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문제 정의
- 토질역학이론에서 제시한바와 같이 Terzaghi 방법, Meyerhof 방법으로 지지력을 계산할 수 있다. 하지만, 본 연구에서는 일반적으로 사용하고 있는 SNAME 가이드라인을 이용하여 해저 토질 기초의 안정성을 평가하였다.
가설 설정
- (1) 스퍼드캔 기본 형상이 지지력에 미치는 영향은 크지 않다.
- -지지력 결과를 보면 전통적인 해석방법이 수치해석 방법보다 보수적이다.
- 실제 스퍼드캔은 그 형상이 다양하여 전통적인 해석 방법을 이용하여 지지력을 평가할 때 스퍼드캔을 최대 지압 면적과 부 피가 같은 원기둥으로 가정한다.
- Punch-through 파괴형식인 경우, 투영 면적(Projected area) 방법으로 각 깊이에서의 최대 지지력을 구할 수 있다. 이 방법은 Fig. 4에서 보는 바와 같이, 스퍼드캔이 모래층에서 받는 지지력을 하부에 있는 점토층으로 투영하는 것으로 가정한다. 이 때 투영 범위의 변화는 1:n이라는 확산 인자(Spreading factor)로 표현된다.
제안 방법
- 실제 엔지니어링에서 흔히 볼 수 있는 스퍼드캔은 주로 사각형 형상과 원형에 근접한 형상을 사용한다. Fig. 11에서 제시한 바와 같이 본 연구에서는 사각형과 원형 형상 스퍼드캔에 대하여 케이스 스터디를 진행하였다. 전통적인 해석 방법으로 스퍼드캔 침투 거동을 평가할 때 스퍼드캔 형상을 무시하고 최대 지압면적이 같은 원기둥으로 이상화 시켜서 계산하기 때문에 스퍼드캔 형상을 연구함에 있어서 전통적인 해석 방법으로는 그 차이를 분석할 수 없다.
- 본 연구에서 사용된 스퍼드캔의 형상은 앞에서와 마찬가지로 xz와 yz평면에 대하여 대칭이기 때문에 1/4모델만 해석하여 계산시간을 줄였다. OW-1, -3, -4의 토질 데이터와 사각형 형상인 스퍼드캔을 모델링하고 침투과정을 스퍼드캔의 변위 제어로 진행하였다. 이 때, 스퍼드캔의 관입속도는 실제와 같이 0.
- 전통적인 해석 방법으로 스퍼드캔 침투 거동을 평가할 때 스퍼드캔 형상을 무시하고 최대 지압면적이 같은 원기둥으로 이상화 시켜서 계산하기 때문에 스퍼드캔 형상을 연구함에 있어서 전통적인 해석 방법으로는 그 차이를 분석할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 수치해석으로 스퍼드캔 형상에 대하여 케이스 스터디를 수행하였다.
- (2) 스퍼드캔의 면적이 클수록 더 큰 지지력을 갖는 것을 케이스 스터디를 통하여 알 수 있었다. 따라서 제한된 선폭 하에서 최대한 면적을 키워 지지력을 높이기 위해 스퍼드캔의 형상을 사각형으로 확정하였다.
- 본 연구에서는, 3장에서 언급한 OW 8개 시추공에 대해서 전 통적인 해석 방법을 적용하여 지지력을 계산하였다. 또한, 3가지 대표적인 시추공 데이터를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 여기서, OW-1, -3, -4를 각각 Punch-through, 지지력이 비교적 작은 경우, 지지력이 상대적으로 큰 경우의 대표적인 세 가지 토질데이터로 선정하였다.
- 케이스 스터디에 사용한 스퍼드캔의 기본 정보는 Table 2와 같다. 또한, OW-4번에서 계측된 시추공의 실제 토질 데이터를 이용하여 면적이 121m2인 스퍼드캔에 대하여 지지력 계산과 침투 거동을 해석하였다.
- 또한, SNAME 가이드라인을 이용하여 OW 각 시추위치에 대하여 면적에 따른 최대 지지력을 계산하였다. Fig.
- , 2014). 또한, 계산 시간을 줄이기 위하여 스퍼드캔 근처의 격자 크기 (Mesh size)를 작게 하였고, 스퍼드캔과 멀리 떨어질수록 격자 크기를 크게 설정하였다. 스퍼드캔 침투 거동 분석에서 해저 토질의 거동을 해석하는 것이 목적이기 때문에 스퍼드캔 변형의 영향을 무시하기 위하여 스퍼드캔을 강체로 설정하여 해석을 진행하였다.
- 이 때, SNAME 가이드라인을 이용하여 서남해안에서 조사된 토질 데이터를 바탕으로 최대 허용 지지력을 계산하였다. 또한, 스퍼드캔의 형상 및 구조 설계안을 도출하기 위하여 유한요소해석 상용프로그램인 Abaqus를 사용하여 스퍼드캔의 형상과 면적에 대한 파라메트릭 스터디를 수행하였다. 5장에서는 설계된 스퍼드캔에 대한 침투 거동 및 지지력에 대한 분석을 하였다.
- 따라서 더 큰 지지력을 확보할 수 있다. 마지막으로, 실제 해상 풍력 발전기 전문설치선의 선체 치수 및 레그와 스퍼드캔의 접합형식을 고려하여 스퍼드캔의 치수를 결정하였다. 위와 같은 고려사항들을 만족하는 스퍼드캔의 설계안을 Fig.
- 여기서, OW-1, -3, -4를 각각 Punch-through, 지지력이 비교적 작은 경우, 지지력이 상대적으로 큰 경우의 대표적인 세 가지 토질데이터로 선정하였다. 마지막으로, 전통적인 해석 방법 결과와 수치해석 결과를 서로 비교하였다.
- 스퍼드캔 면적에 대한 케이스 스터디는 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 이용하여 진행하였다. 면적이 지지력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 OW-4 공번을 이용하여 면적이 각각 121m2(등가 직경 12.4m)과 346m2(등가 직경 21m)인 스퍼드캔에 대하여 Abaqus를 이용한 수치해석을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서 사용된 스퍼드캔의 형상은 앞에서와 마찬가지로 xz와 yz평면에 대하여 대칭이기 때문에 1/4모델만 해석하여 계산시간을 줄였다. OW-1, -3, -4의 토질 데이터와 사각형 형상인 스퍼드캔을 모델링하고 침투과정을 스퍼드캔의 변위 제어로 진행하였다.
- 본 연구에서는 스퍼드캔 형상과 면적에 대한 케이스 스터디를 수행하였고, 스퍼드캔 설계안에 대한 침투 거동을 분석하였다. 이 때, 서해안에서 조사된 8개 공번의 실제 토질 데이터를 이용하여 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 이용하여 스퍼드캔의 침투 거동을 분석하였다.
- 앞서 언급 한 것과 같이 해상풍력발전기 전문설치선의 레그를 해저에 고정시켜 작업하기 위하여 해저 토질 기초의 안정성을 평가하여야 한다. 본 연구에서는 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 통하여 침투 깊이에 따른 지지력의 그래프를 계산하였고, 이를 서로 비교하였다.
- 본 연구에서는, 3장에서 언급한 OW 8개 시추공에 대해서 전 통적인 해석 방법을 적용하여 지지력을 계산하였다. 또한, 3가지 대표적인 시추공 데이터를 이용하여 수치해석을 수행하였다.
- 또한, 계산 시간을 줄이기 위하여 스퍼드캔 근처의 격자 크기 (Mesh size)를 작게 하였고, 스퍼드캔과 멀리 떨어질수록 격자 크기를 크게 설정하였다. 스퍼드캔 침투 거동 분석에서 해저 토질의 거동을 해석하는 것이 목적이기 때문에 스퍼드캔 변형의 영향을 무시하기 위하여 스퍼드캔을 강체로 설정하여 해석을 진행하였다.
- 스퍼드캔 형상과 기본치수를 결정하기 위하여 스퍼드캔의 형상과 면적에 대한 케이스 스터디(Case study)를 진행하였다. 형상에 대한 케이스 스터디는 수치해석 방법을 이용하여 진행하였고, 면적에 대한 케이스 스터디는 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 같이 병행하였다.
- 앞에서 스퍼드캔의 구조 설계를 위하여 형상과 면적에 대한 케이스 스터디를 진행하였다. 사각형 형상이 원형 형상의 스퍼드캔보다 더 큰 지지력을 얻었고, 면적이 증가할수록 지지력이 더 커진다는 것을 확인하였다.
- 4장에서는 주어진 토질데이터를 바탕으로 스퍼드캔의 형상 및 구조 설계안을 도출하였다. 이 때, SNAME 가이드라인을 이용하여 서남해안에서 조사된 토질 데이터를 바탕으로 최대 허용 지지력을 계산하였다. 또한, 스퍼드캔의 형상 및 구조 설계안을 도출하기 위하여 유한요소해석 상용프로그램인 Abaqus를 사용하여 스퍼드캔의 형상과 면적에 대한 파라메트릭 스터디를 수행하였다.
- 본 연구에서는 스퍼드캔 형상과 면적에 대한 케이스 스터디를 수행하였고, 스퍼드캔 설계안에 대한 침투 거동을 분석하였다. 이 때, 서해안에서 조사된 8개 공번의 실제 토질 데이터를 이용하여 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 이용하여 스퍼드캔의 침투 거동을 분석하였다. 이를 통하여, 아래와 같은 결론을 내릴 수 있었다.
- 8m2 이다. 이 스퍼드캔 설계안을 대상으로 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 이용하여 침투 거동을 분석하고, 지지력의 값을 계산하며 해저 토질의 안정성을 평가하였다.
- 또한, 비배수 전단강도가 누적된 소성 스트레인에 따라 변화하는 것을 고려하였다(Einav and Randolph, 2005). 이를 위하여 Abaqus내에서 User defined code를 사용하였고, 스퍼드캔 침투 시 점토층 적분점에서 누적된 소성 스트레인 값을 도출하고 해당하는 비배수 전단강도 값을 업데이트하여 구현하였다. 모래층과 점토층에서는 서로 다른 항복 기준(Yield function)을 적용하였다.
- 전통적인 해석 방법과 달리 수치해석 방법은 복잡하고 해석 시간이 길기 때문에 OW 8개 공번 중 앞서 선정한 OW-1, -3, -4 에 대해서만 수치해석을 진행하였다.
- 주어진 OW 8개 시추공의 토질데이터를 바탕으로 SNAME 가이드라인을 이용하여 스퍼드캔 침투 거동을 분석하였다. Fig.
- 전통적인 해석 방법은 SNAME 가이드라인을 이용하여 지지력을 계산하는 방법이다. 해저 토질 기초의 안정성을 평가하기 위하여 실제 계측된 해저 토질 데이터를 바탕으로 각 관입깊이에서의 지지력을 계산하여 결과를 얻게 된다. 토질역학이론에서 제시한바와 같이 Terzaghi 방법, Meyerhof 방법으로 지지력을 계산할 수 있다.
- 스퍼드캔 형상과 기본치수를 결정하기 위하여 스퍼드캔의 형상과 면적에 대한 케이스 스터디(Case study)를 진행하였다. 형상에 대한 케이스 스터디는 수치해석 방법을 이용하여 진행하였고, 면적에 대한 케이스 스터디는 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 같이 병행하였다.
대상 데이터
- 19는 2D 수치해석 결과를 나타낸다. Fig. 19에서 사용한 요소는 스퍼드캔과 토질이 각각 축대칭 고체 요소인 4AX4R과 CAX4R이고, 총 요소 수는 각각 2,272개와 81,030개다.
- 본 연구에서는, 서해안에서 지질 조사된 총 8개(OW-1 to -8)의 시추공 데이터를 사용하였다. 시추공의 위치는 Fig.
- 18은 Abaqus를 이용한 수치해석에서의 스퍼드캔과 토질의 3D 모델을 보여주고 있다. 스퍼드캔과 토질은 각각 C3D4와 EC3D8R 요소를 사용하였고, 총 요소 수는 각각 16,967개와 124,986개다.
- 또한, 3가지 대표적인 시추공 데이터를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 여기서, OW-1, -3, -4를 각각 Punch-through, 지지력이 비교적 작은 경우, 지지력이 상대적으로 큰 경우의 대표적인 세 가지 토질데이터로 선정하였다. 마지막으로, 전통적인 해석 방법 결과와 수치해석 결과를 서로 비교하였다.
- 17은 OW-1, -3, -4 시추공의 해저 면에서부터 설계 관입 깊이가 15m일 때까지의 단면도를 보여주고 있다. 이 때, 15m는 실제로 스퍼드캔이 침투될 가능성이 있는 깊이로, 표층에서의 초반 거동을 관찰하기 위해 선정하였다. Fig.
데이터처리
- (3) 8개의 OW 공번에서 SNAME 가이드라인을 이용하여 전통적인 해석을 하였고, 3개의 대표적인 OW 공번에서 수치해석을 수행하여 이를 전통적인 해석 결과와 비교하였다.
- 전통적인 해석방법 외 수치해석 방법으로 스퍼드캔 침투 거동을 분석할 수 있다. 본 연구에서는, 상용 프로그램인 Abaqus를 이용하여 수치해석을 진행하였다. Fig.
이론/모형
- 이를 위하여 Abaqus내에서 User defined code를 사용하였고, 스퍼드캔 침투 시 점토층 적분점에서 누적된 소성 스트레인 값을 도출하고 해당하는 비배수 전단강도 값을 업데이트하여 구현하였다. 모래층과 점토층에서는 서로 다른 항복 기준(Yield function)을 적용하였다. 모래층에서는 내부마찰각 Φ가 항복의 지배적인 인자이기 때문에 이와 관련된 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였고, 모래층에서는 점토의 비배수 전단강도인 su가 항복의 지배적인 인자이기 때문에 이와 관련된 von-Mises 모델을 사용하였다.
- 모래층에서는 내부마찰각 Φ가 항복의 지배적인 인자이기 때문에 이와 관련된 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였고, 모래층에서는 점토의 비배수 전단강도인 su가 항복의 지배적인 인자이기 때문에 이와 관련된 von-Mises 모델을 사용하였다.
- 스퍼드캔 면적에 대한 케이스 스터디는 전통적인 해석 방법과 수치해석 방법을 이용하여 진행하였다. 면적이 지지력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 OW-4 공번을 이용하여 면적이 각각 121m2(등가 직경 12.
- 해저 토질 기초의 안정성을 평가하기 위하여 실제 계측된 해저 토질 데이터를 바탕으로 각 관입깊이에서의 지지력을 계산하여 결과를 얻게 된다. 토질역학이론에서 제시한바와 같이 Terzaghi 방법, Meyerhof 방법으로 지지력을 계산할 수 있다. 하지만, 본 연구에서는 일반적으로 사용하고 있는 SNAME 가이드라인을 이용하여 해저 토질 기초의 안정성을 평가하였다.
- 해석 시, Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) 기법을 사용하여 다층으로 이루어진 토질에서의 스퍼드캔 침투 과정을 시뮬레이션 하였다. 또한, 비배수 전단강도가 누적된 소성 스트레인에 따라 변화하는 것을 고려하였다(Einav and Randolph, 2005).
성능/효과
- (2) 스퍼드캔의 면적이 클수록 더 큰 지지력을 갖는 것을 케이스 스터디를 통하여 알 수 있었다. 따라서 제한된 선폭 하에서 최대한 면적을 키워 지지력을 높이기 위해 스퍼드캔의 형상을 사각형으로 확정하였다.
- 24-26에서는 대표적인 3개의 지층, 즉 OW-1, -3, -4에서의 지지력 결과를 보여주고 있다. 3개의 그래프에서 볼 수 있듯 이 표층에서는 수치해석 결과는 전통적인 해석 방법의 결과의 변화추세를 어느 정도 잘 따라간다. 하지만, 관입깊이가 깊어짐에 따라, 두 곡선의 차이는 커지게 된다.
- 또한, 같은 면적과 같은 토질조건하에서 스퍼드캔의 지지력은 거의 같지만 사각형 형상의 지지력이 원형 형상 지지력보다 약간 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로 면적이 같은 경우 스퍼드캔의 형상이 지지력에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 확인된다. 하지만, 주어진 설치선의 너비에서 사각형 스퍼드캔이 원형보다 더 큰 면적을 만들어낼 수 있기 때문에 지지력 관점에서 유리하다.
- 결론적으로, 지지력을 결정하는 주요 요인이 스퍼드캔 면적이고, 주어진 조건에서 면적을 최대화할 수 있는 형상이 결국 최대 지지력을 얻을 수 있다.
- 하지만, 25m 이상 스퍼드캔이 관입하게 되면, 지지력의 크기가 계속 증가하므로 충분한 지지력의 크기를 이 구간에서 가질 수 있다. 또한, 같은 면적과 같은 토질조건하에서 스퍼드캔의 지지력은 거의 같지만 사각형 형상의 지지력이 원형 형상 지지력보다 약간 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로 면적이 같은 경우 스퍼드캔의 형상이 지지력에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 확인된다.
- 4에서와 같이 보통 3 - 5를 쓰고, 기존 스퍼드캔 침투의 결과에 의하면 n값은 3보다 작은 값을 쓸 수도 있다는 것을 제시한다. 본 연구에서는 확산 인자를 3으로 하여 계산을 수행하였고, 이는 전통적인 해석방법이 보수적인 것을 감안한다면 충분한 값이다. 추가적으로 n이 무한이 큰 경우, 점토층으로 투영하는 면적은 실제 스퍼드캔의 지지 면적과 같게 된다.
- 앞에서 스퍼드캔의 구조 설계를 위하여 형상과 면적에 대한 케이스 스터디를 진행하였다. 사각형 형상이 원형 형상의 스퍼드캔보다 더 큰 지지력을 얻었고, 면적이 증가할수록 지지력이 더 커진다는 것을 확인하였다. 또한, 코드는 사각형 형상 스퍼드캔 안쪽을 관통시켜 연결함으로써, 코드 사이 거리가 확정된 상태에서 원형 형상 스퍼드캔보다 큰 최대 지압 면적을 얻을 수 있다.
- 22는 스퍼드캔 설계안에 대한 OW-1, -3, -4 시추공에서의 침투 거동 수치해석 결과를 보여주고 있다. 예상대로 설계 관입 깊이가 15m일 때 OW-4에서의 지지력이 가장 크고, OW-3에서의 지지력이 가장 작았다. 하지만, 예상과 달리 OW-1에서 Punch-through 현상이 뚜렷하게 나타나지 않았다.
- 하지만, 관입깊이가 깊어짐에 따라, 두 곡선의 차이는 커지게 된다. 즉, 전통적인 해석 방법을 이용한 지지력 결과가 비교적 보수적인 것을 알 수 있다. 또한, 앞서 언급한 것과 같이 OW-1과 OW-4에 대한 전통적인 해석 방법에 의한 결과의 경우, 지지력이 모래층을 지나게 됨에 따라 점토층의 지지력으로 급격히 작아지게 된다.
- - 전통적인 해석 방법에 따르면, OW-1, -2, -4, -7에서 Punchthrough 현상이 뚜렷하게 관찰되고 있다. 하지만, 수치해석 결과에서는 OW-1인 경우 Punch-through 현상이 뚜렷하지 않았으며, OW-4에서는 약간 지연되어 발생하는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 즉, 스퍼드캔이 토질에 침투할 때, 표층에서 지지력이 증가하다가 급격이 지지력이 감소하는 구간이 관찰된다. 해상풍력발전기 전문설치선의 프리로딩과 설치예상 구역을 선정 시 이를 토대로 충분한 검토가 이루어져야 할 것이다.
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