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문제 정의
- 본 논문에서는 중력식 지지구조물에서 타워를 연결하기 위해 사용하는 인장볼트 형식과 모노파일 지지구조물에서 수직도 오차를 보정하고 구조물을 일체화시키기 위하여 사용하는 그라우트 형식에 착안하여, PS 앵커 부재와 그라우트를 이용하여 수직도를 조정할 수 있는 새로운 콘크리트 중력식 해상 풍력 연결부 구조형식을 제안하였다. 제안한 연결부는 5MW급 해상풍력 구조물을 대상으로 하며 발생한 기울기에 대해 최대 0.
- 본 논문은 수직도 조정이 가능한 콘크리트 중력식 해상풍력 연결부의 설계에 관한 연구로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
가설 설정
- Figs. 4(a)와 4(b) 같이 단면 내에서 중립축의 위치(X)를 임의로 가정하고 PS 앵커의 프리스트레스를 고려하여 콘크리트 단면의 압축력(C)과 PS 부재의 인장력(T)을 계산하였다. 이를 반복하여 중립축 위치에 따른 단면의 축력 및 모멘트 저항성능을 도출한 후, 안전계수를 적용하여 Fig.
제안 방법
- PS 앵커가 위치하는 앵커체결구는 부재 간의 기하학적 간섭이 발생하지 않고 목표로 하는 수직도 조정이 가능하도록 설계하였다. Fig.
- ∙ 제안 설계안의 적정성을 검토하기 위해 제주도 해상지역을 대상으로 연결부를 설계하고, 유한요소해석을 통해 부재별 발생 응력과 하중 전달 메커니즘을 확인하였다. 유한요소해석 결과, 연결부에서 선형적인 저항력이 발생하였으므로 설계안에서 고려한 하중 전달 메커니즘이 타당함을 확인하였다.
- ∙ 콘크리트 중력식 해상풍력 구조물에서 수직도 오차를 0.5°까지 보정할 수 있는 연결부 구조형식과 주요 부재별 설계안을 제안하였으며, 유한요소해석을 통해 제안 설계안의 적정성을 검토하였다.
- 연결부에는 모멘트 하중이 지배적으로 작용하므로, 민감도 분석은 PS 앵커가 항복하는 모멘트를 사용하여 수행하였다. 굵은 골재 최대 직경을 고려하여 요소 크기 40mm의 결과에 대해 오차율1% 미만을 수렴기준으로 판단하였으며, 해의 수렴성을 확보할 수 있는 적정 요소 크기는 80mm로 결정하였다. 이와 같은 유한요소해석 결과, 수직도 조정이 수행되지 않은 기준 모델(standard model)에서 각 부재의 최대 발생 응력은 Table 4와 같다.
- 5°의 수직도 조정이 가능한 연결부에 대해 부재별 설계안과 연결부 설계절차를 제안하였고, 제주도 해상지역을 대상으로 설계안에 따라 부재별 설계를 진행하였다. 그 후, 설계 결과에 대해 비선형 3차원 유한요소해석(Finite Element Analysis; F.E.A.)을 수행하여 설계안의 적정성을 검토하였다.
- 인장력에 대해서는 PS 앵커가 인장 파괴 및 펀칭 전단에 대해 안전하도록 설계하며, 전단력에 대한 안전성을 확인한다. 그 후, 최대 기울기 조정 성능을 고려하여 앵커체결구를 설계하고 PSC 중공원형 기둥의 축력 및 모멘트 저항성능으로 P-M 상관도를 도시하여 연결부의 안전성을 검토한다. 마지막으로 하중이 지지구조물로 안전하게 전달되도록 PS 앵커의 인발을 고려하여 전단 보강 철근을 설계한 후, 압축력으로 인해 발생하는 단면의 코벨 거동에 대한 안전성을 확인하는 것으로 연결부 설계를 완료한다.
- 따라서 0.5°의 수직도 조정이 가능한 연결부에 대해 부재별 설계안과 연결부 설계절차를 제안하였고, 제주도 해상지역을 대상으로 설계안에 따라 부재별 설계를 진행하였다.
- 그 후, 최대 기울기 조정 성능을 고려하여 앵커체결구를 설계하고 PSC 중공원형 기둥의 축력 및 모멘트 저항성능으로 P-M 상관도를 도시하여 연결부의 안전성을 검토한다. 마지막으로 하중이 지지구조물로 안전하게 전달되도록 PS 앵커의 인발을 고려하여 전단 보강 철근을 설계한 후, 압축력으로 인해 발생하는 단면의 코벨 거동에 대한 안전성을 확인하는 것으로 연결부 설계를 완료한다. 이러한 연결부 설계절차는 Fig.
- 본 논문에서 제안한 연결부의 설계절차를 정리하면 다음과 같다. 먼저 연결부 중심에 작용하는 하중으로부터 단위 길이 당 최대 압축력 및 인장력을 도출하고, 압축력에 대해 지지 구조물 콘크리트가 안전하도록 타워 하단부, 베이스 플레이트, 앵커 플레이트를 설계한다. 인장력에 대해서는 PS 앵커가 인장 파괴 및 펀칭 전단에 대해 안전하도록 설계하며, 전단력에 대한 안전성을 확인한다.
- 배력 철근은 타워 원주 방향 단면이 넓은 구조적 특성을 고려하여 후프 철근(Circular reinforcement)을 추가적으로 배근하였으며, 설계 제원 산출은 부록 1에 첨부하였다.
- 연결부의 축력 및 모멘트 저항성능은 작용 하중(Applied load)에 대한 안전성을 확보해야 한다. 본 논문에서는 Bengar and Maghsoudi(2012)의 연구결과를 참고하여 연결부를 PSC 중공원형 기둥으로 이상화한 후 안전성을 검토하였다. Figs.
- 본 논문에서는 작용 하중이 Fig. 5(b)와 같이 선형적인 저항력을 통해 지지구조물로 전달되는 연결부 단면 거동을 고려하였다. 이러한 하중 전달 메커니즘을 확인하기 위하여 식 (10), (11)의 선형적으로 증가하는 전단 보강 철근의 단위 길이 당 저항력(ti)과 유한요소해석 결과 발생하는 단면의 저항력을 Fig.
- 타워 하단부는 PS 앵커를 통해 지지구조물에 일체로 체결되므로 하중은 타워에서 플레이트, PS 앵커, 전단 보강 철근 및 콘크리트 지지구조물 순으로 전달된다. 연결부 설계 시 타워 하단부, 앵커플레이트(Anchor plate)와 PS 앵커는 작용 하중에 대한 안전성을 고려하였으며, PS 앵커가 위치하는 앵커 체결구는 수직도 조정 성능을 고려하였다.
- 연결부 설계는 통합 하중 해석을 통해 산출한 지지구조물 상단의 하중 조건 중 연결부에 지배적인 하중을 도출하여 수행하였다.
- 유한요소 해석결과의 정확성을 확보하기 위해 요소 크기에 따른 해의 수렴성에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 연결부에는 모멘트 하중이 지배적으로 작용하므로, 민감도 분석은 PS 앵커가 항복하는 모멘트를 사용하여 수행하였다. 굵은 골재 최대 직경을 고려하여 요소 크기 40mm의 결과에 대해 오차율1% 미만을 수렴기준으로 판단하였으며, 해의 수렴성을 확보할 수 있는 적정 요소 크기는 80mm로 결정하였다.
- 7과 같이 y축에 대한 대칭 모델을 사용하였으며, 설계 시 연결부 중심에 작용하는 하중을 사용하였으므로 해석 모델에서도 연결부 상단 중심에 참조점을 생성하여 하중을 재하하였다. 유한요소 해석결과의 정확성을 확보하기 위해 요소 크기에 따른 해의 수렴성에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 연결부에는 모멘트 하중이 지배적으로 작용하므로, 민감도 분석은 PS 앵커가 항복하는 모멘트를 사용하여 수행하였다.
- 연결부 설계는 통합 하중 해석을 통해 산출한 지지구조물 상단의 하중 조건 중 연결부에 지배적인 하중을 도출하여 수행하였다. 이때, 설계 과정의 편의성과 연결부 구조가 원형인 점을 고려하여 연결부 중심에 수직 방향으로 작용하는 설계 모멘트 하중(Mu) 및 수직 하중(Pu)은 타워 원주 방향(Circumferential direction of the tower) 단위 길이 당 최대 작용력으로 변환하여 사용하였고, 수평 방향으로 작용하는 설계 수평 하중 및 비틀림 모멘트는 변환하지 않고 사용하였다. 단위 길이 당 최대 압축력(Pcmax), 최대 인장력(Ptmax)은 식 (1), (2)와 같이 계산하였다.
- 먼저 연결부 중심에 작용하는 하중으로부터 단위 길이 당 최대 압축력 및 인장력을 도출하고, 압축력에 대해 지지 구조물 콘크리트가 안전하도록 타워 하단부, 베이스 플레이트, 앵커 플레이트를 설계한다. 인장력에 대해서는 PS 앵커가 인장 파괴 및 펀칭 전단에 대해 안전하도록 설계하며, 전단력에 대한 안전성을 확인한다. 그 후, 최대 기울기 조정 성능을 고려하여 앵커체결구를 설계하고 PSC 중공원형 기둥의 축력 및 모멘트 저항성능으로 P-M 상관도를 도시하여 연결부의 안전성을 검토한다.
- 인장력은 타워 원주 방향으로 배치된 PS 앵커를 통해 지지 구조물로 전달되므로, EN 1993-1-8(2005)을 참고하여 개별 PS 앵커에서의 인장 파괴와 PS 앵커로 인한 펀칭 전단이 발생하지 않도록 하였으며 전단 파괴에 대해서도 확인하였다. 개별 PS 앵커에 재하되는 최대 인장력은 식 (2)의 단위 길이 당 최대 인장력(Ptmax )을 통해 산출할 수 있으며, 앵커에 작용하는 인장력이 PS 앵커의 항복 강도(fy)에 대해 안전하도록 식 (5)와 같이 인장 파괴를 방지하였다.
- 제안한 연결부는 수직도 조정을 목표로 설계하였으므로 최대 수직도 조정 각도인 0.5°를 보정한 모델(tilted model)에 대해서도 해석을 수행하였다.
- 제안한 연결부는 최대 0.5°까지 수직도 오차를 보정할 수 있으며, PS 앵커(PS Anchor)를 통해 수직도 조정이 이루어지도록 설계하였다.
- 제주도 해상지역을 대상으로 설계안에 따라 수직도 조정이 가능한 해상풍력 연결부를 설계하고, 비선형 3차원 유한요소해석을 수행하여 설계안의 적정성을 검토하였다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
- PS 앵커는 타워의 내경 측과 외경 측에 각각 배치하여 지지 구조물과 해상풍력 타워 연결의 안전성을 강화하였다. 즉, 하나의 앵커체결구에 2개의 PS 앵커가 위치하도록 Fig. 3과 같이 설계하였으며, 앵커는 해상풍력 타워 두께(ttw)와 플레이트 폭을 고려하여 배치한다.
- 타워 하단부는 그라우트 경화 후 베이스 플레이트를 제거하고 교체 설치되므로 베이스 플레이트, 앵커 플레이트(이하 플레이트라 칭한다)와 동일 제원으로 설계하였다. 플레이트(Plate)는 AISC Steel Design Guide 1(2006)을 참고하여 플레이트를 지지하는 콘크리트가 압축 파괴하는 경우와 플레이트가 휨 변형하는 경우를 방지하였다. 플레이트에 작용하는 최대 압축력은 식 (1)의 외력에 의한 최대 압축력(Pcmax)과 PS 앵커 체결력(Ptmax)의 동시 작용으로 인해 발생한다.
- 해상풍력 지지구조물을 설계하기 전 공기역학 및 유체동역학을 포함한 통합하중 해석을 실시한다.
- 유한요소 해석에 사용한 비선형 재료 모델은 ‘Bi-linear model’과 완전 탄소성 모델을 사용하였으며, 부록 2에 첨부하였다. 해석 시간의 감축을 위해 Fig. 7과 같이 y축에 대한 대칭 모델을 사용하였으며, 설계 시 연결부 중심에 작용하는 하중을 사용하였으므로 해석 모델에서도 연결부 상단 중심에 참조점을 생성하여 하중을 재하하였다. 유한요소 해석결과의 정확성을 확보하기 위해 요소 크기에 따른 해의 수렴성에 대한 민감도 분석을 수행하였다.
- 8에 도시하였다. 해석결과 발생하는 단위 길이 당 단면의 저항력은 보강 철근과 지지구조물 콘크리트에서 발생하는 응력을 이용하여 산출하였다.
대상 데이터
- 제안한 연결부 설계안의 적정성을 검토하기 위해 비선형 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 콘크리트 및 앵커체결구 그라우트, 플레이트는 4절점 고체요소를 사용하였으며 철근 및 PS 부재는 빔요소를 사용하였다. 유한요소 해석에 사용한 비선형 재료 모델은 ‘Bi-linear model’과 완전 탄소성 모델을 사용하였으며, 부록 2에 첨부하였다.
데이터처리
- 제주도 해상지역을 대상으로 설계안에 따라 수직도 조정이 가능한 해상풍력 연결부를 설계하고, 비선형 3차원 유한요소해석을 수행하여 설계안의 적정성을 검토하였다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
- 제안한 연결부 설계안의 적정성을 검토하기 위해 비선형 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 콘크리트 및 앵커체결구 그라우트, 플레이트는 4절점 고체요소를 사용하였으며 철근 및 PS 부재는 빔요소를 사용하였다.
이론/모형
- 4(c)와 같이 P-M 상관도(P-M interaction curve)로 도시하였다. 안전계수는 Bengar and Maghsoudi(2012)의 연구에서 참고한 ACI 설계기준에 따라 압축 및 인장 파괴에 대해 각각 0.65, 0.9를 사용하였으며 압축 지배구간 및 인장 지배구간에서는 선형보간법을 적용하였다(ACI 318-08, 2008). 연결부의 안전성 검토 시, Fig.
- 유한요소 해석에 사용한 비선형 재료 모델은 ‘Bi-linear model’과 완전 탄소성 모델을 사용하였으며, 부록 2에 첨부하였다.
- 적정성 검토를 위한 제주도 해상지역 설계 조건은 해상풍력 콘크리트 중력식 기초구조물 설계예제 및 시공지침서(2017)를 참고하였으며, Table 1 and 2와 같다. 전술한 바와 같이 연결부 작용 하중(Applied load at T.
성능/효과
- ∙ 유한요소해석을 통해 연결부 부재별 발생 응력을 확인한 결과, 수직도 조정을 수행하여도 연결부 각 부재는 설계 기준 압축강도 및 항복 강도에 대해 안전함을 확인할 수 있었다. 따라서 제안 설계안에 따라 연결부를 설계할 경우, 설치과정에서 발생하는 수직도 오차를 0.
- 0%로 다른 부재들에 비해 상대적으로 큰 응력 변화가 발생하였는데, 이러한 응력 변화는 수직도 조정을 위해 플레이트 하단에 추가된 그라우트가 하중을 분담하기 때문이다. 결과적으로 수직도 조정의 영향을 고려하여도 제안 설계안은 각 부재의 설계기준 압축강도와 항복 강도에 대해 안전함을 확인하였다.
- ∙ 유한요소해석을 통해 연결부 부재별 발생 응력을 확인한 결과, 수직도 조정을 수행하여도 연결부 각 부재는 설계 기준 압축강도 및 항복 강도에 대해 안전함을 확인할 수 있었다. 따라서 제안 설계안에 따라 연결부를 설계할 경우, 설치과정에서 발생하는 수직도 오차를 0.5°까지 보정하여도 안전할 것으로 판단된다.
- 5(b)와 같이 선형적으로 증가하는 저항력 분포를 확인할 수 있으며, 최하단부에서의 저항력 분포 차이는 연결부 형상이 변화하는 지점에서 발생한 응력 집중에 기인한다. 유한요소해석 결과, Fig. 8의 저항력 비교를 통해 연결부 설계 시 고려한 하중 전달 메커니즘의 타당성을 확인하였고, 발생 응력 검토를 통해 연결부 각 부재의 안전성을 확인하였으므로, 제안한 연결부 설계안이 적정하다고 판단하였다.
- ∙ 제안 설계안의 적정성을 검토하기 위해 제주도 해상지역을 대상으로 연결부를 설계하고, 유한요소해석을 통해 부재별 발생 응력과 하중 전달 메커니즘을 확인하였다. 유한요소해석 결과, 연결부에서 선형적인 저항력이 발생하였으므로 설계안에서 고려한 하중 전달 메커니즘이 타당함을 확인하였다. 이때, 단면의 최하단부에서 연결부의 형상 변화로 인해 응력 집중이 발생하였지만, 연결부의 안전성에는 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
- 유한요소해석 결과, 연결부에서 선형적인 저항력이 발생하였으므로 설계안에서 고려한 하중 전달 메커니즘이 타당함을 확인하였다. 이때, 단면의 최하단부에서 연결부의 형상 변화로 인해 응력 집중이 발생하였지만, 연결부의 안전성에는 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
- 제안한 연결부는 5MW급 해상풍력 구조물을 대상으로 하며 발생한 기울기에 대해 최대 0.5°의 수직도 오차를 보정할 수 있다.
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