[논문]육상풍력터빈 확대기초의 재사용을 위한 보강방법에 관한 실험적 연구

송성훈; 정연주; 박민수; 김정수

doi:10.12652/ksce.2021.41.1.0001

육상풍력터빈 확대기초의 재사용을 위한 보강방법에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Reinforcement Method for Reuse of Onshore Wind Turbine Spread Footing Foundations 원문보기

KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research = 대한토목학회논문집, v.41 no.1, 2021년, pp.1 - 11

송성훈 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 정연주 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 박민수 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 김정수 (한국건설기술연구원 스마트건설혁신본부 국가BIM연구센터)

초록
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기존 육상풍력터빈의 리파워링 시 기존 기초를 재사용하기 위해서는 증가된 타워 직경 및 터빈 하중에 맞게 기존 기초를 재설계 및 보강하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 육상풍력터빈의 기초형식 중 가장 널리 사용되고 있는 확대기초의 재사용을 위해 기존 확대기초 위에 새로운 콘크리트 기초부를 증설하는 슬래브 확장 보강방법 및 앵커부 구조디테일에 대해 검토하였다. 그리고 앵커부 구조디테일에 따른 보강된 확대기초의 하중저항성능을 실험적으로 평가하였다. 실험결과, (1) 앵커부 철근 유무에 따라 내력이 30 % 이상 증가하였다. (2) 앵커링에 부착된 Pile-sleeve는 앵커링과 콘크리트 사이의 전단슬립거동을 방지하여 회전강성 증가에 기여하였다. (3) Slab connector는 신?구 콘크리트 분리 방지 및 일체화 거동을 향상시켜 내력 및 변형능력 증가에 기여하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to reuse existing onshore turbine foundations, it is important to redesign and reinforce the existing foundations according to the upgraded tower diameter and turbine load. In the present study, a slab extension reinforcement method and structure details of an anchorage part were examined in consideration of the reuse of spread footings, which are the most widely used foundation type in onshore wind turbine foundations. Experiments were conducted to evaluate the load resistance performance of a reinforced spread footing according to structure details of an anchorage part. The results showed that (1) the strength of an anchorage part could be increased by more than 30 % by adding reinforcement bars in the anchorage part, (2) pile-sleeves attached to an anchor ring contributed to an increase in rotational stiffness by preventing shear slip behavior between the anchor ring and the concrete, and (3) slab connectors contributed to an increase in the strength and deformation capacity by preventing the separation of new and old concrete slabs.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Configuration and Load Transfer Mechanisms of a Spread Footing
그림 Fig. 2. Resistance Elements of Concrete Cone Failure
그림 Fig. 3. Section Detail of Spread Footing for V47 (660 kW)
그림 Fig. 4. Structural Details of Anchorage
그림 Fig. 5. Specimen Details (Dimensions in mm)
그림 Fig. 6. Test Setup
표 Table 1. Properties of Specimens
표 Table 2. Mechanical Properties of Material
그림 Fig. 7. Location of LVDT and Strain Gauge
그림 Fig. 8. Crack Patterns
그림 Fig. 9. Vertical Displacement of Slab
그림 Fig. 10. Lateral Force-Drift Angle Relationship
그림 Fig. 11. Strains of Anchor Bolts
표 Table 3. Test Results
그림 Fig. 12. Skeleton Curve
표 Table 4. Calculation Results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 육상풍력발전 도입 초창기부터 가장 보편적으로 사용되고 있는 확대기초(spread footing)의 재사용을 위해 기존 확대기초 위에 새로운 콘크리트 기초부를 증설하는 보강 방법 및 앵커부 구조디테일에 대해 검토하였다. 그리고 신․구 콘크리트의 일체화 거동을 유도하기 위해 고안된 앵커부의 구조디테일 및 연결 재(connectors)를 실험변수로 정적반복가력실험을 수행하여 보강된 확대기초의 하중저항성능 및 거동을 평가하였다.
경우 신․구 기초부의 일체화 거동이 중요하다. 본 연구에서는 신․구 기초부의 일체화 거동을 위해 고안한 앵커부의 구조디테일 및 연결재에 따른 하중성능저항을 평가하기 위해 실험적 연구를 수행하였으며, 실험결과에 근거하여 다음의 결론을 얻었다.
대상 터빈은 2002년부터 가동하여 17년 정도 운영된 노후 터빈으로 현재 기존 터빈을 2 MW 이상의 신규 터빈으로 교체하는 방안에 대해 검토 중에 있다. 이에 본 연구에서는 앵커링 방식의 기존 확대기초를 보강하여 신규 터빈의 기초부로 재사용하는 방안에 대해 검토하였다. 기존 확대기초를 재사용하기 위해서는 증가된 신규 터빈용량에 맞춰 확대기초의 매스(mass)를 늘리거나 하중분담을 위한 별도의 보강이 필요하다.

가설 설정

정적반복가력실험을 수행하였다. 본 실험에서는 전 실험체 모두 앵커부의 콘크리트 콘 파괴를 가정하여 설계하였다.

제안 방법

SFRe 신․구 기초부 분리 없이 일체로 된 확대기초의 구조성능을 확인하기 위해 일체로 제작되었으며 구조디테일은 SF2와 같다. SF1은 보강 기초부가 무배근 실험체이고, SF2는 상․하부 철근 및 전단철근(Z-bow)만을 배근하여 보강 기초부 철근 유무에 따른 구조성능 차이를 검토하였다. SF3은앵커부 내 신․구 경계면의 전단슬립거동을 방지하기 위해 Pile- sleeve가 추가된 실험체이다.
6과 같이 세팅 후 수평방향으로 정적반복가력실험을수행하였다. 가력 시 모멘트에 의한 실험체의 상하 거동을 방지하기 위해 실험체 상부 4지점을 고정하였으며, 수평방향의 슬립(slip)을 방지하기 위해 실험체 전후에 고정용 지그를 설치하였다. 가력은 500 kN 액추에이터(actuator)를 사용하였으며, 가력지점은 바닥에서 1, 200 mm이다.
가력은 500 kN 액추에이터(actuator)를 사용하였으며, 가력지점은 바닥에서 1, 200 mm이다. 가력 시 엑츄에이터의 면외 거동(out-of-plane behavior)을 방지하기 위해 엑츄에이터 헤더와 타워 사이에 가력용지그(loading jig)를 설치하였다. 하중제어는 가력지점의 수평 변위를 바닥에서 가력지점까지의 높이로 나눈 수평변형각 R에 의한 변위 제어로 실시하였다.
하중제어는 가력지점의 수평 변위를 바닥에서 가력지점까지의 높이로 나눈 수평변형각 R에 의한 변위 제어로 실시하였다. 가력순서는 수평변형각 R=0.125, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0 %로 증가시키면서 하중 스텝(step) 별로 2사이클(cycle)씩 반복가력하였다. 단, 최대내력 도달 후 내력이 최대내력의 40 %이하로 감소하면 R=+4.
하부철근(bottom bar)은 앵커 플레이트 상부에 배치하고 커플러(coupler)를 이용하여 한쪽 끝을 앵커링 표면에 고정시켜 앵커의 인발에 일부 저항 가능하도록 설계하였다. 그리고 신․구 기초부의 일체화 거동을 위해 신․구 앵커부경계면에는 Pile-sleeve를, 신․구 슬래브 경계면에는 Slab connector (U-anchor)를 추가하였다(Fig. 4 참조). Pile-slive는 앵커부 내신․구 경계면에서 발생하는 전단슬립거동에 저항하기 위한 전단연결재이고, Slab connector는 신․구 콘크리트 분리에 저항하여 신․구기 초부의 일체화 거동을 향상시키기 위한 연결재이다.
앵커부 구조디테일에 대해 검토하였다. 그리고 신․구 콘크리트의 일체화 거동을 유도하기 위해 고안된 앵커부의 구조디테일 및 연결 재(connectors)를 실험변수로 정적반복가력실험을 수행하여 보강된 확대기초의 하중저항성능 및 거동을 평가하였다.
콘크리트 내부에는 가상의 콘크리트 콘 파괴면과 철근이 교차하는 위치와 앵커볼트 및 앵커링의 중요부위에 스트레인게이지를 부착하여 변형을 측정하였다. 그리고 콘크리트 표면에 50 mm 간격으로 그리드(grid) 표시하여 콘크리트 표면의 균열 및 진행을 관측하였다. 콘크리트 균열은 각 하중스텝의 첫 사이클마다 육안으로 관측하였다.
또한 신규 타워의 설치를 위한 연결장치(transition piece) 또는 새로운 하중경로에 대한 앵커부 설계가 필요하다. 본연구에서는 Construction Scotland Innovation Center (Waldron et al., 2018)의 연구사례를 참고하여 Fig. 4와 같이 기존 확대기초위에 새로운 콘크리트 기초부를 증설하는 슬래브 확장 보강 방법을 채택하였다. 커진 타워 직경에 맞춰 앵커부의 직경을 확장하고 앵커볼트(anchor bolt)는 타워 플랜지 하부에 위치시켜 타워 플랜지에 직접 연결되도록 설계하였다.
실험은 Fig. 6과 같이 세팅 후 수평방향으로 정적반복가력실험을수행하였다. 가력 시 모멘트에 의한 실험체의 상하 거동을 방지하기 위해 실험체 상부 4지점을 고정하였으며, 수평방향의 슬립(slip)을 방지하기 위해 실험체 전후에 고정용 지그를 설치하였다.
7과 같이 변위계(LVDT) 및 스트레인 게이지(strain gauge)를 설치하였다. 실험체 측면과 상부에는 변위계를 설치하여 수평 및 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트 내부에는 가상의 콘크리트 콘 파괴면과 철근이 교차하는 위치와 앵커볼트 및 앵커링의 중요부위에 스트레인게이지를 부착하여 변형을 측정하였다.
커진 타워 직경에 맞춰 앵커부의 직경을 확장하고 앵커볼트(anchor bolt)는 타워 플랜지 하부에 위치시켜 타워 플랜지에 직접 연결되도록 설계하였다. 앵커볼트 주변으로는 바깥쪽 콘파괴면을 종단하는 전단철근(Z-bow) 및 상부철근(top bar)을 방사형으로 배치하고, 앵커링 둘레방향으로 만들어진 배근용 홀(hole) 을 관통시켜 정착길이를 확보하였다. 하부철근(bottom bar)은 앵커 플레이트 상부에 배치하고 커플러(coupler)를 이용하여 한쪽 끝을 앵커링 표면에 고정시켜 앵커의 인발에 일부 저항 가능하도록 설계하였다.
앵커부의 구조디테일 및 연결재가 신․구 기초부의 일체화 거동 및 하중저항성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 총 6개의 실험체를 제작하여 정적반복가력실험을 수행하였다. 본 실험에서는 전 실험체 모두 앵커부의 콘크리트 콘 파괴를 가정하여 설계하였다.
4와 같이 기존 확대기초위에 새로운 콘크리트 기초부를 증설하는 슬래브 확장 보강 방법을 채택하였다. 커진 타워 직경에 맞춰 앵커부의 직경을 확장하고 앵커볼트(anchor bolt)는 타워 플랜지 하부에 위치시켜 타워 플랜지에 직접 연결되도록 설계하였다. 앵커볼트 주변으로는 바깥쪽 콘파괴면을 종단하는 전단철근(Z-bow) 및 상부철근(top bar)을 방사형으로 배치하고, 앵커링 둘레방향으로 만들어진 배근용 홀(hole) 을 관통시켜 정착길이를 확보하였다.
그리고 콘크리트 표면에 50 mm 간격으로 그리드(grid) 표시하여 콘크리트 표면의 균열 및 진행을 관측하였다. 콘크리트 균열은 각 하중스텝의 첫 사이클마다 육안으로 관측하였다.
실험체 측면과 상부에는 변위계를 설치하여 수평 및 수직 변위를 측정하였다. 콘크리트 내부에는 가상의 콘크리트 콘 파괴면과 철근이 교차하는 위치와 앵커볼트 및 앵커링의 중요부위에 스트레인게이지를 부착하여 변형을 측정하였다. 그리고 콘크리트 표면에 50 mm 간격으로 그리드(grid) 표시하여 콘크리트 표면의 균열 및 진행을 관측하였다.
앵커볼트 주변으로는 바깥쪽 콘파괴면을 종단하는 전단철근(Z-bow) 및 상부철근(top bar)을 방사형으로 배치하고, 앵커링 둘레방향으로 만들어진 배근용 홀(hole) 을 관통시켜 정착길이를 확보하였다. 하부철근(bottom bar)은 앵커 플레이트 상부에 배치하고 커플러(coupler)를 이용하여 한쪽 끝을 앵커링 표면에 고정시켜 앵커의 인발에 일부 저항 가능하도록 설계하였다. 그리고 신․구 기초부의 일체화 거동을 위해 신․구 앵커부경계면에는 Pile-sleeve를, 신․구 슬래브 경계면에는 Slab connector (U-anchor)를 추가하였다(Fig.
가력 시 엑츄에이터의 면외 거동(out-of-plane behavior)을 방지하기 위해 엑츄에이터 헤더와 타워 사이에 가력용지그(loading jig)를 설치하였다. 하중제어는 가력지점의 수평 변위를 바닥에서 가력지점까지의 높이로 나눈 수평변형각 R에 의한 변위 제어로 실시하였다. 가력순서는 수평변형각 R=0.

대상 데이터

실험체는 앵커부 직경의 4배 범위까지를 절단한 부분축소모형(scale 1/10)으로 바닥 1400×1400 mm, 높이는 1400 mm로 동일하다. SFRe 신․구 기초부 분리 없이 일체로 된 확대기초의 구조성능을 확인하기 위해 일체로 제작되었으며 구조디테일은 SF2와 같다. SF1은 보강 기초부가 무배근 실험체이고, SF2는 상․하부 철근 및 전단철근(Z-bow)만을 배근하여 보강 기초부 철근 유무에 따른 구조성능 차이를 검토하였다.
3 참조). 대상 터빈은 2002년부터 가동하여 17년 정도 운영된 노후 터빈으로 현재 기존 터빈을 2 MW 이상의 신규 터빈으로 교체하는 방안에 대해 검토 중에 있다. 이에 본 연구에서는 앵커링 방식의 기존 확대기초를 보강하여 신규 터빈의 기초부로 재사용하는 방안에 대해 검토하였다.
실험 직후 실시한 콘크리트 압축강도시험결과 및 제작사에서 제공한 철근, 앵커볼트, 앵커링의 재료특성을 Table 2에 정리하였다. 본 연구에서는 앵커부의 콘크리트 콘 파괴를 가정하므로, 앵커 부의 허용인장력 산정 시 콘크리트 압축강도는 보강 기초부의 콘크리트 압축강도 42.5 MPa을 사용하였다.
본 연구에서는 제주 행원풍력발전단지의 V47터빈(660 kW)을대상으로 보강계획을 수립하였다(Fig. 3 참조). 대상 터빈은 2002년부터 가동하여 17년 정도 운영된 노후 터빈으로 현재 기존 터빈을 2 MW 이상의 신규 터빈으로 교체하는 방안에 대해 검토 중에 있다.
실험체 종류 및 제원은 Table 1에 정리하였다. 실험체는 앵커부 직경의 4배 범위까지를 절단한 부분축소모형(scale 1/10)으로 바닥 1400×1400 mm, 높이는 1400 mm로 동일하다. SFRe 신․구 기초부 분리 없이 일체로 된 확대기초의 구조성능을 확인하기 위해 일체로 제작되었으며 구조디테일은 SF2와 같다.

이론/모형

따라서 콘크리트 및 철근의 분담력을 복합적으로 고려하여 내력을 평가할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 일본토목학회에서 발간한 풍력발전설비 지지구조물 설계지침(JSCE, 2010)을 준용하여 평가하였다.

성능/효과

(2)Pile-sleeve는 앵커링과 콘크리트 사이의 전단슬립거동을 방지하여 앵커부의 회전강성 증가에 기여하였다. 반면, Pile-sleeve 에 의한 내력 증가는 크지 않아 내력 산정 시 Pile-sleeve에 의한 내력증가는 안전설계 측면에서 고려하지 않는 것이 타당하다.
(3)앵커부 하부 철근을 앵커링 표면에 커플링(coupling)하는 것이 구조적으로 유리한 것으로 확인되나, 그 영향이 크지 않아 실제 설계에서는 하부 철근의 커플링은 시공 및 경제적 측면을 함께 고려하여 적용하는 것이 필요하다.
(4)Slab connector는 신․구 콘크리트 분리 방지 및 일체화 거동을향상시켜 내력 및 변형능력 증가에 기여하였다. 단, 최대내력은 탄성 한계점 이후에 발생하므로 내력 산정 시 Slab connector에 의한 내력증가는 안전설계 측면에서 고려하지 않는 것이 타당하다.
(5)보강 실험체는 앵커부 손상과 함께 신․구 기초부 분리 및 슬래브의 휨 거동이 앵커볼트의 지지력 및 내력에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서 설계 시 Slab connector 및 슬래브휨 보강근 배치에 주의가 필요하다.
(6)보강된 확대기초의 내력은 콘크리트의 분담력과 철근의 분 담력을 복합적으로 고려한 기존 평가식(JSCE, 2010)에 의해 평가 가능한 것으로 판단된다. 이와 관련해서는 향후 추가적인 실험 및 해석연구를 통해 보강된 확대기초의 하중저항성능 및 파괴메커니즘을 보다 자세하게 분석하여 내력 평가식을 보완할 예정이다.
Coupler가 추가된 SF4는 SF3에 비해 최대내력 및 변형능력이 다소 증가하여 앵커부 하부 철근을 앵커링에 커플링(coupling) 하는 것이 구조적으로 유리할 것으로 판단된다. Slab connector가 추가된 SF5는 SF4에 비해 최대내력은 약 7 % 증가하고, 최대내력 발생시점은 R=+1.5 %/R=-1.0 % 부근으로 Slab connector가 내력 및 변형능력 증가에 기여한 것으로 나타났다.
25 % 종료 후 육안으로 관측되었으며, 균열 진행과 함께 강성 저하가 나타났다. 균열에 의한 강성 저하 후 최대내력까지는 SF1~SF5이 일체형 실험체 SFR에 비해 이른 시기에 최대내력에 도달하였다. 무배근 실험체 SF1은 콘크리트 균열 발생 직후 균열의 발달과 함께 빠르게 최대내력(R=+0.
일체형 실험체 SFR의 최대내력은 최대수평강도를 약 44 % 상회하였다. 반면, 무배근 보강 실험체 SF1의 최대내력은 최대수평강도와 거의 일치하였으며, 배근 보강 실험체 SF2~SF5 의 최대내력은 최대수평강도를 약 10~28 % 상회하였다. 전 실험체모두 탄성한계점(강성 저하가 크게 발생할 시점)은 최대 수평 강도 부근에서 발생하였다.
7 참조). 앵커볼트 변형률은 내측이 외측보다 상대적으로 작고, 내․외측 모두 최대내력 도달과 동시에 변형률이 감소하였다. 일체형 실험체 SFRe R=+1.
이는 앵커볼트와 앵커링 사이 콘크리트 손상에 의해 앵커 볼트 의지 지력이 감소한 것으로 판단된다. 앵커볼트의 변형률 추이와 최대내력 간의 상관관계를 통해 보강된 확대기초의 내력은 앵커부 앵커볼트의 지지력에 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히, 앵커볼트내측은 기존 기초부 앵커링과 근접해 있어 충분한 콘크리트 두께 확보와 철근 보강이 이우러지지 않아 손상에 더 취약하였다.
(3)~(5) 와 Table 2의 재료물성을 이용하여 산정한 허용인장력을 수평 강도로 환산한 값이다. 일체형 실험체 SFR의 최대내력은 최대수평강도를 약 44 % 상회하였다. 반면, 무배근 보강 실험체 SF1의 최대내력은 최대수평강도와 거의 일치하였으며, 배근 보강 실험체 SF2~SF5 의 최대내력은 최대수평강도를 약 10~28 % 상회하였다.
9는 하중 스텝별 슬래브 상부에 설치된 변위계의 수직 변위를 나타낸다. 전 실험체 모두 R=0.125 %에서 R=1.5 %까지는페데스탈-슬래브 세그먼트 경계와 그 주변으로 다수의 균열이 발생하였으나, R=2.0 %부터는 실험체별로 균열패턴이 조금 상이하게 나타났다. 일체형 실험체 SFR에서는 슬래브 상부 중앙에 원형을 그리면서 균열이 크게 진행되다 R=3.
반면, 철근이 배근된 SF2~SF5에서는 강성 저하 후 어느 정도 소성변형을 보이다 최대내력에 도달하였다. 최대내력은 무배근 실험체 SF1보다 30~50 %정도 증가하여 앵커부 철근은 내력증가에 더 크게 기여하는 것으로 나타났다. Pile-sleeve가 추가된 SF3은 SF2와 유사한 최대내력을 보여 Pile-sleeve가 내력 증가에 미치는 영향은 크지 않았다.

후속연구

것으로 판단된다. 이와 관련해서는 향후 추가적인 실험 및 해석연구를 통해 보강된 확대기초의 하중저항성능 및 파괴메커니즘을 보다 자세하게 분석하여 내력 평가식을 보완할 예정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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