해상풍력 석션버켓 기초 구조-지반 상호작용 비선형 구조해석 및 실험결과 비교 Nonlinear Structure-Soil Interaction Analysis for the Suction Bucket Foundation of Offshore Wind-Turbine원문보기
진정인
(Graduate School of Mechanical and Aerospace Eng., Gyeongsang National Univ. and CAE-KOREA Co., Ltd.)
,
김동현
(Graduate School of Mechanical and Aerospace Eng., Gyeongsang National Univ. and CAE-KOREA Co., Ltd.)
,
정민욱
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
최근 석유 에너지 고갈의 문제에 봉착함에 따라 신재생 에너지, 즉 풍력 에너지 분야에 대한 연구가 자연스럽게 부각되고 있다. 그 중 해상풍력은 육상풍력에 비교해 바람 자원이 풍부하기 때문에 효율성 측면에서 주목 받고 있지만 전체 시스템의 설치비용에 따른 경제성이 중요한 문제가 되고 있다. 일반적으로 해상 풍력 사업의 구성비에서 지지구조물 설치비용의 비율이 통상 25% 이상을 차지하는 경향이 있으며, 설계된 지지구조에 대해 정확한 해석과 분석이 가능 하다면 설치 및 시공분야의 경제성을 확보하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 본 연구에서는 해상 부유식 풍력발전시스템의 경제성 확보에 중요한 역할을 할 수 있는 석션버켓 기초의 지반연성 비선형 구조해석 기법을 구축하고 이에 대한 검증을 위해 실험결과와 비교검증을 수행하였다.
최근 석유 에너지 고갈의 문제에 봉착함에 따라 신재생 에너지, 즉 풍력 에너지 분야에 대한 연구가 자연스럽게 부각되고 있다. 그 중 해상풍력은 육상풍력에 비교해 바람 자원이 풍부하기 때문에 효율성 측면에서 주목 받고 있지만 전체 시스템의 설치비용에 따른 경제성이 중요한 문제가 되고 있다. 일반적으로 해상 풍력 사업의 구성비에서 지지구조물 설치비용의 비율이 통상 25% 이상을 차지하는 경향이 있으며, 설계된 지지구조에 대해 정확한 해석과 분석이 가능 하다면 설치 및 시공분야의 경제성을 확보하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 본 연구에서는 해상 부유식 풍력발전시스템의 경제성 확보에 중요한 역할을 할 수 있는 석션버켓 기초의 지반연성 비선형 구조해석 기법을 구축하고 이에 대한 검증을 위해 실험결과와 비교검증을 수행하였다.
As we are facing the shortage of oil energy, studies on renewable energy, wind energy research has been naturally getting attention. Among wind energies, ocean wind energy is relatively abundant compared to land wind energy and therefore, is getting much attention in terms of its efficiency. However...
As we are facing the shortage of oil energy, studies on renewable energy, wind energy research has been naturally getting attention. Among wind energies, ocean wind energy is relatively abundant compared to land wind energy and therefore, is getting much attention in terms of its efficiency. However, the problem is the cost. Generally, the cost ratio of the supporting structure is over 25% of the total installation cost of a offshore wind turbine system. Thus, it is very important to reduce the total installation cost of the offshore wind turbine and develop accurate analysis methodology for various offshore wind turbine foundations. In this study, nonlinear structure-soil interaction analyses have been proposed and conducted for the typical suction bucket model of an offshore wind turbine foundation, and the results were compared with experimental test data for numerical validations.
As we are facing the shortage of oil energy, studies on renewable energy, wind energy research has been naturally getting attention. Among wind energies, ocean wind energy is relatively abundant compared to land wind energy and therefore, is getting much attention in terms of its efficiency. However, the problem is the cost. Generally, the cost ratio of the supporting structure is over 25% of the total installation cost of a offshore wind turbine system. Thus, it is very important to reduce the total installation cost of the offshore wind turbine and develop accurate analysis methodology for various offshore wind turbine foundations. In this study, nonlinear structure-soil interaction analyses have been proposed and conducted for the typical suction bucket model of an offshore wind turbine foundation, and the results were compared with experimental test data for numerical validations.
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가설 설정
(2) 관입 거동 과정에 대한 해석은 수행 하지 않았으며, 기초가 지반에 관입이 완료 된 상태를 가정하였다. 관입이 완료 된 상태 가정 하에서 석션버켓과 인접 지반사이에 Interactions 조건을 부여 하였다.
(2) 관입 거동 과정에 대한 해석은 수행 하지 않았으며, 기초가 지반에 관입이 완료 된 상태를 가정하였다. 관입이 완료 된 상태 가정 하에서 석션버켓과 인접 지반사이에 Interactions 조건을 부여 하였다. 그리고 기초 자중에 의한 지중 응력 증가를 구현 하였다.
제안 방법
(3) 균일한 수직 하중을 적용하기 위해 버켓의 단면대비 압력으로 하중조건을 부여하였으며 동일한 수직 하중조건에서 타워 상단 부에 집중하중으로 수평하중을 증가시키면서 해석을 수행하였다.
관입이 완료 된 상태 가정 하에서 석션버켓과 인접 지반사이에 Interactions 조건을 부여 하였다. 그리고 기초 자중에 의한 지중 응력 증가를 구현 하였다.
6은 [10]에서 인용한 것으로 VESTAS 사의 풍력터빈이 설치된 장소 인근에서 동일한 토양조건으로 축소모델 (버켓 직경 2 m)에 대한 실험이 수행되었다. 기존실험은 실제 풍력터빈이 받는 하중조건과 유사하게 수평 및 수직하중을 동시에 부가하여 수행되었으며, 본 논문에서도 지반을 구성하는 토양 및 작용 하중에 대해 실험과 동일한 조건으로 비선형 구조해석을 수행하였다.
이러한 석션버켓 구조와 지반의 3차원적 상호작용 효과를 고려한 연구는 지금까지 부족한 실정이었다. 따라서 본 연구에서는 실제 토양과 유사하게 복합토양에 석션버켓이 관입되어 있는 상황에 대해 3차원 비선형 FEA (Finite Element Analysis) 해석기법을 구축하였으며, 수평 및 수 하중을 동시에 받는 기존 석션버켓 시험평가 모델에 대해 비선형 구조해석을 수행하고 실험결과와 비교 및 검증하였다.
2단계에서 적용하는 Interactions Option의 경우 두 표면사이의 상호작용 특성인 Tangential Behavior과 Normal Behavior로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 Normal Behavior 경우 Hard Contact 옵션을 적용하였으며, 이는 물리적으로 두 표면사이에 분리 현상에 대해 버켓과 지반이 붙어있는 경우에는 법선방향의 구속응력크기에 관계없이 서로 전달이 되며 버켓과 지반이 분리 된 경우는 응력전달이 이루어지지 않도록 해준다.
본 논문에서는 석션버켓 구조물 및 다층지질 지반의 상효작용 효과를 정확하게 고려할 수 있는 비선형유한요소 구조해석기법을 구축하였으며, 이를 시험용 풍력터빈용 석션버켓 기초 모델에 적용하여 해석을 수행하고 실험결과와 비교 검증하였다. 본 논문에서 제시한 비선형 구조해석 기법으로 석션버켓 기초 구조의 극한 지지하중을 10% 정도의 오차로 보수적으로 예측할 수 있음을 보였다.
앞서 설명하였지만 본 해석에 앞서 지반에 석션버켓이 없는 조건에서 중력을 적용해 지반의 자중에 의해 발생하는 구속 압력을 Geostatic 해석을 통해 구현하였다. 이후 석션버켓 모델에 실험과 동일한 하중조건을 부여하기 위해 수직 하중은 측정 장비의 자중을 포함한 44.
(4) 비선형 구조와 지반의 상호작용 해석과정 중 반복계산의 평형상태를 구하기 위해 Newton Integration Scheme을 적용하였다. 이 방법은 응력의 선형 추정을 기본으로 사용하기 때문에 비선형 해석 조건에서는 Parabolic 옵션을 사용하여 응력의 포물선 추정 해석을 가능하도록 하였다.
앞서 설명하였지만 본 해석에 앞서 지반에 석션버켓이 없는 조건에서 중력을 적용해 지반의 자중에 의해 발생하는 구속 압력을 Geostatic 해석을 통해 구현하였다. 이후 석션버켓 모델에 실험과 동일한 하중조건을 부여하기 위해 수직 하중은 측정 장비의 자중을 포함한 44.7kN을 적용하였으며, 타워 상단부에 작용하는 수평하중을 실험의 경우와 유사하게 증가시키면서 구조해석을 수행하였다. Fig.
118° 정도 회전변형이 발생하였다. 참고로 유한요소 구조해석에서 고체요소 (Solid Element)의 경우는 회전자유도를 가지고 있지 않기 때문에 회전 각도의 직접적인 출력은 되지 않으며 본 논문에서는 석션버켓의 회전각도 계산을 위해 버켓의 양끝단의 수직변위 절대 값의 평균을 계산해 버켓의 반경으로 나누어 환산하였다.
1값을 기본적으로 사용하는 것이 보편적이다. 하지만 이번 해석의 경우 잔류 응력과 변위를 보정하기 위해 Control Option을 사용하였으며, 이 옵션은 불연속성을 포함한 비선형 해석 문제에서 최대 평형 반복횟수를 증가 시킬 수 있기 때문에 비선형 해석에 대해 좀 더 정확한 해를 구할 수 있도록 해준다.
대상 데이터
6 m 이다. 비선형 유한요소 구조해석에 사용한 요소는 C3D8R 이며, 총 유한요소 절점(Node) 수는 11,397개 요수 (Element) 수는 8,772개 이다.
구조해석 구속조건의 경우 Symmetry Plane은 x축 방향으로 구속하였으며, 토양모델의 바닥면 및 측면은 세 방향 변위를 구속하였다. 시험용 석션버켓 구조의 재질은 강 (steel) 재질의 탄성체이나 본 해석에서는 구조물과 지반의 상호작용 영향이 주관심사이기 때문에 버켓 구조물의 경우 강체로 고려하였다. 버켓과 토양 사이의 상호작용을 고려한 비선형 구조해석을 위한 세부 조건은 아래에 상세하게 설명하였다.
을 적용하였다. 시험조건의 지반은 실제 시험장소의 표준관입시험을 통해 구해진 데이터를 적용하였는데, 각 지층의 경계위치와 해당되는물성치는 Table 1과 같다. 마찰계수는 모두 동일하게 0.
지반연성 비선형 구조해석에 적용된 다층지질 지반은 총 6개의 Layer로 고려되었는데, Layer 0을 기준으로 수중단위중량은 10 kN/m3을 적용하였다. 시험조건의 지반은 실제 시험장소의 표준관입시험을 통해 구해진 데이터를 적용하였는데, 각 지층의 경계위치와 해당되는물성치는 Table 1과 같다.
7과 같다. 해석모델의 크기는 기존 실험모델 [10]과 동일하게 설정하였는데 석션버켓의 직경은 Skirt 길이 (버켓 높이)와 동일한 2 m이며, 시험용 타워의 높이는 11.6 m 이다. 비선형 유한요소 구조해석에 사용한 요소는 C3D8R 이며, 총 유한요소 절점(Node) 수는 11,397개 요수 (Element) 수는 8,772개 이다.
데이터처리
11. 복합하중 조건에 대한 석션버켓-지반 상호작용 해석 및 실험 결과 비교. (a) 수평변위 비교결과, (b) 회전변위 비교결과.
이론/모형
(4) 비선형 구조와 지반의 상호작용 해석과정 중 반복계산의 평형상태를 구하기 위해 Newton Integration Scheme을 적용하였다. 이 방법은 응력의 선형 추정을 기본으로 사용하기 때문에 비선형 해석 조건에서는 Parabolic 옵션을 사용하여 응력의 포물선 추정 해석을 가능하도록 하였다.
(1) 우선 본 해석에 앞서 지반에 석션버켓이 없는 조건에서 중력을 적용해 지반의 자중에 의해 발생하는 구속 압을 구현할 필요성이 있다. 구속압을 구현하기 위해서 ABAQUS의 Geostatic Step조건을 적용하여 자중과 지반 구속 압이 균형이 되고 요소의 절점의 변위가 거의 무시할 수 있을 정도로 안정화 되는 조건을 부여하였다 [8].
버켓 구조와 토양사이의 미끄러짐 현상에 대해서는 Mohr Coulomb 이론을 적용하였다.
본 연구에서는 비선형 구조해석 기능이 우수한 ABAQUS (Ver.6.13-1) 프로그램을 사용하였으며, 유한요소 모델의 형상 및 격자는 Fig. 7과 같다. 해석모델의 크기는 기존 실험모델 [10]과 동일하게 설정하였는데 석션버켓의 직경은 Skirt 길이 (버켓 높이)와 동일한 2 m이며, 시험용 타워의 높이는 11.
성능/효과
(5) 수렴판정을 위한 Criterion은 0.1값을 기본적으로 사용하는 것이 보편적이다. 하지만 이번 해석의 경우 잔류 응력과 변위를 보정하기 위해 Control Option을 사용하였으며, 이 옵션은 불연속성을 포함한 비선형 해석 문제에서 최대 평형 반복횟수를 증가 시킬 수 있기 때문에 비선형 해석에 대해 좀 더 정확한 해를 구할 수 있도록 해준다.
모멘트 하중이 100 kNm가해진 경우는 버켓의 변위 회전중심이 아직 형성 되지 않은 것을 알 수 있다. 또한 지반의 변형으로 인해 버켓이 수평 방향으로 3.176 mm 이동되었으나 토양의 구속압이 가해진 모멘트 하중을 충분히 지지할 수 있음을 알 수 있다. 최대 변위는 버켓의 최상단면 Lid부분의 끝단에서 발생하였고 버켓은 0.
9(c)의 결과는 모멘트 하중이 200 kNm으로 증가된 경우이다. 버켓의 변위 회전중심이 중앙 쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있고, 최대변위는 이전 결과와 다르게 버켓 Lid 좌측 끝단에서 발생하고 수평 변위는 29.9 mm로 상당히 증가되었다. 회전변위 또한 1.
본 논문에서는 석션버켓 구조물 및 다층지질 지반의 상효작용 효과를 정확하게 고려할 수 있는 비선형유한요소 구조해석기법을 구축하였으며, 이를 시험용 풍력터빈용 석션버켓 기초 모델에 적용하여 해석을 수행하고 실험결과와 비교 검증하였다. 본 논문에서 제시한 비선형 구조해석 기법으로 석션버켓 기초 구조의 극한 지지하중을 10% 정도의 오차로 보수적으로 예측할 수 있음을 보였다. 이는 향후 중대형 풍력터빈용 석션버켓설계 및 안정성 검토에 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 현재 예측에 큰 어려움이 있는 지속 반복하중과 지반특성을 고려한 풍력터빈용 기초의 Creep 해석 등으로 확대 활용이 가능할 것으로 판단된다.
10과 하중이 증가 할수록 회전중심점이 우측으로 이동하는 것을 파악할 수 있다. 이러한 비선형구조해석 결과는 실제 실험결과와 비교해 볼 때 유사성이 매우 높은 물리적인 경향성을 나타내는 것이고 해석기법이 실제 구조물과 지반의 복잡한 연성 작용을 매우 정확하게 예측할 수 있음을 의미하는 것이다.
임계 하중에 근접할수록 흙의 입자결합력의 점진적인 소실과 Micro한 마찰거동 효과에 따른 지반의 비선형 특성이 매우 복잡하게 나타나게 되는데 비선형 유한요소 모델이 이러한 복잡한 실제 현상까지 정확하게 예측하는 데에는 무리가 있는 것으로 판단된다. 하지만, 지반의 거 특성까지 비교적 정확하게 고려한 비선형 구조해석이 실제 시험보다 보수적으로 극한 지지하중을 10% 정도의 오차로 정확하게 예측하고 있기 때문에 해석결과의 공학적 신뢰성과 실용성은 충분하다고 판단된다.
후속연구
본 논문에서 제시한 비선형 구조해석 기법으로 석션버켓 기초 구조의 극한 지지하중을 10% 정도의 오차로 보수적으로 예측할 수 있음을 보였다. 이는 향후 중대형 풍력터빈용 석션버켓설계 및 안정성 검토에 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 현재 예측에 큰 어려움이 있는 지속 반복하중과 지반특성을 고려한 풍력터빈용 기초의 Creep 해석 등으로 확대 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상풍력발전이 육상풍력발전에 비해 풍력자원이 풍부하고, 풍력감소가 상대적으로 작음으로써 얻을 수 있는 장점은 무엇인가?
풍력발전은 설치위치에 따라 해상풍력발전과 육상풍력발전으로 구분되며, 해상풍력발전은 육상풍력발전에 비하여 기술적, 경제적으로 고려해야 하는 사항이 많으나, 풍력자원이 풍부하고 풍력감소가 상대적으로 작다. 그렇기 때문에 대형단지를 조성하기가 용이하고 전기 출력량이 증가하는 장점을 갖고 있다. 일반적으로 육상풍력단지의 건설비용 중 약 75%는 터빈비용이고, 기초구조물 비용은 불과 7-10% 수준이다.
해상풍력의 장단점은 무엇인가?
최근 석유 에너지 고갈의 문제에 봉착함에 따라 신재생 에너지, 즉 풍력 에너지 분야에 대한 연구가 자연스럽게 부각되고 있다. 그 중 해상풍력은 육상풍력에 비교해 바람 자원이 풍부하기 때문에 효율성 측면에서 주목 받고 있지만 전체 시스템의 설치비용에 따른 경제성이 중요한 문제가 되고 있다. 일반적으로 해상 풍력 사업의 구성비에서 지지구조물 설치비용의 비율이 통상 25% 이상을 차지하는 경향이 있으며, 설계된 지지구조에 대해 정확한 해석과 분석이 가능 하다면 설치 및 시공분야의 경제성을 확보하는데 중요한 역할을 할 수 있다.
해상풍력터빈 시스템의 경제성을 확보하기 위해 필요한 것은 무엇인가?
반면, 해상풍력터빈의 경우 하부구조 및 기초의 시공비용이 25-35% 수준으로 증가되어 풍력터빈의 가격이 시스템 설치비용에서 차지하는 비중이 45% 수준까지 감소하게 된다 [1][2]. 따라서 해상풍력터빈 시스템의 경제성을 충분히 확보하기 위해서는 하부구조 및 기초와 관련된 지속적인 신기술 개발 및 검증이 매우 중요하며 아울러 설치 풍력터빈의 용량 및 효율 증가가 수반되어야 한다. 통상적인 고정식 해상 풍력터빈 지지구조물의 종류는 Fig.
참고문헌 (10)
EWEA, The Economics of Wind Energy, The European and Energy Association, 2008.
EWEA, Oceans of Opportunity: Harnessing Europe's Largest Domestic Energy Resource, 2009, European and Energy Association.
C.H. Le, J.U. Jeong, and S.R. Kim. "Numerical Analysis on Bearing Capacity of a Suction Bucket in Clay", JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.27, No.10, November 2011, pp. 25-33.
J.H. Shin. Computational Geotechnics, CIR , ISBN 979-11-5610- 119-2, 2015.
J.H. Schmertmann. "Guidelines for cone penetration test, performance and design.", US Federal Highway Administration, Washington DC, Report, FHWA-TS-78-209, 145, 1978.
Plaxis. "Plaxis Bulletin No. 13," Bulletin of the Plaxis Users Association (NL), 2003.
M. Hansson, T.H. Hjort and M. Thaarup. "Static and Transient Loading of the Bucket Foundation," Ms.c. Thesis Aalborg University, 2005.
J.H. Lee, S.H. Lee and S.R. Kim. "Horizontal Bearing Behavior of Group Suction Piles by Numerical Analysis", JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY, Vol.29, No.11, November 2013, pp.119-127.
K.A. Larsen. "Static Behaviour of Bucket Foundations: Thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy," Aalborg: Department of Civil Engineering, Aalborg University, 2008.
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