해상풍력 석션버켓 기초의 기울기 제어 모형실험

Model Tests for Tilting Control of Suction Bucket Foundation for Offshore Wind Turbine

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(2):207-218
Publication date (electronic) : 2017 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.2.207
* Member, Chief Research Engineer, Daewoo Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C
** Member, Senior Research Engineer, Daewoo Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C
*** Senior Research Engineer, Daewoo Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C
**** Senior Research Engineer, Daewoo Institute of Construction Technology, DAEWOO E&C
*****Corresponding Author, Member, Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Kongju National University (Tel: +82-41-521-9314, Fax: +82-41-568-0287, E-mail: ywchoo@kongju.ac.kr)
Received 2017 January 11; Revised 2017 January 16; Accepted 2017 February 06.

Abstract

본 연구는 석션버켓 기초의 기울기 제어에 대한 모형실험으로 단일형 석션버켓 기초 내부에 여러 개의 격실을 두고 각 격실 내부 압력을 독립적으로 조절하여 모형 석션버켓 기초의 기울기를 제어하는 실험을 수행하였다. 모형의 크기는 실제크기의 1/100로 하였고 모래지반에서 수행되었다. 모형은 아크릴로 제작하였으며 실험 중 내부격실의 변화를 육안으로 관찰할 수 있도록 하였다. 각 격실별로 정압 및 부압을 다양하게 조합하여 모형기초의 기울기 제어 실험을 수행하였다. 실험결과 시공중에서는 1°이상의 기울기 제어가 가능하였으며 운용중에는 0.25°의 기울기 제어가 가능한 것으로 나타났다. 일부 case에서 격실 내에서 보일링이 관찰되어 보일링 저감대책이 필요할 것으로 사료된다.

Trans Abstract

This paper presents an experimental result of tilting control for a suction bucket foundation consisting of internal cells. The tilting control was implemented by separately controlling pressure difference between each cell. The 1/100 scale model was used and installed in sand. The model was made of acrylic, and was designed to observe the insides of the cells the during the test. A series of tilting control tests for the model foundation was carried out with multiple combinations of positive and/or negative pressure applied to each cell. It was found that the tilting control enabled suction bucket foundation to be repositioned over 1° during installation, and 0.25° during operation. Sand boiling was observed inside the cells in some cases, concluding that methods mitigating sand boiling should be adopted.

1. 서론

석션버켓 기초 형식을 해상풍력 발전기를 지지하는 기초로 적용하기 위한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다(Housby and Byrne, 2000; Housby et al., 2005; LeBlanc et al., 2010; Kim et al., 2013). 특히 초기 단계로서 해상풍력 발전단지의 기상탑에 많이 적용되고 있다(Zhu et al., 2011; Recharge, 2012; Universal-foundation, 2013). Universal Foundation은 북해의 Round 3에 대응하여 단일형 석션버켓 기초로 시험시공을 실시하여 0.1° 미만의 수직도를 달성하였다(Universal-foundation, 2015). 또한, 국내에서도 서남해 2번째 기상탑인 해모수2에 석션버켓 기초 형식이 적용되어 설치된 바 있다(Ryu et al., 2016).

석션버켓 기초 형식은 하부지반이 단단한 암반에 놓이지 않아 그 위에 설치된 해상풍력 발전기는 바람, 파력, 조류력, 세굴 등에 의한 영향을 받아 기울어질 수 있다. 이를 보정하기 위해서는 석션버켓 기초의 근입부를 수 개의 독립된 석션버켓으로 구성하여 내부에 석션압을 주어서 석션버켓 기초의 기울기를 제어하는 방법이 제안된 바 있다(Kwag et al., 2012; Zhang et al., 2013; Zhang et al., 2016). 이 때, 트라이포드(tripod) 또는 쿼드포드(quadpod)와 같은 석션버켓 기초 형식의 경우에는 이중 하나의 석션버켓 기초가 독립적으로 상하 이동이 가능하기 때문에 각각의 석션버켓 기초에 서로 상이한 석션압을 부여하여 기울기를 제어 할 수 있다. 단일형 석션버켓 기초의 경우에는 근입된 석션버켓의 내부를 여러 개의 격실로 나누고 이 격실마다 석션압을 제어하여 기울기를 보정하는 것이 가능하다.

Kwag et al.(2012)은 국내 군산항 앞바다에 단일형 석션버켓 기초와 트라이포드 석션버켓 기초를 시험 시공한 바 있다. 단일형 석션버켓 기초는 최대 0.5°이내의 오차로 설치가 완료되었다. 트라이포드 석션버켓 기초는 단일형 석션버켓 기초보다 약간 큰 오차로 설치가 되었다고 보고되었다. 또한, Kim and Bae(2011)가 내부격실을 이용한 석션버켓 기초의 수직도 보정방법을 제안한 바 있다. 석션버켓 기초의 내부를 귤모양으로 동일한 크기로 3개 또는 4개의 격실로 나누고, 각 격실을 개별적으로 석션압을 제어하여 수직도를 제어하는 기술이 제안되었다.

중국에서는 Zhang et al.(2013)에 의해 트라이포드 석션버켓 기초의 모형실험이 수행되었다. 중국의 Bohai 해에 설치된 계류용 돌핀 플랫폼으로 적용된 트라이포드 석션버켓 기초를 모델로 하였고, 시공중 또는 운용중 발생하는 경사 변위를 보정하기 위한 시험이 수행되었다. 모형지반은 중국 Bohai 만의 점토를 이용하여 조성하였고, 개별 석션버켓 기초에 부압 또는 정압을 가하여 모형체의 수직도 제어가능 여부를 연구하였다. 연약한 점토에서 6.28°가 보정 가능하였고, 단단한 점토에서는 6.6°에서 1.29°로 수직도 보정이 가능하였으나, 부압과 함께 정압을 활용하였다.

이외에도 중국에서는 해상풍력 발전기 지지용 단일형 석션버켓 기초가 내부격실을 적용하여 prestressed 콘크리트로 만들어진 바 있다(Lian et al., 2011, 2012; Zhang et al., 2015). Zhang et al.(2016)에 따르면, 중국 Tainjin 대학에 의해 제안된 형식으로 내부격실은 벌집모양의 형태를 가지며, 가운데 육각형 모양의 격실을 두고, 외벽원주를 따라 사각형의 6개의 격실이 둘러싸는 형태로, 총 7개의 격실로 구성된다. Zhang et al.(2016)은 단일형 석션버켓 기초에 벌집모양의 7개의 내부격실을 적용한 형식에 대하여 대형 모형실험을 수행하였다. 실험은 Jiangsu성 연안에 위치한 대형 시험장에서 수행되고 Jiangsu성 풍력단지 예정지의 실트질 모래로 모형지반을 조성하였다. 7개의 내부격실을 개별적으로 제어하여 수직도를 제어하였으나 최종 수직도는 명확하게 기술하지는 않았다. 상대적으로 작은 경사에 대해 부압을 통하여 조정하였고, 큰 경사의 경우 정압과 부압을 병용하여 제어를 완료한 것으로 보고하였다. 단일형 석션버켓 기초의 수직도에 대한 연구로는 유일하나 구체적인 절차가 제시되지 않았고, 다양한 격실별 정압⋅부압의 조합으로 인한 효과 등에 대해서는 자세하게 보고되지 않았다.

본 연구에서는 단일형 석션버켓 기초의 해상풍력 하부기초 모형을 가지고 격실내부 압력을 제어하여 기울기를 보정하는 실험연구를 수행하였다. 석션버켓 기초는 3개의 내부 격실로 구성된 형식으로 제작하였다. 실험은 초기에 수직이 맞춰진 상태에서 특정 기울기로 되도록 하였으며, 개별 격실내부에 부압과 정압 등을 조합하는 다양한 조건에서 시공 단계중과 해상풍력 발전기 운용중 단계에서 기울기 보정에 대한 실험을 수행하였다.

2. 실험장비 및 방법

본 연구에서 실험장비는 Fig. 1과 같이 모형토조, 모형석션버켓 기초 내부의 석션압을 제어하는 펌프, 모형석션버켓 기초, 센서거치대, 데이터 수집장비로 구성된다. 모형토조는 내경 58cm, 내측 높이 45.4cm의 원형아크릴로 제작되었다. 데이터 수집장비는 변위계 및 압력을 측정할 수 있는 장비를 사용하였으며 계측간격은 초당 2회로 하였다.

Fig. 1

Testing System

모형석션버켓 기초도 아크릴로 제작되었으며, 이의 제원은 Fig. 2와 같이 지름 17cm, 높이 13cm, 두께 0.3cm, 내부 격실높이 7.8cm로 석션버켓 벽체의 60% 높이로 상판으로부터 일부 깊이까지만 설치하였다. 원형(Prototype)구조물은 지름 17m, 높이 13m로 모형석션버켓 기초는 원형구조물의 1/100의 크기로 제작되었다. 모형석션버켓 기초 내부에 격실 내부의 압력을 측정하는 간극수압계(Fig. 2의 간극수압계; Kyowa, PS-05KA, 50kPa)를 부착하였고, 모형석션버켓 기초의 외벽의 접지압을 측정하는 압력계(Fig. 2의 전응력계; Kyowa, PS-05KA, 50kPa)를 부착하였다. 격실내부의 간극수압계의 경우, 간극수압의 측정을 위하여 내부지반이 직접 압력센서에 닿지 않도록 공간을 두고 철망을 씌웠다. 간극수압계와 전응력계는 5m의 수압까지를 측정할 수 있는 것으로 2m 깊이의 수조를 이용하여 모든 센서를 검정하여 사용하였다. 모형석션버켓 기초의 실험 중 변위는 레이저변위계로 측정되었으며, 총 4개가 사용되었다. 모형석션버켓 기초의 상판의 중앙에 막대를 부착하고, 막대 끝에 레이저변위계의 빛이 반사될 수 있는 반사판을 수평 X축(기울기 제어 축 방향), 수평 Y축(기울기 제어 축 직교방향), 수직 Z축 방향으로 부착하였다(Figs. 2a2c참조). 수평 X축방향으로 상하지점에 2개, 수평 Y방향으로 1개, 수직 Z축방향으로 1개를 설치하였다. X축방향으로 설치된 2개의 변위계는 모형석션버켓 상판 윗면으로부터 각각 36.0cm, 37.8cm 위치에 설치되었고(Fig. 2a 참조), 이들로 부터 나온 변위의 차이로부터 모형석션버켓 기초의 기울기를 계산하였다.

Fig. 2

Instrumented Model Suction Bucket: (a) Schematic Diagram of Model; (b) Location of Pore Water Pressure Transducers; (c) Picture of Model; (d) Total Pressure Transducers Placed on Outside of Skirt Wall; and (e) Pore Water Pressure Transducers Attached on Topside Invert of Model

펌프는 로터리식 일방향 펌프로 물이 펌프의 한쪽으로 들어가고 나머지 한쪽으로 물이 나오는 구조의 펌프이다. 사용된 펌프는 총 3개로 모든 격실에 연결되어, 격실별 제어를 하였다. 실험 case별로 정압인지 부압인지에 따라, 밸브의 방향을 제어하여 실험을 수행하였다.

모형석션버켓 기초의 초기기울기는 기포형 수평계를 모형석션버켓 기초 상판에 올려놓고 수평을 맞추었고, 설치 시 수직도를 제어하여 수직을 맞췄다. 실험조건에 따라 격실내부에는 부압 또는 정압을 가하였다. 본 연구의 실험조건은 크게 2가지로 나뉜다. 1) 시공중에 발생하는 경사오차를 모사하는 조건으로 격실내부에 공간이 남아있도록 하여 상판과 지표면이 4cm유격이 있는 조건과 2) 시공완료 후 해상풍력 발전기의 운용중을 모사하는 조건으로 격실내부에 공간이 남아 있지 않아 상판 내측 표면이 지표면에 맞닿은 조건이다. 또한 각 모사조건에서는 격실압력을 부압만 사용하는 경우와 부압 및 정압을 사용하는 경우로 나누어 실험을 수행하였다. 기울기 제어 실험케이스는 Table 1과 같다.

Cases of Experiment

시공중 조건(Case 1~2)에서는 각 격실 내부에 물로 차 있는 빈 공간이 있게 되므로, 격실내부에 부압을 작용시켜서 기울기를 제어하는 것이 가능하였다. 이 때, 한쪽에 치우쳐 있는 격실의 반대 쪽 격실에 부압을 작용시켜 석션버켓 기초 모형은 한쪽으로 회전이동 할 수 있었다. 또한, 부압을 작용시키는 반대측 격실에 정압을 작용시키면 석션버켓 기초 모형을 들어 올리는 효과가 있게 되므로 제자리에서 회전하게 되는 효과가 가능하다. 따라서 부압만 작용시킬 때 보다 정압도 작용시키는 방법이 더 용이하게 석션버켓 기초 모형의 기울기 보정을 하는 효과를 확인하고자 하였다. 이런 효과를 분석하기 위해서 동일한 방향으로의 기울기 보정 실험에 대해서도 부압만 주는 경우(Case 1, 2)와 부압과 정압을 함께 주는 경우(Case 1-1, 2-1)로 나누어 실험을 수행하였다. Case 1과 Case 2의 차이는 설치조건에 따라 기울기 제어가 필요한 방향으로 사용가능한 격실이 바뀌기 때문에, 기울기 보정을 위해서 사용되는 격실이 배치에 따라 1개 또는 2개가 되는 경우를 모사하였다(Fig. 3 참조).

Fig. 3

Patterns of Pressure Control on Internal Cells

격실의 압력은 실험 시작 전 초기에 설정한 압력으로 유지되는 시스템이다. 계측은 펌프 가동 전부터 계측을 수행하며, 펌프가 작동된 다음, 수압이나 유량을 제어하기 어려워서 변위계의 기울기가 3°~4° 이상 나올 때 까지 실험을 지속하고 종료하였다. 사용된 지반은 모래이고 내부마찰각은 39.1°이었다. 사용 모래의 기본물성은 Table 2Fig. 4와 같다. 본 연구에서는 내부격실을 활용한 수직도제어의 가능성 판단을 일차적인 연구목적으로 하였기 때문에, 실험준비가 빠르고 효율적인 모래지반을 대상으로 연구를 진행하였다. 지반은 강사기를 사용하여 토조내부에 조성하였으며, 상대밀도는 59%로 조성되었다. 조성된 토사에는 하부로 부터 물을 주입하여 포화시켰다. 모형석션버켓 기초는 초기에 지반에 2cm 압입을 하고, 나머지는 상부에 연결된 배수밸브를 통하여 부압을 작용시켜 설치하였고, 최종적으로 내부격실에 4cm의 공간이 확보되는 때까지 설치하였다. 부압에 의한 설치 시 수직도를 맞추기 위해 상부에 놓아둔 수평계를 이용하여 평형이 맞도록 모형석션버켓 기초를 설치하였다.

Geotechnical Property of Tested Sand

Fig. 4

Particle Size Distribution

3. 실험결과 및 토의

간극수압계는 격실 내 수압을, 전응력계는 격실 밖 모형 기초 벽면의 측압을 나타내고, 비교를 위하여 초기값을 0으로 설정하고 압력이 제하된 상태에 대한 상대 압력을 도시하였다. 변위도 마찬가지로 실험전은 0으로 설정하였으며, 변위가 발생하면 상대값을 도시하였다. 격실 1에 설치된 간극수압계는 P1으로 나머지 격실 2와 3은 P2와 P3으로 표시하였다. 그래프에 격실별 압력상태를 나타내는 모형석션버켓 기초의 평면도를 삽입하였고, 부압을 작용시킨 경우 빨간 숫자로, 정압을 작용시킨 경우 파란 숫자로, 압력제어를 하지 않은 경우 검은 숫자로 격실번호를 나타냈다. 모든 그래프에는 각 계측곡선 옆에는 해당 곡선의 최대값을 병기하였다.

3.1 시공중 단계 모사실험

3.1.1 2격실 부압 적용한 기울기 제어; Case 1

Case 1 실험은 3개의 격실 중 2개의 격실에 부압을 작용시켜 모형 기초를 시계방향으로 회전시키는 실험이다. 격실내부의 수압변화와 모형석션버켓 기초의 회전변위는 Fig. 5와 같다. Fig. 5에서 보는 바와 같이, 부압을 가한 격실 2 및 격실 3에서 측정된 압력 P2 및 P3이 낮아졌으며, 아무런 압력을 가하지 않은 격실 1의 압력 P1도 따라서 낮아진 것을 알 수 있다. 이것은 모형의 격실을 분할하는 격벽이 지중에 3.8cm만 묻혀 깊이가 얕은 조건이었고, 또한 모래지반의 투수계수가 높기 때문에 압력제어를 하지 않은 격실 1의 압력도 따라서 낮아진 것으로 사료된다. 계측 시작 후 60초까지 격실 2 및 3의 압력은 유사하였으나 60초 후 회전변위가 과도하게 진행된 후반에 가서 격실 3의 압력이 상대적으로 더 낮게 나타났으나 부압을 제거하면 모두 회복되는 것으로 나타났다.

Fig. 5

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 1

또한, 부압이 증가함과 동시에 회전변위가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 회전각은 시간이 경과함에 따라 지속적으로 커졌으며, 최대 2.964°까지 회전이 발생하였다. 격실 내 부압을 제거하더라도 잔류회전변위가 발생하여 최종 기울기가 2.65°로 일정하게 유지되어 기울기가 조정됨을 확인 하였다.

외부벽체의 주변지반과의 접지압을 측정하기 위해 설치된 4개의 전응력계로부터, 격실 내 압력제어에 따른 모형기초의 거동과 연계된 접지압의 변화를 관찰하였다. Fig. 6에서와 같이 시계방향으로 구조물이 회전하면서 오른쪽 벽면(회전변위 방향쪽 벽면)의 측압(P6과 P7)들이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 오른쪽 벽의 상단에 부착된 전응력계(P6)의 값이 하단에 부착된 전응력계(P7)의 값보다 큰 값을 보였고, 이는 시계방향으로 모형기초가 회전함에 따라 오른쪽 상단에는 보다 큰 수동토압이 발생하는 것으로 사료된다. 반면 왼쪽(회전변위 반대쪽 벽면)에 부착된 전응력계 P4와 P5에서는 압력이 낮아지다가 회복되어 변화하였던 접지압이 사라지는 것을 알 수 있다. 그러나 그 변화 값은 크지 않았다. 이러한 벽면의 전응력계의 변화는 석션버켓이 석션버켓 근처에 위치하는 회전 중심점을 중심으로 회전하면서 발생하는 전형적인 석션버켓의 거동으로 기존연구결과와 유사하다(Zhu et al., 2011; Choo et al., 2015). 이는 부압 제어로 인하여 회전변위를 유발할 만큼 외력이 적절하게 유발되어 기울기가 조정된 것을 의미한다.

Fig. 6

Variations in Total Pressure on Skirt Outside for Case 1

3.1.2 1격실 부압 적용 기울기 제어; Case 2

Fig. 7은 Case 2의 격실 내 수압변화와 회전각을 같이 도시한 그림이다. 2격실 부압 적용 조건인 Case 1과 마찬가지로 부압에 의해 회전변위가 발생하는 것을 확인하였다. 그러나 2개의 격실에 부압이 적용된 Case 1과는 달리, 부압이 증가되는 시점(Fig. 7의 41초)보다 뒤늦은 46.5초 이후부터 기울기 변화가 발생하였다. 또한, 초기 부압 증가 이후에 일정해지고(Fig. 7의 80초 이후) 회전각이 변화가 없는 구간이 나타났다. 이는 격실 내 보일링의 발생으로 격실내부가 모래의 부유로 더 이상 모형석션버켓 기초를 움직일 수 없게 되었고, 보일링이 일어나지 않도록 하는 압력조절이 필요함을 의미한다. 또한, 격실 1개 부압조건의 Case 2는 격실 2개 부압조건의 Case 1보다 회전에 필요한 관입력이 더 필요하여, 부압을 더 증가시킨 관계로 보일링 현상이 발생한 것으로 보인다.

Fig. 7

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 2

3.1.3 부압과 정압 조합 적용: Case 1-1과 Case 2-1

Case 1-1은 2개의 격실에 부압을 작용시키고 나머지 1개의 격실에는 정압을 작용시키는 실험이다. 격실내부의 수압변화는 Fig. 8과 같다. Fig. 8에서 보는 바와 같이, 부압을 가한 격실 2 및 격실 3에서 측정된 P2 및 P3의 압력이 낮아졌으며, 정압력이 가해진 격실 1에서도 압력 P1이 부압으로 낮아진 것을 알 수 있다. 이것은 모형의 격실을 분할하는 격벽의 근입깊이가 얕고 모래의 투수성이 높기 때문에, 정압을 부여하여도 정압이 유지되지 못하고 격실 1로 압력이 전이되면서 낮아진 것으로 사료된다. 일정기간 격실 2 및 3의 압력은 유사하였으며 회전변위가 발생하는 후반에 가서 격실 3의 압력이 상대적으로 더 낮게 나타났으나 부압 및 정압을 제거하면 모두 회복되는 것으로 나타났다.

Fig. 8

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 1-1

결국 작용시킨 정압은 이웃의 부압 격실로 전이되어 제대로 나타나지 않았고, 또한 정압이 부압격실로 전이되면서 정압을 가했던 격실 1의 많은 모래가 부압 격실내로 유입하게 하여 보일링이 더 크게 발생하는 현상이 나타났다. 이로 인하여 회전변위가 더 작게 나타난 것으로 사료된다. 이러한 이유로 정압을 사용한 실험(Case 1-1)보다 정압을 사용하지 않은 경우(Case 1)가 회전각이 더 크게 나타났다고 사료된다. 정압을 활용하는 경우, 격실의 격벽 근입깊이와 지반의 투수성을 적절하게 고려하여 압력의 제어가 필요함을 확인하였다. 또한, 3개의 격실 중 1개라도 내부의 빈 공간에 보일링으로 흙입자가 부유하게 되면 더 이상 침하나 회전이 이루어지지 않아서 각 격실의 압력제어가 중요함을 확인하였다.

반면 격실 2개에 정압을 가한 조건인 Case 2-1인 경우, Fig. 9와 같이 격실 2와 3에 정압이 적절하게 나타났고, 회전각 변화도 신속하게 발생하였다. 압력의 미세한 제어가 어려웠던 관계로, 최종적으로(Fig. 9의 45초 이후) 과도한 회전변위로 인하여 회전각이 계측범위를 벗어났다. 과도한 회전변위를 유발하기는 하였으나, 격실2개의 정압과 1격실 부압의 조합으로 모형석션버켓 기초의 기울기 조절이 수월한 것을 확인하였다

Fig. 9

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 2-1

3.1.4 격실1개 부압조건의 Case 2와 부압과 정압 조합조건 Case 2-1의 회전각 비교

Fig. 10은 격실1개 부압을 가한 조건인 Case 2와 부압과 정압 조합한 조건인 Case 2-1의 회전각을 비교한 것이다. 격실 내 부압 및 정압을 부여한 동일한 시간대에 대하여 비교해 보면 부압과 함께 정압도 부여한 Case 2-1의 경우가 더 빠른 시간 내 모형기초가 회전을 하고 있다. 따라서 모형기초의 회전각 제어에 부압과 정압을 함께 부여하는 것이 더 효과적임을 확인하였다.

Fig. 10

Comparison of Rotation Angles of Case 2 and Case 2-1

3.2 시공완료 후 해상풍력 발전기 운용중 단계 모사실험

3.2.1 부압만 적용한 케이스 Case 3과 Case 4

Case 3과 Case 4의 실험결과는 Figs. 1112와 같다. 시공완료 후를 모사하여 격실 내 빈 공간이 없는 조건이기 때문에, 지중에 가로놓이는 격벽의 깊이가 Case 1과 2 보다 깊다. 따라서 Fig. 11에서 관찰되는 바와 같이, 부압의 전이가 남아있기는 하나(Fig. 11의 P1; Fig. 12의 P2, P3) 확연하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 부압의 발현성은 좋아졌으며, 이로 인한 회전변위가 발생하기는 하나, 그 변위량이 매우 미소하였다. 이는 상판이 지표면에 맞닿아있기 때문에, 추가적인 저항력이 상당히 증가한 반면, 부압으로 확보할 수 있는 관입력은 한계가 있기 때문으로 판단된다.

Fig. 11

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle of Case 3

Fig. 12

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle of Case 4

격실 1개에만 부압이 작용하는 Case 4는 Fig. 12와 같고, 여기서도 동일한 현상을 확인하였다. 부압의 재하는 용이한 반면, 회전변위량은 매우 미미하게 나타났다. 따라서 부압만으로는 회전변위를 제어하는 것은 한계가 있는 것으로 판단된다.

3.2.2 부압과 정압을 조합한 Case 3-1과 Case 4-1

시공완료 후 조건에서의 부압과 정압을 조합한 케이스 Case 3-1과 Case 4-1의 결과는 Figs. 1314와 같다. 격실 내 압력제어의 경우, Case 3-1과 Case 4-1 모두, 부압을 가한 격실은 압력이 낮아졌고(Fig. 13의 P2, P3; Fig. 14의 P1), 정압을 가한 격실(Fig. 13의 P1; Fig. 14의 P2, P3)은 정압이 적절하게 가해졌다. 시공 중 조건(Case 1-1과 2-1)과 달리 부압과 정압이 이웃 격실로 전이되지 않고 적절하게 제어되었다.

Fig. 13

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 3-1

Fig. 14

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 4-1

격실 1개 정압과 격실 2개 부압 조건인 Case 3-1는 유발된 회전변위도 시공중 조건인 Case 1-1(Fig. 8)과 Case2-1(Fig. 9)과 유사하게 기울기 제어가 미소하게 가능했던 반면, 격실 2개에 정압으로 제어한 경우 상당한 기울기 변화를 유발하여 기울기제어가 용이했다. 특히, Case 4-1의 경우, 37초 이후 회전변위가 과도하게 발생하여 계측범위를 넘어갔고, 또한 모형석션버켓 기초가 들어 올려지면서 회전하였다.

3.3 실험케이스별 모형석션버켓 기초의 최종 정점회전각과 잔류침하량

Table 3은 실험 중 정점회전각과 잔류침하량을 정리하였다. 잔류침하량의 경우 (+)는 침하량을 나타내고, (-)는 융기를 나타낸다. 시공중에 대한 실험들에서는 기울기가 1° 이상 조절이 가능한 것을 확인하였으며, 운용 중 단계에 대해서는 0.25° 이상의 기울기 보정이 가능함을 확인하였다. 또한, 격실 2개에 정압이 가해지는 경우인 Case 2-1과 Case 4-1 모두, 석션버켓 기초모형의 기울기 보정이 용이했던 반면, 구조물이 위로 상승하여 융기하는 현상이 발생하였다. 모형석션버켓 기초의 크기가 작아 작은 압력변화에도 민감하게 거동하는 반면, 본 연구의 펌프 시스템에서는 미세한 압력조절이 어려워 회전변위 제어의 정교한 압력조절을 하기 어려웠던 측면이 있다. 격실내부 압력을 보다 정교하게 제어하면 해상풍력 발전기 하부기초부의 기울기 보정이 가능할 것으로 사료된다.

Final Results of Tilting Control

실제 운용 단계에는 기울기 보정을 위해서는 정압과 부압을 조합하여 보정이 가능하며, 특히, 격실내부에 공간이 없어 특정기울기로 기울이기 어려운 경우에 구조물 전체를 정압을 이용하여 일단 들어 올린 후 기울기를 보정하여 다시 재설치하는 방법도 가능할 것으로 판단된다.

4. 결론

해상풍력 발전기의 하부기초로 사용되는 단일형 석션버켓 기초에 내부격실을 적용한 형식에 대하여 기울기 제어가 가능함을 확인하기 위하여 모형실험을 수행하였다. 모래지반에서 원형(prototype) 구조물의 1/100 크기의 모형석션버켓 기초를 이용하여 모형실험을 수행하고, 일련의 실험결과로 부터 다음의 결론을 얻었다.

  1. 시공단계 중을 모사한 실험에서는 1°이상의 기울기 제어가 가능한 것으로 나타났다. 단일형 석션버켓 기초에 내부격실을 둠으로서 격실 내에 적절한 압력변화로 부터 기울기 제어가 가능함으로 확인하였다.

  2. 해상풍력 발전기 운용 단계중을 모사한 실험에서 내부 격실이 구비된 단일형 석션버켓 기초에 압력을 제어하면, 0.25°이상의 기울기 제어가 제한적으로 가능함을 확인하였다. 상판이 지표면에 맞닿은 조건이 되면서 추가적인 관입력이 많이 필요한 것으로 판단된다. 부압만으로 1°이상의 기울기 제어가 어려웠으나, 정압 2격실을 부압과 조합한 경우 1°이상의 원활한 기울기 제어가 가능하였다.

  3. 기울기 제어를 위해 격실내부에 정압을 적용한 경우, 시공단계 중 및 운용단계 중 모사실험 모두에서 미세한 압력조절의 어려움으로 과도한 회전변위가 발생하여 미세한 압력의 조절이 필요함을 확인하였다. 또한, 정압을 활용한 경우 모형석션버켓 기초에 융기가 발생하였으며, 정압을 활용한 기울기 제어의 경우 큰 융기를 야기하지 않는 범위 내에서 기울기 제어를 할 필요가 있다고 판단된다.

  4. 시공단계 중 조건에서 지중에 근입된 내부 격실의 격벽의 깊이가 얕았던 조건으로, 부압이 이웃 격실로 전이되거나, 정압이 제대로 작용되지 못하고 부압이 작용하는 이웃격실로 전이되는 현상이 발생하였다. 특히, 정압이 이웃 격실로 전이된 경우, 보일링의 발생에 영향을 미쳐 기울기 제어를 어렵게 하였다. 따라서 격벽의 근입깊이와 지반의 투수성을 고려하여 압력제어가 필요함을 확인하였고, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 3개의 격실 중 1개라도 내부의 빈 공간에 보일링으로 흙입자가 부유하게 되면 더 이상 관입이나 회전이 이루어지지 않아서 각 격실의 압력제어가 중요함을 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 해양수산부 산하 한국해양과학기술진흥원의 첨단항만건설기술개발사업 연구비 지원(과제명: 해상풍력 지지구조 설계기준 및 콘크리트 지지구조물 기술 개발/20120093)을 받아 수행되었습니다.

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Article information Continued

Fig. 1

Testing System

Fig. 2

Instrumented Model Suction Bucket: (a) Schematic Diagram of Model; (b) Location of Pore Water Pressure Transducers; (c) Picture of Model; (d) Total Pressure Transducers Placed on Outside of Skirt Wall; and (e) Pore Water Pressure Transducers Attached on Topside Invert of Model

Table 1

Cases of Experiment

Test ID Pressure Control Simulation Phase
Case 1 Negative pressure on 2 cells (Fig. 3a) Under Construction
Case 1-1 Negative pressure on 2 cells, Positive pressure on 1 Cell
Case 2 Negative pressure on 1 cells (Fig. 3b)
Case 2-1 Negative pressure on 1 cell, Positive pressure on 2 cells
Case 3 Negative pressure on 2 cells Under Operation
Case 3-1 Negative pressure on 2 cells, Positive pressure on 1 cell
Case 4 Negative pressure on 1 cells
Case 4-1 Negative pressure on 1 cell, Positive pressure on 2 cells

Fig. 3

Patterns of Pressure Control on Internal Cells

Table 2

Geotechnical Property of Tested Sand

Item Value Item Value
d90(mm) 0.152 Gs 2.65
d60(mm) 0.123 γd, min(kN/m3) 11.61
d50(mm) 0.115 γd, max(kN/m3) 14.84
d10(mm) 0.065 CU=d60/d10 1.89

*d90= grain diameter of 90% passing; d60= grain diameter of 60% passing; d50= grain diameter of 50% passing; d10= grain diameter of 10% passing; Gs= Specific gravity; Cu=Uniformity coefficient; γd, min= minimum dry unit weight; γd, max= maximum dry unit weight

Fig. 4

Particle Size Distribution

Fig. 5

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 1

Fig. 6

Variations in Total Pressure on Skirt Outside for Case 1

Fig. 7

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 2

Fig. 8

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 1-1

Fig. 9

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 2-1

Fig. 10

Comparison of Rotation Angles of Case 2 and Case 2-1

Fig. 11

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle of Case 3

Fig. 12

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle of Case 4

Fig. 13

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 3-1

Fig. 14

Variations in Pressures of Internal Cells and Rotation Angle for Case 4-1

Table 3

Final Results of Tilting Control

Test ID Pressure Control Peak Rotation Angle (°) Residual Settlement (mm) Simulation Phase
Case 1 Negative pressure on 2 cells 2.964 13.354 Under Construction
Case 1-1 Negative pressure on 2 cells, Positive pressure on 1 cell 1.365 4.659
Case 2 Negative pressure on 1 cells 3.521 3.359
Case 2-1 Negative pressure on 1 cell, Positive pressure on 2 cells 3.082 -18.833 (uplifted)
Case 3 Negative pressure on 2 cells 0.258 0.453 Under Operation
Case 3-1 Negative pressure on 2 cells, Positive pressure on 1 cell 0.278 0.560
Case 4 Negative pressure on 1 cells 0.306 0.279
Case 4-1 Negative pressure on 1 cell, Positive pressure on 2 cells 5.510 -10.948 (uplifted)