파일의 시공오차를 고려한 스태빙시스템의 구조안전성 평가

Structural Safety Evaluation of Stabbing System for Pre-Piling Jacket Substructure Considering Pile Construction Errors

Abstract

A structural safety evaluation was conducted for the stabbing system for the pre-piling jacket substructure currently being developed in South Korea, considering pile construction errors due to its lateral movement that may occur during construction in the ocean. Based on (1) the maximum stress generated by the stabbing system, (2) the maximum rotational displacement of the guide cone, and (3) the maximum stress generated by the horizontal hydraulic pressure cylinder, the structural safety of the stabbing system was examined under the initial loading condition and three possible load combinations during its construction. In order to evaluate the structural safety of the stabbing system, a concept of stress safety factor (= Yield stress / Max. Von-Mises stress) was used. It was found that the stabbing system considered in this study has a sufficient margin of safety.

1. 서론

자켓(Jacket) 하부구조물은 국내 해상풍력 프로젝트에 지금까지 가장 많이 사용되고 있는 해상 지지구조 형식이다. 자켓 하부구조물은 일반적으로 프리파일링(Pre-piling) 시공 방식과 포스트파일링(Post-piling) 시공 방식으로 구분이 되는데, 여기서 프리파일링 시공 방식의 자켓 하부구조물은 해저에 파일들이 먼저 시공된 이후 그 상부에 자켓이 거치되는 순서로 시공되는 것이 특징이며, 포스트파일링 시공 방식의 자켓 하부구조물은 이와는 반대로 자켓을 먼저 해저 바닥에 거치한 후 해수면 위에서 파일을 시공하는 순서로 설치가 된다.

프리파일링 자켓 하부구조물의 경우 해상 거치시에 수직·수평 설치위치 조정을 통해 하부구조물의 연직도를 확보하는 레벨링(Leveling) 공정을 거치게 되는데, 이 공정을 용이하게 만들어주는 핵심장비가 바로 스태빙시스템(Stabbing system)이다. 유럽 등 해상풍력 선진국가들의 경우 프리파일링 방식의 자켓 하부구조물 해상설치를 위해 몇가지 형식의 스태빙시스템들이 운용되고 있는데, 이들 중 대표적인 형식이 바로 IHCIQIP(네덜란드)[1]과 TRELLEBORG(스웨덴)[2]이다. 국내 해상풍력단지의 경우는 아직까지 스태빙시스템을 적용한 사례가 없으며, 현재 산업통상자원부(한국에너지기술평가원)의 재정 지원으로 해당 기술의 국산화를 위한 연구가 진행중이다.

현재 국내에서 개발중인 프리파일링 자켓 하부구조물용 스태빙시스템은 크게 자켓 레그 하단에 부착된 강관 가이드 콘(Guide cone)과 그리퍼(Gripper) 부분으로 구성되는데, 해상풍력용 자켓 하부구조물 거치시에는 그리퍼에 원주 방향으로 일정 간격 설치되어 있는 다수의 유압 실린더를 이용하여 파일 상단부 자켓 하부구조물의 연직도를 지속적으로 유지시키게 된다[Fig. 1 참조]. 국내에서 개발되고 있는 스태빙시스템의 시공 중 안전성에 대한 검토 내용은 참고문헌 [3]의 자료에 잘 정리되어 있다.

Fig. 1 Stabbing system for pre-piling jacket substructure under development

프리파일링 자켓 하부구조물의 해상설치시, 파일을 해저 지반에 타입하거나 자켓 하부구조물을 선 설치된 파일에 관입할 때 일반적으로 일정 크기의 시공오차가 발생하게 된다. 여기서 시공오차는 경사도(연직도) 또는 평면위치 이동으로 구분되는데, 경사도는 파일 축이 연직방향에 대하여 기울어진 정도를 의미하고 또한 평면위치 이동은 파일의 중심이 설계시 계획된 중심위치에서 측부로 이동한 정도를 의미한다.

강관파일의 해상 시공과정에서 발생하는 시공오차의 허용범위는 국가건설기준 KCS 64 40 10 : 2018[4]에 명확하게 규정되어 있다. 경사도는 1/75 이내, 평면 위치 이동은 파일 타입 후 평면상의 위치가 설계서에서 제시한 위치로부터 100 mm와 D(파일 직경)/4 중 큰 값 이내이어야 한다. 이 규정을 만족시키지 못하는 경우 시공사는 재시공 또는 보완 후 재검사를 받아야 하는 부담을 가지게 된다.

앞에서 언급한 참고문헌 [3]의 경우는 파일의 시공 오차가 전혀 발생하지 않은 이상적인 경우에 대해 검토된 내용으로써, 실제로는 시공 현장에서 구현될 가능성이 매우 낮은 조건에 해당한다. 따라서, 본 연구에서는 국내에서 개발되고 있는 프리파일링 시공 방식의 자켓 하부구조물용 스태빙시스템을 대상으로 시공 중 발생할 수 있는 파일의 평면위치 변화를 고려하여 해당 스태빙시스템의 구조적 안전성을 응력 안전계수(Safety factor)를 중심으로 평가하였다. 이때 고려된 시공중 하중조건은 설치해역 환경조건을 반영한 3가지 조합하중(수직 압축하중, 수직 인발하중, 전단하중, 모멘트하중의 조합)들이 검토되었다.

2. 유한요소(Finite Element) 모델링

2.1 FE 모델링

파일의 평면위치 이동 시공오차를 고려한 프리파일링 자켓 하부구조물용 스태빙시스템의 구조안전성 평가를 위해 먼저 FE 모델링 작업을 수행하였다. 파일과 스태빙시스템의 제원은 참고문헌 [3]의 연구에서 사용된 것과 동일한 값이 그대로 사용되었다.

FE 모델링 시 구조용 강재는 Table 1에서와 같은 3가지 재료 규격이 적용되었다. 파일, 자켓 레그, 서포트링(Ring)에는 S420ML[5], 수직·수평 실린더의 하우징과 피스톤에는 SCM440[6], 그리고 수직·수평 실린더의 조(Jaw) 부분에는 S355[7] 강재가 사용되었다.

Table 1 Material properties

스태빙시스템 FE 모델링을 위해 SOLID186 요소[8]가 사용되었는데, 이때 사용된 요소의 평면 크기는 48 mm×48 mm를 기본으로 하였다. 또한 수직·수평 실린더 피스톤 일단에 작용하는 유압 출력 모사를 위해 선형 스프링(Linear spring) COMBIN14 요소[8]가 사용되었는데, 이에 대한 적합성 검증은 참고문헌 [3]의 “2.2 그리퍼 유압 실린더의 출력 모델링 및 검증” 부분의 내용으로 대신하도록 한다. 해석모델의 총 절점(Nodes) 수는 481,071개이며, 총 90,853개의 육면체(Hexahedron) 요소가 사용되었다.

FE 해석을 위한 경계조건으로 파일 하단부 절점에서의 변위(ux, uy, uz)는 모두 구속되는 조건이 고려되었으며, 수직·수평 실린더와 파일이 접촉하는 부분은 Frictional contact 조건이 적용되었다. 이때의 마찰계수는 실제 실험결과를 바탕으로 결정된 μ=0.2의 값이 사용되었다[3, 9].

본 연구에서 고려된 시공중 환경조건에 의한 3개의 조합하중(3 Cases)은 Table 2의 내용과 같다. Table 2의 하중은 한국남동발전이 여수 연도 인근 해상에 설치한 해상풍황계측기의 제원을 바탕으로, 평균수심 40 m 그리고 유의파고 5 m 조건시 하부구조물 레그(Leg) 3개에 발생할 수 있는 최대 하중값들을(수치해석시 SACS 활용) Case 1, 2, 3으로 정리한 것이다. Table 2에서 압축하중(Compression load)은 파일 상단부에 압축력이 발생하도록 작용하는 하중(즉, 아래 방향으로 가해지는 하중)을 의미한다.

Table 2 Design load combination cases

2.2 파일의 평면위치 이동에 의한 시공오차

프리파일링 시공 방식의 자켓 하부구조물을 해상에 설치할 때 일반적으로 파일의 평면위치 이동에 의한 시공오차가 발생하게 된다. 본 연구에서는 국가건설기준 KCS 64 40 10 : 2018[4]의 근거 하에 규정상 허용 가능한 평면위치 이동 최대 시공오차(100 mm 이내)를 고려하여 현재 국내에서 개발중인 스태빙시스템의 구조적 안전성을 평가하였다.

본 연구에서 고려된 파일의 평면위치 이동에 의한 시공오차 조건은 다음과 같다(Fig. 2 참조).

Fig. 2 3 Cases of lateral movement of pile during its construction (Unit : mm)

(1) 0 mm, 파일과 가이드 콘의 중심위치 일치

(2) 100 mm_0 °, 파일중심을 기준으로 가이드 콘의 중심위치가 x(+)축 방향으로 100 mm 이동

(3) 100 mm_45 °, 파일중심을 기준으로 가이드 콘의 중심위치가 x(+)z(-)축 방향(45° 방향)으로 100 mm 이동

100 mm_0 °와 100 mm_45 °의 경우 0 mm 경우와 비교하여 시공중 수평실린더의 피스톤 전진길이가 더 길어지게 되는데, 이 경우 스태빙시스템 운용시 파일그리퍼 장치에 구조적 위험성을 증가시킬 수 있어 구조적 안전성에 대한 면밀한 검토가 필요해 짐을 알 수 있다.

3. 스태빙시스템의 유한요소해석 결과

3.1 시공 초기 하중조건 하에서의 구조안전성 검토

개발 중인 스태빙시스템을 대상으로 파일의 평면위치 이동 시공오차를 고려한 시공 초기 하중조건 하에서의 구조안전성을 검토하였다. 여기서, 시공 초기 하중조건이라 함은 (1) 자켓 하부구조물의 자중(자켓 레그 1개 분에 해당하는 자중)과 (2) 수평실린더 출력에 의해 파일 접촉면에 작용하는 압력하중의 조합을 의미한다. 본 연구에서는, 스태빙시스템이 충분한 안전율을 확보하고 있는지 확인하기 위해 유한요소해석으로부터 얻어진 Von-Mises stress를 기준으로 계산된 응력 안전계수(= Yield stress / Max. Von-Mises stress) 개념을 적용하였다.

Fig. 3은 시공 초기 하중조건 하에서 스태빙시스템에 발생하는 최대응력(Max. Von-Mises stress) 값을 나타낸 결과이다. 0 mm의 경우(65.21 MPa)는 파일 최상단부에서, 100 mm_0 °의 경우(61.66 MPa)는 수평실린더 하우징 위치에서, 그리고 100 mm_45 °의 경우(110.72 MPa)는 6개의 수평실린더를 지지하고 있는 서포트 링 위치에서 최대값이 발생함을 알 수 있다. 응력 안전계수는 각각 6.37(0 mm), 6.81(100 mm_0 °), 3.74(100 mm_45 °)로 시공 초기 하중조건 하에서 개발중인 스태빙시스템은 모두 충분한 안전율을 갖는 것으로 확인되었다.

Fig. 3 Max. Von-Mises stress under initial construction conditions

Fig. 4는 시공 초기 하중조건 하에서 스태빙시스템에 발생하는 회전 변형량을 나타낸다. 시공오차 0 mm의 경우, 스태빙시스템 가이드 콘(Guide cone)의 중심 위치와 파일의 중심 위치가 동일하여 가이드 콘의 회전에 의한 변형은 발생하지 않았으며 자켓 레그 하단과 서포트 링 상부판이 결합되는 위치에서 수직방향 변형의 최대값이 y(-)축 방향으로 0.59mm 발생하는 것으로 관찰되었다.

Fig. 4 Deformation under initial construction conditions (Unit : mm)

시공오차 100 mm_0 °의 경우에는 시공오차 0mm의 경우와 유사한 위치에서 수직방향 변형의 최대값이 y(-)축 방향으로 0.75mm인 것으로 관찰되었는데, 수직방향 변형값이 증가된 이유는 스태빙시스템 가이드 콘의 중심 위치가 100 mm 이동함에 따라 서포트 링 상부판의 추가 처짐 변형이 발생했기 때문으로 이해된다. 시공오차 100 mm_0 °의 경우, 가이드 콘의 회전은 0.8° 발생한 것으로 관찰되었다.

마지막으로 시공오차 100 mm_45 °의 경우, 스태빙시스템 가이드 콘의 중심 위치가 x(+)z(-)축 방향으로 100 mm 이동함에 따라 상부 구조물 무게의 편심이 발생하게 되고 여기에 더해 비대칭적 수평실린더 전진길이의 변화로 상대적으로 큰 가이드 콘의 회전(5.7°)이 발생하였다. 이로 인해 x(+)z(-)축 방향 자켓 레그 하단과 서포트 링 상부판이 결합되는 위치에서 가장 큰 수직방향 변형인 0.83mm가 y(-)축 방향으로 발생한 것으로 관찰되었다.

3.2 시공중 조합하중 하에서의 구조안전성 검토

앞 절의 시공 초기 하중조건에 이어 시공중에 발생 가능한 3가지 조합하중(Table 2 참조) 조건에 대해서도 현재 개발중인 스태빙시스템의 구조안전성을 검토하였다. 이 절에서는 3가지 조합하중 Case 각각에 대해 (1) 스태빙시스템에 발생하는 최대응력(Max. Von-Mises stress), (2) 스태빙시스템 가이드 콘(Guide cone) 하단부의 최대 횡방향 회전변위, 그리고 마지막으로 (3) 수평실린더 피스톤에 발생하는 최대응력에 대해 분석하였으며, 이를 바탕으로 스태빙시스템의 구조적 안전성을 검토하였다.

3.2.1 하중 Case No.1(압축+전단+모멘트1)

압축하중과 전단하중 그리고 모멘트가 동시에 작용하는 Case No.1 조합하중(Table 2 참조) 조건 하에서 스태빙시스템의 최대응력 발생 위치는 파일의 평면위치 이동에 의한 시공오차(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45 °) 별로 차이를 나타내었다(Fig. 5 참조). 이는 시공오차별로 수평실린더 피스톤의 전진길이와 수직실린더의 중심 위치 변화가 발생하기 때문인 것으로 판단되었다.

Fig. 5 Max. Von-Mises stress in the stabbing system under Case No.1

Case No.1 조합하중 조건 하에서 스태빙시스템에 발생한 최대응력의 크기는 각각 131.98 MPa(파일 상단부), 141.75 MPa(서포트 링 상단부 보강재), 162.98 MPa(파일 상단부)이며, 이때의 응력 안전계수는 각각 3.14, 2.93, 2.55로 검토 대상 구조시스템은 충분히 안전한 것으로 판단되었다.

Fig. 6은 조합하중 Case No.1 조건 하에서 발생하는 스태빙시스템 가이드 콘의 회전 변형 형상을 나타낸다. 각각의 시공오차 경우(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45°)에서 가이드 콘이 자켓 레그 하단 레벨에서 z축을 중심으로 회전함으로써 발생한 콘 꼭지부의 횡방향 최대변위는 2.25 mm, 2.62 mm, 2.60 mm인 것으로 관찰되었다.

Fig. 6 Lateral rotation of guide cone under Case No.1 (Unit : mm)

개발중인 스태빙시스템의 경우 수직실린더를 통해 전달되어 내려오는 하중의 영향으로 실린더 하단에는 처짐변형이 발생하게 된다. 시공오차가 없는 경우(0 mm), x축 상의 좌측 수직실린더 하단에서는 0.83 mm 그리고 우측 수직실린더 하단에서는 0.64 mm의 처짐량이 관찰되었다. 좌측에 더 큰 처짐이 발생하는 이유는 모멘트 방향성에 의한 영향으로 판단된다. 0mm의 경우와는 반대로 100 mm_0 °와 100 mm_45 °의 경우에는 좌측보다는 우측에 더 큰 처짐이 발생함을 알 수 있는데, 이는 두 경우 모두 스태빙시스템 가이드 콘의 무게중심이 우측으로 이동해 있음은 물론 전단하중의 방향이 x(+)축 방향을 향하고 있음에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 7은 조합하중 Case No.1 조건 하에서 수평실린더 피스톤에 발생하는 최대응력의 크기를 시공오차 경우(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45 °)별로 나타내고 있다. 시공오차 0 mm의 경우, 6개 수평실린더 모두 균등한 하중의 분배와 피스톤 전진길이로 인해 비슷한 크기의 최대응력(60 MPa)이 피스톤 하우징 부분에 발생하였다. 100 mm_0 °와 100 mm_45 °의 경우는 스태빙시스템 가이드 콘의 중심위치 이동에 위한 영향으로 0 mm 경우 대비 다소 증가된 최대응력(약 79 MPa) 값을 나타내었다.

Fig. 7 Max. Von-Mises stress in piston under Case No.1

3.2.2 하중 Case No.2(압축+전단+모멘트2)

압축하중과 전단하중 그리고 모멘트가 동시에 작용하는 Case No.2 조합하중(Table 2 참조) 조건 하에서 스태빙시스템의 최대응력 발생 위치는 모든 시공오차 경우(0 mm, 100 mm_0°, 100 mm_45°)에서 동일하게 파일 최상단부인 것으로 관찰되었다(Fig 8 참조). 이때 발생한 최대응력의 크기는 각각 143.38 MPa, 160.08 MPa, 180.68 MPa로 Case No.1 대비 증가한 수치를 나타내고 있음을 알 수 있는데, 이는 Case No.2의 설계 모멘트 값(800 kNm)이 Case No.1의 설계 모멘트 값(517.14 kNm) 대비 증가되었기 때문이다.

Fig. 8 Max. Von-Mises stress in the stabbing system under Case No.2

발생 최대응력을 바탕으로 계산된 응력 안전계수는 각각 2.89, 2.59, 2.29로 Case No.2의 조건 하에서도 개발중인 스태빙시스템은 구조적으로 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 판단되었다.

Fig. 9는 조합하중 Case No.2 조건 하에서 스태빙 시스템 가이드 콘의 회전 변형 형상을 나타내는데, 각각의 시공오차 경우(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45 °)에서 가이드 콘이 자켓 레그 하단 레벨에서 z축을 중심으로 회전함으로써 발생한 콘 꼭지부의 횡방향 최대 변위는 3.35 mm, 4.02 mm, 3.98 mm로 관찰되었다. Case No.2의 경우 Case No.1 대비 상대적으로 증가된 가이드 콘 하단부의 회전변위를 보이는데, 이는 Case No.1 보다 증가된 설계 모멘트 값이 외력으로 작용하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 9 Lateral rotation of guide cone under Case No.2 (Unit : mm)

시공오차가 없는 경우(0 mm), x축 상의 좌측 수직 실린더 하단에서는 1.03 mm 그리고 우측 수직실린더 하단에서는 0.44 mm의 처짐량이 관찰되었다. 좌측에 더 큰 처짐이 발생하는 이유는 모멘트 방향성에 의한 영향으로 판단된다. 또한, Case No.1의 경우와 비교하여 좌측 수직실린더 하단의 처짐량은 증가하고 반대로 우측 수직실린더 하단의 처짐량은 감소함을 알 수 있는데 이 는 앞에서 설명한 바와 같이 Case 2의 설계 모멘트 값이 Case No.1의 설계 모멘트 값 대비 절대적으로 증가(517.14 kNm --> 800 kNm, 55 % 증가)되었기 때문인 것으로 이해된다.

100 mm_0 °와 100 mm_45 °의 경우 또한 0mm의 경우와 마찬가지로 좌측의 처짐이 우측 대비 상대적으로 크게 발생함을 알 수 있다(Fig 9 참조). Case No.1의 경우에 있어서는 스태빙시스템 가이드 콘의 무게중심이 우측으로 이동해 있음은 물론 전단하중의 방향이 x(+)축 방향을 향하고 있음에 기인하여 우측에서 더 큰 처짐이 관찰되었으나, Case No.2의 경우에서는 커진 설계 모멘트의 영향으로 좌측 처짐이 더 크게 발생하였다.

Fig. 10은 조합하중 Case No.2 조건 하에서 수평실린더 피스톤에 발생하는 최대응력의 크기를 시공오차 경우(0 mm, 100 mm_0 °, 100mm _45 °)별로 나타내고 있다. 시공오차 0 mm의 경우, Case No.1의 경우와 마찮가지로, 6개 수평실린더 모두 균등한 하중의 분배와 피스톤 전진길이로 인해 비슷한 크기의 최대응력(62.38 MPa)이 피스톤 하우징 부분에 발생하였다. 100 mm_0 °와 100 mm_45 °의 경우 또한 Case No.1의 경우와 비교하여 유사한 수준의 최대응력과 발생 위치를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 10 Max. Von-Mises stress in piston under Case No.2

3.2.3 하중 Case No.3(인발+전단+모멘트2)

인발하중과 전단하중 그리고 모멘트가 동시에 작용하는 Case No.3 조합하중(Table 2 참조) 조건 하에서 스태빙시스템의 최대응력 발생 위치는 Case No.2의 경우와 비교하여 명확한 차이를 나타내고 있음이 관찰되었다(Fig. 11 참조). Case No.2와 비교하여 최대응력 발생위치가 유사한 0mm의 경우, 최대 발생응력 값이 83.65 MPa로 계산되었는데 이는 Case No.2의 143.38 MPa와 비교하여 무려 42 %나 낮아진 수치이다.

Fig. 11 Max. Von-Mises stress in the stabbing system under Case No.3

Case No.3 조합하중에는 앞의 2가지 Case와는 다르게 자켓 레그에 인발하중이 작용하는 조건이 포함되어 있다. 이 인발하중은 설계 모멘트에 의해 스태빙시스템에 발생하게 되는 압축하중의 효과를 일부 상쇄시키게 되는데, 이를 통해 결과적으로 스태빙시스템에 발생하는 최대응력의 크기를 저감시키는 긍정적인 효과를 가져오게 되는 것이다.

Case No.3의 경우 발생한 최대응력의 크기는 각각 83.65 MPa, 103.45 MPa, 135.83 MPa로 관찰되었는데, 이를 바탕으로 계산된 응력 안전계수는 각각 3.14, 2.93, 2.55로 Case No.3 조합하중 조건에서도 개발중인 스태빙시스템은 구조적으로 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 판단되었다.

Fig. 12는 조합하중 Case No.3 조건 하에서 스태빙 시스템 가이드 콘의 회전 변형 형상을 나타내고 있다. 콘 꼭지부의 횡방향 최대변위는 각각 2.79 mm, 3.70 mm, 3.73 mm로 Case No.2 대비 상대적으로 작은 값을 나타내고 있음을 알 수 있는데, 이 또한 Case No.3 조합하중 조건에 반영된 인발하중의 영향으로 판단된다.

Fig. 12 Lateral rotation of guide cone under Case No.3 (Unit : mm)

시공오차가 없는 경우(0 mm), x축 상의 좌측 수직실린더 하단에서는 0.38 mm의 처짐 그리고 우측 수직실린더 하단에서는 0.04 mm의 들림 현상이 관찰되었는데, 이는 인발하중과 모멘트 조합에 의한 영향으로 판단된다. 같은 이유로 100 mm_0 °와 100 mm_45 °에서도 우측 수직실린더 하단에서 들림 현상이 관찰되었다.

Fig. 13은 조합하중 Case No.3 조건 하에서 수평실린더 피스톤에 발생하는 최대응력의 크기를 시공오차 경우(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45 °)별로 나타내고 있다. 0 mm의 경우, Case No.2의 결과와 비교하여 수평실린더 피스톤 하우징에 발생한 응력 값이 상대적으로 작게 나타났는데 이는 인발하중의 영향으로 서포트 링의 압축(눌림)이 상쇄되었기 때문으로 판단된다. 100 mm_0 °와 100 mm_45 °의 경우에서는 Case No.1 또는 Case No.2와 비교하여 유사한 수준의 최대응력이 발생하고 있음이 관찰되었다.

Fig. 13 Max. Von-Mises stress in piston under Case No.3

4. 결론

현재 국내에서 개발되고 있는 프리파일링 시공 방식의 자켓 하부구조물용 스태빙시스템을 대상으로 시공 중 발생할 수 있는 파일의 평면위치 이동 시공오차를 고려한 구조적 안전성 평가 연구를 수행하였다. 시공 초기 하중조건과 시공중 발생가능한 3가지 조합하중 조건 하에서 (1) 스태빙시스템에 발생하는 최대응력(Max. Von-Mises stress), (2) 스태빙시스템 가이드 콘(Guide cone) 하단부의 최대 횡방향 회전변위, 그리고 마지막으로 (3) 수평실린더 피스톤에 발생하는 최대응력에 대해 검토하였으며, 응력 안전계수(= Yield stress / Max. Von-Mises stress) 개념을 적용하여 해당 스태빙시스템의 구조적 안전성을 평가하였다.

본 연구의 수행을 통해 새롭게 알게 되었거나 확인된 내용들을 정리해 보면 다음과 같다.

(1) 시공 초기 하중조건(자켓 자중 + 수평실린더 출력) 하에서 시공오차 조건별(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45 °) 스태빙시스템의 구조적 안전성을 검토하였으며, 그 결과 발생 최대응력(Max. Von-Mises stress)의 크기가 각각 65.21MPa(응력 안전계수 6.37), 61.66 MPa(응력 안전계수 6.81), 110.72 MPa(응력 안전계수 3.74)로 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 확인되었다.

(2) 시공중 Case No.1∼Case No.3 조합하중 조건 하에서 시공오차 조건별(0 mm, 100 mm_0 °, 100 mm_45 °) 스태빙시스템의 구조적 안전성을 검토한 결과, 최대응력 값이 83.65∼180.68 MPa(응력 안전계수 2.29–4.96) 사이에 분포하며 구조적으로 충분한 안전여유를 확보하고 있음을 확인할 수 있었다.

(3) 스태빙시스템 가이드 콘이 자켓 레그 하단에서 z축을 중심으로 회전함으로써 발생하는 콘 꼭지부의 횡방향 최대 회전변위는 시공중 조합하중 Case No.2의 100 mm_0 °인 조건에서 발생하였으며, 그 크기는 4.02 mm로 계산되었다. 파일의 내경과 삽입된 가이드 강관 외경의 순간격이 140 mm임을 고려할 때, 시공시 구조재 사이의 물리적 간섭은 발생하지 않을 것으로 판단된다.

(4) 시공중 Case No.1∼Case No.3 조합하중 조건 하에서 스태빙시스템을 파일 상단부에 고정하기 위해 필요한 수평실린더를 대상으로 그 내부에 발생하는 응력 값을 모니터링 하였으며, 그 결과 Case No.2의 100 mm_0 °인 조건에서 최대응력 86.62 MPa가 피스톤 하우징 위치에 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 해당 부분 소재(SCM440)의 항복강도가 835 MPa임을 고려할 때 본 연구에서 검토된 수평실린더는 구조적으로 안전한 것으로 평가되었다.

후기

본 연구는 산업통상자원부 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행되었습니다(No. 20214000000180, No. 202130300020110). 연구비 지원에 감사를 드립니다.