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.
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.
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 ...
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 the load analysis with GH-Bladed, analysis software for offshore wind energy systems. Furthermore, the results of the aforementioned load analysis were applied to foundation analysis software called L-Pile to conduct a safety review of the foundation cross-section design. Differences in the cross-section of a monopile foundation were observed based on the results of the fixed model, winkler spring and coupled spring models, and the analysis of design load cases, including DLC 1.3, DLC 6.1a, and DLC 6.2a. Consequently, under all design load conditions, the diameter and thickness of the monopile foundation cross-section were found to be 7 m and 80 mm, respectively, using the fixed and coupled spring models; the results of the analysis conducted using the winkler spring model showed that the diameter and thickness of the monopile foundation cross-section were 5 m and 60 mm, respectively. The study found that the soil-foundation interaction modeling method had a significant impact on the load analysis results, which determined the cross-section of a foundation. Based on this study, it is anticipated that designing an offshore wind energy system foundation taking the above impact into account would reduce the possibility of a conservative or unconservative design of the foundation.
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 the load analysis with GH-Bladed, analysis software for offshore wind energy systems. Furthermore, the results of the aforementioned load analysis were applied to foundation analysis software called L-Pile to conduct a safety review of the foundation cross-section design. Differences in the cross-section of a monopile foundation were observed based on the results of the fixed model, winkler spring and coupled spring models, and the analysis of design load cases, including DLC 1.3, DLC 6.1a, and DLC 6.2a. Consequently, under all design load conditions, the diameter and thickness of the monopile foundation cross-section were found to be 7 m and 80 mm, respectively, using the fixed and coupled spring models; the results of the analysis conducted using the winkler spring model showed that the diameter and thickness of the monopile foundation cross-section were 5 m and 60 mm, respectively. The study found that the soil-foundation interaction modeling method had a significant impact on the load analysis results, which determined the cross-section of a foundation. Based on this study, it is anticipated that designing an offshore wind energy system foundation taking the above impact into account would reduce the possibility of a conservative or unconservative design of the foundation.
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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.
제안 방법
Eq. (7)에 따라 모노파일 설계하중을 산정하기 위해 4.1절에서 도출한 지반강성 즉 GH-Bladed상에 지반의 강성 Ki를 적용하여 하중해석을 수행하였다. Ki는 3장에서 정리한 것과 같이 coupled spring 방법과 winkler spring 방법을 통해 산정하였으며, 각 모델링 방법을 적용하여 Fxi+1,Fyi+1,Mi+1를 산정하여 Table 11에 정리하였다.
1) 해석으로서 지반을 고정단으로 가정하여 시스템 해석을 수행한 후, 해저면 즉 지반에 관입되는 기초구조물 두부에 재하되는 초기 하중 Fxi, Fyi 그리고 Mi를 산정한다. 1단계를 통해 산정한 Fxi, Fyi, Mi를 활용하여 2단계(Step. 2)에서 기초구조물 단면을 결정하기 위한 초기설계를 수행한다. 3단계에서는(Step.
Table 11의 winkler spring 모델에 의한 기초설계하중 Fxi+1 = 29,412 kN, Fyi+1 =5,592 kN, 그리고 Mi+1 =6,980 kNm를 활용하여 모노파일의 단면변화에 대한 검토를 수행하였다. 초기 단면을 기준으로 단면적을 단계적으로 감소시킨 모델에 대하여 안정성 검토를 수행한 결과 Table 12와 같이 초기 설계단면 d=7m, t=80mm가 d=5 m, t=60 mm로 감소하는 것을 확인하였다.
각 설계하중조건에 대한 해석 시 Fig. 10에 정리한 것과 같이 고정단, coupled spring, 그리고 winkler spring 모델에 대해 수행하였으며, 각지반정수 산정방법에 따른 해석결과는 해저면(seabed, -30m)에서의 결과를 바탕으로 비교·검토하였다.
또한 기초구조물과 해저지반의 상호작용을 정의할 수 있는 고정단, coupled, winkler spring 모델 중 하중이 가장 크게 산정된 DLC 6.1a의 해석결과를 대표적으로 활용하여 기초구조물 초기 설계모델에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 그 결과 모노파일의 초기 설계단면이 d=7m, t=80mm인 경우에는 고정단 모델과 coupled spring 모델을 적용한 해석 결과에서는 단면의 변화가 나타나지 않는 것을 확인하였다.
또한 점성토의 비배수전단강도 c는 토사층 상부의 연약점성토 특성과 지층의 심도에 따른 구속응력의 영향을 고려하여 총 네 개의 층에 대한 c값을 15∼112.5 kPa로 결정하였다.
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. 또한 지반정수 산정 결과를 해상풍력전용 해석프로그램인 GH-Bladed의 기초구조물 모델링 부분에 적용하고, 해상풍력설계 매뉴얼인 IEC 61400-3에서 제안하고 있는 외부환경 및 설계하중조건을 고려하여 해석을 수행하여 지반 모델링 방법에 따른 해상풍력시스템 기초구조물의 설계하중 변화를 분석하였다. 이를 통해 지반정수 산정방안 및 설계하중조건에 따른 외부환경이 기초구조물의 단면설계에 미치는 영향을 상호 비교·분석하고, 이를 토대로 합리적인 해석결과를 도출할 수 있는 지반정수 산정방안을 고찰하였다.
시행착오법을 통해 하중을 산정하는 이유는 해상풍력시스템의 거동해석 시 지반을 고정단으로 가정한 경우의 해석결과와 지반의 연성을 고려하여 해저면 부근에서 산정한 수직(Fx), 수평(Fy)하중 그리고 모멘트(M)간의 격차를 감소시킴으로써 기초구조물의 과소 또는 과다설계를 방지하기 위함에 있다. 본 과정을 수행하기 위해서는 먼저 1단계(Step. 1) 해석으로서 지반을 고정단으로 가정하여 시스템 해석을 수행한 후, 해저면 즉 지반에 관입되는 기초구조물 두부에 재하되는 초기 하중 Fxi, Fyi 그리고 Mi를 산정한다. 1단계를 통해 산정한 Fxi, Fyi, Mi를 활용하여 2단계(Step.
본 논문에서는 GH-Bladed를 활용하여 앞서 정리한 해상 풍력시스템 지반-기초구조물 상호작용 해석모델과 설계하중 조건 DLC 1.3, DLC 6.1a, DLC 6.2a를 적용하여 모노파일 단면검토를 위한 하중을 산정하였다. 해석결과 설계하중 조건 중에서는 DLC 6.
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.
본 절에서는 2장에서 정리한 해상풍력터빈 모델과 4.1절을 통해 산정한 지반-기초구조물 상호작용 해석결과를 활용하여 본 절에서는 설계하중조건 DLC 1.3, DLC 6.1a, DLC 6.2a에 대한 GH-Bladed 해석을 수행하였다. 각 설계하중조건에 대한 해석 시 Fig.
상기 초기 하중을 활용하여 2.3절에 명시한 d=7 m, t=80mm의 모노파일 기초구조물의 설계단면에 대한 검토를 수행하였다. 그 결과 모노파일이 받는 최대모멘트는 319,302kN·m이고, Eq.
암반층 또한 네 개의 층으로 나누어 일축압축강도 qu와 변형계수 Eir을 정의하였다. 암반 상부층의 qu는 풍화토에서 풍화암 정도 암질에 해당하는 24MPa로, 암반층 하부로 갈수록 단단한 연암에서 보통암 정도의 암질을 나타내는 78MPa로 산정하였으며, Eir 또한 각 층의 암질을 나타낼 수 있도록 정의하였다.
앞서 3.1절에서 정리한 winkler spring 도출방법을 바탕으로, 모노파일과 해저지반의 상호작용을 고려한 지반정수를 도출하였다. Winkler spring은 p-y 곡선, t-z 곡선, 그리고 q-w 곡선을 활용하여 산정하였으며, 각 곡선 모델은 점성토와 암반층에 따라 Table 6에 정리한 것과 같이 적용하였다.
앞서 정리한 Novak의 방법과 지반물성을 활용하여 coupled spring에 해당하는 지반정수를 산정하였다. 산정 결과는 수직 방향 7.
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. 또한 지반정수 산정 결과를 해상풍력전용 해석프로그램인 GH-Bladed의 기초구조물 모델링 부분에 적용하고, 해상풍력설계 매뉴얼인 IEC 61400-3에서 제안하고 있는 외부환경 및 설계하중조건을 고려하여 해석을 수행하여 지반 모델링 방법에 따른 해상풍력시스템 기초구조물의 설계하중 변화를 분석하였다.
위에서 수행한 GH-Bladed 해석결과 중 극한하중 해석결과를 바탕으로 해상풍력시스템 모노파일 설계를 위해 L-Pilem 프로그램에 적용하기 위한 하중 Fx(수직), Fy(수평)와 모멘트 Mz를 선정하였다. Fig.
이를 통해 지반정수 산정방안 및 설계하중조건에 따른 외부환경이 기초구조물의 단면설계에 미치는 영향을 상호 비교·분석하고, 이를 토대로 합리적인 해석결과를 도출할 수 있는 지반정수 산정방안을 고찰하였다.
이러한 결과는 초기 설정한 모노파일의 단면이 지반을 고정단으로 가정했을 때의 설계 결과임을 고려했을 때, 지반의 연성을 고려한 하중해석 결과를 적용하여 단면을 설계할 경우에는 결과의 변화를 가져올 수 있다는 것을 시사하고 있다. 이에 대한 검토를 위해 기초구조물 해석전용 프로그램인 L-Pile을 활용하여 Fig. 11 과 같이 초기 기초구조물 모델인 직경(d)=7m, 두께(t)=80mm의 강관 모노파일을 토대하여 설계 단면 검토를 수행하였다.
지반정수 산정방법과 설계하중조건에 따른 극한하중 산정 결과 동일한 설계하중조건에서는 고정단 모델의 하중이 전반적으로 크게 나타났고, winkler spring 모델을 적용한 하중이 작게 나타나는 현상을 관찰하였다. 또한 동일한 지반 모델에서는 해상풍력터빈이 정지 상태에 있다고 가정한 설계하중조건 DLC 6.
대상 데이터
35 mm 이상이 되어야 하는 것으로 나타났으며, 계산결과를 바탕으로 상기 해석모델의 직경과 두께가 API의 권고기준을 만족하고 있음을 확인하였다. 모노파일의 강재는 Table 2의 SPS400의 물성치를 적용하였다.
본 논문에서 해석을 수행하기 위해 선정한 DLC는 시스템이 가동 중(operation)일 때의 상황을 나타내는 설계하중조건인 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.
이론/모형
Coupled spring은 3.2절에서 정리한 Novak(1974)의 방법을 통해 산정하였다. Novak의 방법을 활용하기 위해서는 대상지반의 전단파속도 Vs, 단위중량 γ, 전단탄성계수 G, 그리고 포아송비 v 등이 필요하므로, Table 7과 같이 점성토와 암반층에 대한 물성을 가정하였다.
본 논문에서는 40 m 깊이의 점성토층에 대한 p-y 곡선은 API(2007) 기준에서 제안하고 있는 모델을 활용하였다. API 기준은 연약점성토 지반에 대하여 Matlock(1970)이 제안한 p-y 곡선 모델을 채택하고 있다.
본 논문에서는 해상풍력시스템 기초구조물 설계를 위해서 Table 4에 정리한 시행착오법(try and error method) 과정을 수행하였다. 시행착오법을 통해 하중을 산정하는 이유는 해상풍력시스템의 거동해석 시 지반을 고정단으로 가정한 경우의 해석결과와 지반의 연성을 고려하여 해저면 부근에서 산정한 수직(Fx), 수평(Fy)하중 그리고 모멘트(M)간의 격차를 감소시킴으로써 기초구조물의 과소 또는 과다설계를 방지하기 위함에 있다.
본 연구에서는 지반정수 산정방법에 따라 기초구조물의 설계하중 변화를 관찰하기 위하여, NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 개념설계한 5MW급 풍력터빈을 사용하였다. WindPACT, RECOFF 및 DOWEC 등 프로젝트의 개념모델을 기반으로 대중에게 공개된 본 모델의 모식도는 Fig.
점성토로 구성된 지층 하부에 7.5 m 깊이로 분포하고 있는 암반층에 대한 p-y 곡선은 Reese(1997)가 제안한 모델을 통해 산정하였다.
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.
성능/효과
Eq. (1)을 통해 기초구조물의 직경 및 두께에 대한 검토를 수행한 결과 직경이 7m인 기초구조물에 대한 최소두께는 76.35 mm 이상이 되어야 하는 것으로 나타났으며, 계산결과를 바탕으로 상기 해석모델의 직경과 두께가 API의 권고기준을 만족하고 있음을 확인하였다. 모노파일의 강재는 Table 2의 SPS400의 물성치를 적용하였다.
Fig. 7(a)는 점성토층에서의 해저면 부근과 심도 -10m, -20m, -30m에서의 p-y 곡선 산정 결과를 보여주고 있으며, 곡선을 통해 심도가 깊어질수록 지반의 강성이 증가하고 있음을 확인할 수 있다. Fig.
Fig. 8의 (a)와 (b)는 점성토와 암반층의 깊이에 따라 산정한 t-z 곡선을 보여주고 있으며, 결과를 통해 역시 지층과 암반의 심도가 깊어질수록 마찰강성이 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
1a의 해석결과를 대표적으로 활용하여 기초구조물 초기 설계모델에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 그 결과 모노파일의 초기 설계단면이 d=7m, t=80mm인 경우에는 고정단 모델과 coupled spring 모델을 적용한 해석 결과에서는 단면의 변화가 나타나지 않는 것을 확인하였다. 반면 winkler spring 모델의 경우, 상기 두 모델과 비교하여 약 90 %가 넘는 하중의 감소를 나타냈으며, SPS 400형 모노파일의 설계 단면이 d=5 m, t=60 mm인 경우에 허용응력 및 변위기준을 만족하는 것으로 나타났다.
만약 상기 방법을 활용하여 본 논문에서 사용한 지반에 비해 더욱 연약한 물성을 적용할 경우에는 하중 해석결과에 차이가 있을 것으로 판단된다. 또한 DLC 6.2a와 DLC 1.3의 경우 상기 해석 결과와 동일한 경향성을 보이며, winkler spring 모델의 적용을 통한 단면감소를 확인할 수 있었다.
본 논문의 최종연구 단계로 수행된 상기 연구를 통하여 해상풍력시스템의 기초구조물 설계 시, 지반-기초구조물 상호작용을 고려한 모델링 방법이 기초구조물 설계하중 산정 결과에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 그러나 모델링 방법에 따라서 산정 결과의 격차가 매우 큰 것으로 나타남에 따라 해상풍력시스템 기초구조물 설계를 위한 합리적인 지반 모델링 방법을 제안하기에 앞서, 향후 기초구조물의 과다·과소설계를 방지에 기여 할 수 있는 합리적인 기초-지반 상호작용 모델링 방안을 정립하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
반면 winkler spring 모델의 경우, 상기 두 모델과 비교하여 약 90 %가 넘는 하중의 감소를 나타냈으며, SPS 400형 모노파일의 설계 단면이 d=5 m, t=60 mm인 경우에 허용응력 및 변위기준을 만족하는 것으로 나타났다. 상기 해석결과 중 coupled spring 모델을 적용한 해석결과가 고정단 모델을 적용한 해석결과와 비교하여 큰 변화가 나타나지 않은 이유는 진동기 기초설계를 위해 활용되고 있는 Novak(1974)의방법이 반복하중에 의한 미소변위를 구현하는데 더욱 적합한 모델이므로, 본 논문에서 가정한 지반의 특성이 세밀하게 반영하지 않았기 때문이라고 판단된다. 만약 상기 방법을 활용하여 본 논문에서 사용한 지반에 비해 더욱 연약한 물성을 적용할 경우에는 하중 해석결과에 차이가 있을 것으로 판단된다.
Ki는 3장에서 정리한 것과 같이 coupled spring 방법과 winkler spring 방법을 통해 산정하였으며, 각 모델링 방법을 적용하여 Fxi+1,Fyi+1,Mi+1를 산정하여 Table 11에 정리하였다. 지반모델링 방법에 따라 산정된 Ki 적용한 해석결과 고정단인 경우와 counpled spring인 경우의 산정하중은 크게 차이가 나지 않았으나, winkler spring 모델의 산정하중은 모멘트가 상대적으로 크게 줄어든 것을 확인하였다.
Table 10의 이러한 산정 결과는 본 논문에서 사용한 강재모델 SPS 400 모델의 허용응력 140,000 kPa 기준을 만족하는 것으로 확인하였다. 추가적으로 API의 기초 구조물 직경에 따른 최소두께기준을 고려하여 d=6m, t=70mm, 그리고 d=5m, t=60mm 대한 검토를 수행하였으며, 모두 허용응력 기준을 초과하는 것으로 나타났다.
3에 대한 단면 검토 결과를 Table 13과 Table 14에 정리하였다. 추가적으로 각 DLC에 대한 검토를 수행한 결과 DLC 6.2a와 DLC 1.3 모두 고정단 모델과 coupled spring 모델에서는 초기 단면모델과 비교하여 변화가 없었으나, winkler spring 모델은 모노파일의 제원이 d=5m, t=60mm인 감소단면을 만족시키는 설계하중을 나타냄으로써 상기 해석결과와 동일한 경향성을 확인하였다.
2a를 적용하여 모노파일 단면검토를 위한 하중을 산정하였다. 해석결과 설계하중 조건 중에서는 DLC 6.1a에 대한 해석결과가 가장 큰 하중을 나타냈으며, 지반 모델링 방법에 따라서는 winkler spring 적용을 통한 하중해석 결과가 공통적으로 가장 작은 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 논문의 최종연구 단계로 수행된 상기 연구를 통하여 해상풍력시스템의 기초구조물 설계 시, 지반-기초구조물 상호작용을 고려한 모델링 방법이 기초구조물 설계하중 산정 결과에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 그러나 모델링 방법에 따라서 산정 결과의 격차가 매우 큰 것으로 나타남에 따라 해상풍력시스템 기초구조물 설계를 위한 합리적인 지반 모델링 방법을 제안하기에 앞서, 향후 기초구조물의 과다·과소설계를 방지에 기여 할 수 있는 합리적인 기초-지반 상호작용 모델링 방안을 정립하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
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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