1. 서 론
해상풍력발전 산업은 지속적인 기술의 발전, 원가 하락, 개발 지원 정책을 기반으로 하여 빠르게 성장하고 있다. 지 구의 70 % 이상이 바다로 구성되어 있고, 육상에서의 풍속보 다 해상이 강하다는 점을 감안해보면 해상풍력 개발의 당위 성은 확실하다. 탄소 저감 측면에서 보면 1GW의 해상풍력 은 3.5미터톤 이상의 이산화탄소를 방지하는 효과가 있기 때 문에 태양광, 수력보다 화석 연료를 대체하기에 아주 매력 적인 분야이다. 세계 신규 해상풍력 시장 규모는 2025년까지 연평균 23 % 성장해 2025년에는 20GW를 넘어서고, 2030년에 는 32 GW에 도달할 전망이다. 특히 신규 발전 시장은 아시 아가 주도할 것으로 예상되며, 중국 52 GW, 대만 10.5 GW, 한국이 7.9 MW로 계획되어 있다(GWEC, 2020).
앞서 언급한 개발 프로젝트의 증가로 인하여 조선업계에서 는 대형급 해상풍력발전기 설치선박(Wind Turbine Installation Vessel, WTIV)에 대한 수주 기대감이 커지고 있다. 영국의 조 선 해운 시황 분석기관(Clarksons Research)에서는 풍력터빈 용량이 향후 12 MW에서 15 MW 수준으로 커질 것이며, 이에 따른 대형급 WTIV 발주에 새로운 사이클이 도래할 것으로 전망하였다.
WTIV를 구성하는 핵심 기자재는 레그를 승하강 시키는 잭킹시스템(Jacking system)과 풍력발전기를 설치 및 해체 시 사용하는 크레인(Crane)이 있다. 구조부재로 보면 레그(Leg) 와 스퍼드캔(Spudcan), 그리고 선체 구조로 구분할 수 있으 며, Fig. 1과 같다. 이 중에서도 스퍼드캔은 레그의 끝단에 위 치하여 WTIV가 설치 해역에 도착한 후 해저면에 관입 되어 WTIV의 안정적인 작업성 확보하는데 핵심적 역할을 하는 구조물이다. 일반적으로 WTIV는 하부구조물이 설치된 이후 에 풍력발전기를 타워, 나셀, 블레이드 순으로 설치하며 작 업시간은 일반적으로 12시간에서 24시간이 소요된다.
본 연구는 WTIV 스퍼드캔의 설계에 있어, 기존보다 합리 적인 구조 안전성 평가 방법과 기준을 제시함으로써 스퍼드 캔 구조의 안전성을 한 단계 도약시키는 데 목적이 있다. 관 련된 선행연구는 다음과 같이 요약하였다.
Osborne et al.(2009)은 잭업리그의 운용 시 지반문제로부터 발생하는 항목들을 통합적으로 관리하기 위한 지침서 개발 (InSafeJIP)의 주요 결과들을 소개하였다. 논문에서 제안하고 있는 신규 절차 관련 주요 사항들은 과거에 경험하지 못한 사항들을 보완하고 잭업 유닛의 설치 및 해체에 관련한 구 조 안전성을 향상할 것으로 예상하였다.
Puyang et al.(2011)은 잭업리그의 pre-loading 과정에서 관입 깊이를 예측하는 수치 해석적 방법에 관한 연구를 수행하였 다. 이 방법은 기존의 경험식들에서 고려하지 못하는 지질 의 비선형성을 고려할 수 있고, 최대 지반 지지력과 관입깊 이에 대한 영향에 대해 분석하였다. 주요 설계 변수들에 대 한 수치해석을 통하여 영향인자를 도출하였고, 평가법의 검 증을 위하여 Bohai No. 5 platform의 지질조건을 적용한 비교 평가를 하였다. 기존 경험식과 비교하였을 때 최대 지반 지 지력과 관입깊이는 잘 일치하였으며, 이 연구를 통하여 제 안된 수치해석 방법은 좀 더 정확한 관입 거동을 예측하는 데 도움이 될 것으로 보인다.
Cho et al.(2014)은 한국 서남해 풍력 실증단지에 투입 예정 인 풍력설치선의 레그 개발에 관한 연구를 수행하였다. 풍 력단지 주변의 환경 하중 조건과 지질조사를 수행하여, 해 역에 맞는 스퍼드캔 설계를 진행하였다. 지층구성은 대부분 모래와 점토이며 일부 구간에서는 지반침하가 발생하는 결 과를 확인하였다. 서남해 해역의 대표 지질 강성을 추출하 여 레그 구조 강도 평가 시 사용하였으며, 기존 핀(Pinn)조건 에 비하여 레그의 구조 강도 여유는 약 20 %가량 추가로 확 보되었음을 확인하였다.
Jin et al.(2015)은 서남해안에서 조사된 토질 데이터를 기반 으로 스퍼드캔 형상 및 구조설계를 수행하였다. 지반 관입 해석을 위하여, 상용해석프로그램인 ABAQUS를 사용하여 스퍼드캔의 형상과 면적에 대한 시리즈해석을 수행하였다. 스퍼드캔의 지반 지지력을 높이기 위하여 원형보다 사각형 형상을 추천하였고, 구조적 안전성을 위하여 스퍼드캔과 코 드(Chord)를 관통시키는 설계안을 권고하였다. 수치해석 방 법과 SNAME 결과는 관입 깊이 10 m 이내에서는 유사성을 나타내지만, 그 이후부터는 SNAME 결과가 보수적인 경향을 확인하였다. 주요 원인으로는 토질 플러그 영향으로 분석하 였다. 특히, 강한 지질층과 약한 지질층 조합에서 발생하게 되는 punch-through 거동에 대한 예측은 두 조건 모두 유사한 거동을 나타냈다.
Park et al.(2017)은 잭업리그의 주요 핵심 구조인 레그, 선 체 그리고 캔틸레버(Cantilever) 구조에 대한 엔지니어링 절차 에 관한 연구를 하였다. 평가 순서별로 상호 데이터의 호환 이 필수적임을 강조하였으며, 1D 빔 요소, 2D 쉘 요소를 모 두 사용하여 전선, 국부구조해석을 수행하는 절차를 개발하 였다. 마지막으로 Pre-loading 단계에서 구조의 안전성 검토 를 위한 새로운 절차를 제안하였다. 예측된 스퍼드캔 관입 거동과 잭업리그에서 관찰한 값은 계산치의 high level과 유 사하였으며, 기존 경험식(SNAME, 2002) 계산 결과에서 적정 수준의 안전계수 범위를 도입하면 빨리 최대하중과 관입깊 이를 유추할 수 있다는 것을 확인하였다.
Yu et al.(2019)은 잭업리그가 설치된 경험이 있는 지질조 건에서 스퍼드캔 3가지 형상에 따른 관입거동에 영향을 CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian Method)을 이용한 수치해석을 진행하였다. 지지면의 경사도 깊이가 깊어질수록 바닥이 평 평한 스퍼드캔은 횡 방향 하중과 모멘트가 많이 증가하는 경향을 보이며, 경사형과 스커트를 갖는 모델에서는 유사한 특성을 확인하였다. 저자들은 기존에 평평한 모델의 관입해 석 결과는 해저 경사도가 있거나, 기존 관입 형상이 있는 경 우 스퍼드캔의 형상에 대한 영향을 자세히 검토해야만 구조 강도가 문제가 없을 것으로 주장하였다.
조사된 선행연구에서는 스퍼드캔의 관입 거동에 관한 연 구가 주로 수행되었고, 구조설계에 영향을 미치는 주요 하 중 조건을 결정하는 시나리오 및 세부적인 구조 강도 평가 절차에 관한 연구는 찾아볼 수가 없었다. 따라서 본 연구에 서는 WTIV에 사용되고 있는 스퍼드캔 구조를 대상으로 실 제 발생할 수 있는 조건을 고려한 엔지니어링 절차서를 개 발하고, 기존 결과와 비교, 분석하였다.
2. 스퍼드캔 엔지니어링
2.1 Pre-loading
WTIV는 항구에서 풍력발전기를 크레인을 이용하여 갑판 에 적재한 후, 설치 해역으로 이동하게 된다. 이동 해역에 도착하면 설치를 위한 준비과정으로 레그를 해저면으로 하 강시켜서 일정 깊이만큼 관입시키는 작업(Pre-loading)을 Fig. 2와 같이 진행한다.
이때 선체를 해수면 이상으로 승강시켜서 최대 관입력을 발생시키며, 최대승강중량의 절반을 허용 값으로 사용한다. 일반적으로 설치 해역의 지질조사 결과를 사전에 분석하여 WTIV의 승강중량 조건에서 관입할 수 있는 최대 깊이를 계 산하고 이를 기반으로 WTIV를 운영하고 있다. 연구에 사용 된 WTIV 주요 제원을 Table 1에서 나타내고 있다.
2.2 기존 스퍼드캔 설계 하중 및 평가 절차
스퍼드캔의 구조 강도 검토 관련하여 유일하게 언급된 노 르웨이선급(DNV, 2008) 기준을 근거로 하여 검토 되는 절차 에 대해서 Fig. 3에 도식화 하였다. 초기 구조설계가 완료되 면 구조 강도 평가를 위한 하중 조건을 산정한다. 해저면이 점토층과 같이 부드러운 경우에는 스퍼드캔 자중만으로도 전체면적이 접촉되어 하중분산이 되고, 얇은 모래와 같은 단단한 토질에서는 전체면적의 50 %만 접촉이 된다고 가정 하고 있다. WTIV가 설치되는 해역의 최대수심에서의 정수 압은 해수에 노출된 전면적이 해당되며, 구조 강도 측면에 서는 충분히 무시가 가능한 조건이다.
선급 기준에서 언급하는 안전계수는 0.7과 0.9를 사용하 며, 접촉 면적이 50 %인 경우에만 0.9를 적용하도록 한다. 그 이유는 이 조건에서 최대 응력이 발생하기 때문에, 허용안 전율을 좀 더 크게 적용하고 있다. 구조 강도 해석 결과허용 응력을 만족하지 못하면 구조보강 설계를 통하여 반복 검토 를 수행한다. 현재 사용하고 있는 절차서의 가장 큰 문제점 은 단단한 토질 조건에서 발생할 수 있는 보다 다양한 조건 들에 대한 검토가 부족하고, 하중 조건 결정에 대한 기술적 인 근거가 부정확하다는 것이다.
2.3 개선된 스퍼드캔 설계 하중 및 평가 절차
Fig. 4는 본 연구에서 제시하는 개선된 스퍼드캔 구조 강 도 평가 절차를 보여준다. 개선된 구조 강도 평가 절차와 기 존 절차의 차이점은 해저면의 조건에 따라서 발생할 수 있 는 스퍼드캔의 하중 조건의 세분화에 있다.
2.3.1 접촉 조건
앞서 설명한 바와 같이, 기존의 스퍼드캔 구조 강도 평가 절차에서는 해저면의 조건과 관계없이 접촉 면적을 50 %와 100 %로 분류하고 있으며, 이에 대한 기술적인 근거의 제시 는 없는 상태이다. WTIV는 통상적으로 해상풍력발전단지와 계약이 체결되면 해저면의 정보를 입수하여 최대 적재 하중 에서의 최대 관입깊이를 예측한다. 어떤 조건의 해역 및 지 반에도 문제없이 운용되어야 하므로, 단단한 지반일 경우 스퍼드캔의 형상 결정은 아주 중요한 문제이다.
Fig. 5와 같이 본 연구에서 사용하는 경사형 스퍼드캔은 8 각형이며, pre-loading 시 단단한 사질토 지반과 접촉하였을 경우에서 최소 접촉 면적을 고려하였다.
스퍼드캔의 경사가 없는 경우에는 기존 선급에서 제시하 는 50 %와 100 %의 접촉면적을 적용하면 된다. 최근 10년간 의 WTIV 실적선의 스퍼드캔은 모두 경사도 3도 이상을 갖 는 다각형 형상 이였음을 감안할 때 새롭게 제안된 하중 조 합은 보수적이면서 합리적인 구조강도 평가를 하는데 활용 될 것으로 사료된다.
2.3.2 국부 강도
스퍼드캔이 단단한 토질에 관입 시, 초기 단계에서 스퍼 드캔의 팁에 국부적인 집중하중이 발생할 수 있다. 스퍼드 캔 팁이 단단한 토질에 의해 손상, 파괴된다면 스퍼드캔의 관입효율이 저하될 뿐만 아니라 스퍼드캔 구조 손상 및 균 열의 가능성이 있다. 이에, 개선된 평가 절차에서는 스퍼드 캔의 팁에 pre-load만큼의 집중하중을 설계 하중으로 적용하 는 조건을 추가하여, 스퍼드캔의 국부 구조 강도 안전성을 확보하도록 하였다.
2.3.3 충격하중 강도
Fig. 6과 같이 해저의 경사나 기존에 존재하는 풋 프린트 (footprint)에 관입 작업이 시행될 때, 스퍼드캔의 위치가 순간 적으로 변함에 따라 스퍼드캔 측면에 충격하중이 가해져 WTIV의 안전성에 문제를 일으킬 가능성 있다.
이때 스퍼드캔의 작용하는 측면의 충격하중의 크기는 Jackcase의 Low guide에서의 최대모멘트(ML)에 의해 결정된 다. 개선된 평가 절차에서는 스퍼드캔 측면부에 Low guide에 서 발생하는 모멘트와 같은 크기의 모멘트를 발생시킬 수 있는 측면 하중을 설계 하중으로 안전계수 0.9를 적용하여 강도를 평가하는 단계가 포함되어 있다.
3. 구조 강도 해석 및 결과
앞서 소개한 개선된 스퍼드캔 구조 강도 평가 절차와 기 존 절차를 통해 설계된 스퍼드캔 구조를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 스퍼드캔의 구조 안전성 검토를 위하여 범용 유한요소해석프로그램인 MSC Patran/Nastran 2016을 사 용하였다. 레그와 스퍼드캔 연결부 및 그 내부 홀 구조 형 상을 반영한 구조 강도 평가를 위해서 Nastran solver를 적용 하였다.
3.1 해석 모델
Fig. 7은 구조해석 모델인 스퍼드캔을 보여준다. 6각형이 며, 해저면 경사도에 안정적으로 관입할 수 있도록 설계되 었다. 가장 넓은 면적 부위는 200 m2이고, 가장 작은 면적은 29.6 m2이다. 설치선이 투입되는 해역은 북해 해상풍력발전 단지이고 해저면은 밀도가 조밀한 모래층으로 구성되어 있 다. 최대 pre-load는 최대 승강중량의 50 %로 결정하며, 이 하 중을 이용하여 최대 관입 깊이를 결정한다. 본 연구에서는 19,000톤이 계산되었으며, 이때의 최대 관입 깊이는 3 m이다.
선급에서 제안하고 있는 스퍼드캔 구조 강도 평가와 관련 한 구체화한 절차서가 없으며 일부 언급된 조건들이 모호하 기 때문에, 이견이 많은 게 현실이다. 본 연구에서는 레그와 스퍼드캔의 연결부 그리고 레그 하단부에 대한 구조 강도 평가를 위하여 Fig. 6과 같은 해석 모델 범위를 선정하였다.
3.2 해석 조건
Table 2는 본 연구에서의 대상 스퍼드캔 구조의 주요 치수 를 나타내고 있으며, Table 3은 pre-loading 단계에서의 환경 하중 조건을 나타내고 있다.
파주기(Wave period), 풍속(Wind speed), 조류(Current)는 북 해의 100년 재현주기 해상데이터를 참조하여 설계 조건을 선정하였다. WTIV는 12MW급 5기(타워, 나셀, 블레이드)를 갑판 위에 적재할 수 있고 최대 승강중량은 38,000톤이다.
풍력발전기의 설치를 위해서, 스퍼드캔을 해저면에 관입시 켜서 고정하는 작업 시, 총 2개의 레그를 번갈아 가면서 고 정 작업을 수행하며, Fig. 2에 나타내고 있다. 해석에서도 한 개의 스퍼드캔에 최대 관입중량은 19,000톤으로 제한하였다.
3.3 경계 조건 및 설계 하중 조건
개선된 구조평가 절차와 기존의 절차의 경계 조건 및 하 중 조건에 대한 실제 유한요소 해석상에서의 적용과 차이점 을 설명하고자 한다. Table 4는 기존 스퍼드캔 구조평가 절 차상의 요구되는 설계 하중 조건을, Table 5는 개선된 평가 절차의 설계 하중 조건을 나타낸 것이다.
Table 6은 스퍼드캔에 사용된 강재에 따른 허용응력 조건 을 나타낸다.
3.3.1 정수압 하중
정수압 하중은 해석 조건상 최대수심인 65 m에서의 정수 압을 Fig. 8과 같이 스퍼드캔의 노출된 상면에 적용하며, 해 저면과 접촉되는 하부 면에는 병진운동 고정조건이 부여된 다. 이는 기존 평가 절차와 개선된 평가 절차의 적용 조건은 같다.
3.3.2 지반 지지력
지반 지지력 조건은 스퍼드캔 하부 면이 해저면이 접촉하 여 pre-load에 의해 발생하는 지지력으로, 점토층과 같이 부 드러운 지반 조건과 얇은 모래와 같은 단단한 토질 조건에 따라 분리하여 고려하게 된다. 경계 조건의 경우, Fig. 9와 같 이 레그 끝단 부위에 고정조건을 적용하였다.
부드러운 토질 조건의 경우, 지반 지지력이 스퍼드캔 전 체면적이 분산되어 작용하며, Fig. 10과 같이 유한요소해석 상에서 구현된다. 이는 기존 절차와 개선된 절차에 모두 동 일하게 적용하였다.
단단한 토질 조건에서, 기존 절차에서는 pre-load가 전체면 적의 50 %인 접촉 면적에 작용할 수 있도록 정적 압력을 입 력하여 지지력을 구현한다.
개선된 절차에서는 전체면적의 35 %인 접촉 면적을 고려 하며 아래 Fig. 11과 같이 적용된다. 본 연구의 대상이 되는 스퍼드캔의 6각형 구조의 대칭성을 고려하여 총 5가지 접촉 면적 위치 조건을 적용하였다.
3.3.3 국부 반력
개선된 절차에서는 단단한 토질의 관입 초기 단계에서의 스퍼드캔의 팁에 발생하는 하중을 Fig. 12와 같이 pre-load를 팁 면적으로 나누어 국부적인 압력으로 유한요소 해석에 반 영한다.
3.3.4 수평 충격하중
앞서 설명한 바와 같이, 스퍼드캔의 충격하중은 레그와 선각이 만나는 Lower guide에서 발생하는 모멘트와 같은 크 기의 모멘트를 스퍼드캔에 가하기 위해 적절한 측면 하중을 계산하여 스퍼드캔 측면에 반영해야만 한다. 본 연구에서는 WTIV의 전선 해석을 통해 얻은 Lower guide에서 발생하는 최대 휨모멘트를 이용하여 측면 하중을 식(1)과 같이 계산하 였다. 이때의 모멘트 암의 길이는 수심과 같다. 충격하중의 동적 효과를 고려하기 위해 1.3의 동적 계수(D.F: Dynamic factor)를 적용하였다.
측면 하중이 작용하는 위치는 스퍼드캔의 형태, 대칭성 그리고 발생 가능한 편심 하중 방향을 고려하여 결정되어야 한다. Fig. 13은 본 연구에서 적용된 측면 충격하중의 위치와 그때의 경계 조건을 나타내고 있다.
3.4 해석 결과 및 검토
스퍼드캔의 구조 안전성 검토 절차에 따른 구조 부재 차 이를 비교하기 위해, Fig. 7의 구조 형태는 그대로 유지하고 판 두께만을 이용하여 허용조건을 만족하는 스퍼드캔 구조 를 도출하였다.
Table 7은 기존 절차에 따른 스퍼드캔 구조의 각 분야별 보강 전후의 최대 von-Mises 응력 결과와 허용응력 값을 보 이며, Table 8은 개선된 절차를 이용한 결과이다. Table 9는 스퍼드캔 구조의 분야별 중량 및 최대, 최소 판 두께 정보를 나타내었다.
전체 중량은 약 3.9 % 증가하였으며, 모서리부에 있는 늑 골(LNO 10-12)에서 약 25 %의 중량 증가했다. 이는 스퍼드캔 과 해저면의 기울기 차이에 의해서 발생할 수 있는 측면 충 격하중 조건이 추가되었고, 지반 지지력을 받는 면적이 줄 어듦에 따라 외곽에 가해지는 압력이 높아지기 때문으로 판 단된다.
또한 바닥 면(Bottom plan)에서의 국부 하중 조건이 존재함 에도 바닥 면에서는 오히려 중량이 감소하였는데, 이는 주 요 구조재가 바닥 면 판부재의 국부 강도에 상당한 이바지 하는 것으로 판단된다. 또한, 측면 하중 조건에서도 외판의 두께는 변하지 않았는데, 이는 방사형으로 촘촘하게 배치되 어있는 외곽 늑골의 영향으로 보인다.
전체 중량에서 상대적으로 작은 부분을 차지하는 외곽 늑 골의 보강으로도 추가되는 하중 조건을 만족할 수 있으므로 전체 중량은 3.8 %의 증가만 발생하였고, 이를 통해 스퍼드 캔 구조설계에 있어 외곽 늑골의 존재가 중요한 설계 인자 로 작용할 것으로 판단된다.
Figs. 14-17은 각 설계 절차에 따른 보강 전후의 바닥 면과 외곽 늑골의 von-Mises 응력분포를 나타내었다.
4. 결론 및 고찰
선급에서 제안하고 있는 스퍼드캔 구조 강도 평가 절차는 스퍼드캔과 해저면의 경사가 있는 경우 접촉면적에 대한 정 의가 모호하기 때문에, 구조 안전성 평가 절차에 대한 이견 이 많이 발생해왔다. 해상풍력발전단지가 가장 많이 위치한 유럽의 경우, 단단한 사질토를 형성하고 있고, 해저면 경사 각도 다양하게 분포하고 있다. 이러한 특성을 고려하지 않 고 스퍼드캔의 접촉 면적을 50 %와 100 %로 일괄 적용할 경 우 구조 허용 안전율을 과대평가하여 불안전한 상황을 초래 할 수 있다.
또한, 스퍼드캔 팁 부분에서 발생하는 국부 하중과 관입 시 지반 형상에 따라 발생 가능성이 높은 측면 충격하중 조 건들이 반영되어 있지 않아 스퍼드캔의 구조 안정성을 충분 히 확보하는데 부족하였다.
이에 본 연구에서는 기존의 스퍼드캔 구조 강도 평가 절 차를 구체화하고 개선하기 위해 설계 하중 조건을 보완하였 고, 그에 따라 스퍼드캔 구조설계에 어떤 영향을 주게 되는 지 확인하였다.
수정, 추가된 설계 하중 조건들로 약 3.8 %의 구조 중량 증가가 요구되었으나, 합리적으로 발생 가능할 것으로 판단 되는 설계 하중 조건에서 구조 안정성을 확보할 수 있을 것 이다. 이 외에도 운항 시 돌출된 스퍼드캔에 작용하는 하중, 관입 작업 시 선체 동작에 의한 지반과의 충돌 등 발생 가능 한 조건들이 존재하지만, 하중 크기, 형태 등을 고려하였을 때 본 연구에서 제시한 구조 강도 평가 절차로 커버할 수 있 다고 판단되었다.
제시된 스퍼드캔 구조평가 절차는 실제 프로젝트에도 적 용될 예정이나, 더 개선될 여지가 충분히 존재한다. 추후 여 러 연구를 통해 새로운 설계 하중 조건 발굴 및 수정 등을 통해 지속해서 평가 절차가 계속 개선되어 가길 바란다.
