Effect of scour on the Natural Frequency and Bearing Performance of Offshore Wind Turbines with Tripod Suction Bucket Foundation in the West Coast of Korea = 세굴이 서해안 트라이포드 석션기초 해상풍력터빈의 고유진동수 및 지지거동에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Scour is induced in the seabed surrounding the foundation of an
offshore wind turbine due to hydraulic actions, resulting in the loss of ambient
soil. Due to this soil loss, foundation stiffness is degraded, which leads to a
decrease in the natural frequency of the wind turbine system when soil-structure
interaction is considered. Furthermore, a reduction in the bearing capacity of
the foundation is also induced by the loss of surrounding soil. Regarding the
reduction in natural frequency due to scour, soil-structure interaction effects are
more accurately captured when the soil reactions are represented using a
discrete spring model. Additionally, regarding the degradation of bearing
performance, the characteristics of offshore wind turbines with tripod suction
bucket foundations must be considered. Consequently, the moment-horizontal
failure envelope and the foundation rotation angle associated with serviceability limits require simultaneous evaluation. In this study, a three
dimensional finite element model was established for a 4.2 MW tripod suction
bucket offshore wind turbine installed on the west coast of South Korea,
Gunsan. For the soil constitutive model, the Hardening Soil model with small
strain stiffness was employed to simulate soil plasticity, with input parameters
derived from seabed cone penetration test data obtained from the west coast of
Korea. First, an integrated structure-foundation model accounting for soil
structure interaction was developed to assess the natural frequency. The
superstructure was modeled using beam elements, while the soil was
represented by discrete springs with stiffness values derived from analyses
performed using PLAXIS 3D. Second, for the evaluation of bearing
performance, the moment-horizontal failure envelope of the tripod foundation
was obtained by applying the vertical load of the superstructure followed by the
displacement probe method. The validity of these numerical models was
verified against centrifuge model test results. It was indicated by the analysis
results that a reduction in natural frequency and contraction of the moment
horizontal failure envelope is induced by increasing scour depth. Consequently,
a critical scour depth was derived based on the 1P design frequency range and
the allowable mudline rotation criterion.

국문 초록 (Abstract)

세굴은 수리적 작용에 의해 해상풍력 기초 주변의 지반 유
실을 유발한다. 기초 주변 지반의 유실로 인하여, 기초-지반의 강성
의 저하가 발생하며, 지반-구조물 상호작용을 고려하여 해상풍력 발
전기의 고유진동수를 산정할 경우 고유진동수의 감소가 관찰된다.
또한 주변 지반의 유실로 인하여 풍력 기초의 지지력 저하가 발생
된다.
고유진동수를 수치적인 방법으로 사용할 경우에, 지반 반력
을 스프링으로 모델링하여 지반-구조물 상호작용을 모델링한다. 세
굴 현상에 의한 지반 반력의 변화는 이산 스프링으로 모델링할 경
우 효과적으로 산정된다. 세굴에 의한 지지성능의 감소를 고려하기
위해서는 해상풍력기초의 특성을 반영하여 모멘트-수평하중 파괴 포
락선 변화를 산정해야 하며, 동시에 기초 회전각에 대한 평가가 요
구된다.
본 연구에서는 군산 해역에 설치된 4.2 MW급 트라이포드 석
션버켓 해상풍력 터빈을 대상으로 3차원 유한요소 모델을 구축하였
다. 지반의 소성 거동 및 소변형 범위에서의 탄성계수를 적절하게
모사하기 위해 지반 구성 모델로는 HSsmall을 적용하였으며 현장
콘관입시험 자료로부터 구성모델의 입력 물성치를 산정하였다.
고유진동수 평가를 위해 구조물-지반 상호작용이 고려된 상
부구조-기초 통합 모델을 개발하였다. 상부구조는 보 요소로 모델링
하였으며, 지반은 PLAXIS 3D 해석 결과로부터 도출된 강성 기반의
이산 스프링으로 모사하였다. 지지 성능 평가를 위해 상부 연직하중
재하 후 변위 프로브 기법을 적용하여 트라이포드 기초의 모멘트-수
평하중 파괴 포락선을 도출하였다. 본 수치해석 모델의 타당성은 원
심모형시험 결과와의 비교를 통해 검증되었다.
세굴 깊이가 증가함에 따라 고유진동수 감소 및 파괴 포락
선 수축이 발생하였으며, 1P 설계 주파수 범위와 허용 기초 회전각
기준을 바탕으로 해당 기초의 임계 세굴 깊이를 산정하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 General 1
• 1.2 Aim and Scope of Study 2
• Chapter 2 Literature Review 6
• 2.1 Natural Frequency 6
• 2.2 Bearing Performance 8
• Chapter 3 Study Area and Soil Properties 10
• 3.1 Site Description 10
• 3.2 Seabed Soil Profile based on CPT Data 10
• 3.3 HS-small Model Parameters 13
• Chapter 4 Natural Frequency Analysis 17
• 4.1 Centrifuge Model Test and Experimental Results 17
• 4.2 Numerical Modeling 20
• 4.3 Model Validation 23
• 4.4 Results and Discussion 27
• Chapter 5 Bearing Performance Analysis 30
• 5.1 Numerical Modeling 30
• 5.2 Model Validation 32
• 5.3 Results and Discussion 35
• Chapter 6 Conclusions 41
• References 43