사질토 지반에서 수평하중에 따른 말뚝기초의 거동특성

Abstract

우리나라는 에너지 수입국으로서 대체에너지의 개발이 시급한 실정이다. 현재까지 개발된 풍력발전기는 대부분 육상에 설치되어 운전되고 있다. 하지만 육상풍력의 경우 풍력발전기 설치에 따른 공간적 제약과 상대적으로 적은 풍속, 소음 및 대형구조물에 대한 감정적 위화감 및 환경영향에 대한 논란 지속 등으로 대단위 풍력단지를 건설하여 경제성이 높은 전기 에너지 생산을 위한 경쟁에서 해상풍력에 비해 상대적으로 경제성이 낮다. 해상풍력기초는 내륙에 시공되는 교량 및 대형 건축물들을 지지하는 일반적인 기초(Foundation)와는 달리 파도, 파고 등으로 인하여 발생되는 파랑하중, 해류하중의 수평하중(Horizontal load)과 모멘트(Moment)를 축하중(Axial Load)보다 크게 받는다. 그러므로 해상풍력기초를 설계함에 있어 사용하중(Working Load)에 대해 극한적인 조건(Ultimate Condition) 뿐만 아니라 지속적인 동적하중(Dynamic Load)에 대해 기초의 거동을 정확하게 파악하여 안정적이고 경제적인 기초를 개발할 필요성이 있다. 이를 위하여 현재 초장대 교량 및 해상 교량의 기초로 사용이 많은 강관말뚝을 일정비율로 축소시킨 직경 50mm, 길이 550∼1,000mm의 모형말뚝을 제작하였다. 그리고 1300×700×1000mm (길이×너비×높이)의 모형토조를 모래층을 500mm의 높이로 포설하여 1방향 재하실험과 반복재하실험 2가지 수평재하실험을 실시하였다. 말뚝의 근입깊이는 500mm로 모두 동일하다. 말뚝의 수평방향 하중재하 위치에 따른 거동 특성을 파악하기 위하여 실내실험은 모형말뚝이 근입되는 상대 밀도 30%, 60%, 90%인 사질토 지반에서 말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)가 11, 15, 20의 3가지 조건에 대하여 스틸말뚝, 스틸+모르타르 말뚝 2가지 말뚝으로 실험을 실시하였다. 실내실험 결과로부터 수평하중-수평변위 관계 및 말뚝의 변위 형태, 극한수평지지력,휨모멘트 등 말뚝의 거동특성을 분석하였다. 그 결과, 1방향 수평재하시 모형말뚝의 길이/직경(L/D)이 클수록 하중에 따른 변위는 증가하는 반면, 반복 수평재하시 하중재하 횟수가 증가할수록 반복수평하중 1회당 발생하는 말뚝의 수평변위량은 감소하였다. 1방향 재하실험과 반복재하실험 시 말뚝의 극한수평지지력 증가율이 점점 감소하였고, 지반이 조밀할수록 1방향 반복수평하중에 의한 말뚝의 극한수평지지력이 줄어드는 것으로 나타났다. 우리나라에서는 이에 대한 시공 및 연구가 전무한 관계로 풍하중을 받는 풍력발전 기초에 대해 최적의 풍력기초에 적합한 말뚝기초 개발시 좋은 자료가 되길 바란다.|Republic of Korea is the country that imports most of their energy source from other countries. This makes the country eager for developing alternative energy. Onshore wind power generation has many weaknesses such as constraints of space, relatively low wind gauge, noise, sense of incompatibility and controversy of environment effects. These weaknesses made the onshore wind power generation economically infeasible in producing high electricity compared to offshore wind power generation. Foundation of offshore wind power generator is different than those from onshore. Normally, foundation supports bridges or huge buildings while the foundation of offshore wind power generators has to maintain the support from waves and various unpredictable heights of waves. The offshore wind power generator gets considerably more wave loads from those factors mentioned, also they get more horizontal load from sea current load, and moment compared to axial load. Therefore, in order to fulfill the needs of reliable and economically feasible foundation, engineers should consider not only the working load that can endure extreme conditions but also apprehending precise behavior of continuous dynamic load while designing the foundation of offshore wind power generators. To actualize the foundation, a model pile was made in miniature, diameter of 50mm and length of 550~1,000mm. Pile is commonly used as foundation in long span bride and marine bridges, the size was proportionately reduced. Also, calibration chamber was made of 1300×700×1000mm (length × width × height) and a 500mm height of sand-bed was made to perform “Static Lateral load experiment” and “repetitive loading experiment”, total of two Lateral load tests. Each pile has the same depth of 500mm. To understand the nature of pile’s behavior on different position of horizontal loading, two indoor experiments were performed; “steel pile test” and “steel + mortar test”. We used sandy soil that has ability of embedding model pile in relative density of 30%, 60%, 90%, in three conditions of a pile that has length to width of its diameter; 11, 15, 20. Through our experiments, we could analyze the behavior characteristics of pile which include relationship between horizontal load and horizontal displacement, displacement form of the pile, and ultimate lateral load capacity. As a result, in Static Lateral load test, the bigger length/diameter of model pile led an increase in load displacement. However, when performing “Cyclic Lateral load test”, the increase in number of under loading led the decrease in horizontal displacement from each repeated lateral load. While performing Static Lateral load test and repeated loading experiment, we could observe the decreasing in ultimate lateral load capacity of the pile. Also, it turned out that the higher density of the ground, the lower ultimate lateral load capacity by repeated horizontal loading.