해상 풍력에 대해 들은 대로 정리해 보고

앞으로 어떻게 변해가는지 추이를 잘 살펴볼 필요가 있을 것 같습니다.

Turbine 을 바람의 힘으로 돌려서 전기를 얻어내는 방식의 해상풍력 발전은

북유럽을 중심으로 발전하여, 중국에 이어 한국에도 많은 기업들이 정부의 장려 정책에 따라 참여하고 있습니다.

하지만 한국에서는 아직 바람이 약하다, 건설비가 비싸서 채산성이 안나온다 등의 물음표 섞인 분석들이 많이 나오고 있는 상황이지만,

친환경, 신재생 에너지 라는 트렌드를 역행할 수는 없기에 열린 길을 어떻게 잘 만들어 갈지 고민을 해볼 필요가 있겠습니다.

인허가 등 절차적인 문제를 배제하고 가장 중요한 것은 지반조사라고 할 수 있겠습니다.
변화가 심하고 눈으로 확인하기 어려운 해저 지형을 어떻게 조사하느냐가 핵심일텐데요.

지반조사 간격은 항상 신뢰도 문제에 있어서 의문점이 되고, 기술자들 사이에서도 논란이 되는 이슈이기도 합니다. 적절한 지반조사를 통해 지반 모델을 필수적으로 진행하여 합리적인 설계가 될 수 있도록 하는 것이 중요합니다.

풍하중과 파도에 의한 하중을 고려하는 것이 무엇보다도 중요한데요.
Hydrodymanics 와 Wind Dymanics 에 대한 구현을 프로그램을 통해 고려하여 안전성과 경제성을 모두 만족하는 말뚝, Transition Piece 설계가 중요하겠습니다.

가장 중요한 것이 경제성일테니까요.

확실한 전력 생산의 보장이 된다면 신재생 에너지는 갈수록 단가의 혁신을 이루면서 주요한 에너지원으로 자리잡고, 에너지 전쟁에서 자립하고 굴복하지 않으려면, Cost of Energy 의 추이를 살피면서 시대의 흐름을 파악하는 것이 중요하겠습니다.

결국 전기자동차와 마찬가지로 정부 보조금을 통해 시작된 트렌드를 일정한 연착륙 기간이 지난 후에 보조금 없이도 경쟁력을 가질 수 있느냐가 사업의 성패라고 할 수 있겠습니다.

중국의 약진과 한국의 의문부호.

앞으로 더 지켜보면서 에너지 자립을 위해서 어떤 노력을 할 수 있을지 고민 또 고민해볼 필요가 있겠습니다.


기초적인 내용도 참조하면 좋겠네요.

https://huedor2.tistory.com/m/823

PDA 로 지지력을 예측하기 위해 CASE 방법 사용

1.     CASE (Case Western Reserve University, 간편법)
F=ma 를 기준으로,

주면저항, 선단저항, 말뚝자체의 탄성 등으로 구분되며,
두부의 속도, 응력파 전달속도의 공식으로 지지력 계산.


2.     CAPWAP (CAse Pile Wave Analysis Program) 방법
https://huedor2.tistory.com/733

링크 참조
Case 방법이 간편공식을 사용한 반면, CAPWAP 는 프로그램을 통해 구함.
원리는 가속도계, 변형률계를 통해 힘/가속도를 구하여 지지력 예측.
말뚝의 경계조건, 에너지관련, Damping 관련 내용이 포함될 수 있음.

말뚝 지지력 산정

- 축력
* Qu = Qf + Qe, Qa = (Qu-pile weight) / FS(2.5)
* Qf = fs As
* fs = a Su (점성), ks p’ tan delta (사질)
L=15D 정도까지만 전달되는 것으로

[[주면마찰력에 대하여 더 심도있게]]

(1) 사질토 (그냥 점성토를 알파, 사질을 베타로 보기도 함.)
Alpha 법 : Ks(정지토압계수에서 공법이나 지하수를 고려한 보정) 법. fs ult = Ks x 유효응력 x tan delta
내부마찰각 = 27.1+0.3N60-0.00054[N60] 2 (Peck)
delta 도 말뚝의 상황에 따라 보정. (보통 같은 값)

Beta 법 : 주면마찰력을 각 층의 Soil 상태를 반영하고 유효응력에 따라 계산. (과압밀비도 고려)
beta : 0.2~0.7 (CIP), 0.3~1.5 (Driven)
fs ult = beta x 유효응력

작게 나오지만, 하중 전이 시험을 통해 검증 및 추가 확보 가능.

(2) 점성토
f = a (0.3~0.5) Su 로 계산

점착력이 크면 alpha 로 보완해주는 형식

Alpha 는 Su 만 고려.
Beta 는 과압밀비, 내부마찰각 고려.
주면마찰력 계수
- Alpha : Alpha x Cu (2~2.5 정도?)
- Beta : Beta x 유효응력 (Ko x tan delta) (0.1~0.3 정도?)
- 하중전이 시험 및 곡선을 통한 검증 필요.


* Qe = qe Ap (qe=500t/m2 (driven), 300t/m2 (pre-bored) max)
* qe = Nc Su (점성), Nq ps (사질)
* Concrete 강도 : 0.25 fc’ 와 비교.
* Qf : 비례식, Qe : layer 별로. (N값에 따라)

- 인발
* Qu = Qf, Qa = (Qu+pile weight) / FS(3.)
* Concrete 인장 : 0.08 fc’ 와 비교. (0.5~0.6 sqrt(fc’))

- 횡력
* Top deflection limit : 6mm max. (고정단 기준)
* 내부마찰각과 Cu 값을 통해 k 값 산정. (kg/cm3). Spring 으로 잡고 하중에 따른 각 층별 horizontal deflection 결정.
* Fixed : Moment 커짐, Free : Moment 0 (deflection 커짐)
* Concrete E (탄성계수), I 를 이용한 처짐값 계산
* Beta 값을 이용

- 항타기준
* 관입/리바운드량이 1.5cm 이하/1회 항타 가 되면 중단.
* 10m 관입에 800 bls 이상이 되면 중단.
* Hiley's formula : Q=Wh/s (ton) (W : ton, h : cm, s : cm 10 번에 대한 평균)
* 25mm 설치 deviation 허용.

- 처짐기준
* 횡처짐 :
- working load 에서 10mm
- 2 working load 에서 20mm
* 수직처짐 :
- working load 에서 12mm
- 1.5 working load 에서 20mm
- residual settlement 6mm
- 10% of diameter or 30mm whichever is lesser. Rate 가 달라지는 순간을 Ultimate Load 로 봄. (Preliminary Pile 의 경우 20mm), 아니면 Working Load 의 2배.

- 시험 : 최소 7일 보통 28일 이후 시험 필요. (현장타설말뚝, Thixotropy, Time Effect)
* 수직 : 1% or 3 piles, Negative 고려. 30분 기 준 0.15mm 될 때까지. 25% 1hr 씩 100% 까지(제하는 10분), 25% 6hr 씩 150% 까지(제하는 10분).
총 하중이 재하되지 않더라도 한 25% 에서10mm 이상 처지면 중단, Total 0.15D 이상 처지면 중단.
* 인발 : 1% or 3 piles 동일.
* 횡력 : 1% or 3 piles 동일. 12.5% 씩 늘림. (25, 50, 75, 100% 로 늘림)
* CRP : Load-displacement Curve 를 위한 일정한 rate.
* Integrity : 항타 5%, 현타 전부. 탄성파, Sonic Logging, AE

- 위치 Deviation : 75mm Plan view, Test pile 의 위치에 관련된 기준 3D, 2m 이상 떨어져야 함. (Static Load test 2.5 working load, working pile 1.5 working load)
- 수직도 : 1/100 기기, 실제 Pile 1/75.
- 제작 오차 : 6mm 이하, 균열폭 0.05mm 이하.
- Welding Joint : Welding Cap 등, Surface Preparation (Solvent), Welding 후 Zinc Rich Primer coat (Touch up painting)
- 증기양생 필요 (품질 관리), 저장관리 (1/5 지점에 support, 3 layer 이상 금지, Damage 방지), Min. 압축강도 30MPa 등, 운반 및 leader Lifting 시 0.3L 에서 wire rope 로 lifting.

말뚝은 시공까지는 쉬워도
지중의 불확실성, 말뚝이 시공되면서 품질 보전의 의문부호 (doubt) 를 해소하는 많은 방법들이 개발되었고,

그 중 가장 쉽고 확실한 방법.

1. 필요 장비
- PDA : Analyzer
- 가속도계, 변형률계 (2쌍)
- Cable

2. 시험 순서
- Cushion 설치. Ram Drop. (Energy 에 따라 달라지지만 0.5~1.5m)
- Stress Wave 전달 (Pile 을 따라)
- 가속도계, 변형률계 측정결과가 Force – Velocity 로 변환되어 graph 생성 및 PDA 에 저장
- 감쇠를 고려한 Case-Method 로 Pile Capacity 산정. (감쇠비 보통 70%)

3. CAPWAP : Case Pile Wave Analysis Program
- 하강파, 상승파를 구분/비교하여 해석.
- Computed upper wave 와 measured upward wave 를 비교 : Signal matching -> Predicted pile load capacity
- Skin Friction(주면마찰), Toe Resistance(선단지지) 구분됨.
- Pile capacity : Initial, Restrike
- Integrity

4. 시험 시 유의사항
- 타입 말뚝의 경우 (Hammer), Thixotropy 에 따라 교란에 따른 강도 감소가 있어서 (팽창성이 큰 지반의 경우 더 강도 감소가 커짐.)
Set-up Period (타입 후 시간) 을 기록하는 것도 중요함. (보통 강도회복을 위해 20~28일 소요)

5. 해석
- Drop height : 0.5~1.5m 단계별
- EMX (ton-m) : Maximum Engery, Hammder 6 ton, Drop 후 실제 강도를 이용해 효율 결정.
- Hammer Efficiency (해머 효율) 30~50% 고려.
- 변형률 계산
- 변형률을 통한 Force 계산 RMX (Maximum Resistance). Jc (Damping Ratio) (1-Jc) 로 계산. (Damping Ratio, 0.7)
- CSX (Compressive Strength Maximum)

말뚝은 콘크리트 말뚝 (Precast, CIP), 강관말뚝/H형강 말뚝, 복합말뚝 (하부 콘크리트, 상부 강관) 등으로 재료에 따라 구분될 수 있다.

말뚝을 강성으로 보느냐 탄성으로 보느냐에 따라 하부 모멘트 전달이나 횡방향 변위의 정도가 달라진다.
연성으로 보는 경우 모멘트가 두부는 정모멘트, 하부는 부모멘트를 받게 되기도 한다.

말뚝과 기초의 연결방식 : 강결합 (Fix) / 힌지결합 (Pin)
- 구조물의 형식, 기능, 확대기초의 형태와 크기, 지반조건, 시공성 등 고려 필요.

자유단/힌지/고정단
- 고정단 : 횡방향 강성과 모멘트 증대, 모멘트 전달
- 힌지 : 모멘트 전달 안됨. 수평력이 발생하는 경우 변위가 커짐.

깊이별 변위, 모멘트, 전단력 등을 그래프로 작성 가능.
(극한 평형에 근거한 응력-변형 확인, Broms)
(SFD, BMD 개념으로 Moment 최대 지점 등을 고려한 식으로 수평저항력 산정)

1. 극한 평형법 (Broms 등)
말뚝 파괴를 고려한 극한 평형 접근으로, 휨강성/근입깊이/지반강성에 따른 분류.

- 지반반력계수 셜정이 중요. (일축압축강도, 재질, 직경 등 고려한 후 2~4로 나누어 보정)
- Beta 값 설정 (점성토), 사질토 n

- 긴말뚝/짧은말뚝의 판별

짧은말뚝/중간말뚝은 지반이 파괴됨
긴말뚝은 말뚝하부를 힌지로 보고 상부만 지반이 소성화되어 파괴됨.

0.7H (바닥에서) 위치가 최대변위.
- 파괴시 발생하는 횡방향 토압은 Rankine 의 수동토압의 3배와 같음.
- 극한하중 /2.5~3 의 하중과 허용변위에 따른 최대하중을 비교하여 사용하중을 사용.

허용수평변위를 통한 수평하중 산정방법.

탄성지반반력법 : 말뚝을 탄성 지반에 지지된 스프링이 달린 구조체라고 가정. 수평지반반력계수, 탄성계수, 단면 2차모멘트 사용. (p-y 곡선 이용)
- pu 의 1/2 지점을 할선계수로 보고 선택하면 선형해석
- 초기 접선값으로 시작하여 비선형으로 보고, 변위에 따른 접선계수를 계속 재산정해가는 방법이 비선형 방법. (초기 변위와 재산정 변위가 허용치 안으로 들어오도록 반복해서 해석)

말뚝의 축력분포
- 고정/힌지 : 깊을수록 0으로 수렴

짧은 말뚝의 경우 예

말뚝의 모멘트분포
- 고정 : 두부에서 최대, 중간에서 한번 반대의 모멘트를 가졌다가 0으로 수렴
- 힌지 : 두부에서 0이지만, 축력에 의해 발생하는 모멘트가 상부에 최대를 갖고, 깊어질수록 0으로 수렴.

말뚝의 변위
- 고정 : 횡방향변위가 작고, LPile 을 통해 계산된 허용 변위 내로 관리
- 힌지 : 지속적으로 커짐

수직력만 작용하는 경우 힌지가 유리 (모멘트 전달을 안 되게 하여 말뚝의 철근량, 두부의 철근량 감소시킬 수 있음.)
수평력이 작용하는 경우 힌지에서는 따로 압축력/인장력에 따른 설계와 두부의 휨모멘트에 대한 보강도 필요.

횡방향 하중과 수직력이 복합하여 작용하는 경우 부등침하에 따른 힘의 전이현상이 발생할 수 있음.
고정단의 경우 부모멘트에 따른 철근 보강이 필요. 전면기초 단면 전단력이 커질 수 있음. (과다설계)
수평하중에 의한 변위를 Control 할 수 있다면 힌지구속이 경제적인 설계가 가능.

키워드 : 압축 정재하, 압축 동재하, 인발, 수평
PDA, CAPWAP, 항타분석기, 건전도, 응력파 전달 속도, 가속도계 변형률계

압축정재하 : 앵커말뚝, Counterweight, 확실하나 비싸고 번거로움. 시간도 많이 걸림. 1.5-2배 하중을 8단계로 나누어 재하/제하 반복. 하중, 침하 곡선으로 지지력 판단. 콘크리트 압축강도 넘지 않도록, 1%

압축동재하: PDA 항타중, 항타후(set up / relaxation), 가속도계, 변형률계 설치하고 PDA 기계 연결하고, 타격하여 시험. 지지력, 침하량 예측, 간편, 시간 덜 걸림. (선단, 마찰), 5%

인발하중 : hydraulic jack, h beam, 주변 말뚝이나 앵커말뚝 활용

수평하중 : 주변 말뚝이나 앵커말뚝 기준 허용 변위 15mm 로 LPILE 이용.
https://huedor2.tistory.com/683

건전도 시험 : 이전 내용 참조. 공대공초음파 등.
https://huedor2.tistory.com/584

현타 비배토의 경우 Osterberg 심어서 테스트 할 수도 있음.

키워드 : 공대공 초음파 시험 (cross hole sonic logging), 건전도 시험, 현장타설말뚝, 충격응답기, 감마감마로깅, 충격반향기

목적 : 지중 모름. 대구경 현장타설말뚝의 확인 필요.

현장타설말뚝 파고/손상 종류 :
1. 지하수위 : 수중불분리재 사용, 슬라임처리 벤시아 사용하지만 결함 예상
2. 공사 중 : 철근망 딸려 올라옴. (철근망 부상방지근 설치하더라도)
3. 실제 손상 종류 : 선단부 콘크리트 불량 / 연약주면 손상/ 콜드조인트/재료분리/smear effect/슬럼프치가 낮음/철근부식

건전도 시험 :
1. 당초 : 코어링 -> 철근 손상
2. 공대공 초음파 시험 : 관 매입, 타설 후 물채움, 진폭/시간이 짧으면 오케이, 길고 진폭이 작으면 문제.
신호분석기, 깊이측정기, 타설 후 30일 이내 시험,
센서를 관에 기대면 안됨/시험관 위치문제/시험관과 콘크리트 사이 이물질/사용골재 변화
A -> D 양호(속도 저감율 10%) -> 신호 감지 왜곡/감지없음, 전파 시간이 빠름.
- 경제적, 깊이 제한 없음, 강성 제한 없음, 해석용이
- 주철근 외곽은 불가능, 시험관 위치의 의문, 시험말뚝 선정 필요, 미세균열 불가능, 시험 속도가 느림.

3. 충격반향기 : 가속도계, 해머, 신호분석기
- 간편, 준비 필요없음, 시험말뚝 아무거나
- 해석기법 요구, 전문가 필요, 오차, 길이의 제한, 비율 30이하, 변단면 불가, 주변 지반의 강성차이를 말뚝 차이로 인식할 수 있음.

4. 충격응답기 : 거의 비슷, 주파수 반응곡선, 길이와 응력파 속도로 면적 계산. 말뚝 머리 강성 정보

5. 감마감마 : 방사능. 주변 강성영향 받지 않으나 길이 제한, 콘크리트 밀도 파악, 경제적.

이상 : 그래프 이상
흠, 결점 : 품질/형상 문제
결함 : 내구성에 영향을 주는 흠, 결점