양기호
(Graduate School of Specialized Wind Energy, Jeju National University)
,
허종철
(Dept. of Mechanical Engng, Jeju National University)
,
박정준
(Research Institute, GK Engineering Co. Ltd.)
최근 해상풍력발전 단지 조성은 많은 양의 에너지를 창출할 수 있어 그 기대는 점차적으로 증가하고 있다. 특히 제주도는 풍황이 우수하여 해상풍력발전 시스템 운영을 위한 최적의 대상지이기는 하나, 화산활동에 의해 형성된 지형으로 육지부와 달리 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다. 이에 본 연구에서는 프레셔미터 시험으로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도하기 위하여 프랑스석유협회(IFP, 1983)과 Briaud et al.(1983)의 방법을 이용하였다. 이들의 방법을 이용하여 유도된 p-y 곡선을 LPILE 프로그램에 입력하여 말뚝두부에서 하중-변위 관계를 분석한 후 재하시험으로 측정된 하중-변위 곡선과 비교하였다. 결과, pressuremeter test로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도할 때 IFP 방법은 매우 합리적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
최근 해상풍력발전 단지 조성은 많은 양의 에너지를 창출할 수 있어 그 기대는 점차적으로 증가하고 있다. 특히 제주도는 풍황이 우수하여 해상풍력발전 시스템 운영을 위한 최적의 대상지이기는 하나, 화산활동에 의해 형성된 지형으로 육지부와 달리 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다. 이에 본 연구에서는 프레셔미터 시험으로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도하기 위하여 프랑스석유협회(IFP, 1983)과 Briaud et al.(1983)의 방법을 이용하였다. 이들의 방법을 이용하여 유도된 p-y 곡선을 LPILE 프로그램에 입력하여 말뚝두부에서 하중-변위 관계를 분석한 후 재하시험으로 측정된 하중-변위 곡선과 비교하였다. 결과, pressuremeter test로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도할 때 IFP 방법은 매우 합리적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
Recently, offshore wind farms are increasingly expected, because there are huge resource and large site in offshore. Jeju island has optimum condition for constructing a wind energy farm. Unlike the mainland, Jeju island has stratified structure distribution between rock layers sediments due to volc...
Recently, offshore wind farms are increasingly expected, because there are huge resource and large site in offshore. Jeju island has optimum condition for constructing a wind energy farm. Unlike the mainland, Jeju island has stratified structure distribution between rock layers sediments due to volcanic activation. In these case, it can be occur engineering problems in whole structures as well as the safety of foundation as the thickness and distribution of sediment under top rock layer can not support sufficiently the structure. One of the most obvious applications of the pressuremeter test is the solution of the problem of laterally loaded piles. A hyperbolic non-linear p-y criterion for rock is developed in this study that can be used in LPILE program, to predict the deflection, moment, and shear reponses of a shaft under the applied lateral loads. Finally, a comparison between the predicted and measured response at two different sites is shown to give an idea of the accuracy of the IFP method.
Recently, offshore wind farms are increasingly expected, because there are huge resource and large site in offshore. Jeju island has optimum condition for constructing a wind energy farm. Unlike the mainland, Jeju island has stratified structure distribution between rock layers sediments due to volcanic activation. In these case, it can be occur engineering problems in whole structures as well as the safety of foundation as the thickness and distribution of sediment under top rock layer can not support sufficiently the structure. One of the most obvious applications of the pressuremeter test is the solution of the problem of laterally loaded piles. A hyperbolic non-linear p-y criterion for rock is developed in this study that can be used in LPILE program, to predict the deflection, moment, and shear reponses of a shaft under the applied lateral loads. Finally, a comparison between the predicted and measured response at two different sites is shown to give an idea of the accuracy of the IFP method.
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문제 정의
본 연구에서는 프레셔미터 시험으로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도하기 위하여 IFP 방법과 Briaud et al.의 방법을 이용하였다.
이에 본 연구에서는 프레셔미터 시험으로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도하기 위하여 프랑스석유협회(IFP, 1983)과 Briaud et al.(1983)의 방법을 이용하였다.
제안 방법
(1983)은 프레셔미터 시험으로부터 직접 p-y 곡선을 유도하기 위하여 Hughes et al.(1979)에 의해 제안된 방법을 개선하였으며, 프레셔미터 시험과 말뚝의 수평재하시의 유사성을 고려하였다. 흙 속에 박힌 말뚝의 거동은 자기굴착 프레셔미터 시험 결과를 이용하여 시뮬레이션 하였다.
3에서와 같이 시험위치를 선정하기 위하여 제주도 육상 및 해상에 대한 시추조사를 실시하였으며, 제주도 해상에 분포하는 현무암과 물리･역학적 특성이 유사한 장소를 선정하였다. NX구경으로 시추조사와 암반의 변형특성을 파악하기 위한 공내재하시험을 깊이별로 실시하였다.
공내재하시험은 암반의 변형계수를 측정하기 위한 시험으로 시추공을 이용하여 실시한다. 암반은 내부에 존재하는 불연속면 때문에 탄성거동을 하지 않으므로 탄성계수라는 용어 보다는 변형계수라는 용어를 사용하고 있으며, 국제암반학회(ISRM)에서는 암반에 하중이 작용할 때 탄성과 비탄성거동을 포함하여 변형에 대응하는 응력의 비로 정의하였다.
시험말뚝의 중심간 거리는 2m 이다. 말뚝 두부에서 하중 단계별 수평변위를 측정하기 위하여 각각의 말뚝에 LVDT를 2개씩 설치하였다. 깊이에 따른 말뚝의 변위를 측정하기 위하여 말뚝중심에 경사계 튜브를 설치하였다.
깊이에 따른 말뚝의 변위를 측정하기 위하여 말뚝중심에 경사계 튜브를 설치하였다. 수평하중 재하시 말뚝의 변형을 측정하기 위하여 각각의 말뚝에 26개씩 총 52개의 전기저항식 스트레인게이지를 깊이에 따라 0.5～1.5m 간격으로 설치하였다.
Elastmeter-2는 가압한계가 20 MPa로서 연암～보통암의 변형계수를 결정하는데 적합한 시험기이다. 시험전에 지상에서 3회정도 팽창과 수축을 반복하여 기포를 제거하고 수압을 가하는 호스에서 누수가 되는 곳은 없는지 확인한 후 시추장비를 이용하여 시추공 속으로 시험깊이까지 삽입한 후 시험을 실시한다.
IFP 방법과 Briaud et al.의 방법으로 구한 지반반력(p)과 수평변위(y)는 시험말뚝의 하중-변위곡선과 비교하기 위하여 LPILE 프로그램에 입력하였다. Fig.
IFP 방법과 Briaud et al.의 방법을 이용하여 유도된 p-y 곡선을 LPILE 프로그램에 입력하여 말뚝두부에서 하중-변위 관계를 분석한 후 재하시험으로 측정된 하중-변위 곡선과 비교하였다.
의 방법을 이용하였다. 이 방법을 이용하여 유도된 p-y 곡선을 LPILE 프로그램에 입력하여 말뚝두부에서 하중-변위 관계를 분석한 후 재하시험으로 측정된 하중-변위 곡선과 비교하였다.
(1979)에 의해 제안된 방법을 개선하였으며, 프레셔미터 시험과 말뚝의 수평재하시의 유사성을 고려하였다. 흙 속에 박힌 말뚝의 거동은 자기굴착 프레셔미터 시험 결과를 이용하여 시뮬레이션 하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 제주도 북서부 한경면 해안가 현무암 암반층에서 재하시험을 실시하였다. Fig. 3에서와 같이 시험위치를 선정하기 위하여 제주도 육상 및 해상에 대한 시추조사를 실시하였으며, 제주도 해상에 분포하는 현무암과 물리･역학적 특성이 유사한 장소를 선정하였다. NX구경으로 시추조사와 암반의 변형특성을 파악하기 위한 공내재하시험을 깊이별로 실시하였다.
p- y 곡선 유도에 이용된 자료는 수평재하시험 위치와 지층조건의 매우 유사한 지역으로 시험위치에서 약 6.0 km 정도 떨어진 한림읍 월령리 해안가 현무암 지층에서 실시한 공내재하시험 결과를 이용하였다. 공내재하시험에 이용된 장비는 일본 OYO 사에서 개발한 Elastmeter-2이며 암반의 변형계수를 결정하기 위한 일종의 프레셔미터 시험장치이다.
본 연구에서는 제주도 북서부 한경면 해안가 현무암 암반층에서 재하시험을 실시하였다. Fig.
여기서, 수평재하시험을 위해 TP-#1과 TP-#2 위치에 사용된 말뚝은 직경 406mm, 두께 12mm, 길이 10m 인 강관말뚝 2개를 사용하였으며 항복강도는 390MPa 이다. 직경 510mm로 9m 깊이까지 암반을 천공한 후 시험말뚝을 삽입하고 말뚝 내부와 외부는 몰탈로 채워 고정시켰으며 몰탈의 28일 압축강도는 대략 40MPa 이다.
데이터처리
본 논문에서는 IFP 방법과 Briaud et al.의 방법으로 제주도 현무암에 대한 p-y 곡선을 유도한 후 말뚝두부에서 하중-변위관계를 LPILE 프로그램을 이용하여 말뚝재하시험결과와 비교 평가하였다.
이론/모형
이에 본 연구에서는 프레셔미터 시험으로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도하기 위하여 프랑스석유협회(IFP, 1983)과 Briaud et al.(1983)의 방법을 이용하였다. IFP 방법과 Briaud et al.
Elasmeter-2는 고무 패커를 사용하므로 균열이 심한 암반에서 시험할 경우 맴브레인에 구멍이 뚫려 시험에 실패할 수 있다. 따라서, 제주도 현무암의 변형특성은 공극의 크기와 형상 및 방향성 등 다양한 요인에 지배되기 때문에 이에 적합한 Goodman Jack 시험장비를 이용하였다.
성능/효과
방법은 말뚝두부에서 예측된 수평변위가 측정된 변위보다 상대적으로 작은 반면에 IFP 방법으로 예측된 하중-변위 곡선은 측정된 하중-변위 곡선과 거의 일치하고 있다. 따라서 프레셔미터 시험으로부터 제주 현무암에 대한 p-y 곡선을 유도할 때 IFP 방법은 매우 합리적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
의 방법으로 예측된 말뚝두부에서 수평변위는 측정한 수평변위보다 작은 반면에 IFP 방법으로 예측된 수평변위는 측정한 수평변위와 거의 일치하고 있다. 즉, pressuremeter test로부터 제주 현무암에 근입된 수평재하말뚝의 p-y 곡선을 유도할 때 IFP 방법은 매우 합리적인 결과를 나타낼 수 있다.
후속연구
향후 제주 현무암에 적합한 p-y 모델을 제안하기 위하여 기존에 제안된 쌍곡선 모델과 수평재하시험과 비교하여 적용성을 평가하고, p-y 곡선을 작도하는데 필요한 암반의 변형계수를 결정하기 위하여 기존에 제안된 방법에 대하여 분석할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
말뚝기초는 어떻게 설계되는가?
말뚝기초는 수직 및 수평하중을 지지하기 위한 기초구조물로 지반이 연약하여 상부 구조물 하중을 지지할 수 없거나 수위가 너무 높아 직접기초 설치가 곤란한 경우에 고려하는 기초공법으로 주로 축방향 하중에 저항하도록 설계된다. 그러나 해상풍력터빈은 바람, 파도, 선박의 충돌에 의해 유발되는 큰 수평하중을 받을 수 있다.
해상풍력터빈에 이용되는 말뚝기초는 축방향 하중뿐만 아니라 수평방향 하중에 저항할 수 있도록 설계되어야 한다고 본 이유는?
말뚝기초는 수직 및 수평하중을 지지하기 위한 기초구조물로 지반이 연약하여 상부 구조물 하중을 지지할 수 없거나 수위가 너무 높아 직접기초 설치가 곤란한 경우에 고려하는 기초공법으로 주로 축방향 하중에 저항하도록 설계된다. 그러나 해상풍력터빈은 바람, 파도, 선박의 충돌에 의해 유발되는 큰 수평하중을 받을 수 있다. 따라서 해상풍력터빈에 이용되는 말뚝기초는 축방향 하중뿐만 아니라 수평방향 하중에 저항할 수 있도록 설계되어야 한다.
암반에서 탄성계수라는 용어 보다는 변형계수라는 용어를 사용하고 있는 이유는?
공내재하시험은 암반의 변형계수를 측정하기 위한 시험으로 시추공을 이용하여 실시한다. 암반은 내부에 존재하는 불연속면 때문에 탄성거동을 하지 않으므로 탄성계수라는 용어 보다는 변형계수라는 용어를 사용하고 있으며, 국제암반학회(ISRM)에서는 암반에 하중이 작용할 때 탄성과 비탄성거동을 포함하여 변형에 대응하는 응력의 비로 정의하였다. 암반의 변형계수(Em)는 현장시험 또는 실내시험결과를 이용한 경험식으로부터 결정할 수 있다.
참고문헌 (12)
Baguelin, F., Jezequel, F. F., and Shields, D. H. (1978), The Pressuremeter and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, Clausthal, Germany.
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Goodman, R.E., T.K. Van, and F.E. Heuze (1972), "Measurement of Rock Deformability in Boreholes", Proceedings, 10th U.S. Symposium on Rock Mechanics, American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers, New York, pp.523-545.
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Menard, L., Bourdon, G., and Gambin, M. (1969), "Methode Generale de Calcul d'un Rideau ou Pieu Sollicite Horizontalement en Fonction des Resultats Pressiometriques", Sols-Soils, No. 22/23.
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Robertson, P. K., and Hughes, J. M. O. (1986), "Determination of properties of sand from selfboring pressuremeter tests", The pressuremeter and its Marine Applications: Second International Symp., ASTM STP 950, Texas A&M University.
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Smith, T. D. (1983), Pressuremeter Design Method for Signal Piles Subjected to static Lateral Load, Ph. D. Thesis Texas A&M University.
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