2. 국내외 연구개발 동향
2.2. 해상풍력 지지구조물 하부기초 부분 연구개발 동향
- 2000년 이후 확률-통계 기반의 신뢰성 설계법을 도입한 미국 및 유럽의 선진국에서는 기
존의 허용응력설계법에 의한 신뢰도 수준에 대한 다양한 평가를 거쳐, 전문가적 경험과 판단에 의해서 ‘신뢰성기반 한계상태설계설계법’을 개발함. (아래 그림 참조)
- 2012년 현재 국내 해상풍력에 대한 대구경 하부 말뚝기초 해석이나 설계법은 전무하고 선
진국인 유럽 및 북미는 “신뢰성기반 한계상태설계법”을 규정한 상태임. 현재 국내에서는 경제성 및 안정성을 고려한 경제성을 개념이 반영되어 있지 않은 허용응력설계법을 적용 하고 있음(제주도 해상풍력단지설계).
- 해상풍력 선진국의 경우, 지진, 태풍 및 폭설과 같이 큰 불확실성과 위험도를 가지는 수평, 연직 및 모멘트 하중에 대한 신뢰도 기반 한계상태설계기준(IEC, DNV 등)을 지난 20년간 연구하여 이미 도입한 상태이며 생애주기 경제성개념 및 공용성(serviceablity)에 기반한 부분안전계수설계법(LRFD) 연구개발이 추진되는 시점임.
그림 14. 신뢰성기반 기초구조물 설계법의 국제 동향
- 말뚝기초의 신뢰성 설계법에 대한 특허기술은 존재하지 않으나 주로 육상풍력기초, 교량 기초 및 철탑기초 등의 특수기초의 시공법에 대한 특허는 다수 존재함.
- 당 연구는 국제적인 설계기준인 신뢰성기반 한계상태설계법이므로 국가적인 차원의 공공 기반 설계법 개발이므로 특허기술과 관련성이 크지 않음
- 하지만, 설계법에 대한 해석기술은 다양한 프로그램이 개발 가능하며 국내에서는 건기원
의 LRFD저항계수 산출프로그램, 해양연구원의 항만구조물 신뢰성 해석 프로그램
(HSRBD)등이 존재하나 당 연구과제는 풍하중 및 파랑 등의 수평하중 및 모멘트을 받는
기초구조물의 신뢰성 해석에 초점을 두고 있음.
- 최근 범지구적으로 기후변화로 인하여 자연재해가 급증하는 추세이고 해상풍력단지는 대 규모 태풍 및 고파랑 등의 엄청난 수평하중에 견디게 설계해야 하며, 특히, 해상풍력 지지 구조물의 경우, 지진, 태풍, 파랑 등을 비롯한 대규모 정·동적 하중에 대한 고려가 반드시 이루어져야 함.
- 해상 풍력발전기의 핵심구조물인 하부기초는 수심이나 설치 환경에 따라서 Jacket, Tripod, Monopile, Bucket, Floating, Gravity 등의 형태를 보이고 있으나 현재까지는 국내 에서 연구나 시공실적은 전무함. 현재, 국토해양부의 해상기초시스탬 연구를 우리연구원 에서 수행하고 있으나 버켓기초에 한정되어 있으며 건기원에서는 모노파일위주로 연구를 수행중이다. 그리고 지식경제부에서 Substructure 과제를 진행하고 있으며, 향후 본 연구 와의 연계 및 협력 또는 차별화 방안이 필요함
- 아래 표는 해상풍력 하부기초와 관련한 연구수행내용이며 주로 국토해양부 연구과제를 통 하여 수행된 내용이다.
(단위 : 억원)
부처명 사업명 과제명 예산 비 고
국토해양부 건설기술혁신사업 기초구조물 하중저항계수설계법 7 2007
국토해양부 첨단항만건설기술사업 항만구조물 신뢰성 설계법 개발 30 2011
표 3. 해상풍력 하부기초 관련 설계기준 연구
- 건기술연구원에서 수행한 연직하중을 받는 “기초구조물 하중저항계수설계법(LRFD)에서 개발”은 하부기초의 저항계수를 도출하는 연구성과로 수평하중에 대한 연구는 전무한 상 태임
- 한국해양과학기술원에서 방파제 및 안벽 등의 “항만구조물 신뢰성 설계법 개발”을 연구하 여 신뢰성 설계 및 해석을 개발함.
지역 기술개발 연혁 및 현황
유럽
- 1970년대부터 부분안전계수개념으로 설계기준(Eurocode)으로 추진하여 EU에서 구조 및 지반공학 분야에서 통일된 기술적 설계규정 제안
- 1990년 유럽의 건설업계 표준화 위원회는 기술위원회 250 Structured Eurocode설치하고 2007년 27개 유럽국가에서 채택됨
- IEC, DNV 등의 해상풍력 지지구조물 및 하부기초”설계법 규정
북미
- 구조분야에서의 해석적 기법을 기반으로 확률-신뢰성 기법 연구
- 기초 설계시 LRFD 설계를 기본방향으로 하여 각종 설계 지침서에 채택함 • AASHTO LRFD bridge design specification (AASHTO, 2007)
• Building Code requirements for structural concrete (ACI, 1999)
• Recommended practice for planning, designing and constructing fixed off shore platform (API 1999)
기타
- 호주에서는 북미지역 연구 방향의 적극적 수용과 활용으로 설계기준으로 제시, • Australia Road Code (AUSTROAD, 1995)
- 일본은 기초구조물의 한계상태 공용성 설계법(PBD)의 연구를 진행하여 2009년 도입함. • Geo-Code 21 of Japan (2002)
- 홍콩, 싱가폴 등 중화권 등에서 Eurocode의 부분안전계수를 바탕으로 설계 기준 반영 • Chinese Code for design of building foundations (MOC, 2002)
국내
- LRFD 한계상태설계법의 적용에 대한 설계지침상 부록에 언급단계임 - LRFD 한계상태설계법에 대한 인식과 연구 초보단계 수준에 머물고 있음 - 국토해양부 “기초구조물 LRFD 설계연구” 수행(2007.12)
- 국토해양부 강구조, 콘크리트 설계기준에 일부 반영상태
- 국토해양부 “항만구조물 신뢰성 설계법 개발”최종보고서 (2011,7) 표 4. 하부기초 관련 신뢰성 기반 한계성태 설계기준 국내외 연구현황