충격수평하중을 받는 모노파일의 거동 평가

변용훈,박기원,최창호,이종섭,Byun,Yong-Hoon,Park,Kiwon,Choi,Changho,Lee,Jong-Sub 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.2

풍력, 조력, 파력에 의해 발생하는 수평하중은 해상풍력발전용 모노파일의 안정성을 결정하는 중요한 인자중 하나이다. 본 연구에서는 전기저항식 변형률계를 연결한 측정시스템을 통하여 충격수평하중이 작용하는 모형 모노파일의 거동을 분석하고자 하였다. 암으로 구성된 해저지반에 모노파일이 지지된 경우를 모사하는 실내실험을 수행하기 위하여, 모형 모노파일은 파일과 고정판으로 구성하였으며, 파일의 끝단을 고정판에 고정시켰다. 모노파일의 고유주파수는 모형파일의 표면에 있는 나사산을 따라 파일의 길이를 조절함으로써 변화시켰다. 또한, 충격수평하중은 해머진자를 고정된 진자길이와 각도에서 자유낙하시켜 발생시켰다. 충격수평하중에 따른 모형 모노파일의 거동을 모니터링하기 위하여, 전기저항식 변형률계를 파일의 표면에 길이방향으로 대칭을 이루도록 설치하였다. 실험결과, 모노파일의 고유주파수가 증가함에 따라 최대모멘트는 증가하였으며, 길이방향으로 모멘트의 증가량은 증가하였다. 또한, 이론식으로 산정한 고유주파수와 충격하중을 가한후 측정된 고유주파수는 잘 일치하였다. 본 논문에서 제시한 모형 모노파일은 실제 해상풍력기초의 거동분석에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다. Lateral loads, including wind, ocean wave and tide affect on the stability of the monopile in the offshore wind farm. The goal of this study is to characterize the behavior of the monopile under impact lateral loading by using strain gauges. A laboratory-scale monopile system, which consists of a monopile and a support plate, is fixed into the support plate for modelling the monopile embeded in rock mass. The length of the monopile is adjusted by a rotation of the screw thread carved on the monopile for the investigation of the natural frequency and moment. The impact lateral load is applied by the pendulum hammer, which falls at the fixed pendulum length and angle. For the analyses of the monopile behavior due to the impact loading, strain guages are symmetrically installed on the surface of the monopile in the axial direction. Experimental results show that the maximum moment increases with the increase of natural frequency of the monopile. In addition, the predicted natural frequencies of the model monopile are similar to the measured natural frequencies. This study demonstrates that the model monopile suggested in this study may be effectively used for the characterization of behavior of the monopile installed in the field.

응답면 기법을 이용한 해상풍력용 모노파일의 신뢰성 해석

윤길림,김광진,김홍연,Yoon, Gil Lim,Kim, Kwang Jin,Kim, Hong Yeon 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.6

응답면 기법(RSM)을 이용하여 해상풍력(OWT) 모노파일에 대한 신뢰성 해석을 수행하였다. 모노파일은 해수면으로부터 15m 깊이에 설치되고 사질토에 근입되는 조건으로 고려하였다. 풍하중 및 파랑하중과 같은 해양환경하중이 작용하는 OWT 모노파일에 대한 신뢰성 해석은 KIOST에서 개발된 신뢰성 해석프로그램인 HSRBD를 이용하였다. OWT 모노파일(직경 6m)의 설계변수에 대한 민감도 분석을 수행한 결과 파일직경이 증가할수록 파일두부에서의 수평변위 및 회전각에 대한 파괴확률은 감소하나 직경이 7m 이상이 되는 경우 파괴확률의 감소율은 작아져 거의 일정해지는 것으로 나타났다. 한편, 국내기준 가운데 파일직경의 1%를 허용수평변위(60mm)로 적용하는 경우 파일의 파괴확률은 1.5%이나 최소기준인 15mm로 고려하는 경우 파괴확률은 60%로 큰 차이가 발생하므로 이에 대한 적절한 설계기준의 정립이 요구된다. 마지막으로 OWT 모노파일의 다양한 설계변수 가운데 기초지반(사질토)에 대한 내부마찰각의 불확실성이 큰 경우 이것이 파일거동에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 민감도 분석결과는 최적설계와 파괴확률 감소를 위해 어떠한 절차가 필요한지를 보여준다. Reliability analysis with response surface method (RSM) was peformed for a offshore wind turbine (OWT) monopile, which is one of mostly used foundations under 25m seawater depth in the world. The behaviors of a real OWT monopile installed into sandy soils subjected to offshore environmental loads such as wind and wave were analysed using reliability design program (HSRBD) developed in KIOST. Sensitivity analysis of design variables for a OWT monopile with 6m diameter showed that the larger in pile diameter the smaller in probability of failure ($P_f$) of a horizontal deflection and a rotational angle at a pile top, but at a greater than 7m of pile diameter, the reduction rate of $P_f$ was almost constant. It is a necessary that appropriate local design criteria should be designated as soon as possible because there were significant differences on horizontal deflections; $P_f$ was 60% at a minimum criteria 15mm deflection, however, 1.5% $P_f$ when 60mm deflection using 1% of pile diameter from local design criterion standard. Finally, friction angle of sand among many design variables was found most influential design factor in OWT monopile design, and a sensitivity analysis is found an important process to understand which design variables can mostly reduce $P_f$ with a optimum design for maintaining OWT stability.

사질토에 근입된 해상풍력 모노파일 기초의 횡방향 거동 분석

장화섭,김호선,곽연민,박재현,Jang, Hwa Sup,Kim, Ho Sun,Kwak, Yeon Min,Park, Jae Hyun 한국강구조학회 2013 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.25 No.4

To predict behaviors of offshore wind turbines which are highly laterally loaded structures and to design them rationally, evaluating the soil-foundation interaction is important. Nowadays, there are many soil modeling methods for structural analysis of general structures subjected to vertical loads, but using the methods without any consideration for design of a monopile foundation is eschewed because it might cause wrong structural design due to the deferent loading state. In this paper, we identify the differences of the member forces and displacements by design methods. The results show that fixed end method is barely suitable for monopile design in terms of checking the serviceability because it underestimate the lateral displacement. Fixed end method and stiffness matrix method underestimate the member forces, whereas virtual fixed end method overestimates them. The results of p-y curve method and coefficient of subgrade reaction method are similar to the results of 3D soil modeling method, and 2D soil modeling method overestimates the displacement and member forces as compared with other methods. 수평하중이 지배적인 해상 풍력발전기 설계 시에는 지반-기초구조물 거동을 정확히 모사하여야 상부구조물에 대한 정확한 거동예측이 가능하며, 합리적 설계가 이루어질 수 있다. 현재 다양한 지반 모델링 기법이 존재하나, 모노파일 기초 설계 시, 각 해석 기법에 대한 충분한 검증 절차 없이 해석 결과를 그대로 사용할 경우 구조물을 과다 및 과소하게 설계할 우려가 있다. 이에 본 연구에서는 지반 모델링 기법 차에 따른 모노파일의 부재력 및 수평변위 차를 비교 분석하였다. 검토 결과 고정단 모델은 최대 수평변위를 과소평가 하여 사용성 검토 측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났으며, 고정단 모델, 지반강성행렬 모델은 모노파일의 부재력을 과소평가하는 것으로 나타났다. 반면 가상고정점 모델은 모노파일의 부재력을 과대평가하여 경제성 측면에서 적합하지 않은 것으로 나타났다. 지반반력계수 모델과 p-y곡선 모델의 경우 3D 지반 모델링 해석 결과와 비교적 유사한 수평변위 및 부재력을 나타냈으며, 지반을 2D로 모델링한 경우 타 모델링 기법에 비해 과대한 수평변위와 부재력을 산정했다.

해상풍력용 모노파일 그라우트 연결부의 설계민감도 분석 - 전단키를 중심으로

김찬영(Chanyeong Kim),이대용(Daeyong Lee) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

해상풍력용 모노파일 지지구조물에 있어 그라우트 연결부는 파일 상단부에 Transition Piece를 안전하게 고정하기 위해 설치되는 중요 구조부재이다. 시멘트 성분의 그라우트는 경화되기 전 유동체 형태로 존재함으로써 Transition Piece의 수직도 확보에도 유용하게 활용이 되고 있는 상황이다. 그라우트 연결부 설계에 있어 가장 중요한 설계인자 중 하나가 바로 전단키(Shear Key)이다. 전단키는 강재(파일 또는 Transition Piece) 표면에 부착되어 강재와 그라우트 사이의 하중을 전단력 형태로 전달하는 핵심 요소로써, 상부 해상풍력 발전기를 사용 수명 동안 안전하게 지지할 수 있도록 그 형상, 설치 개수, 설치 간격 등이 신중하게 설계되어야 한다. 그라우트 연결부 설계 시 중요성에도 불구하고 전단키 최적설계에 대한 연구는 전 세계적으로 매우 제한적으로 수행되어 온 것이 사실이다. 이에 본 연구에서는 5MW급 해상풍력용 모노파일 그라우트 연결부를 대상으로 전단키 관련 설계인자의 민감도에 관한 연구를 수행하게 되었다. 전단키의 형상, 설치 개수, 설치 간격 등의 주요 설계변수들을 대상으로 이들 치수변화에 따라 연결부 설계결과물에 어떤 영향이 나타나는지에 대해 DNV Standard를 중심으로 심도 있게 검토하였다.

해상풍력발전기 모노파일 설계민감도해석 및 최적설계

이지현(Ji-Hyun Lee),김수영(Soo-Young Kim) 대한조선학회 2014 大韓造船學會 論文集 Vol.51 No.1

5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도 오차에 따른 거동 분석

장화섭(Jang Hwa Sup),김호선(Kim Ho Sun),음학진(Eum Hark Jin),김만응(Kim Mann Eung) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 C Vol.32 No.2

일반적으로 해양 말뚝기초의 경우 해양환경적 영향 및 시공상의 오차로 인해 수직도 오차가 필연적으로 발생한다. 해양구조물의 경우 수평하중이 아닌 수직하중에 의해 설계가 지배적이나, 해상풍력발전기 기초의 경우 수평하중이 지배적이며, 블레이드 회전에 의한 동적인 운동을 하는 구조형식으로 수직도 오차가 구조적으로 중요한 영향을 끼칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도 오차에 따른 기초와 지반의 구조응답 특성을 분석하였다. 해양환경하중은 ISO 기준에 의해 산정하였으며, 수직도 오차 범위는 L/∞(=0), L/300, L/200 및 L/100로 선정하였다. 해석결과 수직도 오차가 없는 모노파일에 비해L/100 오차를 갖는 지반의 부재력 최대 값이 약 7.2%정도 더 증가되는 것으로 분석되었다 In general, verticality error necessarily occurs in marine pile foundation due to construction error or marine environmental effects. In marine structure, design by vertical load rather than horizontal load is dominant, but in the offshore wind turbine foundation, horizontal load is dominant. As the structure type that has dynamic movement by blade rotation, verticality error may have structurally significant effects. In this study, structural response feature of foundation and ground were analyzed according to verticality error of monopile foundation of 5MW offshore wind turbine. Marine environmental load was calculated per ISO standard and the margin of verticality error was calculated to be L/∞(=0), L/300, L/200 and L/100. As a result of analysis, it was found that the maximum value of member force of the foundation with L/100 error increased about 7.2% compared to the monopile without verticality error.

지반강성 산정방법에 따른 해상 모노파일의 설계하중 해석

장영은(Youngeun Jang),조삼덕(Samdeok Cho),최창호(Changho Choi) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.9

본 연구에서는 해상풍력발전시스템(NREL 5 MW) 하중해석을 위해 필요한 기초구조물과 해저지반간의 상호작용 모델링 방안을 모색하고, 해상풍력시스템 해석프로그램인 GH-Bladed를 활용하여 하중해석을 수행함으로 지반모델링 방법과 설계하중조건에 따른 기초구조물 설계하중을 비교?분석하였다. 또한 상기 하중해석 결과를 기초구조물 해석프로그램 L-Pile에 적용하여 기초구조물 단면에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 본 논문에서 정리한 기초구조물 모델링 방법인 고정단, winkler spring, coupled spring모델과 설계하중조건 DLC 1.3, DLC 6.1a, DLC 6.2a의 해석결과를 바탕으로 모노파일의 단면변화를 관찰하였다. 그 결과 모든 설계하중조건에서 고정단, coupled spring 모델의 경우 모노파일의 단면이 직경 7 m, 두께 80 mm로 산정되었으며, winkler spring 모델을 적용하여 해석을 수행한 결과 모노파일의 단면이 직경 5 m, 두께 60 mm로 산정되었다. 본 연구를 통해 지반-기초구조물간의 상호작용 모델링 방법이 기초구조물의 설계 단면을 결정하는 하중해석 결과에 영향을 미친다는 것을 파악하였으며, 이러한 영향을 고려하여 해상풍력시스템 기초구조물을 설계한다면 기초구조물 설계 시 발생할 수 있는 과다?과소설계 가능성을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다. This study explores methods for modeling the foundation-seabed interaction needed for the load analysis of an offshore wind energy system. It comprises the comparison study of foundation design load analyses for NREL 5 MW turbine according to various soil-foundation interaction models by conducting the load analysis with GH-Bladed, analysis software for offshore wind energy systems. Furthermore, the results of the aforementioned load analysis were applied to foundation analysis software called L-Pile to conduct a safety review of the foundation cross-section design. Differences in the cross-section of a monopile foundation were observed based on the results of the fixed model, winkler spring and coupled spring models, and the analysis of design load cases, including DLC 1.3, DLC 6.1a, and DLC 6.2a. Consequently, under all design load conditions, the diameter and thickness of the monopile foundation cross-section were found to be 7 m and 80 mm, respectively, using the fixed and coupled spring models; the results of the analysis conducted using the winkler spring model showed that the diameter and thickness of the monopile foundation cross-section were 5 m and 60 mm, respectively. The study found that the soil-foundation interaction modeling method had a significant impact on the load analysis results, which determined the cross-section of a foundation. Based on this study, it is anticipated that designing an offshore wind energy system foundation taking the above impact into account would reduce the possibility of a conservative or unconservative design of the foundation.

지반과 말뚝의 상호작용을 고려한 고정식 해상풍력터빈의 동적 특성에 대한 확률적 평가

이진학,김선빈,한택희,윤길림,Yi, Jin-Hak,Kim, Sun-Bin,Han, Taek Hee,Yoon, Gil-Lim 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.4

천해역에서의 해상풍력터빈의 기초 형식으로 모노파일, 트라이포드, 재킷 등의 고정식 기초 사이의 최적의 지지구조물 선별에 대한 논의가 세계적으로 활발하게 되어왔다. 다양한 기초 형식 가운데 어떤 기초를 최종 선택하기 위해서는 경제성과 함께 동적설계 측면에서의 검토도 필요하다. 이 연구에서는 고정식 기초를 해상풍력터빈의 기초로 적용하는 경우 전체 구조물의 고유주파수에 미치는 하중 및 지반 물성치의 불확실성의 영향을 정량적으로 검토하였다. 연구결과, 모노파일의 고유주파수의 변동이 가장 심한 것을 알 수 있었고, 따라서 모노파일 기초를 설계에 반영하는 경우에는 지반 물성치의 불확실성을 최소화시키는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. Extensive discussion on the optimal types of offshore wind turbine(OWT) among monopile, tripod and jacket in the intermediate depth of water has been actively carried out in worldwide wind turbine industry. Selecting the optimal types of OWT among several substructural types, it is required to consider the economic and technical feasibility including dynamically stable design of a wind turbine system. In this study, the effects of loading levels and uncertainties of soil properties on the natural frequency of OWT have been quantitatively investigated. In conclusion, the natural frequency of monopile-type OWTs has a significant level of uncertainty, hence it is very important to minimize the level of uncertainties in soil properties when the monopile is selected as a foundation for an OWT.

지반과 말뚝의 상호작용 및 세굴현상을 고려한 해상풍력터빈의 신뢰성 해석

이진학(Jin-Hak Yi),김선빈(Sun-Bin Kim),윤길림(Gil-Lim Yoon) 한국해안해양공학회 2016 한국해안해양공학회 논문집 Vol.28 No.4

최근 해상풍력터빈에 대한 하부구조물로 재킷 또는 트라이포드 형태의 고정식 하부구조물이 기존의 모노파일을 대체하는 좋은 대안으로 제시되고 있다. 이러한 재킷 또는 트라이포트 하부구조물은 이미 기술성숙도가 높고 25-50 m 사이의 중수심에서 경제성 확보가 가능하다. 본 논문에서는 모노파일을 포함하여 트라이포드, 재킷 하부구조물을 채택한 고정식 해상풍력터빈에 대하여 지반물성치 및 하중의 불확실성, 그리고 세굴 깊이를 고려하여 신뢰성 해석을 수행하였다. NREL 5 MW 풍력터빈 제원을 이용한 수치해석을 통하여, 지반물성치의 불확실성을 고려한 신뢰도 지수 분석 결과 모노파일 기초를 채택한 해상풍력터빈의 신뢰도 지수가 세굴깊이가 증가함에 따라 크게 감소하는 것을 알 수 있었으며, 재킷 또는 트라이포드 기초를 채택한 경우 세굴깊이가 신뢰도 지수에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었다. 결론적으로 재킷 또는 트라이포드 기초를 채택한 해상풍력터빈의 경우 지반-말뚝상호작용을 고려하지 않아도 구조 신뢰성 해석을 수행할 수 있으나, 모노파일을 채택한 경우, 신뢰성 해석 시 지반물성치 및 이에 포함되어 있는 불확실성의 정보가 상대적으로 중요함을 알 수 있다. Multi-member lattice-type structures including jackets and tripods are being considered as good alternatives to monopile foundations for relatively deep water of 25-50 m of water depth owing to their technical and economic feasibility. In this study, the reliability analysis of bottom-fixed offshore wind turbines with monopile and/or multi-member lattice-type foundations is carried out and the sensitivities of random variables such as material properties, external wind loadings and scouring depth are compared with respect to different types of foundations. Numerical analysis of the NREL 5 MW wind turbine supported by monopile, tripod and jacket substructures shows that the uncertainties of soil properties affect the reliability index more significantly for the monopile-supported OWTs while the reliability index is not so sensitive to the material properties in the cases of tripod- and jacket-supported OWTs. In conclusion, the reliability analysis can be preliminarily carried out without considering soil-pile-interaction in the cases of tripod- and jacket-supported OWTs while it is very important to use the well-measured soil properties for reliable design of monopile-supported OWTs.

전기비저항과 전단파 토모그래피를 이용한 해상 기초구조물의 세굴도 평가

박기원(Kiwon Park),이종섭(Jongsub Lee),최창호(Changho Choi),변용훈(Yonghoon Byun) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.9

해상 기초구조물은 수평하중에 지배적인 영향을 받으며, 세굴 발생으로 인한 모노파일의 근입깊이 및 지반강성의 감소는 구조물의 안정성을 저하시키게 된다. 본 연구의 목적은 전기비저항 모니터링 기법을 이용하여 기초구조물의 연직 세굴심도를 평가하고, 전단파 토모그래피를 통해 지반강성의 공간적 분포 및 변화양상을 파악하는 것이다. 해상 기초구조물에서의 세굴현상을 모사하기 위하여 하단이 고정된 모형 모노파일을 중앙에 위치시킨 후 모래 및 시멘트를 이용하여 모형 지반을 조성하였다. 전기비저항을 측정하기 위하여 모형 모노파일에 수평 및 수직배열로 구분하여 전극쌍을 설치하였으며, 전단파 측정을 위해서 사각형 프레임에 벤더 엘리먼트를 7 × 7로 배열하였다. 세굴도 변화에 따라 위치별 전기비저항과 전단파 토모그래피 이미지를 측정하였다. 실내실험을 통해 세굴도 변화에 따른 위치별 전기비저항 변화와 전단파 토모그래피를 관찰하였고, 각 단계별 지반 변화양상을 파악하였다. 위치별 전기비저항의 변화를 통해 최대세굴심도 평가가 가능했으며, 전단파 토모그래피를 통해 세굴로 인한 지반의 전단강성 변화를 추정할 수 있었다. 본 논문에서 제시한 전기비저항과 전단파 토모그래피는 세굴현상으로 인한 해상 기초구조물 주변의 지반특성을 모니터링하기 위한 매우 효과적인 방법이 될 수 있음을 보여준다. An embedded length of monopile caused by a scouring should be evaluated to monitor the stability of offshore foundations, because offshore foundations are affected by horizontal load. The objective of this study is to evaluate the scouring around offshore foundation by using electrical resistivity and to estimate ground stiffness by using shear wave tomography. The electrical resistivity profiles and shear wave tomography were measured according to the scour depth of model ground prepared with sand and cement. Several electrodes and bender elements were used to measure the electrical resistivity and shear waves, respectively. The electrode sets are attached on the monopile surface and bender elements are arranged in 7 × 7 arrays by using nylone frames. The electrical resistivity profiles and shear wave tomography are acquired by laboratory experiment. Maximum scour depth was estimated by electrical resistivity profiles and the ground stiffness of model ground was estimated by shear wave tomography. This study suggests that the electrical resistivity profiles and shear wave tomography may be useful for monitoring the stability of the offshore foundations.