최근 신재생에너지 중 해상풍력발전에 대한 관심이 증가하고 있으며 유럽을 중심으로 기술 개발 및 시공이 활발하게 이루어지고 있다. 해상풍력발전기의 경우 기초구조물 시공비용이 전체 공사비의 25% 이상을 차지하며 그 비중은 풍력터빈 다음으로 높다. 그리고, 기초구조물 시공비용은 수심이 증가함에 따라 급격히 증가하기 때문에 해상개발 사업의 경제성을 높이려면 기초구조물의 시공비용을 절감하는 것이 필수적이다.
해상 기초구조물 중 버켓기초는 해저지반이 점토 또는 보통 조밀한 사질토 지반인 경우 가장 경제적인 기초 형식으로 알려져 있다. 버켓기초는 컵을 뒤집어 놓은 형상으로 버켓기초의 자중으로 인하여 지반에 관입을 한 다음 버켓 내부의 물을 배출하면서 발생하는 석션압에 의하여 관입한다. 버켓기초는 주로 토사 지반에 설치되므로 해상 풍력발전기에 작용하는 장기 반복하중에 의해 지반의 누적 소성변형이 발생할 수 있으며 이를 설계에 고려하는 것이 중요하다.
그러므로, 본 연구에서는 사질토 지반에 설치되는 버켓기초에 대하여 장기 반복하중에 대한 지지거동을 분석하였다. 우선, 장기 반복하중을 재하할 수 있는 모형실험 장비를 개발하였다. 본 실험장비를 이용하여 장기 수평하중 및 인발하중을 받는 버켓기초의 지지거동을 분석하고 장기 누적변위를 예측할 수 있는 경험식을 제안하였다. 그리고, 수치해석을 통해 버켓기초의 누적변위를 산정할 수 있는 수치해석 모델링 기법을 제안하였다.
본 연구에서 개발한 모형실험 장비는 기존의 모형실험장비의 단점을 보완하여 재하횟수 104번 이상의 반복하중을 안정적으로 재하할 수 있으며, 반복하중의 주파수 및 크기를 정밀하게 변경할 수 있다. 실험장비의 적용성은 단일말뚝에 대한 검증실험을 수행하여 검증하였다.
모형실험 장비를 이용하여 사질토 지반에 설치된 버켓기초의 장기 수평 지지거동 및 인발 지지거동을 분석하였다. 장기 수평재하 실험의 경우 실험에서 고려한 변수 조건은 하중조건(정적 및 반복하중), 반복하중 크기 3가지, 지반 상대밀도 2가지, 버켓 근입깊이 2가지를 적용하여 총 16회의 실험을 수행하였다. 실험결과, 버켓기초의 누적 회전각은 반복횟수와 반복하중의 크기가 증가함에 따라 증가하였다. 그리고, 반복하중의 크기가 작은 경우 누적 회전량이 급격히 증가하다가 반복횟수가 100회 이상일 때부터 누적 회전량 증가속도가 일정해지는 것으로 나타났다. 이 누적 회전량 증가속도는 반복하중의 크기, 지반밀도, 근입깊이에 관계없이 일정하였다. 그러므로, 이 관계를 이용하여 버켓기초의 장기 수평회전량을 예측할 수 있는 경험식을 제안하였다. 그리고, 버켓기초 회전각에 대한 제하 강성(unloading stiffness)은 상대밀도와 L/D비에 관계없이 반복횟수가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
장기 인발재하 실험의 경우 하중조건(정적 및 반복하중), 반복하중 크기 3가지, 지반 포화조건 2가지(건조 및 포화지반), 버켓 근입깊이 2가지를 적용하여 총 16회의 실험을 수행하였다. 버켓기초의 누적 인발 변위량은 건조 지반의 경우 반복횟수가 증가함에 따라 점차 버켓기초가 인발되면서 주면마찰력이 감소하게 되어 누적 인발 변위량 증가속도가 증가하며 항복되는 경향을 보여주었다. 포화 지반의 경우 버켓 내부에 발생하는 석션압이 반복하중에 저항하면서 건조지반과 비교하여 인발변위 발생량이 감소하였으며 반복횟수 증가에 따른 누적 인발변위 증가속도는 일정한 것으로 나타났다. 포화지반에 설치된 버켓의 누적 인발량 증가속도는 반복하중의 크기, 근입깊이에 관계없이 일정하였다. 그러므로, 이 관계를 이용하여 버켓기초의 장기 누적인발량 예측할 수 있는 경험식을 제안하였다. 버켓기초 인발변위에 대한 제하 강성(unloading stiffness)은 지반조건 및 L/D비에 관계없이 초기 반복횟수에서 감소하였으며, 반복횟수가 증가함에 따라 일정해지거나 증가하였다. 포화 지반의 제하 강성값은 버켓 내부에 작용하는 석션압으로 인하여 건조 지반의 강성값보다 큰 것으로 나타났다.
최종적으로, 다양한 조건에서의 실규모 버켓기초의 장기 누적변위를 모사하기 위하여 유한요소해석 프로그램에 적용할 수 있는 수치모델링 기법을 제안하였다. 본 기법은 버켓기초 변위가 반복하중 횟수에 따라 누적되어 증가하는 것을 고려하여 반복하중 횟수에 따라 지반의 탄성계수를 감소시킨다. 본 기법의 적용성은 본 연구에서 수행된 반복 수평재하 실험결과와 비교하여 검증하였다. 그리고, 현재 계획 중인 서남해안 해상풍력단지의 실규모 버켓기초 조건에 개발된 기법을 적용하여 누적변위를 예측하였다. 그 결과, 제안된 기법은 반복횟수의 증가에 따라 버켓기초의 변위량이 점차 증가하는 경향을 잘 모사하였으며 실규모 버켓기초의 설계에 적용 가능한 것으로 판단된다.