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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(2); 2022 > Article
말뚝으로 보강된 풍력발전 기초의 말뚝 배열에 따른 수평 및 전도 저항에 대한 실내모형실험

Abstract

In this study, the lateral resistance and bending moment of a wind turbine foundation reinforced with piles on the bedrock were evaluated through modeling tests considering the cross-sectional size and presence of piles. The lateral resistance of a small foundation (16 m) with piles was found to be 1.84 times greater than that of the existing wind turbine foundation (20 m). After installing eight piles in the wind power turbine foundation, the outer and inner circles were compared, and the lateral resistance at the outer circle with piles was found to be the largest. Moreover, the lateral resistance force was similar for the series, parallel, and diagonal arrangements of six piles. The bending moment increased based on the order of the front, right, and back rows. The maximum bending moment of the pile for the front row was observed at the interface between the wind turbine foundation and rubble bed, while that for the right and back rows was observed at the interface between the rubble layer and bedrock.

요지

본 연구는 실내모형시험을 통해 암반지반에 말뚝으로 보강된 풍력발전기초의 수평저항력 및 휨모멘트를 평가하였다. 특히 풍력발전기초의 단면크기와 말뚝 유무에 따른 풍력발전기초의 수평저항력 및 휨모멘트의 변화를 분석하였다. 그 결과 단면이 큰 기존 풍력발전기초(20 m)에 비해 단면을 축소하여 말뚝을 보강한 풍력발전기초(16 m)의 수평저항력이 1.84배 더 크게 나타났다. 풍력발전기초에 말뚝을 8개로 보강 후 외측원과 내측원을 비교하여 분석하였고, 외측원의 수평저항력이 크게 나타났다. 6개의 말뚝으로 직렬, 병렬, 대각선 배열을 비교를 통해 유사한 수평저항력을 나타냄을 알 수 있었다. 풍력발전기초와 암반지반에 근입 되어있는 말뚝의 휨모멘트 측정결과 전열, 우측열, 후열 순으로 휨모멘트가 크게 나타났다. 최대 휨모멘트 발생위치는 전열의 경우 풍력발전기초와 사석층 경계면에서, 우측열과 후열의 경우 사석층과 암반지반의 경계면에서 나타남을 알 수 있었다.

1. 서 론

최근 신재생에너지에 대한 수요가 많아짐에 따라 풍력발전에 대한 관심이 많아지고 있다. 특히 풍력발전의 경우 대형화로 인해 내륙보다는 해상에 건설되는 경향이 많다. 해상에 건설됨에 따라 풍력타워를 지지하기 위해 다양한 기초형식들이 적용되고 있다. 기초형식으로는 중력식 확대기초, 모노파일기초, 부유식 기초, 석션버켓기초 등이 적용되고 있다. 해상풍력발전의 대형화는 해상풍력발전 구조물의 기초시공 비용의 증가로 경제적인 기초형식을 결정하는 것이 중요하다. 또한 해상풍력발전 구조물의 경우 풍력과 파력 등으로 인해 구조물의 수평저항력 및 휨모멘트에 대한 중요도가 크다. 따라서 수평하중으로 인해 발생 가능한 해상풍력구조물의 활동, 특히 전도에 대한 안정성을 확보할 수 있는 방안의 강구, 필요성이 제기되고 있다. 이와 같이 해상풍력구조물의 대형화로 인한 경제성과 수평저항력에 대한 안정성을 높이기 위해 본 연구에서는 풍력기초의 단면을 축소하여 기초와 암반지반 사이를 말뚝으로 보강하는 새로운 공법이 검토되었다. 이 공법은 최근 말뚝으로 보강된 Tiecell 공법과 유사한 공법이다. Tiecell 공법은 기존 블록식공법에 말뚝을 관입하여 활동에 대한 저항력을 극대화시킨 공법이다. 즉 말뚝을 통해 블록간 결합과 그리고 블록과 지반사이 인장력을 구현한 것이다. 기존 블록식공법은 블록자체 자중과 블록간 존재하는 마찰력이 수평하중에 저항하는 형태를 가지고 있고 블록과 지반 사이의 결합이 존재하지 않는다(Tsinker, 1997). 현재 Tiecell 공법의 경우 방파제나 안벽 등에 적용된 연구(Kang et al., 2021) 및 시공사례가 있으나 해상풍력 기초구조물에 적용된 경우는 아직까지 사례가 없는 상태이다.해상풍력의 기초는 우선적으로 지지력 확보가 중요하므로 지반조건에 따라 기초형식이 달라지게 된다. 지반 상태가 좋은 암반지반이나 조밀한 모래지반의 경우 중력식확대기초 적용이 가능하나, 그렇지 않은 경우 모노파일 또는 석션버켓과 같은 기초공법을 적용한다(Negro et al., 2014; Esteban et al., 2015). 예를 들어 석션버켓 해상풍력기초의 경우 Houlsby et al. (2005)Kelly et al. (2006)는 점토와 사질토에서 수평 및 수직하중에 대한 버켓 기초의 동적응답을 예측하기 위해 현장실험을 수행하는 등 점토와 사질토 지반에서의 풍력기초들에 대한 연구들이 다수 진행되었다. 또한 기초를 통해 해상풍력구조물의 하중이 지반으로 직접적으로 전달되는 중력식확대 해상풍력기초에 대한 연구도 진행 되었다(Esteban et al., 2019). 본 연구에서는 실내모형시험을 통해 암반지반에서 말뚝으로 보강된 해상풍력발전 기초구조물의 적용성 검토를 수행하였다.

2. 실내모형실험

2.1 실험방법

2.1.1 상사법칙 및 제원

말뚝으로 보강된 천공타이셀 기초의 수평저항력에 대한 연구를 위해 실내모형실험을 실시하였으며, 현장조건과 모형실험의 일치를 위해 Iai (1989)의 법칙 제2형태를 적용하였다(Table 1).
Table 1
Generalized Scaling Law (Iai, 1989)
Quantity Scaling Factor Model Prototype
Lateral length λ 1 28.61
Vertical length λ 1 28.61
Density 1 1 1
Stress and pressure λ 1 28.61
Time λ3/4 1 12.37
Acceleration 1 1 1
EI of pile/width λ7/2 1 125,260
Displacement λ3/2 1 153.03
Bending moment λ3 1 23,418.2
Strain λ1/2 1 5.35
Iai (1989)의 상사법칙에 따라 모형실험에 사용될 재료들은 Table 2와 같다.
Table 2
Material Characteristics Applied to Iai’s Commercial Law
Category Prototype (m) Model (mm)
Pile Length 12 419.4
Diameter 0.636 22.22
Wind Tower Length 97.16 3400.0
Diameter 4 139.8
Loading Point 80.2 2800.0
Foundation of Wind Tower Diameter 20 699.1
16 559.3
Height 4 139.8
In-situ Height 8 279.6
Width 24 838.9
Height of Mound 1 35
실내모형실험의 모식도는 Fig. 1과 같다. 수평저항력을 발생시키기 위해 고정시킨 수평하중장치를 설치하여 그 끝단에 로드셀을 설치하였고, 타워의 수평하중 값을 측정하기위해 로드셀 바로 하단에 변위계를 설치하였다. 또한, 활동과 전도의 측정을 위해 타워기초부에 변위계를 설치하였으며 각 변위계는 데이터 로거를 통해 데이터를 수집하였다.
Fig. 1
Generalized Scaling Law (Iai, 1989)
kosham-2022-22-2-185gf1.jpg

2.1.2 실험장비

실내모형시험의 구현을 위한 실험장비들의 특성은 다음과 같다. 타워기초 및 원지반(풍화암) 구현을 위해 모르타르를 사용하였으며 Fig. 2와 같이 거푸집 제작으로 모형을 제작하였다. 모형 말뚝은 7일 양생 후 제거하였으며, 타워기초 및 원지반 모형은 28일 이상 충분히 양생하여 모형실험에 사용하였다. 실험에서 사용된 말뚝은 동관으로 제작된 원형 말뚝을 사용하였으며, 제원은 Table 3과 같다. 말뚝의 휨모멘트 측정을 위해 말뚝에 5개의 스트레인 게이지를 설치하였으며 Fig. 3과 같다. 실험에 사용된 계측기기는 변형률계, 하중계, 변위계를 사용하였다. 변형률계는 Tokyo-sokki 사의 FLA-5-11-5L 타입이다. Gauge factor 2.13, Gauge resistance 120.4±0.5 의 값을 나타내며, 이 제품의 경우 별도의 캘리브레이션 조정을 필요가 없다. 말뚝의 휨 모멘트 측정을 위해 Fig. 4와 같이 각 말뚝에 5개씩 7 cm 간격으로 부착하였으며, 연결선은 단선 방지를 위해 모형 말뚝에 드릴링 후 내부로 연결하였다. 하중 재하장치는 CBR테스트에 사용되는 스크루잭을 사용하였으며, 끝단에 로드셀을 장착하여 하중값을 얻었다. 변위계는 기초지반에 2개(수평변위, 전도), 타워기둥의 상단부 하중재하장치부에 1개를 설치하였다.
Fig. 2
Wind Turbine Foundation and Bedrock Production
kosham-2022-22-2-185gf2.jpg
Table 3
Specifications of Pile
L (mm) D (mm) T (mm) E (MN/cm2) Moment of Inertia, I (cm4) EI (MN·cm2)
420 22.22 1.65 12.25 0.567 6.9494
Fig. 3
Installation of Strain Gauges
kosham-2022-22-2-185gf3.jpg
Fig. 4
Strain Gauge Attachment Method and Location
kosham-2022-22-2-185gf4.jpg

2.2 실내모형실험 실시

2.2.1 실험 케이스

실험은 Table 4와 같이 8가지 형태로 진행하였다. 크게 두 가지의 실험을 하였으며, 첫 번째로 풍력기초의 직경 비교와(Case 1~3) 말뚝관입 여부(Case 2~3)에 따른 비교를 하였다. 두 번째로는배열에 따라 Outside, Inside, Serial, Parallel, Diagonal (Case 4~8)을 나누어 실험을 진행하였고, 말뚝 16개를 관입한 Case 2를 기준으로 값들을 비교하였다. Fig. 5Table 4를 말뚝의 배열과 위치를 확인하여 비교할 수 있도록 하였다.
Table 4
Summary of Modelling Tests
No. Foundation Diameter Pile penetration Pile arrangement Number of piles Piles by location
Prototype Model
Case 1 20 m 699 mm X X 0 -
Case 2 16 m 559 mm O O 16 1~16
Case 3 16 m 559 mm X X 0 -
Case 4 16 m 559 mm O Outside 8 1~8
Case 5 16 m 559 mm O Inside 8 9~16
Case 6 16 m 559 mm O Serial 6 1, 5, 9, 10, 13, 14
Case 7 16 m 559 mm O Parallel 6 3, 7, 11, 12, 15, 16
Case 8 16 m 559 mm O Diagonal 6 4, 8, 9, 12, 13, 16
Fig. 5
Model Type
kosham-2022-22-2-185gf5.jpg

2.2.2 실험절차

말뚝으로 보강된 천공타이셀의 효과 검증을 위한 모형실험의 방법은 Fig. 6과 같이 원지반 설치, 사석층 포설, 풍력기초 설치, 말뚝관입, 풍력타워 연결, 계측장치 설치, 하중재하(1 mm/min.) 순으로 진행하였다. 하중재하 속도는 1 mm/min.으로 하여 속도에 대한 영향을 최소화 하였고, 최대 수평변위가 25 mm 발생할 때까지 연속적으로 하중재하를 실시하였다.
Fig. 6
Test Procedure
kosham-2022-22-2-185gf6.jpg

3. 실내모형실험 결과

3.1 수평 저항력 평가

3.1.1 기초의 크기와 말뚝 관입의 수평저항력

Fig. 7은 기초형식에 따른 수평저항력을 비교한 그래프이다. 수평변위는 말뚝이 없는 경우(Case 1, 3) 수평저항력이 수렴한 지점인 25 mm까지 측정하였다. 수평저항력 측정결과 풍력기초 크기가 큰 Case 1 (130.34 N)이 Case 3 (69.58 N)보다 크게 나타났다. 말뚝이 보강된 Case 2 (241.08 N)의 경우는 Case 1 (130.34 N)보다 1.87배 크게 나타났다.
Fig. 7
Lateral Resistance According to the Foundation Type
kosham-2022-22-2-185gf7.jpg
이상의 결과와 같이 단면이 줄어든 기초에 말뚝을 보강한 경우 기존의 풍력기초(Case 1)와 초기 수평저항력은 매우 비슷하게 나타났으며, 일정변위 이후에는 더 큰 수평저항력이 나타남을 알 수 있다.

3.1.2 말뚝의 배열에 따른 수평저항력

말뚝의 배열에 따라 수평저항력의 차이를 확인하기 위해 배열을 달리하여 Case 2를 기준으로 비교하였다. Fig. 8은 외측원(Case 4), 내측원(Case 5)을 말뚝 8개로 관입후 실험을 진행하였다.
Fig. 8
Lateral Resistance According to Arrangement of Pile Circles
kosham-2022-22-2-185gf8.jpg
말뚝의 배열이 내측원(100.94 N)에서 외측원(130.34 N)으로 멀어짐에 따라 수평저항력은 증가하는 경향이 나타났다. 특히 말뚝이 16개 들어간 Case 2에 나타난 바와 같이 수평변위 10 mm 이후로 하중-변위 곡선의 기울기가 변화하는 것을 알 수 있으면 이는 말뚝의 저항 효과로 판단된다.
Fig. 9는 직렬, 병렬, 대각선의 배열로 6개의 말뚝을 관입후 수평저항력을 측정하여 말뚝으로 보강된 풍력기초의 전도에 대한 효과를 알아보고자 실험하였다. 그 결과, 6개의 말뚝이 관입된 Case 6~8은 수평저항력이 거의 비슷하게 나타남을 알 수 있다.
Fig. 9
Lateral Resistance According to Pile Arrangement
kosham-2022-22-2-185gf9.jpg

3.2 말뚝의 휨모멘트

말뚝의 거동형태를 관찰하기 위해서 부착한 스트레인 게이지의 값을 이용하여 말뚝의 휨모멘트를 계산할 수 있다. 휨모멘트 계산은 Rollins et al. (1998)이 제안한 말뚝에 부착한 Strain gauge의 압축변형률로 휨모멘트 Eq. (1)과 같이 계산할 수 있다.
(1)
M=E·I·d
여기서, ε: 압축변형률 EI: 모형말뚝의 휨강성 d: 모형말뚝의 반경
Fig. 10은 말뚝의 휨모멘트를 나타내기 위해 위치를 나타낸 그림이다. Fig. 11은 휨모멘트를 나타낸 그래프이다. 총 3곳에서 말뚝의 휨모멘트를 측정하였고 하중작용방향에서 앞쪽에 위치한 전열, 가장 뒤쪽에 위치한 후열, 오른쪽 바깥지점에 위치한 우측열로 각각 표기하였다. Fig. 11의 y축은 무차원으로 나타내기 위해 말뚝 근입깊이(스트레인 게이지 부착 위치)에 타워기초의 높이(13.98 cm)를 나누어 나타냈다.
Fig. 10
Pile Position
kosham-2022-22-2-185gf10.jpg
Fig. 11
Bending Moment by Pile Position
kosham-2022-22-2-185gf11.jpg
전열의 경우 최대휨모멘트 작용점은 -1위치에 나타났으며 이는 타워기초의 바닥면과 사석층 사이의 경계면에서 나타남을 알 수 있다. 또한 후열과 우측열의 경우 -1.5지점에서 나타났으며 이는 사석층 바닥면과 원지반 경계면에서 나타났음을 알 수 있다. 최대 휨모멘트 크기는 전열 2,398 N⋅cm 우측열 1,014 N⋅cm 후열 914 N⋅cm으로 나타났다. 이는 일반적인 수평하중이 작용하는 말뚝기초에서와 같이 전열이 가장 큰 저항력을 가지며 다음으로 우측열, 후열 순으로 나타나는 것과 같은 형태를 보인다.

4. 결 론

본 연구는 암반지반에서 말뚝으로 보강된 풍력발전기초의 수평저항력 및 말뚝의 위치별 휨모멘트를 검토하기 위해 실내모형실험을 수행하였고 그 결과는 아래와 같다.
  • (1) 단면이 큰 기존 풍력발전기초(Case 1)와 말뚝으로 보강된 풍력발전기초(Case 2)의 수평저항력을 비교한 결과 초기 13 mm 변위까지 수평저항력의 변화가 매우 유사하게 나타났다. 하지만, 13 mm이후 Case 1은 수평저항력의 증가는 크게 발생하지 않았으며, Case 2의 경우는 선형적으로 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 25 mm 변위에서는 말뚝으로 보강된 Case 2가 Case 1보다 수평저항력이 1.84배 커지는 효과를 보였다.

  • (2) 단면이 큰 기존 풍력기초(Case 1)와 말뚝으로 보강된 풍력기초(Case 2)의 전도에 대한 효과 검증을 위해 측정한 기초부에서의 수직변위도 Case 2가 Case 1보다 적게 나타남을 알 수 있다. 이로 인해 말뚝으로 보강된 풍력발전기초가 전도에 대한 안전성이 더 우수함을 알 수 있다.

  • (3) 말뚝으로 보강된 풍력발전기초에 말뚝의 개수와 배열의 종류를 다르게 한 결과 8개의 말뚝을 사용한 외측원(Case 4)과 내측원(Case 5) 비교를 통해 외측원이 1.29배 더 크게 나타남을 알 수 있다. 6개의 말뚝을 사용한 직렬, 병렬, 대각선의 비교에서는 거의 비슷한 결과값으로 인해 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

  • (4) 휨모멘트를 통해 말뚝의 부재력을 확인한 결과 하중작용점과 가까운 전열이 우측열과 후열보다 휨모멘트가 크게 나타났으며, 최대 휨모멘트 발생위치는 기초저면과 사석층 사이에서 발생함을 알 수 있다.

감사의 글

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (2020R1A6A3A01096183).

References

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