The demand for the development of offshore space has increased because of the shortage of land. Offshore floating structures have become an attractive means of securing alternative space for human beings. These include floating islands, floating storage units for oil or gas, and submerged floating structures require more reliable anchoring capacities. A suction anchor is one of the most suitable solutions for the stable mooring of a large floating structure because of advantages that include effective installation, a large holding capacity, and minimum seafloor disturbance.
The design of a suction anchor should consider two primary conditions: the loading condition and soil condition. When a floating structure is anchored using a suction anchor, it may deliver various types of loads to the suction anchor, depending on the type of mooring. In addition, the load may be positioned at any point along the length of the anchor using a “pad-eye”. This subsurface loading greatly influences the ultimate bearing capacity of the suction anchor, because the mechanism of failure changes from rotation to pure translation. Seabeds are divided into two major types, clay and sand, and the soil type directly influences the pullout resistance of a suction anchor. Because oil production areas are generally located under a soft clay seabed, most of the technology for the design of suction anchors has been concentrated on clay conditions. The proliferation of offshore structures has recently extended to nearshore areas with deposited silty sand. Therefore, a comprehensive study of suction anchors installed in cohesionless soil is required.
This study has investigated a suction anchor installed in silty sand through the experiments using a geotechnical centrifuge. Numerical studies are also conducted to simulate the test results and to perform the parametric study. This thesis consists of three main subjects, 1) the pullout resistance of a suction anchor subjected to horizontal loading, 2) the pullout resistance of a suction anchor subjected to inclined loading, and 3) a new concept of group anchor is also investigated and compared with the conventional single anchors.
In order to calculate the horizontal capacity of suction anchor, simplified equation which obtained from the soil reaction distribution is proposed. Using the calibrated numerical model, parametric study was carried out and the V-H failure envelope was obtained to predict the pullout capacities with various inclined loading angle. The study of group anchors aim to investigate the response of group suction anchors in parallel array and provide insight into the behavior of a group suction anchor by quantifying the corresponding improvements.
최근 육상공간의 부족으로 다양한 해상 구조물들의 수요가 증가하고 있으며 인공섬 및 부유식 해상 공항을 비롯한 부유식 해상 구조물이 등장하고 있어 이를 계류하기 위한 앵커가 필요하다. 특히 해상 구조물의 규모가 대형화 되고 있어 부유식 구조물을 계류하기 위한 앵커는 충분한 지지력을 갖추어야 하며, 정확한 지지력의 평가가 요구된다.
다양한 형식의 앵커가 부유식 해상 구조물의 계류를 위하여 사용되어 왔지만 최근 여러 가지 장점으로 인해 석션 앵커의 사용이 증가하고 있는 추세이다. 석션 앵커는 상부가 밀폐된 원형의 말뚝형 앵커로 자중에 의한 관입 이후에, 앵커 내o외부의 압력차를 이용하여 지중에 관입하는 원리를 이용하여 설치되는 앵커이다. 이로 인해 크기 및 설치 수심에 제약을 받지 않으므로 대규모의 해상 구조물에 적합하게 이용될 수 있다.
그동안 많은 부유식 해상 구조물이 유전지역의 석유 생산을 위해 사용되었고, 대부분의 유전지역이 점성토 지반에 분포해 있어, 점성토 지반을 대상으로 한 석션 앵커는 여러 차례 선행 연구가 수행된 바 있다. 그러나 천해역에는 세립 사질토가 많이 분포하고 있으며, 다양한 형태의 부유식 해상 구조물의 수요가 증가하고 있으므로 사질토 지반에 설치된 석션 앵커의 거동에 관한 연구가 필요하다.
계류 형식에 따라 다양한 형태의 하중이 앵커에 전달된다. Catenary 형식의 계류선을 위해서 앵커가 사용되는 경우, 수평하중이 지배적으로 작용하나 계류선의 거동을 고려하면 10° 에서 20°의 경사 하중이 발생된다. 또한 Taut leg 형식의 계류는 30° 에서 40°의 경사 하중이 작용하는 것으로 알려져 있다.
따라서 본 연구에서는 첫 번째로, 수평하중이 작용하는 석션 앵커의 인발 지지력을 산정하기 위하여 간단한 계산식을 제안하는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 기존의 말뚝에서 주변 토압의 분포를 통해 수평 지지력을 산정하는 방법을 차용하되, 사질토 지반에 설치된 석션 앵커에 적용 할 수 있도록 하는 계산식이 제안되었다.
두 번째는 수평 하중과 수직 하중이 동시에 작용하는 경사 하중에 대하여 각 경사각에 따른 파괴 포락선을 획득하고자 하였다. 이를 통하여 경사각의 하중이 재하 될 때의 인발 지지력을 간단히 평가하고자 하였으며, 다양한 형상의 석션 앵커에 대한 파괴 포락선의 변화를 살펴보았다.
마지막으로는 초대형의 부유식 구조물의 계류를 위하여 앵커의 지지력 향상을 목적으로 그룹형 석션 앵커를 설계하였다. 병렬로 연결된 그룹형 석션 앵커에 대하여 기존의 단일형 석션 앵커와 성능을 비교하고 지지효율을 산정하였다.
본 연구를 수행함에 있어서 몇 차례의 원심모형실험이 수행되었으며, 실험 결과로부터 검증된 수치해석모델을 사용하여 다양한 경우의 매개변수 연구가 진행되었다.
