고강도 그라우트재를 적용한 해상 풍력 발전 타워 자켓-파일 연결부에 대한 현행 설계기준 분석

이정화,오민수,김성환,강영종 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

고강도 그라우트재가 적용된 해상 풍력 발전 타워 자켓-파일 연결부의 설계를 위하여, 국외 해상풍력발전 타워 설계기준에서 제공하고 있는 그라우트 연결부 설계기준을 검토하였다. 해상 풍력 발전 타워 자켓-파일 기초의 연결은 sleeve의 내측과 파일의 외측에 링 모양의 전단키를 설치하고, 그 사이를 모르터로 채워 연결하는 방식으로 적용된다. 현재 DNV-OS-J101 및 NORSOK 등의 설계기준에서는 모노파일의 연결부 형식과 자켓-파일 연결을 모르터를 이용한 연결방법으로 설계기준이 정립되어 있으나, 설계기준별로 추천하고 있는 그라우트재의 강도는 상이하다. 본 연구에서는 콘크리트의 압축강도(fck), 전단키의 높이(h), 전단키의 간격(s) 및 그라우트 간격(tg)에 따른 연결부의 강도를 분석하기 위하여, 재료비선형 유한요소해석을 이용하여 구조적 거동분석을 수행하였다. 전단키의 간격에 따른 모르터와 전단키의 파괴양상을 확인하였으며, 이를 설계기준에서 제시하고 있는 강도와 비교하였다. 해석 결과를 이용하여 설계기준에서 제시하고 있는 전단키의 간격별 파괴모드와 유한요소해석결과의 파괴모드를 비교분석하여, 고강도 그라우트재의 적용성을 평가하였다.

프리파일링 자켓 하부구조물의 그라우트 연결부에서 전단키 배열이 축하중 용량에 미치는 영향

이승연(Seungyeon Lee),이유진(Yujin Lee),장재국(Jaeguk Jang),구영철(Yeongcheol Gu),지광습(Goangseup Zi) 한국방재학회 2022 한국방재학회논문집 Vol.22 No.6

자켓 구조물과 해저에 관입되는 파일은 그라우트 연결부로 연결되며, 연결부의 전단강도 향상을 위해 전단키 형상을 설계한다. 시공 시 해양 환경하중으로 인해 내측과 외측 강관의 높이 오차를 제어하기 어려우며, 설치 오차가 발생할 경우, 전단키의 배열에도 오차가 발생하여 구조물의 성능이 저하된다. 자켓 구조물을 설치하는 공법 중 프리파일 공법은 포스트파일 공법 대비 대규모 단지에서 경제성이 뛰어나지만 시공 오차의 발생 가능성이 크다. 본 연구는 프리파일 자켓 구조에서 전단키의 배열오차에 따른 파괴 형상과 최대 축하중 용량을 평가하였다. 평가모델은 그라우트 층의 두께, 그라우트의 강도, 전단키의 배열오차비율 세 가지를 변수로 하였다. 검토 결과, 전단키의 배열 오차가 발생하였을 경우 최대 축하중은 최대 10% 이내로 저하되었다. Jacket structures and piles penetrating the seabed are connected through grouted connections. The shear key shape is designed to improve the shear strength of grouted connections. On a construction site, it is difficult to control the height error of the inner and outer steel tubes because of the environmental load. In addition, an installation error leads to an error in the arrangement of the shear keys, degrading the structure's performance. Among the construction methods for installing jacket structures, prepiling is more economical than the post-file method, but construction errors are likely. In this study, the fracture shape and maximum axial load capacity were evaluated according to the arrangement error of the shear key. It was found that when an arrangement error of the shear key occurred, the maximum axial load decreased to within 10%.

압축하중을 받는 1/12.5 축소모형 강관 연결부의 부착전단 거동에 대한 실험적 연구

오홍섭 한국구조물진단유지관리공학회 2024 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.28 No.3

본 연구에서는 풍력타워 지지구조 연결부 1/12.5 축소모형 실험체의 압축거동을 실험적으로 분석하였다. 압축강도 140MPa의 고성능 시멘트계 그라우트를 연결부에 충전하였으며, 전단키 간격, 형상과 연결부 길이를 변수로 하여 실험을 수행하였다. 연결부 내의 전단키의개수가 동일한 경우 연결부 길이보단 전단키의 간격이 작을수록 부착전단강도가 높게 나타났으며, 동일한 간격과 연결부 길이에서는 전단키의 높이가 높을수록 강도가 높게 나타났다. 또한 연결부 슬립량 1.0mm 내외까지 선형거동을 한 후 하중이 증가함에 따라 비선형 거동을 한후7.0mm 내외의 슬립에서 최대 강도에 도달하는 것으로 나타났다. 전단키의 형상과 간격 등에 따라 강도가 증가함에 따라 파괴형태는 계면전단파괴에서 그라우트 파괴로 변화하는 것으로 나타났으며, 강섬유에 의해 취성적인 파괴는 발생하지 않는 것으로 나타났다. In this study, the compressive behavior of a 1/12.5 scale model of a wind tower support structure connection was experimentally analyzed. A high-performance cementitious grout with a compressive strength of 140 MPa was used to fill the connection, and experiments were conducted with shear key spacing, the shape, and connection length as variables. When the number of shear keys in the connection is the same, the smaller the spacing of the shear keys than the length of the connection, the higher the shear strength, and for the same spacing and connection length, the higher the height of the shear keys, the higher the strength. In addition, it was found that the strength showed a linear behaviour until the connection slip reached 1.0 mm, and it reached the maximum strength at 7.0 mm connection slip showing a non-linear behaviour as the load increased. It was found that the failure mode changed from interfacial shear failure to grout failure as the strength increased according to the shape and spacing of the shear key, and brittle failure did not occur due to steel fibers.

고강도 모르타르가 적용된 파일-슬리브 그라우트 연결부의 피로강도에 대한 실험 연구

이정화,강성용,UY Lymei,엄영호,김성환,강영종 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.6

Increasing fatigue strength of offshore structures is important as the structures are continuously subjected to environmental loads such as wave and wind load. Recently, there are efforts improving the fatigue strength of pile to sleeve grouted connections by utilizing high strength mortar which is widely used as connections of monopile or jacket structures. In this study, fatigue strength of pile to sleeve grouted connections using high strength mortar was evaluated by experimental tests and compared to previous researches and a related design standard. Well-instrumented five fatigue tests and two static tests specimens of the grouted connections were tested. The experimental results show that the fatigue strength of the grouted connections using high strength mortar was evaluated conservative compared to the design standard. 해양에 건설되는 구조물은 파도, 바람 등의 환경하중의 영향을 지속적으로 받으므로, 해양구조물의 피로성능향상은 매우 중요하다. 최근에는 해양 모노파일과 해양 자켓의 기초연결부로써 적용되고 있는 파일-슬리브 그라우트 연결부의 피로 성능을 향상시키기 위한 노력으로 고강도 모르타르를 이용하고 있다. 본 연구에서는 실험을 통하여 고강도 모르타르가 적용된 파일-슬리브 그라우트 연결부의 피로 성능을 평가하고, 이를 선행 연구 및 관련 설계기준과 비교분석하였다. 실험은 총 5개의 그라우트 연결부 피로 실험체와 2개의 정적 실험체에 대하여 수행되었다. 실험 결과, 고강도 모르타르가 적용된 파일-슬리브 그라우트 연결부의 피로 성능은 관련 설계기준에 비하여 보수적으로 평가되었다.

섬유보강 고성능시멘트계 그라우트가 적용된 강관 연결부의 부착특성에 대한 실험적 연구

오홍섭,서교,김상현,고상진,이현기 한국구조물진단유지관리공학회 2014 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.18 No.6

본 연구에서는 모노파일지지구조의 고성능 그라우트연결부의 부착거동을 다루고 있다. 강관파일 연결부의 일체화를 위하여 섬유보강 고성능 그라우트를 개발하였으며, 재령 7일 압축강도 125MPa와 직인장강도 7.5MPa를 나타내었다. 축하중을 받는 상태에서의 그라우트의부착거동을 평가하기 위하여 강관파일에 그라우트를 충진하여 부착실험을 수행하였으며, 그 결과를 기존의 설계기준과 분석하였다. 실험변수는 섬유혼입율 (0%, 0.5% and 0.9%), 섬유의 형상비 (60 and 80)와 전단키의 높이와 간격의 비 (0.013 and 0.056)로 선정하였다. 실험결과 최대부착강도는 30.8MPa로 관찰되었으며, 섬유 혼입율보다는 전단키의 높이와 간격의 비가 부착강도에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. This paper deals with the bonding characteristic of grouted joint connections of monopile support structures for offshore windpower facilities. For the integration of pile connection of wind power supporting structure, fiber reinforced high performance cementeous grout was developed and the ultimate compressive strength of it is 125MPa and the direct tensile strength is 7.5 MPa at 7 days. To assess the bond strength of grout filled in pile connection, small scaled direct bond tests under axially loaded wasperformed and analyzed according the existing guidelines. The fiber volume fraction (0%, 0.5% and 0.9%), aspect ratio of fiber(60 and 80) and the ratio of height to spacing of shear key (0.013 and 0.056) were adopted as the experimental variables. From the test results, the maximum bond strength among the all specimens was 30.8MPa and the bond strength of grouted connectionwas affected by the ratio of height to spacing of shear key than the fiber volume fraction.

섬유보강 고성능시멘트계 그라우트가 적용된 강관 연결부의 부착특성에 대한 실험적 연구

오홍섭,서교,김상현,고상진,이현기 한국구조물진단유지관리공학회 2014 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.18 No.6

This paper deals with the bonding characteristic of grouted joint connections of monopile support structures for offshore windpower facilities. For the integration of pile connection of wind power supporting structure, fiber reinforced high performancecementeous grout was developed and the ultimate compressive strength of it is 125MPa and the direct tensile strength is 7.5 MPaat 7 days. To assess the bond strength of grout filled in pile connection, small scaled direct bond tests under axially loaded wasperformed and analyzed according the existing guidelines. The fiber volume fraction (0%, 0.5% and 0.9%), aspect ratio of fiber(60 and 80) and the ratio of height to spacing of shear key (0.013 and 0.056) were adopted as the experimental variables. Fromthe test results, the maximum bond strength among the all specimens was 30.8MPa and the bond strength of grouted connectionwas affected by the ratio of height to spacing of shear key than the fiber volume fraction. 본 연구에서는 모노파일지지구조의 고성능 그라우트연결부의 부착거동을 다루고 있다. 강관파일 연결부의 일체화를 위하여 섬유보강 고성능 그라우트를 개발하였으며, 재령 7일 압축강도 125MPa와 직인장강도 7.5MPa를 나타내었다. 축하중을 받는 상태에서의 그라우트의부착거동을 평가하기 위하여 강관파일에 그라우트를 충진하여 부착실험을 수행하였으며, 그 결과를 기존의 설계기준과 분석하였다. 실험변수는 섬유혼입율 (0%, 0.5% and 0.9%), 섬유의 형상비 (60 and 80)와 전단키의 높이와 간격의 비 (0.013 and 0.056)로 선정하였다. 실험결과 최대부착강도는 30.8MPa로 관찰되었으며, 섬유 혼입율보다는 전단키의 높이와 간격의 비가 부착강도에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

고성능 시멘트 그라우트로 충진된 풍력타워 연결부의 정적 및 피로부착특성

서교,김상현,오홍섭 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.6

In this study, authors developed a high-performance fiber reinforced grout for applying the steel tube connections of offshore supporting structure and then conducted a bond tests for verifying the static and fatigue behavior of the grouted connection. The cement grout is composed with portland type 1 cement, alumina cement, silka fume, and added steel fiber to enhance the strength and toughness of grout and the compressive strength at 28day is at least 130MPa. Experimental variables for bond test are adopted aspect ratio (0.013 and 0.056) of shear key in steel connection, aspect ratio (30 to 67) and volume fraction (0.5, 0.9 and 2.3%) of steel fiber. The specimen with 2.3% fiber volume fraction and 0.056 aspect ratio of shear key has highest bond strength than other specimens and the fatigue life under cyclic loads up to 65% of ultimate strength is more than 1,600,00 cycles. 본 연구에서는 고성능시멘트 그라우트를 개발하여 해상 지지구조물 강재 튜브연결부에 적용하고자 하였으며, 그라우트에 의한 연결부의 정적 및 피로부착거동을 분석하기 위하여 부착실험을 수행하였다. 시멘트 그라우트는 인성과 강도를 높이기 위하여 1종 포틀란트 시멘트와 알루미나 시멘트 및 실리카 흄과 함께 강섬유를 사용하였으며, 130MPa이상의 28일 압축강도를 발현하였다. 부착강도 실험시 실험변수는 연결부 전단키의 형상비, 섬유혼입율과 섬유형상비를 적용하였다. 전단키의 형상은 0.013, 0.056이었으며, 섬유형상비(l/d)는 30~67, 섬유혼입율은 0.5%,0.9%,2.3%를 사용하였다. 실험결과 섬유혼입율 2.3%이상, 전단키 0.056인 경우의 부착강도가 가장 높게 나타났으며, 최대정적강도를 보인 실험변수의 피로수명 역시 응력수준 65%에서 1,600,000회 이상의 수명을 나타내었다.

해상풍력발전기 그라우트 연결부의 전단키 배열에 따른 축하중 용량 분석

이승연 ( Lee Seung-yeon ),서승훈 ( Seo Seung-hoon ),이유진 ( Lee You-jin ),김하준 ( Kim Ha-jun ),지광습 ( Zi Goang-seup ) 한국구조물진단유지관리공학회 2023 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.27 No.1

전 세계적으로 신재생에너지 개발의 중요성이 증가하고 있으며, 발전효율이 높은 해상풍력발전기의 설치율이 증가하고 있다. 해상풍력발전기를 해저면에 고정시키는 하부구조물과 상부구조물을 연결시키기 위해 그라우트가 사용된다. 그라우트 연결부는 다양한 형식의 하부구조물에 적용됨에따라, 각 구조거동 특징을 고려하여 설계에 반영하여야 한다. 본 연구는 그라우트 연결부에서 전단키의 배열에 따른 최대 축하중 용량을 분석하고 평가하였다.

해상풍력발전기 그라우트 연결부의 전단키 형상을 고려한 구조적 거동 및 균열 평가

이승연 ( Lee Seumg Yeon ),김민재 ( Kim Min Jae ),지광습 ( Zi Goang Seup ) 한국구조물진단유지관리공학회 2022 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.26 No.1

해상풍력발전기는 파랑하중, 풍하중, 자중 등 다양한 해양환경하중에 노출되며 모멘트가 쉽게 발생한다. 특히 연결부에서 구조적 안정성 화보가 중요하다. 구조적 성능확보를 위해 제안된 그라우트연결부에서 전단키(shear-key)형상은 압축 전단응력을 유도하는 역할을 한다. 안쪽 파일과 바깥쪽 슬리브에 전단키가 없는 형상보다 전단키가 있는 형상이 압축하중 저항성이 높아 DNVGL-ST-0126은 전단키를 설계할 것을 권장하고 있다. 본 연구는 DNVGL-ST-0126의 전단키의 부착응력, 전단키 형상 설계 수식 가이드내에서 전단키매개변수에 따른 구조적 성능과 데미지 형상을 분석하였다.

해상풍력용 모노파일 연결부 설계민감도 분석

김찬영(Kim, Chan Yeong),Thanh-Tuan Tran,이대용(Lee, Dae Yong) 대한토목학회 2021 대한토목학회 학술대회 Vol.2021 No.10