계에 미치는 영향을 살펴보았으며, 해상풍력시스템 해석 시 지반정수의 적용 방안과 다양한 산정방법이 해석결과에 미치는 영향을 검토하기 위한 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 앞서 산정한 지반정수 즉 GH-Bladed에 지반의 강성을 적용하여 해석을 수행하고, 이를 통하여 산정한 설계하중을 활용하여 기초구조물 설계를 수행하였다.

가설 설정

  • Novak의 방법을 활용하기 위해서는 대상지반의 전단파속도 Vs, 단위중량 γ, 전단탄성계수 G, 그리고 포아송비 v 등이 필요하므로, Table 7과 같이 점성토와 암반층에 대한 물성을 가정하였다.
  • 또한 기초구조물은 Fig. 2에서 도시하고 있는 것과 같이 점성토(clay)층에 40m, 암반층(rock)에 7.5m 관입되어 있다고 가정하였다. 본 논문에서는 지반과 기초구조물 간의 상호작용 해석을 통한 지반정수 산정의 편이성을 도모하기 위하여, 실제 지반조건에 비해 매우 간소화시킨 모델을 도출하여 활용하였다.
  • 모노파일의 초기 단면 설정을 위한 설계하중은 위에서 정리한 Table 4의 순서를 따라 기초구조물과 지반의 관계를 고정단으로 가정하고 해석한 후 산정된 결과를 활용하였으며, 그중 Table 9의 고정단 해석결과 중 전체적인 산정 결과가 가장 크게 나타난 DLC 6.1a의 Fx=17,138 kN, Fy=7,167 kN과 M=248,981 kNm를 활용하였다.
  • 해상풍력터빈을 지지하는 기초구조물은 모노파일 형식으로, 모노파일의 직경(d)은 7m로, 두께(t)는 80mm, 그리고 파일의 지반 관입심도를 47.5m로 가정하였다. 이 때 두께(t)는 API(2007) 기준에서 제시하는 시공성 향상 및 버클링 방지를 위한 최소두께 산정기준, Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
해상풍력시스템의 하중 및 거동해석을 위하여 무엇을 사용하였는가? 해상풍력시스템의 하중 및 거동해석을 위하여, 현재 풍력발전시스템의 거동예측을 위해 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 소프트웨어인 GH-Bladed를 사용하였다. 해상풍력발전시스템은 해상환경으로부터 발생하는 바람과 파도 등의 다양한 외부환경에 노출되므로, 해석 수행 시 이에 대한 영향을 고려해야 한다.
본 논문에서 해석을 수행하기 위해 선정한 설계 하중조건 DLC는 무엇인가? 본 논문에서 해석을 수행하기 위해 선정한 DLC는 시스템이 가동 중(operation)일 때의 상황을 나타내는 설계하중조 건인 DLC 1.3과 34가지 설계하중 조건 가운데 시스템에 가장 큰 하중을 재하시키는 상황을 구현할 수 있는 DLC 6.1a, DLC 6.2a이다. Table 1과 같이 설계하중조건 DLC 1.
해상풍력시스템의 기초구조물은 전체 공사비의 얼마를 차지하는가? 해상풍력시스템의 기초구조물은 전체 공사비의 30∼40 %가 투입되고, 전체 시스템을 설계수명 동안 지지해야 하는 중요한 역할을 하는 부분임에도 불구하고 아직까지 기초 구조물의 합리적인 설계방안 도출을 위한 연구가 미미한 상태이다. 일반적으로 기초구조물의 단면설계에 대한 검토는 기초구조물의 두부에 재하 되는 수직하중, 수평하중 그리고 모멘트 등을 활용하여 이루어진다.
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참고문헌 (12)

  1. Arya, S., O'Neill, M. and Pincus, G. (1979), Design of structures and foundations for vibrating machines, Gulf Punlishing Company, Huston, Texas, pp. 77-90. 

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  3. Coyle, H. M. and Reese, L. C. (1966), Load transfer for axially loaded piles in clay, Journal of Soil Mechanics And Foundation Engineering Division, Vol. 93, No. 8, pp. 261-278. 

  4. Harte, M., Basu, B. and Nielsen, S. R. K. (2012), Dynamic analysis of wind turbines including soil structure interaction, Engineering Structure, Vol. 45, No. 12, pp. 509-518. 

  5. IEC 61400-3 (2009), International standard. part 3: design requirements for offshore wind turbines, Geneva. Switzerland, International Electrotechnical Commission: 1st ed, pp. 36-39. 

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  7. Malhotra, S. (2004), Soil pile structure interaction during earthquakes, Proceedings of the GeoInstitute's Conference on Geotechnical Engineering for Transportation infrastructure, Los Angeles, Vol. 1, pp. 428-440. 

  8. Matlock, H. (1970), Correlations for design of laterally loaded piles in soft clay, Proceeding of 2th Offshore Technology Conference, Houston. Texas, Vol. 1, No. 1, pp. 577-607. 

  9. Novak, M. (1974), Dynamic stiffness and damping of piles, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 11, No. 4, pp. 574-598. 

  10. NREL (2014), www.nrel.gov, National Renewable Energy Laboratory. 

  11. O'Neill, M. W. and Hassen, K. M. (1994), Drilled shaft: effects of construction on performance and design criteria, Proceedings of the International Conference on Design And Construction of Deep Foundations, Federal Highways Administration, Washington D.C., Vol. 1, pp. 137-187. 

  12. Reese, L. C. (1997), Analysis of laterally loaded piles in weak rock, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental. Engineering, Vol. 101, No. 7, pp. 1010-1017. 

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