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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 45 석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 Development of Concrete Supporting Structure Design using Suction Foundation in Offshore Wind Farms 1. 서론 2. 설계법의 절차 3. 개념설계 4. 기본설계 5. 실시설계 6. 결론 1) 구조부 전무이사, 토목구조기술사([email protected]) 2) 구조부 부장, 공학박사([email protected]) 3) 구조부 차장, 토목시공기술사([email protected]) 4) 구조부 대리([email protected]) This paper introduces a design method of concrete supporting structure using suction bucket foundation in offshore wind farms and shows an optimal design procedure according to the regular sequence. Recommended practice design is carried out about 5MW offshore wind turbine under environmental conditions of the Southwest Offshore Wind Farm(2 nd Phase). Design procedure for concrete supporting structure is suggested including design items. Conceptual design, Basic design and detailed design are covered in this paper. It is needed to perform the stability analysis of suction bucket foundation and members design after planning a configuration and size of structure base on the design criteria of turbine generator and loads in the conceptual design phase. The key points in the basic design phase are to look at how to find the best suited to structural system avoiding resonance. There are several modeling problems we have to consider to evaluate eigenvalues, eigen-modes and the interaction between suction bucket and structure. And by the time we have done these things, we will have an optimal numerical model for using in more detailed design phase. In this step, members safety is reviewed by using integrated analysis which reflects the effects of an eigenvalue analysis with aero dynamic, turbine generator loads, environmental loads and various boundary conditions. Furthermore, 3D-Solid analysis for supporting structure is conducted to evaluate local stress and the effect of tendon for prestressed concrete. 조용우 3) 김호승 4) 이동일 1) 박성용 2) < 유신기술회보_ VOL.23

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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 45

석션기초를적용한해상풍력콘크리트지지구조의설계법개발

Development of Concrete Supporting Structure Design usingSuction Foundation in Offshore Wind Farms

1. 서론

2. 설계법의 절차

3. 개념설계

4. 기본설계

5. 실시설계

6. 결론

1) 구조부 전무이사, 토목구조기술사([email protected])2) 구조부 부장, 공학박사([email protected])

3) 구조부 차장, 토목시공기술사([email protected])4) 구조부 대리([email protected])

This paper introduces a design method of concrete supporting structure using suctionbucket foundation in offshore wind farms and shows an optimal design procedureaccording to the regular sequence. Recommended practice design is carried out about5MW offshore wind turbine under environmental conditions of the Southwest OffshoreWind Farm(2ndPhase).

Design procedure for concrete supporting structure is suggested including design items.Conceptual design, Basic design and detailed design are covered in this paper. It is neededto perform the stability analysis of suction bucket foundation and members design afterplanning a configuration and size of structure base on the design criteria of turbinegenerator and loads in the conceptual design phase.

The key points in the basic design phase are to look at how to find the best suited tostructural system avoiding resonance. There are several modeling problems we have toconsider to evaluate eigenvalues, eigen-modes and the interaction between suction bucketand structure.

And by the time we have done these things, we will have an optimal numerical model forusing in more detailed design phase. In this step, members safety is reviewed by usingintegrated analysis which reflects the effects of an eigenvalue analysis with aero dynamic,turbine generator loads, environmental loads and various boundary conditions.Furthermore, 3D-Solid analysis for supporting structure is conducted to evaluate local stressand the effect of tendon for prestressed concrete.

조용우3) 김호승4)

이동일1) 박성용2)

< 유신기술회보_ VOL.23

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46 | 기술정보

1. 서론

해상풍력발전분야는주로유럽이선도하는분야

로서, 파리국제기후협약이후로도더욱주목받고

있는신재생에너지분야산업이다. 국내의경우, 제

주도2MW, 3MW실증을시작으로제주탐라해상

풍력발전단지가건설중에있고, 제주대정해상풍

력발전단지, 서남해 해상풍력 발전단지 등이 현재

설계 진행 중에 있으며, 여러 해상풍력발전단지가

계획중에있다. 그러나지금까지국내에적용된해

상풍력 지지구조물은 Oil&Gas 산업에서 발전된

Jacket형식으로 강구조물이다. 강구조물의 경우,

상부발전기의진동, 파랑의하중에의한변형과피

로에민감하여이에따른고도의설계기법이적용되

어설계되고있다. 따라서본연구과제는강에비해

변형과 피로에 유리하고 부식에 대한 저항이 강한

콘크리트를재료로새로운형식의지지구조형상을

개발목표로두고있다. 이에콘크리트와석션기초

를조합하여말뚝기초를적용한 Jacket형식 대비

경제적인지지구조형식을제안하였다.

본연구과제는해양수산부산하해양과학기술진흥

원의 첨단항만건설 기술개발사업의 연구비를 지원

을받아수행된연구과제로당초연구목표는형상개

발및실증이었으나, 연구예산확보등의문제로인

해설계예제집작성으로연구목표가변경되었다.

콘크리트지지구조의경우아직국내에설계된사례

가 없는 구조물로써 해상풍력발전기의 동적거동을

반영한설계법의정립을통해향후국내해상풍력발

전단지건설사업의활성화에기여하고자한다.

본연구는국내연약지반에적용가능한콘크리트

석션기초를대상으로예제집을개발하고자한다. 연

약지반의 경우, 서남해 해상풍력발전단지를 2단계

수심조건에 1단계환경조건을적용하였고, 상부발

전기는 국내에서 개발된 5MW 해상풍력 발전기를

적용하였다. 설계기본조건은다음과같다.

(1) 상부발전기 제원 및 하중관련

- Wind Turbine : 5MW급

- Hub Height : 100m

- Rotor mass : 138ton

- Rotor Blade mass(per blade, without

bolts) : 26.5ton

- Weight of bolts(per blade) : 575kg

- Nacelle mass(without blades and hub) :

290ton

- Total THM(Tower Head Mass) : 509ton

- Frequency Target Range : 0.255~0.279

Hz

- Tower Height : 78.304m

- Tower Top Diameter : 4.17m

- Tower Bottom Diameter : 5.46m

- Tower weight : 294.5ton

[표 1] 5MW Tower Bottom 하중

구 분 수평력(kN) 연직력(kN) 모멘트(kN-m) 비틀림모멘트(kN-m) safety factor 비고

ULS

SLS

1,981

1,801

10,740

7,160

153,279

136,685

1,981

1,801

1.20

1.00

● ● ●

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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 47

○ ○ ○

-17.200

+7.412(설계고조위)

+3.276

-0.860(설계저조위)

11.10m

11.16sec

0.86m

1.066m/s

100㎜

Seabed [D.L]

HSWL [D.L]

MSL [D.L]

LDWL [D.L]

Hmax

T

Surge

Current

Marine Growth

(2) 환경조건

①해양조건

②풍황조건

[표 2] 재현주기 50년 Extreme conditions

[표 3] 재현주기 50년 Extreme Wind Speed

[표 4] 적용 지반정수

[그림 1] 시추공별 지층개요

※ Surge(해일고) : 태풍시 저기압에 인해 발생되는 수위상승 및 하강

구 분 단위중량(kN/m3) 내부마찰각(。) 비 고

모래지반 18.6 33 평균 N=27

재현주기

예비보고서(HeMOSU자료-단기관측) 중간보고서(태풍모의-장기모의)비고VN(m/s)

(10분 평균자료)VeN(m/s)(3초 평균자료)

VeN/VN(ratio)

VN(m/s)(10분 평균자료)

VeN(m/s)(3초 평균자료)

VeN/VN(ratio)

50 42.47 49.65 1.169 42.99 50.22 1.168

(3) 서남해 지반조건 : No-2 적용

구 분 서남해 Site 2단계

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3. 개념설계

개념설계단계는 국내에서 상용되는

5MW해상풍력발전기의표준하중과현장

여건을 고려한 지지구조물의 규모, 형상,

제원 등을 계획하는 단계이다. 여러 가지

파랑이론이적용되어파압이자동생성되

는 SACS 5.7 V8i를 통해지지구조물의

규모를 계획하고, SPLC(Suction Pile

Loading Capacity Calculation Pro-

gram)를 사용하여, 석션기초의안정성을

개략검토하였다.

2. 설계법의절차

해상풍력발전기 지지구조의 설계는 일반적으로

발전기의 시스템 특성이 반영되는 통합하중해석을

통해전체계해석을수행된다. 이를위해사전에하

중의규모와지형조건, 환경조건을고려해서지지구

조를계획하고사전검토를수행한다. 이러한단계를

개념, 기본, 실시설계로구분하였다. 최초터빈사의

발전기규모에대한표준하중에대해서수심과파랑

을고려하여지지구조의규모를계획하는단계를개

념설계, 통합하중해석 전 좀더 상세하게 구조물의

안정성및안전성을검토하는기본설계, 그리고상

부발전기및기초지반조건에이르기까지모든것을

고려하는 통합하중해석을 수행하는 실시설계로 구

분하였다. 여기에연결부나특수보강부위들을설계

하는상세부위설계, 그리고2차부재설계에해당하

는부대공설계로구분하여설계법의절차는정립하

였고각단계별한계상태설계법에의한구조안전성

을확보하도록하였다.

48 | 기술정보

● ● ●

[표 5] 설계법의 절차

개념설계

1. 개요2. 검토조건3. 지반안전성검토4. 하부구조물부재설계5. 고유진동수해석검토

기본설계

1. 개요2. 검토조건3. 고유진동수해석검토4. 지반안전성검토5. 하부구조물부재설계6. 석션기초부재설계

실시설계

1. 개요2. 검토조건3. 고유진동수해석검토4. 지반안전성검토5. 하부구조물부재설계6. 석션기초부재설계

상세부위설계

1. 타워연결부설계2. Working Platform3. Ring Beam 보강설계

4. 케이블장착구설계

부대공설계

1. Boat-Landing 설계2. J-tube 설계3. 중간참, 사다리, 난간4. 세굴방지공설계

[그림 2] 지지구조물 제원

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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 49

○ ○ ○

[그림 3] 시추공별 지층개요

[표 6] 하부구조물 PS콘크리트 균열검토

[표 7] 석션기초 상단하중(SLS Load at Seabed)

[표 8] 적용 지반정수

[표 9] 수평지지력 검토

D(㎜)압축응력(MPa)

휨응력 (MPa) PS(MPa)

압축부(-)

인장부(+)

제한압축응력(MPa)

기준인장강도(MPa)압축 (-) 인장 (+)

16000

14180

12360

10540

8720

7507

6900

-0.81

-0.74

-0.80

-0.90

-1.05

-1.20

-1.28

-2.70

-3.26

-4.14

-5.53

-7.93

-10.65

-12.42

2.70

3.26

4.14

5.53

7.93

10.65

12.42

-4.36

-4.94

-5.70

-6.74

-8.23

-9.65

-10.57

-7.87

-8.94

-10.65

-13.17

-17.21

-21.50

-24.27

-2.47

-2.43

-2.37

-2.11

-1.35

-0.21

0.57

-27.0

-27.0

-27.0

-27.0

-27.0

-27.0

-27.0

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

2.83

2.83

2.83

2.83

2.83

2.83

2.83

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

구 분 단위중량 (kN/m3) 내부마찰각(。) 비고

모래지반 18.6 33 평균 N=27

구분 극한지지력(kN) 허용안전율(F.S) 허용지지력(kN) 적용수평하중(kN) 평가

수평지지력 33,276.0 1.6 20,797.5 19,091.2 O.K

수평력 (kN) 연직력 (kN) 모멘트 (kN-m)

4,131.0 20,537.0 246,844.0

SACS 5.7 V8i를통해사용하중상태에대해서PS콘크리트균열검토수행결과는다음과같다.

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4. 기본설계

기본설계는 통합하중 해석 전 개념설계단계에서

좀더상세히검토하는단계이다. 통합하중해석은극

한한계상태와 피로한계상태를 수행하는 시간과 노

력이많이발생하는작업이기때문에사전에최대한

상세검토를통해시행착오를줄일수있다. 또한현

재 통합하중해석을 수행할 수 있는 프로그램들은

Beam요소만지원하는소프트웨어이다. 따라서석

션기초와지반과의거동이노드점에치환되어모델

링되어야한다. 따라서이를위해지반과구조물의

거동을고려한강성매트릭스를산정하여해석에반

영토록하였고, 이를이용하여고유진동수해석또

한수행하였다.

해상풍력발전기의지지구조는발전기의고유진동

수영역을회피하는설계를수행해야한다. 제조사별

로발전기공진회피주파수영역이다르기때문에

설계시그에맞도록조정하면지지구조의안전성을

검토해야한다. 공진검토는다음과같다.

50 | 기술정보

● ● ●

(a) 1차 (b) 2차 (c) 3차 (d) 4차 (e) 5차

[그림 6] 고유모드별 구조물의 모드 형상(석션기초)

[그림 5] 석션기초의 강성 매트릭스[그림 4] 해석 요소망

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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 51

○ ○ ○

지지구조의하부구조물은축력과휨을받는기둥

부재이다. 따라서기본설계단계에서는P-M상관도

를통해서극한하중상태에대해서검토한다. 하지만

하부구조물은 코니칼 형태로 밑단 직경은 18m에

이른다. 이를평면보존의법칙이성립된다고보기에

는무리가있기때문에, 이에대한상세검토는실시

설계단계에서 통합하중해석의 결과에 따라 상세검

토를수행한다.

[표 10] 부재위치에 따른 해석결과

위 치 node D (㎜) P (kN) V2 (kN) M3 (kN-m) 비고

Transition Piece

Ring

Bottom

28

19

0

6900

6900

18000

-120,031

-125,461

-24,674.3

1,981.0

3,415.7

5,387.1

153,279.3

203,465.7

286,942.4

ULS

ULS

ULS

[그림 7] 시추공별 지층개요

[그림 8] 부재 설계

바닥슬래브

석션 Skirt모델링(공용중)

개념설계시석션기초의안정성검토에이어기본

설계단계에서는 석션기초의 부재설계를 수행한다.

극한한계상태및사용한계상태를만족시킬수있도

록부재를검토한다.

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5. 실시설계

기본설계를통해계획된지지구조물의형상을토

대로통합하중해석을수행한다. 통합하중해석은터

빈의시스템특성과지반경계조건등이모두모사된

전체계해석으로FAST, GH-Bladed, FEDEM,

aeroFlex, 등이 사용되고 있다. 이번 연구과제의

경우aerodyn Energiesysteme GmbH가개발

한FLEX 기반의aeroFlex를사용하였다. 통합하

중해석을통해발전기의시스템특성, 바람과파랑

등의환경하중, 그리고석션기초의지반의강성을고

려하여수행하였다. 또한현재통합하중해석을수행

할수있는프로그램들은Beam요소만지원하는소

프트웨어이다. 그러나콘크리트구조물의경우하부

직경이18m에이르는매시브한구조물로단면이강

체거동을한다고보기어렵기때문에통합하중해석

결과를반영하여3D-Solid 상세해석을추가수행

하였다. 3D-Solid해석은Solid요소에PS 텐던의

모델링과여러가지파이론이적용되어자동파압을

산정해줄수있는건국대학교에서개발된X-SEA

가사용되었다. 석션기초역시통합하중해석을결과

를반영하여기본설계시와동일하게재검토하였다.

통합하중해석결과를 토대로 석션기초의 안정성

검토는다음과같이수행하였다.

52 | 기술정보

● ● ●

표 11] 재료감소계수

연직지지력 196,767.4 2.5 72,604.6 21,252.0 O.K

수평지지력 40,849.0 1.6 25,531.0 24,839.6 O.K

바닥슬래브

휨 (kN-m)

전단 (kN)

휨 (kN-m)

전단 (kN)

휨 (kN-m)

전단 (kN)

213.3

92.4

100.0

149.9

26.3

26.2

750.88

588.87

637.13

530.08

234.58

549.77

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

H25 ctc 200

H16@4ea ctc 500

H32 n 332ea

H16@4ea ctc 250

H32 n 332ea

H16@4ea ctc 250

Skirt(주철근)

Skirt(배력근)

구 분 콘크리트 Φc 철근 Φs

Ultimate Limit States 0.65 0.95

[표 13] 연직지지력의 안정성

[표 12] 기초의 단면검토(Ultimate Limit States)

위치 검토항목 적용하중 설계단면력 검토결과 비 고

구 분 극한지지력(kN) 허용안전율(F.S) 허용지지력(kN) 적용연직하중(kN) 평가

[표 14] 수평지지력의 안정성

구 분 극한지지력(kN) 허용안전율(F.S) 허용지지력(kN) 변환수평하중(kN) 평가

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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 53

○ ○ ○

활동 1.5 744.0 3,365.4 4.52 O.K

[표 16] 활동 안정성 검토

구분 허용안전율(F.S) 수평력 (kN) 저항력 (kN) 안전율 평가

[표 17] 석션식 하부지지구조물적용 풍력터빈 고유진동수

모드(Mode) 석션식 하부지지구조물 고유진동수[Hz]

1. Bending

2. Bending

3. Torsion

0.273

0.946

1.879

[그림 9] 풍력터빈의 Campbell diagram

전도 1.2 29,497.6 37,155.4 1.26 O.K

[표 15] 전도 안정성 검토

구분 허용안전율(F.S) 전도 모멘트(kN-m) 저항 모멘트(kN-m) 안전율 평가

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54 | 기술정보

● ● ●

하부구조물의경우통합하중해석결과를토대로,

건국대학교에 개발된 X-SEA를 통해 3D-Solid

해석을통해단면검토를수행하였다.

[그림 12] 하중 케이스별 응력 분포 (단위 : Pa) [그림 13] 하중케이스에 따른 위치별 응력 분포

[그림 10] 입체요소와 텐던요소 [그림 11] 석션 기초구조물의 모델링

[표 18] 재료감소계수

구 분 콘크리트 Φc 철근 Φs

Ultimate Limit States 0.65 0.95

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석션기초를 적용한 해상풍력 콘크리트 지지구조의 설계법 개발 | 55

○ ○ ○

6. 결론

이상으로 해상풍력발전기의 콘크리트 석션 기초

를 적용한 지지구조물의 설계에 대해 알아보았다.

해상풍력발전기의 지지구조설계는 통합하중해석을

통해서전체계해석을수행하고, 이에대한단면설

계를실시한다. 그러나콘크리트구조물의경우매

시브한 구조물을 Beam요소로만 모델링되는 한계

를3차원Solid의추가상세해석을통해보완할수

있다. 또한발전기의고유진동수회피가매우중요

한 설계항목임이 기존의 토목구조물과는 차별화된

포인트라고할수있다.

현재 세계적으로 해상풍력산업은 기존의 해양구

조물일 Oil&Gas 산업에서 확장되다 보니 대부분

강구조물에익숙한엔지니어들이다루어왔다. 반면

에, 해상교량건설및콘크리트구조물에익숙한토

목엔지니어들은피로저항성이큰콘크리트를재료

로해상풍력지지구조분야에접근이용이할것으로

생각된다. 이번설계예제집을통해해상풍력발전기

의 지지구조물에 대한 설계에 대한 이해를 도모하

고, 이를통한국내해상풍력발전단지의확산에기

여하며 토목엔지니어들의 새로운 사업영역확장의

기반이될수있기를희망한다.

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하부구조05

휨 (kN-m)

전단 (kN)

휨 (kN-m)

전단 (kN)

휨 (kN-m)

전단 (kN)

휨 (kN-m)

전단 (kN)

54.0

358.0

23.0

158.0

14.0

191.0

213.3

92.4

990.8

1313.5

987.1

1161.3

1395.9

536.1

750.88

588.87

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

O.K

H22 ctc 127

H16@4ea ctc 250

H22 ctc 128

H16@4ea ctc 250

H32 ctc 139

H16@4ea ctc 250

H25 ctc 200

H16@4ea ctc 500

하부구조03

하부구조01

바닥슬래브

[표 19] 기초의 단면검토(Ultimate Limit States)

s위치 검토항목 적용하중 설계단면력 검토결과 비고

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