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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.4 pp.48-55
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.4.048

Design Analysis of Substructure for Offshore Wind Pile Excavation

Gi-Ok Lee*, Min-Young Sun**,***#
*ICT Convergence Ship And Marine Research Institute, Kunsan National University, Korea
**Department of Mechanical Design Engineering, ChonBuk National University, Korea
***Eco-Friendly Machine Parts Design Research Center, ChonBuk National University, Korea
Corresponding Author : smy5439@jbnu.ac.kr Tel: +82-63-270-2453; Fax: +82-63-219-5433
18/02/2019 08/03/2019 16/03/2019

Abstract


With recent rapid increases in the power generation capacity of offshore wind power generators, reliable structural analysis of the large-scale infrastructure needed to install wind power generators at sea is required. Therefore, technology for heavy marine equipment such as barges and excavation equipment is needed. Under submarine conditions, rock drilling technology to install the substructure for offshore wind pile excavation is a very important factor in supporting a wind farm safely under dynamic loads over periods of at least 20 years. After investigating the marine environment and on-site ground excavation for the Saemangeum offshore wind farm, in this study we suggest.



해상풍력 파일 굴착직경 결정을 위한 하부구조물 설계해석

이 기옥*, 선 민영**,***#
*군산대학교 ICT융합조선해양연구원
**전북대학교 기계설계공학부
***전북대학교 친환경기계부품연구센터

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    2016-4

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    해상풍력은 육상풍력과 다르게 해상에 풍력발 전기를 설치하기 위한 대형 하부구조물의 고정을 위하여 바지선 및 굴착장비 등의 대형 해상장비 기술 이 필요하다. 하부구조물(Substructure)의 설치를 위한 해저지반의 암반굴착 기술은 그 지지구조물이 25년 이상 동하중에 견딜 수 있도록 하는 매우 중요한 시공 기술이다.

    고정식으로 수심 30~50m 내외의 해상에 설치되는 3MW 이상급 대형 해상풍력 터빈을 설계수명 동안 안전하게 지지할 수 있음은 물론 경제성면에서 국제적 경쟁력을 갖춘 하부구조물(Substructure, Sup port Structure + Foundation) 시스템을 안정적으로 지지하는 개발이 필요한데 이를 위한 암반 급속 굴착 기술개발이 절실하다.

    하여 Substructure 시스템의 설계 Process에 지반 강도를 정립하고 선진국 수준의 지지설계기준에 관한 국내 해저기반의 조사 및 굴착정도의 기술을 마련함에 연구 목적을 두고 있으며, 일반적인 Substru cture의 설치 Type[1~2]은 Fig. 1과 같이 대형 강관파일을 해저 지반에 항타 또는 Pre-boring 후 그라우팅 고정 하는 모노파일기초, 우물통 형식의 Caisson 구체로 육 상에서 제작 후 운반 및 거치하는 형식의 중력식 기 초, 육상 제작된 철골 구조물을 해저면 지반에 그라 우팅 방법으로 고정하는 Jacket 기초, 대구경 강관파일 을 해상 항타 후(∅2,000) 상부에 콘크리트 구조체 설 치하는 합성파일 기초 등이 있다.

    본 연구에서는 강관파일(Steel Pile) 하부지지구조의 좌굴, 전단력, 휨모멘트 등에 견디는 단면구조 결정에 따른 하중해석(연직하중 및 수평하중, 진동하중, 기타 하중에 대해 구조물이 저항할 수 있도록) 후에 RCD 천공 굴착직경 결정이 주요 목적이다.

    2. 하부구조물 설치를 위한 Process

    [풍황 조사] → [해양환경 기초조사] → [지질굴착 조사] → [상부풍력시스템선정] → [지지구조물설계 해석] → [상·하부시스템 통합설계] → [하부구조물 상세설계] → [굴착장비운반/설치] → [하부구조물 설 치(암반굴착)] → [상부시스템 거치]

    본 연구에서는 상기 프로세서 중 새만금해상풍력 Site의 해양환경 여건조사 및 지반굴착조사 후 선정 하부구조물의 하중해석 실시, 암반굴착을 위한 단면 의 결정과 소요 굴착장비의 Bit 단면 결정에 대해서 제시 하고자 한다.

    2.1 하부구조물 설치 Site 해양여건 조사

    지지구조물이 설치되는 해양지반 환경, 설치될 발전기하중, 운전 시 동하중, 해양환경 하중의 정확한 평가는 Substructure의 안전성 설계의 필수 항목이다.

    본 연구에서 적용한 해상 풍력 지지구조물의 설치 해역은 새만금 해상풍력 99.2MW 단지 중 No.15 중심이다. 해상 풍력 발전의 해양환경 하중 계산을 위해서는 설치 지점에서 수위 변동을 고려하고, Table 1 과 같이 국립해양조사원, 영광 검조소, 해모수의 계 측데이터 분석에 따른 수위(Water Level)를 참조하 였다.

    2.2 Bracket Type Substructure 설치를 위한 해저지반 탄성파탐사 및 굴착조사

    본 연구는 국내 서·남해 Deep Mud층(약40~60m) 의 해저지반에 해상풍력발전단지 개발을 위한 3-Le g Bracket Type Substructure의 설치를 목적으로 지 반 굴착 기술에 관한 사례[3~7]를 연구하고 고정식 하 부구조물 시공 및 상용화를 돕는데 있다. 이를 위해 Fig. 2와 같이 새만금 해저지반조사를 기준으로 3 - Leg Bracket Type Substructure 설치를 위한 지반 굴착기술에 적용 하고자 한다.

    설계하중 산정 시 적용된 지반조건(지질주상도, N치 등)

    • - 압축강도: UCS - 50.04 MPa(No.15 지점)

    • - Pile Boundary Condition : fixed boundary at 2 tim es of pile diameter below seabed (EL-15.0).

    2.3 지지구조물 하중 해석

    파랑에 의한 하중을 산정하기 위해서는 Morison Formular를 이용한다. 단위 길이 당 파하중은 아래 의 식 (1)과 같다.

    F = 1 2 ρ C D A u 2 + ρ C m V d u d t
    (1)

    여기에서, Cm은 Inertia 계수, CD는 Drag 계수, A는 단위면적, u는 물 입자 속도이다.

    조력하중은 임의 지점에서 여러 가지 형태의 조류의 합으로 이루어져 있으므로, 설계변수를 결정 하기 위해서는 실제로 측정을 하거나 기록된 자료 를 사용해야 한다. 조류의 속도는 Owner의 Design Specification에서 Field 데이터로 수심에 따라 주어 지지만 이러한 데이터가 없을 경우 아래의 식 (2)을 이용하여 계산한다.

    V ( z ) = V t i d e ( z ) + V w i n d ( z )
    (2)

    V(z)는 Sea Floor에서 거리 z인 지점의 Total C urrent Velocity, Vtide는 해수면에서 Tide Current Ve locity, Vwind는 해수면에서 Wind Generated Current Velocity이다.

    타워에 작용하는 풍하중은 아래의 식 (3)으로 구 할 수 있다.

    F w i n d t = 1 2 A C D ρ a V w 2
    (3)

    여기에서, A는 바람에 영향을 받는 타워 면적, CD는 추력계수, ρa는 공기밀도, Vw는 바람의 속 도이다. 기타 하중으로는 빙하중과 지진, 충격하중 등이 있다.

    본 연구에서는 Table 2과 같이 풍력 시스템사 (Siemens-3.6-130, 85m Tower)의 하중 Data를 바탕 으로 자하중과 외력하중의 데이터를 조합한 극한 하중을 하부구조물에 적용(하부구조물의 TP상부) 하여 하부구조물 각 부재의 허용응력을 계산 적용 하였다.

    해상풍력발전기 지지구조물은 해상의 다양한 환 경하중조건하에서[8] 발전기의 수명이 지속되는 기 간 동안 충분한 구조강도를 유지하여야 한다. 하중 평가과정을 거쳐 산정된 하중케이스를 지지구조물 에 적용한 뒤, 유한요소법을 응용한 상용프로그램 (ANSYS)을 이용하여 지지구조물 중요 부위의 변 위, 응력, 변형률, 피로수명 등의 평가를 수행하였 다. 해석절차는 국제 설계 기준에 따라 (DNV-OS-J 101 Unfactored Load)[9~10] 해상풍력 지지구조물 해 석 을 위해서 상용 유한요소 해석프로그램인 ANSYS 를 이용하였다. ANSYS Design Modeler를 이용하여 3D 모델링 및 Meshing을 한 뒤, 하중에 대한 구조 해석을 ANSYS R18.2 Design Simulation으로 수행 하였다.

    2.4 경계 조건 및 Ultimate Limit State/F atigue Limit State 해석

    2.4.1 경계 조건

    본 해석에서 등가 파일(점토층 아래 15m)은 빔 요소로 포함되었다. 파일은 점토층 아래 15m 에 고정되며, Wave Loads는 Shaft-0.81[MN], Pile Sleeves-0.81[MN], Load Factor Included–1.35이다.

    2.4.2 Ultimate Limit State 해석

    해석 경계조건으로는 Fig. 3과 같이 해저면에 닿는 3개 부분을 완전 고정하여 자유도를 구속시켰으며, 본 해석을 위해 사용된 재료는 355MPa의 압축 및 인장 항복강도(Table. 3)를 가지는 구조용 강 및 그라우팅 부분에 대한 그라우팅 재료이다.

    비선형 좌굴 해석 모델은 최고 임계하중이 기초로 선택되는 선형좌굴해석을 기반으로 구성되 는데, 실제로 이것은 항복에 대해 사용되는 완전 탄성 - 완전 소성 모델이 비선형 모델에 적용될 수 없다는 것을 확인하였다. 이는 소성역(Plastic Region)에서 완전하지 않은 강재에 대한 이중선형 (bi-linear) 응력-변형 곡선을 추정함으로써 해결된다. 경험식에 따르면 접선계수(Tangent Modulus) E/1000 이 사용되어야 하며, 여기서 E는 구조강의 영률 (Young's Modulus)이다. 자세한 내용은 Fig. 4에서 확인할 수 있다.

    2.4.3 Fatigue Limit State 해석

    하부구조물은 Autodesk Inventor에서 모델을 생성 하고 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench 18.2를 사용하여 해석하였고, DIN EN 1993-1-6에 따라 부재의 중간면을 고려한 Shell Model로 구성하 였으며, Mesh 구성은 Shell요소를 사용하여 ULS 해 석은 60mm의 Mesh 크기로, FLS 해석은 아래 Fig. 5 와 같이 30mm의 매쉬 크기를 적용하였다.

    ULS 좌굴과 FLS 해석은 Hooke의 법칙에 기반한 선형 탄성재료(Young’s modulus는 210,000 MPa이고 Poisson's 비는 0.3임)를 사용하였고, 설치구조물의 해수위 적용은 15.0m, 부분 안전계수(γ=1.35)를 적용하여 아래 Table 4와 Fig. 6과 같은 결과(이때 S-N 곡선에서 N=2e8일 때 그 기울기 m=3.5 임).

    하부구조물의 피로 평가는 모든 주 강재 요소 에 대해 수행되는데, 그 결과 모든 요소가 25년의 피로수명을 만족하는 것으로 나타났다. 최대 핫스 폿 응력 범위가 해석 결과로부터 도출되었다. 그 다음 해당하는 사이클 횟수가 식 (4)을 사용하여 계산되었다.

    최대 핫스폿 응력 범위가 해석 결과로부터 도출 되었고, 그 다음 해당하는 사이클 횟수가 아래의 식을 사용하여 계산되었다.

    log  N = log  a m l o g ( Δ σ ( t t r e f ) k )
    (4)

    여기서, N=사이클 횟수, m=SN-곡선의 기울기, l og a=log N축에 대한 평균 SN곡선의 절편, t=부재 의 두께, k=두께 효과 지수, 강판의 tref=0.25mm이 며, 다른 파라미터들은 Fig. 7 S-N곡선에 의해 주 어진다.

    적합한 SN곡선은 DNVGL-RP-C203에서 도출되 었으며, Table 5에서 확인할 수 있다.

    3. Pile 직경 및 굴착 단면 결정

    Fig. 8에서와 같이 하부구조물과 그 지지파일의 모델링과 해석결과를 기반으로 단면이 결정되고, 아래와 같이 해저지질의 수평변위, 벤딩모멘트/ 응력 등 특성을 분석하여 지지파일의 직경에 따른 굴착직경을 결정하였다.

    • 1) 28공의 지반시추 결과 UCS(=32MPA Mean)와 RQD(%)는 Fig. 8과 같고,

    • 2) 해저 토질 상호 구조작용 매개 변수에 따른 파일 상단 하중특성은 Fig. 8과 같다.

      • - 안전 측면 평가 : 가장 낮은 토양피복 횡 저항

      • - 암반 횡 방향 강성의 변화 : 평균 공칭 100%에 안전율 25% 고려

      • - Mud Depth에 따른 수평파일 상단하중 변화

    • 3) Table 6의 파라미터들이 비선형 스프링 모델링에 관련하여 퇴적층 및 암반에 대해 사용되었다.

    본 연구에서는 예측하지 못하는 실제 수평파일 상부하중의 잠재적인 변화를 검토하기 위하여, 1,0 00kN에서 1,500kN 범위에서 효과가 연구되었다. 이 상황에서는 2m의 세굴 깊이가 고려되었다. 그 반 응은 아래 Fig. 9~11에 나타내었다. Fig. 10

    결과적으로, 해양환경 및 해저토질의 특성을 고 려하여 시뮬레이션 한 결과 3-Leg Bracket Pile의 초 기 단면은 Fig. 12와 같이 1,600mm로 산정되었다.

    Bracket 기초구조물의 시공은 공장에서 Bracket 을 제조하고, 이를 바지선에 선적하여 운반하여 가설위치에 거치한 후 Bracket Type 파일을 천공 압입한 후 Bracket을 Sea Bed에 설치 및 타워설치 의 순서로 진행되는데, Fig. 13과 같이 굴착단면의 직경은 3-Leg Bracket Pile단면 직경 D1,600mm 보다 약간 크게 조합 Bit로 굴착이 필요하다고 판 단된다.

    4. 결론

    Bracket 기초구조물 설치를 위한 Deep Mud층을 관통하는 암반 천공작업은 현재 석유 및 가스 채굴 과정에서 많이 응용되었던 RCD(Reverse Circulation Drill) 장비가 보편적으로 사용되고, 3MW이하의 해 상풍력 Substructure로 많이 쓰이는 Jacket 구조물의 지지 Pile의 직경 300mm 이하의 파이프를 사용하여 만들어져 비교적 가벼운 천공장비(10~15ton)를 사용하여 시공해 설치도 쉽지만 본 연구에서와 같이 3MW 이상의 해상풍력발전기 Substructure로 Jacket /Bracket/Tri-Pod Type지지 Pile의 직경은 1,600~2,500 mm 이상의 대구경 파이프에 조합비트로 제작하여 굴착하는 방법으로 구조물의 급속시공과 안전성 확보가 필요하겠다.

    후 기

    본 연구는 산업통상자원부 산업기술혁신사업 제 2016-4호 (에너지기술개발사업)의 지원으로 수행된 결과로 관계자 여러분께 감사를 드리며, 연구에 많 은 도움을 주신 OWEC사, 광성지엠(주), 전북대학교 해양발전플랜트연구소 연구원들 및 군산대학교 ICT 융합조선해양연구원 연구원들께 감사드립니다.

    Figure

    KSMPE-18-4-48_F1.gif
    Offshore wind substructure type
    KSMPE-18-4-48_F2.gif
    Seismic exploration
    KSMPE-18-4-48_F3.gif
    Bracket substructure 3D mesh model
    KSMPE-18-4-48_F4.gif
    Non-linear material properties
    KSMPE-18-4-48_F5.gif
    Mesh for FLS
    KSMPE-18-4-48_F6.gif
    FLS forced and moments
    KSMPE-18-4-48_F7.gif
    S-N curve by grinding and peening as welded condition
    KSMPE-18-4-48_F8.gif
    Correlation UCS(=32MPA Mean) - RQD(%)
    KSMPE-18-4-48_F9.gif
    Pile lateral displacements 1000 to 1500kN
    KSMPE-18-4-48_F10.gif
    Pile lateral bending moment 1000 to 1500kN
    KSMPE-18-4-48_F11.gif
    Pile lateral stress 1000 to 1500kN
    KSMPE-18-4-48_F12.gif
    Bracket substructure cross-section decision
    KSMPE-18-4-48_F13.gif
    Excavating equipment : (a) foundation drilling (b) integral type hammer

    Table

    The harmonic constant and inharmonic const ant of tide
    Design load(Ultimate Load, Fatigue Load)
    Structural steel properties
    Considered DEL for FLS
    S-N Curves for improved details
    Ground parameters (characteristic values) for soil-pile springs

    Reference

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