Offshore wind power refers to a facility that generates electric power using wind energy by installing turbines in the sea. Unlike oil and gas production structures where a vertical load is dominant, offshore wind turbines have a very large horizontal load, which typically corresponds to 100% to 150% of the vertical load, acting at a higher location relative to the top of the pile, thus generating a large rotational moment at the lower foundation. In addition, since it has a design life of more than 20 years, a long-term fatigue analysis is also an important design consideration because continuous cyclic loads caused by the wind and waves work even after the installation. In particular, there is a risk of destruction by resonance when the natural frequency of the structure coincides with the frequency of this external force because it has a certain period. Therefore, in order to design an offshore wind turbine safely, it is necessary to satisfy both the natural frequency requirements of the turbine system as well as the allowable displacements of the lower foundation. Until now, the foundation of offshore wind turbines that have been mainly used in Europe are mono-piles which are typically constructed by driving large steel pipe and a jacket foundation in the form of square trusses. However, in the domestic seas where fishery by small boats and offshore aquaculture are main activities , unlike Europe, constant complaints have been raised due to the noise and vibration caused by the hammering method and the secondary damage to the aquafarms due to the occurrence of floating particles. This study analyzes the installation mechanism and technical characteristics of the suction pile, a new concept of eco-friendly offshore wind power foundation that can solve the aforementioned problems, and based on this, a simple analysis method is presented which can significantly shorten the time required for the integrated load analysis. First, an analysis technique based on the influence factors that can grasp the dynamic characteristics of the entire system is derived. It is possible to calculate the horizontal and rotational displacements at the main points of the member, when external forces (horizontal force and moment) are applied to the tripod suction pile foundation system. The proposed analysis method can not only evaluate the characteristics of a suction pile with a large diameter and small aspect ratio(L/D) and the vertical force generated by the tripod structure, but also can analyze based on the basic physical properties of the soil, piles and turbines. Because the results can be obtained in a closed form, the dynamic behaviors of the turbine system can be expressed simply, accurately and intuitively with this simple method. Secondly, a numerical analysis modeling technique that can accurately simulate the joint stiffness of the tripod suction pile system is presented, and the accuracy of the analysis technique is verified through a scaled-down model and natural frequency tests. Thirdly, through the centrifugal model test, the preliminary safety evaluation for the full-scale test is carried out by duplicating the soil conditions in the field. Through the comparison of the centrifuge test results with the field test results, the effect of the soil-foundation-structure-interaction has been validated. Lastly, a full-scale turbine was installed on-site to evaluate the safety and applicability of the tripod suction pile, and a natural frequency test was conducted at each installation stage to observe changes in the dynamic characteristics of the system. The field test results have been used as a criterion for evaluating the accuracy and effectiveness of each analysis method through comparison with the results of simple analysis, numerical analysis, and centrifugal model test. As a result of the comparative analysis, the effectiveness of the proposed simple analysis method was confirmed by predicting the natural frequency (99% of the measured value) and the allowable rotation angle (96% of the integrated load analysis value) with very high accuracy. Accordingly, it is expected that it can be used as a design tool for rapid decision making in the early stages of front end engineering design (FEED) work or project feasibility analysis.
해상풍력은 바다에 터빈을 설치하여 바람의 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 설비를 말한다. 해상풍력 터빈은 수직하중이 지배적인 Oil & Gas 구조물과 달리 수직하중의 100%~150%에 해당하는 매우 큰 수평하중이 파일 상단을 기준으로 높은 곳에 작용하기 때문에 하부기초에 큰 회전모멘트를 발생시키는 특징이 있다. 또한, 20년이 넘는 설계수명을 갖고 있기 때문에 설치 이후에도 바람, 파도에 의한 지속적인 반복하중이 작용하므로 장기적인 피로해석이 중요한 설계인자이기도 하다. 특히, 일정한 주기를 갖는 외부하중이 작용하기 때문에 구조물의 고유진동수가 이 외력의 진동수와 일치하는 경우 공진에 의한 파괴위험이 있다. 따라서, 해상풍력 터빈을 안전하게 설계하기 위해서는 하부기초의 허용변위와 함께 터빈 시스템의 고유진동수 요구조건을 모두 만족해야한다. 그 동안 해상풍력 하부기초는 유럽을 중심으로 대형 강관파일을 항타하여 시공하는 모노파일과 사각 트러스 형태인 자켓기초가 주로 사용되어 왔다. 그러나, 유럽과 달리 소형어선에 의한 조업 및 연근해 양식업이 발달한 국내 해역에서는 이러한 항타공법에 의한 직접적 소음·진동과 부유사 발생에 의한 양식장 2차 피해로 인해 끊임없는 민원이 제기되고 있는 상황이다. 본 연구에서는 상기 문제를 해결할 수 있는 새로운 개념의 친환경 해상풍력 기초인 석션파일의 설치 매커니즘과 기술특성을 분석하고, 이를 바탕으로 풍력터빈의 통합하중해석에 걸리는 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 간편해석법을 제시하였다. 먼저, 트라이포드 석션버켓에 외력(수평력, 모멘트)이 작용할 때의 부재 주요지점에서의 수평 및 회전변위 산정이 가능하고, 시스템 전체의 동특성을 파악할 수 있는 영향계수 기반의 해석기법을 도출하였다. 제시된 해석법은 큰 직경과 작은 세장비(L/D)를 갖는 석션파일의 특징과 트라이포드 구조에 의해 발생되는 수직력을 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 지반과 파일 및 터빈의 기본적인 물리량만으로 해석이 가능하고 닫힌 해 형태로 결과값을 얻을 수 있기 때문에 간단하면서도 정확하게 그리고 직관적으로 터빈시스템의 동적거동을 표현할 수 있다. 두번째로, 트라이포드 석션기초의 연결부 강성을 정확하게 모사할 수 있는 수치해석 모델링 기법을 제시하고 축소모형 제작 및 고유진동수 시험을 통해 해석기법의 정확성을 검증하였다. 세 번째, 원심모형시험을 통해서는 현장 지반응력의 재현과 정확한 지반정수 산정을 통해 실규모 시험에 대한 사전 안전성 평가를 수행하였고, 축소모형의 고정단 시험결과와 지반 내 설치조건에서 얻은 결과값과의 비교를 통해 지반-기초-구조물 상호간의 영향을 확인하였다.
마지막으로, 트라이포드 석션기초의 안전성과 적용성을 현장에서 평가하기 위한 실규모 터빈의 현장설치가 수행되었으며, 각 설치단계별로 고유진동수 시험을 실시하여 시스템의 동특성 변화를 관찰하였다. 현장시험 결과는 간편해석법, 수치해석 및 원심모형시험 결과와의 비교를 통해 각 해석법의 정확성과 유효성을 평가하는 기준으로 활용되었다. 비교분석 결과, 제안된 간편해석법이 매우 높은 정확성으로 고유진동수(실측치 대비 99%)와 허용회전각(통합하중해석값 대비 96%)을 예측함으로써 그 유효성이 확인되었으며, 간단한 물성치만으로도 복잡한 풍력터빈의 동적거동을 평가할 수 있기 때문에 FEED 설계 혹은 사업 타당성 분석 초기단계에서 신속한 의사결정을 위한 설계도구로 활용이 가능할 것으로 예상된다.
