원심모형실험을 통한 모노파일의 횡방향 지지거동 평가 :Evaluation of lateral behavior of monopile using centrifuge model test

이명재

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이명재 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 윤희정

발행연도: 2018

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

에너지 사용량이 증가함에 따라 기존자원의 고갈에 의해 신재생에너지의 관심이 대두되고 있다. 이에 신재생에너지 중 해상 풍력발전에 대한 관심이 커지고 있다. 해상 풍력 발전지지구조물의 경우 바람, 파도, 조류 등 횡방향 하중이 주된 외력으로 작용하기 때문에 말뚝의 횡방향 지지거동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 횡방향 하중을 받는 말뚝의 지지거동을 분석하기위해 사용하는 해석법으로는 극한평형법, p-y 곡선법이 있으며, 현재 주로 쓰이는 p-y 곡선법은 Reese(1974), NCHRP(2001), API(1987) 등의 p-y 곡선법이 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 p-y 곡선법의 경우 직경이 1 m내외인 말뚝을 사용하여 제안한 p-y 곡선법으로 모노파일과 같은 대구경 말뚝에 적용하기에는 한계가 있다.
이에 본 연구에서는 횡방향 하중을 받는 모노파일의 지지거동을 분석하기 위해 원심모형실험을 통해 길이 60 m, 직경 3.3 m 인 모노파일을 모사하여 횡방향 하중실험을 수행하였다. 지반 조성은 건조모래에서 상대밀도 40, 80%와 상대밀도 80%인 포화모래로 3가지 지반으로 조성하였으며, 실험은 정적 수평하중 3회와 반복 수평하중 12회로 총 15회의 원심모형실험을 수행하였다. 반복 수평하중실험에서의 반복 수평하중 산정은 정적 수평하중 실험에서 산정한 극한하중의 30, 50, 80, 120% 수준의 하중을 사용하였으며, 반복 횟수는 100회를 적용하였다. 또한, 반복 주파수의 경우 8초에 1회의 반복주기로 설정하여 0.125 Hz로 적용하였다.
실험을 통해 지반 조건에 따른 cyclic p-y 곡선 산정식을 도출했으며, 초기지반반력계수와 극한 지반반력을 활용하여 산정식을 조성할 수 있도록 제안하였다. 제안된 산정식은 API(1987)와 Reese et al.(1974)의 p-y 곡선과 비교하였다. 그 결과 제안한 cyclic p-y 곡선의 지반반력은 작은 변위에서 API(1987) 방법보다 작게 평가됐고, 큰 변위에서는 지반반력이 크게 평가됐다. 이는 API(1987)방법의 경우 큰 반복하중에 의해서 위험한 설계를 초래 할 수 있다. 반면, Reese et al.(1974) 방법은 깊이 5 m와 깊이 7 m에서 제안한 cyclic p-y 곡선과 API(1987)방법보다는 비교적 유사한 결과를 나타냈다. 하지만 모든 지반조건 깊이 2 m에서는 지반반력이 제안한 cyclic p-y 곡선보다 작게 평가됐다.
상대밀도 80%인 포화모래와 건조모래 실험에서 반복하중에 대한 지반의 거동차이도 확인했다. 건조모래의 경우 반복하중에 의해 말뚝 주변 지반에 틈새가 생기며, 반복하중 재하 시 틈새가 다시 모래로 채워진 후 압축작용에 의해 원지반보다 조밀해진다. 따라서 지반강성이 커져 지반반력이 크게 평가된다. 포화 모래의 경우 건조모래의 지반반력보다 약 3배정도 작게 평가되었는데, 이는 반복하중에 의해 간극수압이 발생하여 지반반력이 감소되는 경향이 나타나는 것으로 판단된다.

As the demand in conventional energy resources grows, renewable energy starts to draw attention as an alternative energy resource, especially the wind energy resource. The p-y curve method is used to analyze the pile behavior under lateral loading. Most widely used p-y curves include the ones proposed by API (1987) Reese et al. (1974). However, the aforementioned p-y curves are not applicable to the large diameter pile because the curves were developed based on piles with 1m or less in diameter.
In this study, model monopile with 639 mm in length (60 m in full scale), 35 mm in diameter (3.3 m in full scale), and 3 mm in thickness was used to analyze the lateral behavior of pile using centrifuge model test. Three kinds of soil deposition was used: 1) dry sand with relative density of 80%, 2) dry sand with relative density of 40%, and 3) saturated sand with relative density of 80%. The static load test was carried out to obtain the static lateral capacity, and the magnitudes of cyclic load were determined at 30, 50, 80 and 120% of the static capacity. A hundred cycles were applied to the pile head with a frequency of 0.125 Hz.
Cyclic p-y curves were suggested for three soil conditions, and compared with the conventional p-y curves. The soil resistance of suggested cyclic p-y curve was measured to be smaller than conventional ones in small displacement, but was larger in large displacement. Adopting API p-y curves would lead to unconservative design of laterally loaded pile. On the other hand, Reese et al. (1974) method showed relatively similar results with the suggested cyclic p-y curve at depths of 5m and 7 m than API (1987) method. However, the soil resistance was evaluated to be smaller than the suggested cyclic p-y curve at depth of 2 m.
The lateral behavior of pile in saturated sand significantly differs from that in dry sand. In case of dry sand, lateral cyclic loads form gap between pile and soil, and the collapse of surrounding sand is likely to contribute to the densification around the pile, resulting in the increase in soil resistance. On the other hand, in the case of saturated sand, the soils resistance decreases with number of cycles possibly because of the increase in pore water pressure resulting from cyclic loading.

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 방법 3
1.3 연구범위 및 내용 4
제 2 장 문헌조사 5
2.1 풍력시장 현황 및 전망 5
2.1.1 국내 풍력시장 5
2.1.2 국외 풍력시장 6
2.2 해상 풍력발전기초 9
2.2.1 모노파일 10
2.2.2 중력식 기초 11
2.2.3 석션 기초 12
2.2.4 자켓 기초 13
2.3 국내외 연구동향 14
2.4 반복 수평하중을 받는 말뚝의 거동 18
2.5 말뚝의 횡방향 지지거동 해석법 21
2.5.1 극한 평형법 21
2.5.2 기존 p-y 곡선법 26
2.5.2.1 Reese p-y 곡선 29
2.5.2.2 NCHRP p-y 곡선 33
2.5.2.3 O’Neill p-y 곡선 36
제 3 장 원심모형실험 구성장비 39
3.1 원심모형실험기 39
3.1.1 원심모형실험 개요 39
3.1.2 원심모형실험 원리 41
3.1.3 원심모형실험 상사관계 42
3.1.4 원심모형실험 한계 46
3.2 데이터 측정 장비 48
3.3 토조 52
3.4 모형 말뚝 및 지반시료 54
3.5 하중 시스템 57
3.5.1 정적 수평하중 시스템 57
3.5.2 반복 수평하중 시스템 59
제 4 장 지반조성 및 실험 절차 61
4.1 건조모래 지반조성 및 실험절차 61
4.2 포화모래 지반조성 및 실험절차 65
제 5 장 실험 결과 69
5.1 정적 하중 실험 결과 69
5.1.1 건조모래에서의 극한하중 산정 69
5.1.2 포화모래에서의 극한하중 산정 70
5.2 p-y 곡선 도출방법 71
5.3 정적 p-y 곡선 73
5.4 Cyclic p-y 곡선 76
5.4.1 건조모래의 cyclic p-y 곡선 76
5.4.2 포화모래의 cyclic p-y 곡선 87
제 6 장 모노파일 cyclic p-y 곡선 제안 94
6.1 Cyclic p-y 중추곡선 94
6.1.1 건조모래 94
6.1.2 포화모래 100
6.2 Cyclic p-y 곡선식 도출 102
6.2.1 극한 지반반력 산정식 제안 102
6.2.1.1 건조모래 102
6.2.1.2 포화모래 105
6.2.2 초기지반반력계수 산정식 제안 107
6.2.2.1 건조모래 107
6.2.2.2 포화모래 110
6.2.3 Cyclic p-y 곡선 제안식 111
6.2.3.1 건조모래 111
6.2.3.2 포화모래 114
6.3 건조모래와 포화모래에서 제안한 cyclic p-y 곡선 비교 116
6.4 기존 이론식과의 비교 120
6.4.1 건조모래 120
6.4.2 포화모래 125
제 7 장 결론 128
참 고 문 헌 132
영문초록 142

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