The offshore wind energy is rapidly expanding as a form of reusable energy. In offshore environment, wind turbine foundation structures should be designed for cyclic loading causing
permanent deformation of structure, tilting problem and general degradation of soil stiffness. Monopile is the usual design for the offshore wind turbine foundation and a lot of researches related to the monopile foundation has been studied for offshore wind turbine. However, recently, suction bucket foundations have been considered as a highly competitive alternative to conventional foundation due to their unique features suitable for offshore construction environments. Especially, tripod suction bucket foundation has a potential to increase the bearing capacity of the foundation for deep-water offshore wind turbines. However, most of researches have been focused on the monopile and monopod foundations considering the monotonic behaviors of the foundations. Therefore, it is necessary that the research about tripod suction bucket foundations considering cyclic behavior be performed. In this study, the behavior of the tripod suction bucket foundation due to the cyclic loading was investigated.
The cyclic loading tests focused on the single bucket element were performed, because the cyclic
behaviors of the tripod suction bucket foundation can be inferred from vertical uplift and compression behaviors of each single bucket elements. For the purpose, the cyclic loading test system, which can simulate the appropriate stress-control cyclic loading, was developed and it was verified by the calibration tests. The permanent displacement of the single bucket element and the stiffness response of soil-foundation system were evaluated by various cyclic loading tests.
When the compression cyclic loading applies the bucket, an early stiffness of soil appeared to
decrease with the cyclic amplitude and rate due to a pore pressure generation. Also, a latter stiffness gradually increased according to increasing the number of cycles because of a soil hardening phenomena. Consequently, it was found that the permanent displacement increased depending on the cyclic amplitude and rate. However, the behavior caused by extension and two-way loading were highly different to the behavior under compression loading. The early stiffness of soil increased with the cyclic amplitude and rate and, the latter stiffness rapidly decreased with number of cycles because of a soil disturbance. It caused that the permanent displacement extremely increase. Thus, The severe degradation of soil stiffness occasionally leads to a soil failure, in spite of that the cyclic load amplitude is smaller than the service ability limit state (SLS). Especially, when the two-way loading apply the soil, the pore pressure gradually increase, it causes the degradation of soil capacity. In other words, it implies that the two-way cyclic loading is extremely fatal for a failure of soil. Based on the comparison of test results in 1g and centrifuge model tests, limitations of 1g model test were overcome and more reliable results were obtained.
해상 풍력발전기는 해상 환경에 노출되어 있기 때문에 풍랑과 파랑에 의한 반복하중이 풍력발전기의 기초에 장기적으로 작용한다. 그러므로 설계 시 정적 하중에 대한 성능평가와 더불어 반복하중에 대한 거동 특성을 평가하는 것은 중요한 기술적인 요소이다. 본 연구에서는 해상 풍력발전기 지지용 트라이포드 기초의 공용반복하중에 의한 기초의 영구 변위 및 지반의 강성 변화를 축소 및 원심모형실험을 통하여 평가한다. 트라이포드 석션버켓 기초에 수평 하중이 재하되면 이는 각 기초 요소에 수직력으로 작용하여 각각 압축 및 인발 거동이 일어나게 된다. 이때 트라이포드의 거동은 기초 요소의 압축 인발 거동으로 예측 할 수 있기 때문에 본 연구에서는 단일형 기초요소의 압축 인발 거동 평가에 초점을 맞춰 실시 하였다.
반복 거동 특성 평가는 현장응력상태를 재현 할 수 있는 센트리 퓨지 축소모형실험과 장기거동 해석에 유리한 1g 축소모형실험으로 시행 한다. 반복 거동 특성 평가를 위해 실험 시 반복 하중 횟수, 크기, 방향 및 주기에 대한 매개변수 연구를 실시하고 이에 대한 반복 거동 매커니즘을 비교 분석한다. 매캐변수 연구는 1g 축소모형실험을 이용하여 중점적으로 실시하였으며, 센트리 퓨지 원심모형 실험을 통하여 1g 축소모형실험의 결과의 신뢰성을 검증 하였다. 또한 본 실험을 위해서 매개변수 연구의 목적에 맞는 균일한 반복 하중을 재하 할 수 있는 실험 시스템을 개발 및 검증 하였으며 개발된 반복하중 재하 실험 시스템을 축소모형실험에 사용하였다.
반복하중의 크기를 증가 시키며 단일형 기초의 반복 거동을 평가 한 결과, 압축 하중을 재하 시킨 경우에는 하중의 크기가 증가 함 에 따라서 지반의 초기 강성이 감소하는 것을 관찰 할 수 있었으며 반복 횟수가 증가함에 따라서 지반 경화 현상에 의해 강성이 증가 하였다. 인발 및 양방향 반복 하중 재하 실험의 경우에는, 하중의 크기가 증가 함 에 따라서 초기 강성은 감소하며 하중 횟수가 증가 함 에 따라서 지반의 강성은 감소하였다. 또한 압축 하중 재하 실험의 경우 $\varsigma _b$ 값이 0.15 이상일 때, 양방향 하중 재하 실험의 경우 $\varsigma _c$ 값이 0.5 이상인 경우에는 지반 파괴가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 반복 하중의 속도를증가시켜 실시한 실험의 경우, 압축 하중 재하 시 하중 속도가 증가 함 에 따라서 간극수압의 증가와 느슨한 지반의 압축으로 인해 지반의 초기 강성이 감소하는 것을 관찰 할 수 있었으며 인발 및 양방향 반복 하중 재하 실험의 경우 초기에는 간극수압의 발현이 적기 때문에 초기 강성이 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히 인발 및 양방향 하중 재하 실험의 경우 하중의 속도가 감소하는 것은 지반의 지지력 감소에 매우 치명적이며 지반의 파괴를 유발 할 수 있는 것으로 평가 되었다. 그리고 양방향 하중의 경우 반복 횟수의 증가에 따라 간극 수압이 유발되어 급격한 지지력 감소와 지반의 파괴가 일어나는 것을 보아 반복 하중의 양방향 재하가 지반의 지지력 감소에 가장 치명적인 것을 확인 할 수 있었다.
