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Contents

LIST OF SYMBOLS 11

ABSTRACT 14

CHAPTER 1. INTRODUCTION 16

1.1. Background 16

1.2. Literature Review 17

1.3. Purpose and Scope 20

CHAPTER 2. WIND TURBINE PILE FOUNDATIONS 22

2.1. Overview of Wind Turbine Foundations 22

2.1.1. Types of Wind Turbine Foundations 22

2.1.2. Design Standards of Offshore Wind Turbine Foundations 27

2.1.3. Cone Penetration Tests in Offshore Condition 30

2.2. Load Transfer Analysis for Laterally Loaded Piles 35

2.2.1. Description 35

2.2.2. p-y curves for clays 40

2.3.3. p-y curves for sands 53

CHAPTER 3. CPT-BASED p-y CURVES 59

3.1. p-y Curve for Laterally Loaded Piles 59

3.1.1. CPT-based p-y curve in clays 61

3.1.2. CPT-based p-y curve in sands 68

3.2. Algorithm and Implementation 72

3.2.1. Derivation and Solution of the Differential Equation 72

3.2.2. Calculation Algorithm 76

CHAPTER 4. RESULTS AND VALIDATION 78

4.1. Description 78

4.2. Measured and Predicted Load Response in Clays 79

4.3. Measured and Predicted Load Response in Sands 92

4.4. Comparison with 3D Finite Element Analysis 105

CHAPTER 5. SUMMARY AND CONCLUSIONS 115

REFERENCES 118

국문요약 127

List of Tables

Table 2.1. Standards for offshore structures 28

Table 2.2. Summary of down-hole type CPTs 32

Table 2.3. Summary of seabed rigs 33

Table 2.4. Representative values of ε50 for normally consolidated clays[이미지참조] 41

Table 2.5. Representative values of ε50 for overconsolidated clays[이미지참조] 46

Table 2.6. Representative values of k for overconsolidated clays 46

Table 2.7. Representative values of nh for sands[이미지참조] 58

Table 4.1. Summary of soil properties for static p-y analysis (lncheon) 81

Table 4.2. Summary of soil properties for cyclic p-y analysis (Salt Lake City) 85

Table 4.3. Summary of soil properties for static p-y analysis (Treasure Island) 93

Table 4.4. R values of calculated displacements at loading levels (Incheon) 110

Table 4.5. R values of calculated displacements at loading levels (Treasure Island) 114

List of Figures

Figure 2.1. Type of offshore foundations 22

Figure 2.2. Loading condition for offshore monopiles 23

Figure 2.3. Schematic illustration for modes of CPT in offshore: (a) Seabed... 32

Figure 2.4. Beam on elastic foundation 36

Figure 2.5. Configuration of laterally loaded piles 38

Figure 2.6. Schematic illustration of load-transfer mechanism: (a) lateral... 39

Figure 2.7. Characteristic shapes of p-y curves for soft clay 43

Figure 2.8. Depth correction factor As for static loading and Ac for cyclic loading[이미지참조] 46

Figure 2.9. Characteristic shapes of p-y curves for stiff clay 47

Figure 2.10. Characteristic shapes of p-y curves for stiff clay 50

Figure 2.11. Characteristic shape of p-y curve for clay 52

Figure 2.12. Initial modulus of subgrade reaction vary with friction angle 54

Figure 2.13. Non-dimensional coefficient C₁, C₂ and C₃ 54

Figure 2.14. Characteristic shapes of p-y curves for sand 55

Figure 2.15. Characteristic shapes of p-y curves for sand 57

Figure 2.16. Non-dimensional coefficients A and B for soil resistance versus... 58

Figure 3.1. Correlation of limit strain values for p-y method: (a) ε50-Su...[이미지참조] 62

Figure 3.2. Characteristic shapes of CPT-based p-y curves for clay 67

Figure 3.3. Degradation factor α 71

Figure 3.4. Characteristic shapes of CPT-based p-y curves for sand 71

Figure 3.5. Node configuration for boundary conditions: (a) bottom boundary... 75

Figure 3.6. Calculation flow and algorithm 77

Figure 4.1. Soil profiles at static load test site: (a) Soil profile, (b) CPT profile 80

Figure 4.2. Measured and predicted pile head displacements 81

Figure 4.3. Comparison of p-y curves for the lncheon load test 83

Figure 4.4. Soil profiles at cyclic load test site: (a) Soil profile, (b) CPT profile 85

Figure 4.5. Measured and predicted pile head displacement curves for each... 90

Figure 4.6. Measured and predicted maximum bending moment versus load... 91

Figure 4.7. Soil profiles at test site in Treasure Island: (a) Soil profile, (b) CPT profile 94

Figure 4.8. Measured and predicted pile head displacements with friction... 98

Figure 4.9. Measured and predicted maximum bending moment versus load... 99

Figure 4.10. Comparison of measured and computed bending moment versus... 100

Figure 4.11. CPT profile of Fontainbleau sand at DR＝86%[이미지참조] 101

Figure 4.12. Comparison of measured and computed displacement versus... 104

Figure 4.13. Comparison of measured and computed bending moment versus... 104

Figure 4.14. ABAQUS elements for pile and soil 105

Figure 4.15. Schematic illustration of 3D FE model 107

Figure 4.16. Mesh of FE model for Incheon test site 108

Figure 4.17. Measured and predicted pile head displacements (Incheon) 110

Figure 4.18. Mesh of FE model for Treasure Island test site 112

Figure 4.19. Measured and predicted pile head displacements with friction... 113

초록보기

해상풍력발전 기초 중 사용빈도가 가장 높은 모노파일(monopile)기초는 단일형 말뚝기초와 같은 개념으로 간주되어 설계할 수 있다. 수평하중전이해석과 수평지지력 산정은 모노파일 설계의 핵심 고려사항이다. 기존 p-y 방법에서는 필요한 지반 물성치는 비교란 시료 채취를 통해 얻어지는데, 해저지반에서 시료 교란의 가능성이 설계에 미치는 영향을 배제하기 위해 해상에서 가장 많이 이용되는 현장시험인 콘관입시험의 콘저항치를 해상말뚝의 수평거동 해석에 직접 적용하는 방법을 제안하고자 한다.

본 연구에서 적용하고자 하는 현장시험방법인 해저콘관입시험은 깊이방향으로 연속적인 지반특성을 파악할 수 있으며, 비교적 실제 현장의 지반상태를 잘 구현한다. 본 연구에서는 시료 채취와 실내 시험의 과정 없이 점성토 및 사질토에서의 해저콘관입시험 결과를 이용한 p-y곡선을 제안하여 기존 p-y곡선에서보다 상세한 지반의 특성을 반영하고, 정적하중조건 및 반복하중조건에서 말뚝의 거동을 예측하였다.

점성토 및 사질토를 대상으로 한 제안방법을 구현하기 위해 프로그램 소프트웨어인 MATLAB을 이용하여 제안방법을 프로그램 하였고, 이를 이용하여 각국 시방서에서 많이 사용되는 API, Matlock, Reese 등이 제안한 p-y 곡선을 이용한 해석결과들과 현장 수평재하 시험 측정결과를 비교, 검증하였다.

제안된 점성토 및 사질토의 콘지지력을 이용한 p-y 방법은 지반의 특성에 따른 수평하중전이 거동상태를 적절히 예측함을 알 수 있었다. 제안방법은 현장 지반 특성 결정과 관련된 불확실성을 최소화하고, 상세한 지반의 특성을 대응하는 p-y 스프링에 반영하여 현장 실측치와 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한, 깊이에 따라 지반 강도와 지반조건이 변화하는 지반 조건에서 상세한 지반 프로파일의 중요성이 확인되었다.

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