• Earthquakes and Structures
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• 제10권5호
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• pp.1143-1179
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• 2016

Offshore wind turbines are considered as a fundamental part to develop substantial, alternative energy sources. In this highly flexible structures, monopiles are usually used as support foundations. Since the monopiles are large diameter (3.5 to 7 m) deep foundations, they result in extremely stiff short monopiles where the slenderness (length to diameter) may range between 5 and 10. Consequently, their elastic deformation patterns under lateral loading differ from those of small diameter monopiles usually employed for supporting structures in offshore oil and gas industry. For this reason, design recommendations (API and DNV) are not appropriate for designing foundations for offshore wind turbine structures as they have been established on the basis of full-scale load tests on long, slender and flexible piles. Furthermore, as these facilities are very sensitive to rotations and dynamic changes in the soil-pile system, the accurate prediction of monopile head displacement and rotation constitutes a design criterion of paramount importance. In this paper, the Fourier Series Aided Finite Element Method (FSAFEM) is employed for the determination of static impedance functions of monopiles for OWT subjected to horizontal force and/or to an overturning moment, where a non-homogeneous soil profile has been considered. On the basis of an extensive parametric study, and in order to address the problem of head stiffness of short monopiles, approximate analytical formulae are obtained for lateral stiffness $K_L$, rotational stiffness $K_R$ and cross coupling stiffness $K_{LR}$ for both rough and smooth interfaces. Theses expressions which depend only on the values of the monopile slenderness $L/D_p$ rather than the relative soil/monopile rigidity $E_p/E_s$ usually found in the offshore platforms designing codes (DNV code for example) have been incorporated in the expressions of the OWT natural frequency of four wind farm sites. Excellent agreement has been found between the computed and the measured natural frequencies.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제13권4호
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• pp.437-448
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• 2000

본 연구에서는 외부의 동하중에 의한 다층 지반-말뚝 상호작용계의 해석을 위한 동적 유한요소-경계요소 조합 주파수 응답해석 알고리즘을 개발하였다. 전체 상호작용계를 내부영역과 외부영역으로 나누고, 내부영역에 보요소를 도입하여 말뚝을 모형화 하고 평면변형률 요소로 모형화된 지반과 조합하였다. 말뚝머리 절점에 집중질량을 이용하여 상부구조물을 고려하므로써 전체 지반-말뚝 상호작용계의 내부영역을 형상화하였다. 외부영역에 동적 기본해를 이용한 경계요소 해석을 도입하고 유한요소로 구성된 내부영역과 조합하므로써 반무한체에 대한 방사조건을 만족시키고 내부의 복잡한 기하학적 성질과 다양한 물성의 고려가 가능한 수치해석 기법을 개발하였다. 개발된 지반-말뚝-구조물계의 상호작용 해석법에 대한 타당성을 알아보기 위해 다층반무한 지반에 근입되어진 말뚝에 조화하중을 가하여 동적 응답해석을 실시하고 기존의 연구결과 및 실험값과 비교 검증하였다. 또한 상호작용계의 주요 인자들의 변화를 통한 다양한 해석을 수행하므로써 다층 반무한 지반에 근입되어진 말뚝의 동적 특성을 고찰하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제30권1호
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• pp.75-91
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• 2014

횡하중이 작용하는 짧은말뚝의 지지거동에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대한 분석을 문헌과 사례를 통해 제시하였다. 가상고정점은 $1/{\beta}$를 일률적으로 적용하는 것보다 지반의 강성에 따라 적용되어야 하고, Chang(1937)법과 P-Y 해석법이 유사한 고정점 위치를 예측하였다. 점성토의 수평지지력은 실내와 현장이 다른 특성을 보였고, 평가방법은 실내시험에서는 모두 과소예측을 하였고, 현장은 과소 또는 과대 예측을 한다. 현장실험에서는 Hansen(1961)법이 비교적 실측에 근접한 예측결과를 제시하였다. 사질토의 수평지지력 평가법은 실내시험에서는 과대예측을 하였고, 현장도 대부분 과대예측한다. 경험적 수평지지력 분포도를 사용한 Zhang(2005)법이 비교적 실측에 근접한 예측 결과를 보였다. 본 연구에서는 점성토 지반에 대하여 극한수평지지력 분포도 및 산정방법을 제안하였다. 제안법은 다른 방법에 비해 실측과 가장 근접한 결과를 추정하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제15권6호
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• pp.29-44
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• 1999

본 논문은 균질 및 비균질의 사질토 지반에서 항타 시공된 단일 강성말뚝의 수평거동에 대한 모형실험 결과들을 고찰하였다. 본 연구의 목적은 말뚝의 수평거동 특성에 대한 말뚝 시공상태 (Driven & Embedded), 말뚝 근입길이에 대한 하부지반의 두께비 (H/L),그리고 지반의 상대밀도의 영향에 관하여 실험적인 연구를 수행하고 이러한 영향들을 정량화 할 수 있는 실험결과를 얻었다. 모형 실험 결과들에 의하면, 수평거동은 느슨한 균질지반에서 시공방법에 상당히 의존하는 것으로 나타났다. 말뚝시공시 항타방법에 의존할 경우 균질지반에서는 느슨한 지반일수록 그리고 비균질 지반 $(E_{h1}/E_{h2}/=0.18)$에서는 상부층 두께가 클수록 수평변위 감소에 상당한 효과를 얻을 수 있으나, 최대 휨모멘트 감소는 수평변위 감소와 정반대의 결과를 나타냈다. 수평변위 측면에서, 매입말뚝에 대한 항타말뚝의 변위비 $(y_{Driven}y_{Embedded})$는 균질지반의 각 상대 밀도에 대하여 0.65-0.88 $(D_r=90%)$와 0.38-0.65 (D$_{r}$=61.8%)의 범위로 그리고 비균질지반에서 0.6-0.88 의 범위로 나타났다. 또한, 본 연구에서는 $y_D/y_E \;와\; NBM_D/MBM_E$에 대한 항타고와 H/L의 영향들을 모형실험 결과들로부터 실험식으로 제안하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제19권3호
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• pp.53-64
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• 2003

사면을 포함한 경사지에 설치된 송전탑, 교각, 고층빌딩 등을 지지하는 말뚝은 풍하중, 지진, 차량 등에 의한 수평하중을 고려하여 설계되어야 한다. 이러한 사면이나 경사지에 설치된 수평하중을 받는 말뚝은 편평한 지반에 비하여, 수평지지력이 감소하기 때문이다. 그러므로 이러한 구조물은 일반적으로 강성이 높고, 대구경의 기초인 피어기초가 사용된다. 수평하중을 받는 피어기초는 일반적으로 장대말뚝과 다른 거동을 한다. 즉, 수평하중에 의하여 말뚝 자체의 회전이 발생하고, 그 회전의 중심점 상부의 사면측의 수동토압에 의존하여 지반파괴가 발생한다는 측면에서 짧은 강성 말뚝과 유사한 거동을 한다. 본 논문은 모래사면의 언덕 근처에 설치된 짧은 말뚝의 수평하중의 영향에 대한 실험 및 수치해석 결과를 포함한다. 대부분을 모형실험과 3차원 탄소성 유한요소해석의 비교, 결과를 기술하였다. 먼저, 사면 언덕에서 모형말뚝까지의 거리를 3종류로 구분하여 단항의 모형실험과 군항말뚝의 수평하중 특성을 파악하기 위하여 수평지반과 사면지반(경사 30$^{\circ}$)에 대하여 말뚝중심간의 거리를 각2종류로 모형실험을 실시하였다. 동시에 3차원 탄소성 유한요소법에 의한 수치해석을 통하여 모형실험의 결과와의 비교를 시도하였다. 사용된 모래지반은 배수조건하에서 삼축압축실험으로 재현하였다. 3차원 탄소성 유한요소해석에서 완전탄소성모델의 파괴기준은 Mohr-Coulomb식, 소성 포텐셜은 Drucker-Prage식을 이용한 MC-DP모델을 적용하였다. 연구결과, 3차원탄소성 유한요소법이 사질토 지반에 설치된 짧은 말뚝의 수평거동을 파악하는데 유효하다는 것을 확인하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제15권6호
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• pp.167-185
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• 1999

수평거동의 특성을 파악하기 위하여 일련의 연속된 모형실험을 수행하였다. 본 논문은 균질 및 비균질의 사질토 지반에서 항타 시공된 단일 강성말뚝의 수평거동에 대한 모형실험 결과들을 고찰하였다. 본 연구의 목적은 말뚝의 수평거동 특성에 대한 말뚝 시공상태(Driven & Embedded), 말뚝 근입길이에 대한 하부지반의 두께비(H/L), 그리고 지반반력 계수비의 영향에 관하여 실험 적인 연구를 수행하였다. 모형실험 결과들에 의하면, 수평거동은 비균질 지반에서 항타 에너지에 상당히 의존하고 있다. 즉, H/L=0.75의 경우 항타 에너지가 3배 증가에 의하여 매입말뚝에 대한 수평변위 감소율이 약 2.12배 정도 증가하였다. $E_{h1}/E_{h2}=5.56$인 비균질 지반에서 항타말뚝의 경우 수평변위의 감소에 대한 강성이 큰 상부층의 효과가 매입말뚝에 비하여 상당히 적게 작용하였다. 항타 진동으로 토립자의 재배열 현상으로 말뚝주변 지반 강성이 증가하고 이로 인하여 말뚝의 상대강성이 크게 증가하여 말뚝이 휨성말뚝과 비슷한 거동을 보였으며, 비균질 지반에서 항타 시공에 따른 최대 휨모멘트는 매입말뚝의 100 - 132%정도 크게 나타났다. 본 연구에서는 $y_D/y_E\; 와\; MBM_D/MBM_E$에 대한 수평하중과 H/L의 영향들을 모형실험 결과들로부터 실험식으로 제안하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제23권6호
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• pp.37-51
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• 2007

본 연구에서는 인천해성점토 지반에 근입된 대구경 현장타설 말뚝의 횡방향 상대 강성에 따른 거동특성 을 분석하기 위하여, 인천대교 현장의 축소모형 시험과 실물 재하 시험을 일방향 및 양방향 반복재하 형태의 하중으로 수행하였다. 이를 토대로 국내 해성토의 p-y 곡선을 산정하였으며, 현장과 같은 조건으로 수치해석을 수행하여 기존 O'Neill clay 모델(1984)의 p-y 곡선과 Matlock soft clay 모델(1970)의 p-y 곡선을 비교 분석하였다. 본 검토결과 해성점토 지반에 근입된 현장타설말뚝의 거동은 서로 다른 특성을 가진 비선형 지반모델(O'Neill clay 모델, Matlock soft clay 모델, 재하시험을 통한 p-y 곡선)을 사용하여 해석하였음에도 불구하고 유사한 휨모멘트와 수평변위를 나타냈다. 이러한 원인을 규명하기 위하여, 말뚝과 지반의 상대강성에 초점을 맞추어 말뚝의 강성에 영향을 주는 주요 영향요소인 말뚝의 직경과 길이 그리고 강성 등을 변화시키면서 다양한 해석을 수행하였다. 해석결과 지반과 말뚝의 강성차이가 큰 강성말뚝의 경우 비선형 지반 모델이 말뚝 거동에 미치는 영향이 작게 나타났으나, 지반과 말뚝의 강성차이가 작은 연성 말뚝의 경우에는 비선형 지반모델의 차이에 따른 거동의 변화가 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있었다.