Analysis of Settlement Behavior and Evaluation of Field Applicability of an Underwater Template Using the Pre-piling Method

현 강; 해용 박; 오순 권; 명학 오

doi:10.20481/kscdp.2024.11.4.133

Abstract

Offshore wind energy, as a large-scale renewable energy source, is continuously seeing an increase in project developments, particularly centered around Europ. Due to the recent increase in interest in renewable energy, new developments are underway in the southwestern coastal area to achieve a supply of 12GW of offshore wind power by 2030. As the scale of offshore wind farms becomes larger, the technology for installing offshore wind substructures has become crucial. The pre-piling method, which utilizes an underwater template that serves as a framework for precisely installing piles in the seabed, is advantageous for large-scale farms due to its short construction period and the ability to move and install piles using a single template. This method has seen increasing demand, and research on the design and construction technology of pre-piling methods, as well as underwater templates, is actively being conducted.

Existing underwater templates pose a risk of settlement and differential settlement on soft ground, potentially making it impossible to meet the horizontal installation standard of 0.25° required for offshore wind turbine installation. This study compares the traditional underwater template with a new underwater template equipped with a skirt foundation designed for installation on soft ground and to ensure horizontality despite differential settlement. Based on numerical analysis results, we developed a leveling technology that uses multiple hydraulic cylinders to control horizontal and vertical alignment. Since excessive settlement can make it challenging to maintain the horizontality and verticality of the pockets of the underwater template on very soft ground, we fabricated a separate structural form with a tripod skirt foundation for use on such grounds. We then tested the leveling and individual sensor and module performance of the underwater template using the pre-piling method.

Keywords: Underwater emplete, Pre-piling Method, Analysis of Settlement Behavior, Field Applicability, Skirt foundation

1. 서 론

해상풍력은 대규모의 신재생 에너지원으로서, 유럽을 중심으로 지속적으로 단지개발이 증가하고 있고, 국내에서도 많은 관심 증가로 2030년까지 해상풍력 12GW 공급을 달성하기 위해 서남 해안권에서 신규 개발이 진행 중이다. 이에 따라 해상풍력발전 단지의 규모가 대단지화되면서 해상풍력 하부구조물 설치에 적합한 공법 기술이 매우 중요해지고 있다. 프리파일링 공법은 해저 지반의 정확한 위치에 말뚝을 설치하기 위하여 기본 틀 역할을 하는 수중 템플리트를 활용하는 공법으로, 공기가 짧을 뿐만 아니라 하나의 템플리트로 이동해 가며 말뚝을 설치할 수 있어 동일한 지지구조를 반복적으로 설치하는 대규모 단지 건설에 유리하여 수요가 증가하고 있으며, 프리파일링 공법의 설계, 시공 기술뿐만 아니라 수중 템플리트에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

기존의 수중 템플리트는 연약지반에서 침하와 부등침하가 발생할 우려가 있어, 해상풍력 터빈 설치 기준인 수평도 0.25° 시공이 불가할 수 있다. 본 연구에서는 프리파일링 공법에 적용하는 수중 템플리트를 연약지반에 설치가 가능하며, 부등침하로 인한 수평도 확보를 위해 스커트 기초가 장착된 수중 템플리트와 기존 수중 템플리트를 수치해석을 통해 비교하였다. 또한, 해석된 결과를 바탕으로 여러 개의 유압실린더를 이용하여 수평과 연직도를 제어하는 레벨링을 통한 수직도 확보 기술을 개발하고, 매우 연약한 지반에서는 과도한 침하로 인해 수중 템플리트의 수평도와 포켓의 수직도를 확보하기 어렵기 때문에 연약지반에서 활용할 수 있는 별도의 구조형식인 트라이포드 스커트 기초 형식으로 제작하여, 프리파일링 공법을 이용한 수중 템플리트의 레벨링 및 개별 센서, 모듈의 작동 성능을 검증하였다.

2. 수치해석 조건 및 침하량, 수평도 거동 분석

2.1 수치해석 모델링

해석 모델링을 위해 Fig. 1과 같이 수중 템플리트 최종 설계(안)를 이용하여, 모델링을 간편화하기 위해 지반에 안착하는 스커트 기초를 모델링하였다. 해석에 적용된 하중은 수중 템플리트의 자중인 163tonf이 적용되었으며, 경우에 따라 자중이 균등하게 작용한 경우와 수평도를 분석하기 위해 한쪽 포켓부에 자중이 작용되도록 편심하중을 적용하였다.

Fig. 1

Underwater template design

고안된 수중 템플리트에 대해 비교⋅분석하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 점토지반에 적용되고 있는 포켓부 하단에 장착된 머드매트에 대한 기존 템플리트에 대해 모델링하였는데, 포켓 내부 직경은 1m, 머드매트 외부 직경은 2m로 적용하였다. Fig. 2(b)는 본 연구에서 개발한 수중 템플리트에 장착된 스커트 기초를 모델링하였고, 직경은 3m, 높이는 1m이고 상판의 두께는 0.2m, 벽면의 두께는 0.1m이다. 수중 템플리트 해저지반 설치시 해석영역에 의해 침하량 및 응력분포에 영향을 받지 않도록 직경의 10D로 결정하였으며, 모델링 영역은 (L)84m×(B)42m×(H)40m이다.

Fig. 2

Underwater template modeling

수중 템플리트에서 스커트 기초와 지반모델에 대한 수치모델링 절차는 세 단계로 이루어진다. 첫 번째 단계는 기초가 설치되는 지반의 지중 응력 조건(geostatic condition)을 구현하는 단계로, 중력가속도를 적용하여 자중에 의한 지반 구속압으로 변위가 0으로 안정화되는 단계이다. 두 번째 단계는 기초의 자중만이 작용하는 단계로, 초기 관입깊이를 평가하는 것이다. 지반에 일정 깊이(초기 관입깊이)만큼 관입 된 후, 템플리트의 자중이 적용될 경우 침하량을 평가하기 위해 기초 벽면이 초기 관입깊이만큼의 면적을 지반 모델에서 제거하였다. 기초의 벽면과 지반이 접촉하는 면에는 면대면(surface to surface) 조건을 이용하였다. 접촉면은 쿨롱 마찰(coulomb friction) 모델에 의해 미끄러짐이 결정된다. 접촉면의 마찰각은 사질토 지반의 내부마찰각의 3분의 2 크기로 가정된다(tan 2/3ø)(Achmus et al., 2009; Achmus et al., 2013; Park et al., 2016; Park et al., 2022). 세 번째 단계는 템플리트의 자중이 적용되는 단계로서, 지반에 템플리트 안착시 지반 조건에 따른 침하량과 수평도를 평가하기 위함이다.

2.2 수치해석 조건

수중 템플리트의 거동을 모사하기 위하여 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS(ver. 6.12)를 사용하였다. 유한요소 수치해석에 적용한 요소망은 포켓+머드매트와 스커트 기초가 지반에 설치되는 위치에서는 수직변위와 기울어짐을 정밀히 확인하기 위해 조밀하게 하였다. 해저 지반은 연속적이므로 외곽 측면은 x축 방향, 바닥 변은 y축 방향의 변위를 구속하였다.

지반은 mohr-coulomb 항복이론 모델을 적용하여 탄소성 상태로 가정하였고, 국내 서남해안 해양지역 점토 지반의 단위중량, 포아슨 비를 적용하였으며, 탄성계수의 경우 Mark randolph and Susan gourvenec(2011) [00]의 경험식인 비배수전단강도(Su)에 비례하도록 100×Su를 적용하였다. 수중 템플리트의 지반 조건별 침하량을 평가하기 위해 비배수전단강도를 1~5kPa까지 변화되는 조건에 대해 검토하였다. 스커트 기초의 경우 강체에 대한 물성치를 적용하였다. 점토 지반과 기초 이에 대한 입력물성치는 Table 1에 정리하였다.

Table 1

Input parameter of numerical analysis

	Depth(m)	Submerged unit weight, γ_sub (t/m³)	Young’s modulus, E(kPa)	Poisson’s ratio, ν	Undrained strength, Su (kPa)	Friction angle
Clay	30	0.6	100×S_u	0.45	1~5	0
Foundation	-	1	210,000,000	0.3	-	-

해석케이스는 크게 두 가지를 분석하기 위함인데, 첫 번째로는 기존 템플리트(Fig. 2(a)) 대비 수중 템플리트에 스커트 기초(Fig. 2(b)) 장착 시 연약지반에서의 침하 성능 비교, 두 번째로는 스커트 기초에 대해 연약지반의 비배수 전단강도에 따라 수평도 확보 유무를 판단하기 위함이다.

2.3 스커트 기초 수중 템플리트 성능 분석

수중 템플리트 형상에 따른 침하량을 비교하기 위해 Fig. 3과 Fig. 4와같이 기존 포켓+머드매트 형태와 스커트 기초 템플리트의 자중이 작용된 이후 점토 지반의 수직 변위 분포도를 나타내었다. 여기서, 비배수 전단강도가 1kPa인 경우 머드매트 형의 템플리트는 5m 이상의 과도한 침하가 발생하여 해석상 수렴하지 않은 관계로 제외하였고, 2kPa과 5kPa에 대하여 대표적으로 비교하였다. 비배수 전단강도가 2kPa인 경우 머드매트 형은 침하량이 3.41m인 반면에 스커트 기초 형에서는 1.14m로 약 67% 침하 감소 효과를 보였으며, 5kPa인 경우 머드매트 형 0.89m인 반면 스커트 기초 형은 0.14m로 약 84%의 침하 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 연약한 지반(약 5kPa)에서 기존 수중템플리트(포켓+머드매트)와 스커트 기초가 장착된 템플리트의 침하량을 수치해석을 통해 분석한 결과 머드매트보다는 스커트 기초가 침하량이 약 67~84% 감소한 것으로 나타났으며, 상대적으로 넓은 접지면적으로 지지력 확보가 용이한 것을 확인하였다.

Fig. 3

Underwater template variation of vertical displacement(pocket+mud mat)

Fig. 4

Underwater template variation of vertical displacement(skirt foundation)

수중 템플리트의 경우 침하뿐만 아니라 프리파일링을 위한 가이드 템플리트이므로 수평도가 확보되어야 한다. 템플리트가 기울어지는 가장 큰 조건으로 템플리트의 자중이 스커트 기초부에 집중하중으로 작용되는 경우이다. 해류에 의한 외력이 작용될 수 있으나, 본 조건에서는 수심 10m 이상에서는 해류가 미약하고 해저 지반에 기초가 안착된 후를 보기 위함이므로 제외하였다. Fig. 5는 템플리트 자중(163ton)이 편심으로 집중되어 작용될 경우에 대해 지반의 비배수 전단강도에 따른 부등침하 결과를 나타낸 것이다. 비배수 전단강도가 1kPa인 경우 템플리트의 수평도는 약 2.26° 기울어진 것으로 나타났고, 5kPa인 경우 약 0.28°로 나타났다. Table 2에 따르면 본 연구에서 개발한 스커트 기초에 장착된 액추에이터를 이용하여 최대 2°까지 수평도 제어가 가능하다. 따라서, 비배수 전단강도 2kPa 이상인 점토 지반에서 본 연구에서 고안한 스커트 기초 수중 템플리트 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 5

Underwater template variation of differential settlement

Table 2

Degree of underwater templete with numerical analysis

Su (kPa)	1	2	3	4	5
Degree (°)	2.26	0.83	0.51	0.38	0.28

3. 현장 적용성 평가 및 결과

3.1 수중 템플리트 제작

본 연구에서는 수중 템플리트를 제작하여 실해역에 대한 현장 적용성 평가를 수행하였다. 현장 적용성 평가에 사용된 수중템플리트는 크기 8.7m*7.9m*4.4m(5.4m/실린더 길이 1m), 무게 30.0ton, 최대 수심 50m로 제작되었으며, Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Underwater template_1

수중 템플리트 내경으로 말뚝 관입을 확인하기 위해서 2개의 수중카메라, 2개의 LED 조명이 설치되었으며(Fig. 7), 말뚝의 관입을 위한 3개의 센터링 실린더 모듈이 Fig. 8과 같이 설치되었다. 또한, 경사를 조절하기 위한 2축 경사계, Auto Leveling System이 적용되어 0.25° 미만으로 자동⋅수동으로 경사 조절이 가능하며, 수심 확인을 위한 수압센서, 각종 센서(유압센서, 온도센서, 리크센서, 방위센서)가 설치되었다.

Fig. 7

LED lights

Fig. 8

Cylinder module

3.2 현장 위치 및 지반 조건

충남 보령시 오천면 녹도리 오도 북측 해상에서 수중 템플리트의 현장 적용성 평가를 하였으며, 시험 위치의 수심은 약 18.2m(DL.-18.2m), 풍화암 심도 45m(DL.-63.2m) 정도이다. 원지반에서 약(DL.-14.0m)까지 세립 모래층으로 구성되어 있다. 현장 적용성 평가 지역의 지층분포 상태를 파악하기 위하여 시추조사를 시행하였으며(Fig. 9) 조사 결과 파악된 지층분포 상태는 Fig. 10과 같다.

Fig. 9

Site of Experimentation

Fig. 10

Soil property with depth

3.3 현장 적용성 평가 방법

먼저 수중 템플리트에 각종 센서를 설치한 다음, 크레인을 이용하여 수중 템플리트를 해저면에 착지시켰다. 해저면에 닿은 수중 템플리트가 자중에 의하여 침하가 완료된 후, 경사계를 확인하고, Auto Leveling System을 작동하여 0.25° 미만으로 경사가 조절되는지 확인하였다. Auto Leveling System이 정지된 후, 실시간 계측되는 경사가 변하는지 모니터링하였다(Fig. 11).

Fig. 11

Underwater template_2

경사가 안정되면 말뚝을 관입시켜 센터링 실린더 모듈을 전진 작동하여 말뚝이 기울어져 관입하는 것을 방지하고 최종적으로 말뚝의 경사를 확인하였다.

3.4 현장 적용성 평가 결과

Fig. 12는 수중 템플리트를 해저면에 착저한 후 Auto Leveling System이 작동된 전⋅후의 수중 템플리트에 설치된 경사계에서 측정된 경사도 결과를 나타낸 것이다. 초기 자중관입이 완료되었을 때 X=0.55°, Y= -1.45°에서 Auto Leveling System이 작동된 후 X=0.05°, Y= -0.15°로 경사도가 0.25° 미만으로 조절되는지 확인할 수 있었다. 또한, 센터링 실린더 모듈을 전진 작동시키며 말뚝의 관입 과정을 두 대의 카메라로 모니터링하였다(Fig. 13).

Fig. 12

Before and after Underwater Template Auto leveling

Fig. 13

Camera

4. 결 론

본 연구에서는 스커트 기초가 장착된 수중템플리트와 기존 수중템플리트를 수치해석을 통해 침하제어 거동을 비교하였고, 수평도를 산정하여 템플리트 적용 가능성을 검토하였다. 또한, 검토한 수중템플리트3를 제작하여 충남 보령시 오천면 녹도리 오도 북측 해상에서 해상풍력 터빈 설치시 설계기준에서 제시하고 있는 수평도 0.25도를 설치된 Auto Leveling System을 통하여 현장 적용성을 평가하였으며, 각 센서, 센터링 실린더 모듈의 작동 성능을 검증하였다.

(1) 연약한 지반(Su≤5kPa)에서 기존 수중템플리트(포켓+머드매트)와 스커트 기초가 장착된 템플리트의 침하량을 수치해석을 통해 분석한 결과 머드매트보다는 스커트 기초가 침하량이 약 67~84% 감소한 것으로 나타났으며, 상대적으로 넓은 접지면적으로 지지력 확보가 용이한 것을 확인하였다.
(2) 수치해석을 통해 편심(템플리트 자중)이 발생하여 템플리트가 기울어지는 경우에 대해 점토의 비배수 전단강도 2kPa 이상에서 개발된 템플리트의 스커트 기초 상단에 장착된 액추에이터의 길이를 조절하여 수평도 확보가 가능함을 확인하였다.
(3) 해상풍력 터빈 설치시 설계기준에서 제시하고 있는 수평도는 0.25°이며, 초기 자중관입이 완료되었을 때 X=0.55°, Y= -1.45°에서 Auto Leveling System이 작동된 후 X=0.05°, Y= -0.15°로 경사도가 0.25° 미만으로 조절되는지 확인하였다.
(4) 프리파일링 공법을 이용한 수중템플리트의 레벨링 및 각종 센서, 센터링 실린더 모듈의 작동 성능을 검증하였다.

이와 같이 해상풍력 터빈 설치시 설계기준을 수중 템플리트에 적용하여 충남 보령시 오천면 녹도리 오도 북측 해상에서 현장 적용성 평가 결과를 토대로 진행된 연구이며, 기타 다른 지역에서 수중 템플리트를 활용하기 위해서는 향후 정밀한 실험계획과 수립을 통하여 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다.