해상풍력 발전기 기초구조물 : 모노파일

 신재생 에너지 개발에 대한 연구가 국내외적으로 성황을 이루고 있다. 특히나, 국내에서는 3020 정책을 펼침에 따라 풍력, 태양광 등과 같은 에너지원 발생을 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 장소의 규제가 비교적 작으며, 풍량이 풍부한 해양에서 사용가능한 해상풍력에너지 발전에 대한 국내의 실험적 연구가 다소 미비한 실정이다. 또한, 풍력발전기의 용량이 대형화가 요구되어오면서 발전기를 지지하는 기초구조물의 크기가 대구경화 되어가고 있다. 하지만 현재까지도 직경 1m에 불과하는 작은 말뚝의 거동분석 결과를 이용하여 구조물 설계를 하고 있어 대구경 말뚝 설계에 부적합하다는 지적이 이어져 왔다.

 

 따라서, 경제성과 시공성이 용이한 해상풍력 발전기 기초구조물인 모노파일에 대하여 파도 및 파고에 의해 발생하는 수평 및 모멘트 하중에 대한 수평거동을 분석하여 p-y 곡선 연구를 하고자하여 실험 및 수치해석을 수행하였다.

 

 

 실험을 이용한 수평거동 분석은 실제의 크기 효과를 구현할 수 있는 원심모형실험을 이용하였다. 원심모형실험은 KAIST의 지오센트리퓨지실험실에서 수행하였으며, g-level 68.83g에서 실험을 진행하였다.

 

 

원심모형실험 도면

원심모형실험기에 탑재된 모노파일 실험 시스템

 

 원심모형실험을 위하여 모형말뚝 및 모형지반을 제작하였으며, 레이저센서, 로드셀 및 엑추에이터 등을 이용하여 직경 7m의 모노파일에 강제 변위를 가하였을 때 발생하는 변형률을 계측하였다.

 

모형 말뚝 및 모형 지반

 

 수치해석을 이용한 수평거동 분석은 3차원 유한요소 해석이 가능한 ABAQUS를 이용하는 방법과 1차원 유한차분법을 적용한 LPile 프로그램을 이용하여 연구를 수행하였다.

 

3차원 유한요소해석 : ABAQUS	1차원 유한차분법 : LPile

 

 원심모형실험 및 수치해석을 통하여 얻은 변형률 데이터를 고차 다항식을 이용하여 Excel 및 Matlab으로 휨모멘트, 전단력, 회전각, 지반반력, 변위 값을 산정하였다.

 

 

 이러한 연구 결과를 이용하여 직경 5m 이상의 대구경 모노파일 설계시에 적용가능한 p-y 곡선 을 제시할 수 있다.