Abstract
As wind turbines become larger and lighter, they are likely to respond sensitively by dynamic loads applied on them. Since the responses at resonances are particularly interested, it is required to be able to predict natural frequencies of wind turbines reliably at early design stage. To achieve this, the foundation-soil analysis is needed to be carried out and a finite element approach is adopted in general. However, the finite element approach would not be appropriate in early design stage because it demands heavy efforts in pile-soil modelling and computing facilities. On the contrary, theoretical approaches adopting linear approximations for soils are relatively simple and easy to handle. Therefore, they would be a useful tool in predicting a pile-soil interaction, particularly in early design stage. In this study an analysis for a pile inserted in soil is performed. The pile and soil are modelled as a beam and continuum medium, respectively, within an elastic range. In this analysis, influence factors at the pile head for lateral loads are predicted by means of this continuum approach for various length-diameter ratios of the pile. The influence factors predicted are validated with those reported in literature, proposed from a finite element analysis.
풍력터빈의 대형화와 경량화에 따라 풍력터빈에 작용하는 동하중에 의한 진동 응답이 크게 발생할 수 있다. 특히 공진에서는 큰 진동 응답이 발생하므로 설계 시 정확한 고유진동수의 예측이 요구된다. 이를 위해 풍력터빈 지지구조와 지반에 대한 연성해석이 요구되는데, 일반적으로 유한요소에 기반한 수치적인 방법이 주로 이용된다. 그러나 유한요소 해석은 파일-지반 모델링 및 연산에 많은 노력과 시간을 요구하므로 초기 설계 단계에서는 활용에 많은 제약이 따른다. 반면, 지반을 선형화한 이론 해석은 모델이 단순하고 연산 시간이 매우 짧으므로, 해석의 신뢰성이 확보된다면 지반-지지구조의 거동 특성을 초기에 예측하는데 유용한 도구가 될 수 있다. 본 논문에서는 이론 해석을 이용해 지반에 인입된 파일에 대한 파일-지반 연성해석을 수행하였다. 해석 시 지반의 변형은 탄성 범위 이내에 있다고 단순화하여 파일은 보로, 지반은 연속체로 모델링하였다. 본 연속체 모델을 이용해 파일 상단에 수평 하중 또는 모멘트가 작용할 때 발생하는 파일의 횡변형을 구하고, 파일의 세장비에 따른 영향계수를 도출하였다. 그리고 이를 유한요소해석을 기반으로 한 문헌의 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰도를 평가하였다. 이를 통해 연속체 모델의 해석은 세장비가 큰 파일에 대해서는 유효한 반면 약 3 이하의 낮은 세장비를 가지는 파일에서는 신뢰성이 떨어짐을 확인하였다.
