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 제주현무암의 p-y 곡선을 얻기 위한 수평재하시험을 실시하였다. 말뚝 수평재하시험중에 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하기 위하여 수평변위(y)는 high order polynomial curve fitting 기법을 적용하고, 지반반력(p)은 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 추천한다. 이는 지반반력을 계산하기 위하여 미분하는 과정에서 발생하는 에러를 최소화 할 수 있으므로 역해석을 통한 말뚝두부에서 하중-변위를 예측할 때 에러가 가장 작게 발생한다.
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 제주현무암의 p-y 곡선을 얻기 위한 수평재하시험을 실시하였다. 말뚝 수평재하시험중에 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하기 위하여 수평변위(y)는 high order polynomial curve fitting 기법을 적용하고, 지반반력(p)은 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 추천한다. 이는 지반반력을 계산하기 위하여 미분하는 과정에서 발생하는 에러를 최소화 할 수 있으므로 역해석을 통한 말뚝두부에서 하중-변위를 예측할 때 에러가 가장 작게 발생한다.
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. In this study, field lateral load test of the pile for analyzing lateral behavior of the offshore wind turbine which is embedded in basalt. After calculating the subgrade resistance and the horizontal deflection from the measured strain to derive p-y curve from the lateral load test results, the subgrade resistance amplifies the error in the process of differentiation and the error of piecewise polynomial curve fitting is the smallest. In order to calculate the horizontal deflection from the measured strain, the six-order polynomial was used.
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. In this study, field lateral load test of the pile for analyzing lateral behavior of the offshore wind turbine which is embedded in basalt. After calculating the subgrade resistance and the horizontal deflection from the measured strain to derive p-y curve from the lateral load test results, the subgrade resistance amplifies the error in the process of differentiation and the error of piecewise polynomial curve fitting is the smallest. In order to calculate the horizontal deflection from the measured strain, the six-order polynomial was used.
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문제 정의
현재까지 모래, 점토와 같은 흙에 대하여 개발된 p-y 곡선은 많지만 암반 지층에 말뚝기초를 시공하는 사례가 거의 없으므로 암반지층에 대하여 개발된 p-y 곡선은 극히 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 제주현무암에 대한 p-y 곡선을 얻기 위한 수평재하시험을 실시하였다. 하중단계별 말뚝기초의 두부변위를 측정하였고, 말뚝의 깊이에 따른 변형률계 측정값으로부터 지반반력과 변위를 분석하였다.
본 연구에서는 제주 북서부 한경면 해안가 현무암에 근입된 강관매입말뚝의 수평재하시험 결과에 대하여 분석하였다. 말뚝수평재하시험을 실시하는 동안 스트레인게이지로 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하는 과정에 대하여 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
1단계로 말뚝의 깊이에 따라 측정된 변형률을 이용하여 곡률(∅)을 산정하고, 말뚝의 곡률을 이중 적분하여 말뚝 깊이에 따른 수평변위(y)를 계산한다.
등변분포 하중을 받는 단순보를 대상으로 상기에 제시한 지반반력 유도방법의 적용성을 평가하였다. 등변분포 하중을 받는 단순보의 경우 하중을 알고 있으므로 평형방정식으로부터 휨모멘트를 쉽게 구할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 p-y 곡선 유도시 변형률로 유도된 수평변위를 사용하였으며 TP-#1과 TP-#2 각각의 말뚝에 대하여 깊이에 따른 수평변위를 계산하여 Fig. 13에 나타내었다.
1은 시험말뚝의 배치단면을 나타내고 있다. 말뚝두부에서 하중 단계별 수평변위를 측정하기 위하여 각각의 말뚝에 LVDT를 2개씩 설치하였다. 깊이에 따른 말뚝의 변위를 측정하기 위하여 말뚝중심에 경사계 튜브를 설치하였다.
본 연구에서는 제주 북서부 한경면 해안가 현무암에 근입된 강관매입말뚝의 수평재하시험 결과에 대하여 분석하였다. 말뚝수평재하시험을 실시하는 동안 스트레인게이지로 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하는 과정에 대하여 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
말뚝 깊이에 따른 모멘트는 high order polynomial curve fitting 기법과 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법으로 유도하였다. 말뚝재하시험은 두부자유조건으로 실시하였으며 지표면에서의 모멘트는 적용된 수평하중에 편심거리를 곱하여 얻었다. 하중재하 초기단계에서 최대모멘트는 TP-#2가 TP-#1 보다 약 10% 정도 더 크지만 깊이에 따른 모멘트 분포는 유사한 경향을 나타내고 있다.
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.
스트레인게이지 측정값은 TDS-530 데이터로거를 이용하여 변형률 데이터를 수집하였으며, 수집된 변형률 데이터는 스트레인게이지가 설치된 위치에서 말뚝의 모멘트, 전단력, 지반반력, 수평변위를 결정하는데 이용하였다.
제주도 북서부 한경면 해안가 현무암 암반층에서 재하시험을 실시하였으며, 재하시험 전에 시추조사에서는 이중코어배럴을 이용하여 암석코어를 채취하여 물리･역학적 특성을 파악하였다.
piecewise cubic polynomial curve fitting 기법은 말뚝 깊이에 따른 모멘트 데이터를 연속적인 5점의 데이터로 구간을 나누어 분석하는 curve fitting 기법이기 때문에 깊이에 따라 분산된 데이터에 대하여 곡선의 전체적인 추세를 맞추지 않아도 된다. 지반반력을 계산하는 과정으로 첫 번째 모멘트에 관한 다항식 M1을 두 번 미분하여 지반반력을 계산한 후 ②, ③에 대한 지반반력을 구한다. 두 번째부터 아홉 번째 모멘트에 관한 다항식 M2～M9을 두 번 미분하여 각각의 ③에 대한 지반반력을 구한다.
따라서 본 연구에서는 제주현무암에 대한 p-y 곡선을 얻기 위한 수평재하시험을 실시하였다. 하중단계별 말뚝기초의 두부변위를 측정하였고, 말뚝의 깊이에 따른 변형률계 측정값으로부터 지반반력과 변위를 분석하였다.
대상 데이터
시험에 사용된 말뚝은 직경 406mm, 두께 12mm, 길이 10m인 강관말뚝 2개를 사용하였으며 시험말뚝의 중심간 거리는 2m, 항복강도는 390MPa 이다. 직경 510mm로 9m 깊이까지 암반을 천공한 후 시험말뚝을 삽입하고 말뚝 내부와 외부는 몰탈로 채워 고정시켰으며 몰탈의 28일 압축강도는 대략 40MPa 이다.
이론/모형
수평재하시험 결과로부터 제주 현무암에 근입된 수평 지지말뚝의 p-y 곡선을 유도하였다. Fig. 16은 TP-#1과 TP-#2에 대한 p-y 곡선을 얻기 위하여 측정된변형률로부터 지반반력은 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 적용하고, 수평변위는 곡률에 대한 6차 다항식을 이중 적분하여 얻었다. 즉, p-y 곡선에서 초기접선의 기울기(Kh)는 깊이에 따라 거의 일정한 값을 나타내고 있다.
이와 같은 경향은 TP-#1과 TP-#2 모두 나타나고 있으며 동일 깊이에서 계산된 수평변위와 비교할 때 상관관계가 낮다. 따라서 본 연구에서는 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 적용하여 말뚝 깊이에 따른 지반반력을 산정하였다.
6에 나타난 바와 같이 모멘트 분포로 부터 가정한 하중을 역산하는 경우 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법은 가정한 하중과 정확히 일치하는 반면에 high order polynomial curve fitting 기법의 경우 가정한 하중과 비교할 때 오차가 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 지반반력 유도시 정확도를 높이기 위하여 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 적용하여 지반반력을 산정하였다.
11에 나타내었다. 말뚝 깊이에 따른 모멘트는 high order polynomial curve fitting 기법과 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법으로 유도하였다. 말뚝재하시험은 두부자유조건으로 실시하였으며 지표면에서의 모멘트는 적용된 수평하중에 편심거리를 곱하여 얻었다.
본 현장에서 수행한 두 개의 말뚝에 대한 수평재하시험은 암반에 근입된 말뚝의 수평거동을 파악할 수 있다. 말뚝 수평재하시험 중에 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하기 위하여 수평변위(y)는 high order polynomial curve fitting 기법을 적용하고, 지반반력(p)은 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 적용할 것을 추천한다. 이와 같은 방법을 적용하면 지반반력을 계산하기 위하여 미분하는 과정에서 발생하는 에러를 최소화 할 수 있으므로 역해석을 통한 말뚝두부에서 하중-변위를 예측할 때 에러가 가장 작게 발생한다.
따라서, 측정된 변형률 값으로부터 지반반력을 계산하기 위한 다양한 방법이 여러 학자들에 의해 제안되었다. 본 연구에서는 piecewise polynomial curve fitting 기법을 이용하여 지반반력을 계산하였다.
수평하중은 말뚝사이에 설치된 유압잭에 의해서 말뚝에 하중이 가해지며, 로드셀은 실제로 말뚝에 가해지는 수평하중을 측정한다. 수평재하시험은 ASTM D 3966의 표준재하방법에 따라 단계별로 100kN의 수평하중을 가하였으며, 최대 1,300kN의 수평하중을 가한 후 하중을 제거하여 시험을 종료하였다.
5를 사용하고 있으며 식 (7)은 3차항을 배제한 6차 다항식이다. 식(8)은 일반적인 6차 다항식이며, curve fitting 상수를 찾는데 최소자승법을 적용하였다.
성능/효과
첫째 곡률을 적분하여 경사각을 얻을 수 있으며 적분상수를 결정하기 위한 경계조건은 긴말뚝의 경우 θtip=0 즉 말뚝선단에서 경사각은 0이다. 둘째 변위를 계산하기 위하여 경사각을 적분하는 과정에서 발생하는 적분상수를 결정하기 위한 경계조건은 y0와 ytip=0이다. 여기서, y0는 LVDT를 이용하여 측정한 말뚝두부에서의 변위이다.
코어회수율(TCR)은 지표면 일부를 제외하면 전량 회수되었고, RQD는 22～100%로 TP-#1 하부에서 암반상태가 약간 불량하나 그 외에는 암반상태가 매우 양호하며 깊이가 깊어질수록 기공은 작아지고 있다. 시험위치에서 회수된 시추코어로 암석시편을 제작하여 실내시험을 실시한 결과, 단위중량은 24.84kN/m3 ,일축압축강도는 77.10MPa, 탄성계수는 20.80GPa, 포아송비는 0.229로 나타났다. 한편, 지반반력 산정에 이용되는 지질강도지수(GSI)는 널리 사용되고 있는 RMR 암반분류법과의 상관관계를 이용하여 GSI = 31～84(평균 : 60)로 산정하였다.
즉, 단계별 수평하중이 증가함에 따라 지반반력의 증가율이 감소하고 있으며, 말뚝두부에 1,300kN의 수평하중 재하시 최대지반반력은 각각 1,917kN/m와 1,725kN/m 이다. 이와 같은 결과로 볼 때 TP-#1은 지표면 부근에서는 지반이 항복 상태에 도달하였음을 알 수 있으며, TP-#2는 1,200kN의 수평하중 재하시 최대지반반력 1,767kN/m 보다 작으므로 지표면에서 지반은 극한 상태에 도달하였음을 알 수 있다.
첫째 곡률을 적분하여 경사각을 얻을 수 있으며 적분상수를 결정하기 위한 경계조건은 긴말뚝의 경우 θtip=0 즉 말뚝선단에서 경사각은 0이다.
229로 나타났다. 한편, 지반반력 산정에 이용되는 지질강도지수(GSI)는 널리 사용되고 있는 RMR 암반분류법과의 상관관계를 이용하여 GSI = 31～84(평균 : 60)로 산정하였다.
후속연구
단계별로 재하된 각각의 하중에 대하여 깊이에 따른 말뚝의 수평변위는 측정된 변형률로부터 식 (1)을 이용하여 유도할 수 있다. 경사계를 이용하여 측정한 변위는 다소 부정확한 것으로 판단되므로 직접 이용하지 않고 변형률로 유도한 변위의 정확도를 비교 검토하는데 이용될 것이다. 식 (1)을 이용하기 위해서는 곡률에 대한 다항식이 필요하며, 식 (10)과 같은 6차 다항식을 적용하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났다.
12는 TP-#1과 TP-#2에 대하여 측정된 변형률로부터 유도한 수평변위와 경사계를 이용하여 측정한 수평변위를 비교한 것으로서, 지표면에 가까운 부분에서는 변형률로부터 유도한 수평변위가 다소 크지만 서로 잘 일치하고 있다. 그러나 경사계로 측정한 변위는 TP-#1의 경우 지표면에서 1.5m 아래에서 수평변위가 측정되지 않았으며, TP-#2의 경우에는 수평변위가 측정되기는 하였으나 변형률로 유도된 값보다 매우 작아 신뢰성이 낮은 것으로 판단되지만 변형률로 유도된 변위의 정확성을 판단하는데 있어서 좋은 자료로 활용할 수 있다.
이와 같은 방법을 적용하면 지반반력을 계산하기 위하여 미분하는 과정에서 발생하는 에러를 최소화 할 수 있으므로 역해석을 통한 말뚝두부에서 하중-변위를 예측할 때 에러가 가장 작게 발생한다. 향후 지반조건, 말뚝직경, 시공방법 등 말뚝 기초의 수평거동에 영향을 미치는 다양한 요인을 분석하기 위하여 수치해석을 통한 매개변수 분석 등의 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상풍력터빈의 대표적인 기초형식인 말뚝기초은 무엇인가?
해상풍력터빈의 대표적인 기초형식인 말뚝기초에는 모 노파일(monopile), 자켓(jacket), 트라이포드(tripod) 등이 있으며 해저지반의 종류와 특성, 수심, 조류, 파도와 바람, 경제성을 고려하여 기초형식을 선정한다.
해상풍력터빈에 이용되는 말뚝기초는 축방향 하중뿐만 아니라 수평방향 하중에 저항할 수 있도록 설계되어야 하는 이유는 무엇인가?
말뚝기초는 수직 및 수평하중을 지지하기 위한 하부구조물로 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.
말뚝 수평재하시험중에 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하기 위하여 수평변위(y)는 어떤 기법을 적용하는가?
이에 본 연구에서는 제주현무암의 p-y 곡선을 얻기 위한 수평재하시험을 실시하였다. 말뚝 수평재하시험중에 측정한 변형률 데이터로부터 p-y 곡선을 유도하기 위하여 수평변위(y)는 high order polynomial curve fitting 기법을 적용하고, 지반반력(p)은 piecewise cubic polynomial curve fitting 기법을 추천한다. 이는 지반반력을 계산하기 위하여 미분하는 과정에서 발생하는 에러를 최소화 할 수 있으므로 역해석을 통한 말뚝두부에서 하중-변위를 예측할 때 에러가 가장 작게 발생한다.
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