천해역에서의 해상풍력터빈의 기초 형식으로 모노파일, 트라이포드, 재킷 등의 고정식 기초 사이의 최적의 지지구조물 선별에 대한 논의가 세계적으로 활발하게 되어왔다. 다양한 기초 형식 가운데 어떤 기초를 최종 선택하기 위해서는 경제성과 함께 동적설계 측면에서의 검토도 필요하다. 이 연구에서는 고정식 기초를 해상풍력터빈의 기초로 적용하는 경우 전체 구조물의 고유주파수에 미치는 하중 및 지반 물성치의 불확실성의 영향을 정량적으로 검토하였다. 연구결과, 모노파일의 고유주파수의 변동이 가장 심한 것을 알 수 있었고, 따라서 모노파일 기초를 설계에 반영하는 경우에는 지반 물성치의 불확실성을 최소화시키는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.

As an offshore wind power turbine is bigger, a new-type supporting structure is required reduce any probability of risk such as its buckling failure. In this study, we analyzed free oscillation of ICH RC wind power tower based on the design sections in the previous study. Also, we checked the safety by resonance between designed ICH RC wind power towers and various commercial wind power turbines. The eigenvalue analysis results showed that the designed ICH RC wind power towers were free from the resonance by turbines.

In the case of the current ICH RC wind power tower, the design method is getting quite complicated especially if it gets higher. So we, based on the previous basic cross section designs of ICH RC wind power tower, have mapped out the tower structures considering the correlation between their heights and diameters in this research. The cross section dimensions along the tower height were designed according to recommendations of ‘Design Criteria for Concrete design (2012).’ The cross sectional diameter of the wind tower decreases as its location is higher, and this decreasing diameter accorded with the decreasing bending moment. All designed cross sections and tower modules were evaluated of their bending moment capacities and compared with the design moment. The analysis results and comparisons showed that all designed modules satisfied their required capacities.

Internally confined hollow reinforced concrete (ICH RC) wind power towers were designed for various turbines sizes. Their cross sections were designed to have equal diameters to those of general steel wind power towers corresponding 3.6MW and 5.0MW turbines. And also, the sections with the average diameter of 3.6MW and 5.0MW turbines were designed. For the determined diameters, several cross sections were designed for various hollow ratios. The designed sections were set to have almost equal longitudinal reinforcement ratios. The performance analyses for the designed cross sections were carried out and the analysis results showed that the ICH RC wind power tower had enough strength for the required design loads.

대형화되고 있는 풍력발전 터빈에 대응하여 내부구속 중공 철근콘크리트(ICH RC; Internally Confined Hollow Reinforced Concrete) 구조를 적용한 풍력타워 제안되고 연구되고 있다. 이에 기존의 3.6MW 터빈과 5.0MW 터빈에 대응하는 ICH RC 풍력타워 단면이 설계된바 있다. 하지만, 풍력발전 터빈은 큰 질량을 갖는데 비해 타워는 세장비가 매우 크기 때문에, 풍하중 등의 횡하중이 작용할 때 발생하는 변위가 증가함에 따라, 터빈의 자중에 의한 대변위 효과에 따라 실제 횡력에 저항할 수 있는 모멘트 저항성능은 감소한다. 따라서 안전한 풍력발전 타워의 설계를 위해서는 대변위 효과를 고려하여 실제 횡력에 저항할 수 있는 타워의 모멘트 성능을 계산하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 기존 설계된 단면에 대해 터빈 자중에 의한 대변위 효과를 고려하여 모멘트-횡변위 해석을 수행하였다. 해석결과, 터빈 자중에 의한 대변위 효과로 인하여 풍력타워의 실 모멘트 저항 성능 감소분이 상당하며, 안전한 풍력타워의 설계를 위해서는 대변위 효과가 반드시 고려되어야 함을 알 수 있었다.

대형 해상풍력 터빈을 지지하기 위해 이중관 콘크리트 충전(Double-Skinned Concrete Filled; DSCT) 풍력 타워가 개발되고 연구되고 있다. DSCT 풍력타워는 내·외부 튜브가 존재하고 그 사이가 콘크리트로 채워진 구조로 되어 있기 때문에 대형화하여 시공하기 위해서는 풍력타워의 모듈화가 필수적이며, 연결부는 본체의 성능 이상의 강도를 확보하여야 한다. 본 연구에서는 DSCT 풍력타워의 모듈화를 위하여 소켓형식과 H형 커넥터, 그리고 용접 몰탈 주입형과 같이 3종의 연결부를 개발하고 일체형 DSCT 풍력타워와 비교하여 성능 해석을 수행하였다. 각 개발 연결부에 대하여 정적해석과 동적해석을 수행하였다. 하중 변화에 따른 타워 상단의 변위를 비교하고 횡방향 변위에 따른 최대응력과 각 연결부에 작용하는 응력을 분석하였다. 기존의 실험 결과와 해석 결과를 비교하였으며, 해석에 의해 산출된 접합형식에 따른 탄성 구간 내 하중-변위 선도가 실험 결과와 유사하게 나타났으며, 상세검토를 위해 추가적인 재료비선형 해석이 필요한 것으로 나타났다.

본 연구는 준설토-철강슬래그 혼합토를 해양 건설재료로 활용 가능 여부를 확인하기 위하여 선슬래그 15mm 이하, 20mm이하, 40mm이하, 강슬래그 15mm이하, 20mm이하, 40mm이하, 수재, 괴재, BSSF 등 9가지 시료를 대상으로 준설토-철강슬래그 혼합토의 기본물성시험 및 일축압축강도시험을 진행하였다. 혼합토의 일축압축강도시험은 소성영역(함수비 22%)과 액성영역(함수비 30%)으로 나누어 중량비 혼합 20%, 30%, 40%로 양생 3일, 7일, 14일, 28일에 대하여 진행하였다. 시험결과 선슬래그 15mm이하, 20mm이하, 강슬래그 15mm이하, 20mm이하 혼합토의 강도가 현저하게 증가함을 확인하였다.

본 연구에서는 지반공학적 문제를 발생시키는 고유기질토의 역학적 특성을 알아보고자 실내 시험을 실시하였다. 사용된 고화제는 산업부산물을 재이용한 고화제(NSB)이며 역학적 특성을 비교하고자 고로슬래그시멘트(GSC)를 이용하였다. 사용된 점토는 카오리나이트이며, 휴믹산을 유기물로 이용하여 혼합하였다. 시험 결과 pH는 유기물의 함량이 증가할수록, 양생일이 증가할수록 감소하였다. 일축압축강도는 휴믹산이 증가될수록 감소하였으며, 파괴시 축 변형률은 휴믹산이 증가할수록 증가되는 경향을 나타내었다.