1. 서 론

전 세계적으로 탄소중립 이행을 위한 에너지 전환이 가속화됨에 따라, 해상 풍력발전은 높은 에너지 밀도와 안정적인 풍황 조건을 기반으로 주목받는 재생에너지원으로 부상하고 있다(GWEC, 2024). 특히 해상 환경은 육상에 비해 평균 풍속이 높고 설치 공간의 제약이 적어 대규모 풍력단지 조성이 가능하다는 이점을 갖는다. 국제에너지기구(IEA, 2023)의 보고에 따르면, 전 세계 해상 풍력 설비용량은 2030년까지 330GW를 초과할 것으로 전망되며, 장기적으로는 수천 GW에 이를 것으로 예측된다. 이에 발맞추어 우리나라 정부도 「제6차 신·재생에너지 기본계획(2023~2036)」을 통해 2030년까지 해상 풍력 14.3GW 보급을 목표로 적극적인 정책을 추진하고 있다(MOTIE, 2023).

해상 풍력 시스템에서 지지구조물은 터빈의 구조적 안전성과 발전 효율을 좌우하는 핵심 요소이며, 다양한 환경하중 하에서도 구조적 안정성과 내구성을 확보해야 한다. 특히 해상 풍력 지지구조물의 대표적인 기초 형식인 모노파일(monopile)은 구조가 단순하고 시공성이 우수하여 널리 활용되고 있으며, 풍하중, 파랑하중, 조류하중 등 복합적인 수평하중에 직접적으로 저항해야 한다. 이에 따라 구조물의 수평 거동을 정밀하게 예측하고 이를 반영한 설계가 필수적이다.

이러한 배경 속에서 해상 풍력 지지구조물의 해석 및 설계를 위한 다양한 수치기법이 개발되어 왔으며, 대표적으로 고정단 모델(Fixed support model), 가상고정점 모델(Virtual fixed support model), 6×6 지반강성행렬 모델(6×6 stiffness matrix model), 지반반력계수 모델(Coefficient of subgrade reaction model), p-y 곡선 기반 보-스프링 모델(p-y curve model), 그리고 전산 유한요소해석(FEM, finite element method) 등이 있다(Jang et al., 2013). 각 모델은 지반-구조물 상호작용을 고려하는 방식과 해석 정밀도 측면에서 상이하며, 해석 목적에 따라 적절히 선택된다.

최근에는 해상 구조물에 작용하는 극한환경하중의 정량적 평가를 위해, 비선형 지반 거동을 반영할 수 있는 p-y 곡선 기반 보-스프링 모델의 활용이 주목받고 있다(Rodriguez-Galvan et al., 2024). 본 모델은 상대적으로 입력변수가 간단하면서도 비선형성을 고려할 수 있어 다양한 해석 조건을 빠르게 비교할 수 있다는 장점을 지닌다. 반면, 3차원 FEM 해석은 가장 높은 정밀도를 확보할 수 있지만, 모델링의 복잡성과 해석 시간의 증가로 인해 초기 설계나 조건 비교에는 비효율적인 측면이 존재한다. 이에 따라 실무에서는 다양한 조건을 고려한 파라메트릭 분석을 위해 보-스프링 모델의 활용도가 점차 확대되고 있으며, 3차원 FEM 해석의 한계점을 극복하고자 본 연구에서는 p-y 곡선 기반 보-스프링 모델을 활용하였다.

본 연구는 기존 해석기법들이 갖는 정확도와 효율성의 상충 관계를 극복하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 3차원 해석의 정확도를 유지하면서도 p-y 곡선을 적용한 보-스프링 모델을 활용하였다. 국내 해역의 대표적인 환경 조건 및 하중 조합에 따른 모노파일의 수평 거동을 정량적으로 분석하였다. 말뚝 직경, 말뚝 두께, 근입깊이, 지반강성 등 주요 설계 매개변수를 체계적으로 변화시켜 해석을 수행하였으며, 매개변수 스터디(parametric study)를 통해 각 변수의 민감도 및 구조물 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 특히, 극한한계상태(Ultimate limit state, ULS)와 사용한계상태(Service limit state, SLS) 조건에 따른 구조물의 거동에 대한 검토를 수행하였으며, 각 조건에 따른 변위 및 응력과 더불어 고유진동수에 대한 평가를 수행함으로써, 자연 환경 조건에 따른 극한하중을 산정하였다. 본 연구 결과를 통해, 모델 활용성의 기초 분석에 더하여 해석기법인 PISA 모델의 국내 적용성을 실증함으로써, 향후 기술적 기반을 제공하는 것을 기대할 수 있다.

2. 지지구조 수치해석 개요

2.1 Beam-spring model(p-y 곡선 적용)

보-스프링 모델은 모노파일을 선형 보(beam) 요소로, 지반을 깊이 방향으로 분포된 독립 스프링(spring) 요소로 모델링하는 수치적 접근법이다(Ferreira et al., 2024). 각 스프링은 p-y 곡선을 통해 지반의 비선형 반력 특성을 표현하며, 이를 통해 지반-구조물 상호작용을 간단하면서도 효과적으로 모사할 수 있다. 최근 연구들에서 p-y 해석 기법의 정확성이 향상되었지만, 여전히 입력 변수(지반 강성, 극한 저항력 등)와 모델 가정에 따른 민감도가 크므로 설계 시 주의가 필요하다. p-y 곡선은 지반 반력 p와 횡방향 변위 y, 그리고 변위에 따라 달라지는 지반 반력 계수 k(y)로 표현되며, 일반적으로 다음과 같은 비선형 관계식으로 정의된다:

지반 종류에 따라 곡선 특성이 달라지며, 사질토의 경우 Reese와 Van Impe(2001)의 경험식을, 점성토에서는 Matlock(1970)의 모델이 주로 사용된다.

최근 개발된 PISA(Pile Soil Analysis) 모델은 기존 경험식 기반 p-y 곡선보다 다양한 장점을 갖는다(Burd et al., 2020). 전통적인 p-y 모델이 주로 중소구경 말뚝을 대상으로 개발되어 대구경 말뚝에 적용하기에는 한계가 있었던 반면, PISA 모델은 실규모 및 원심모형 실험과 고정밀 3차원 유한요소해석 결과를 기반으로 하여, 깊이별 지반 조건 및 말뚝 직경, 회전 거동까지 정밀하게 반영할 수 있다. PISA 모델에서의 무차원화된 p-y 관계식은 다음과 같이 정의된다:

여기서, p_u는 극한 수평 저항력, y_u는 극한 저항에 도달하는 변위, α, η는 실험 또는 수치해석으로 보정되는 비선형 계수이다.

극한 지지력은 깊이별 경험식으로 계산되며,

여기서, β(z)는 깊이에 따라 변화하는 경험적 계수, D는 말뚝 직경, β_max는 지반에서의 최대 저항 계수 값, k는 깊이에 따른 감쇠 계수이다. 또한 PISA 모델은 수평지지력(p), 분포모멘트(m), 전단력(H), 회전 저항 모멘트(M)를 포함하는 4성분 반력 모델을 도입하여, 대구경 말뚝의 회전 거동까지 보다 정확히 해석할 수 있다(Burd et al., 2020).

2.2 수치해석 모델 검증

본 연구에서는 보-스프링 모델의 신뢰성을 검증하기 위해, 먼저 Choo et al.(2014)의 원심모형실험(T9 케이스)의 데이터를 이용한 3차원 유한요소해석을 수행해 수치해석적 검증 데이터를 확보하였다. 선행연구의 T9 케이스는 대구경 모노파일이 조밀한 사질토에 근입된 조건에서 파괴까지 수평하중을 재하한 실험으로, 하중-변위 곡선이 상세하게 보고되어 있다.

3D FEM 해석은 PLAXIS 3D(Bentley Systems, 2024)를 이용해 수행되었으며, 지반의 비선형 거동을 정밀하게 고려하기 위해 Hardening Soil(H.S.) 모델을 사용하였다. 해석 모델의 형상과 경계 조건은 Fig. 1에, 주요 입력 매개변수는 Table 1에 정리되어 있으며, 해당 조건 및 입력 매개변수는 Choo et al.(2014)이 수행한 원심모형실험(T9 케이스)의 데이터이다.

Fig. 1

Layout of T9 case

3D FEM 모델을 통해 깊이별 p-y 곡선을 산정한 후, ABAQUS에서 Beam 요소(B31)를 활용해 구현하였다. 지반의 비선형 저항 특성을 반영하기 위해 심도별로 1m 간격으로 독립된 스프링을 배치하고, 각 지점에 개별적으로 계산된 p-y 곡선을 적용하였다(Fig. 2).

Fig. 2

Beam-spring model with p-y curve

해석 결과, 보-스프링 모델은 실험에서 얻어진 하중-변위 곡선과 매우 유사한 거동을 보였으며, 변위 0.1D에서 약 103%의 예측 정확도를 나타냈다(Fig. 4). 이는 본 모델이 대구경 모노파일의 횡방향 거동을 효과적으로 재현할 수 있음을 시사하며, 다른 복잡한 해석법에 비해 단순성과 효율성이 뛰어나 실제 설계 적용성이 높다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 해당 보-스프링 모델을 기반으로 다양한 지반 조건과 하중 상황에서의 해상풍력 지지구조물 극한 거동을 파라메트릭하게 분석하였다.

Fig. 3

p-y curves from PISA model

Fig. 4

Load-displacement curves with analytical methods

3. 지지구조 수치해석 개요

3.1 지반조건

본 연구에서는 국내의 지반 조건을 반영한 수치해석 모델을 구축하고자, 서남해 해상풍력 단지 전체 19개 지반공 조사 결과 중 지지층인 암반의 심도 분포를 대표할 수 있도록 5개의 대표 지반공을 선정하였고, 설계 기준 확보를 위하여 해당 대표 지반공을 평균하여 representative ground model을 만들었다. 선정과정에서 특정 심도에 편중되지 않고 얕은 암반부터 깊은 암반까지 다양한 지층 조건을 고르게 포함하도록 고려하였으며, 선정된 지반공에 대해 지층별 N치, 단위중량, 내부마찰각, 점착력을 산정하였다. 또한, 복잡한 실제 지층을 모델에 반영할 때 발생할 수 있는 기하급수적인 계산량 증가를 방지하고자 복잡한 지층을 간소화하여 계산 시간을 줄이고자 하였다. 서남해 해상 풍력단지 6종의 지반공에 대한 지반 물성을 Fig. 5와 Table 3~8에 제시하였다. 또한, PISA 모델을 활용하여 도출한 p-y 곡선을 사용하여 국내의 다양한 지반 조건을 반영하였고, 대표 지반공으로서 BH-5의 p-y 곡선을 Table 9에 제시하였다.

Fig. 5

Stratum and SPT N-value at Southwest offshore wind farm

3.2 수치해석 모델 설계인자

수치해석 모델 구축 및 다양한 지반 조건에서 모노파일의 횡방향 거동 해석을 위하여 사용된 기본 모델인 8MW 터빈의 제원은 Table 10에 제시되어 있다. 해당 모델의 하부구조물은 타워와 지지구조물을 연결하는 트랜지션피스(TP), 지지구조물, 기초구조물을 포함한다.

Table 9.

p-y curves at BH-5

Curve model	Layer depth
	0 ~ 8 m	8 ~ 30 m	30 ~ 38 m
p-y curves

Table 10.

Specifications of the 8MW wind turbine

Parameter	Design value
Power output	8000 kW
Tower length (A)	106.555 m
Tower mass	590 ton
Tower diameter (B)	7 m
Hub height (C)	135 m
RNA mass	673 ton
Rotor diameter (D)	205 m
Natural frequency	0.179 Hz ~ 0.227 Hz

구조물의 안정성 확보를 위해 설계 시에는 크게 ULS와 SLS, 두 가지 한계상태를 검토한다. ULS는 구조물의 안전과 파괴방지에 중점을 두는 극한한계상태(Ultimate limit state, ULS)로, 이는 재현주기가 긴 극한 환경하중에 대해 구조물이 붕괴하지 않고 저항할 수 있는 능력을 검증하는 상태이다. SLS는 구조물의 정상적인 기능 유지와 사용성에 중점을 두는 사용성한계상태(Serviceability limit state, SLS)로, 이는 정상적인 운영 조건 하에서 과도한 변위나 진동 없이 구조물이 제 기능을 할 수 있는지를 평가하는 상태이다.

이러한 한계상태 설계 기준에 따라, 본 연구에서는 하부구조물의 지반 수평 지지력, 구조 강도, 고유진동수를 주요 설계 검토사항으로 설정하였다. 지반 수평 지지력은 ULS 상태 하중에 대해 지반면 허용 변위가 기초 직경의 10% 이내가 되도록 해야 하며, SLS 상태 하중에서 하중 제거 시 발생하는 영구적 회전 각도가 0.25° 이내가 되어야 한다. 또한, 구조 강도는 ULS 상태 하중에 대해서 기초 및 지지구조물의 응력이 허용치 이내에 분포해야 한다. 고유진동수는 공진을 회피하기 위해 터빈의 주요 주파수인 1P 대역과 3P 대역 사이에 위치하도록 설계하는 soft-stiff 설계가 일반적이다. 이에 대한 검토는 터빈의 운전 속도 범위에 해당하는 1P 및 3P 주파수 대역을 산정하고, 해석으로 얻은 구조물의 고유진동수가 이 두 대역 사이에 안전하게 위치하는지 확인하는 방식으로 수행되며, 본 연구에서 수행한 고유진동수 해석은 감쇠를 고려하지 않은 고유치 해석이다.

언급한 바와 같이, ULS 상태에는 풍하중 및 파랑하중 감소조건에 대한 극한한계상태에서의 지반면 수평 허용변위와 기초 및 지지구조물의 구조 강도에 대한 평가가 수행되어야 한다. 풍하중 감소조건에서는 100% 파랑하중과 50% 풍하중의 하중 조합으로, 파랑하중 감소조건에서는 70% 파랑하중과 100% 풍하중 하중 조합으로 구조안정성 확보 여부를 평가하여야 한다. 또한, SLS 상태에서는 100% 풍하중과 100% 파랑하중 하중 조합으로 구조물의 영구적인 회전변형을 평가하여야 한다.

3.3 모노파일 수치해석 모델 구축

본 연구에서 모노파일 수치해석 모델 구축을 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS(Dassault Systèmes, 2024)를 사용하였다. 타워와 TP는 해석 효율과 정확도를 고려하여 3차원 저감적분 고체요소(3D solid element with reduced integration, C3D8R)로, 파일은 보 요소로 설계하였다. ULS 및 SLS 해석에는 TP와 파일로 구성된 구조물이, 고유진동수 해석에는 TP, 파일, 타워가 포함된 구조물이 사용되었으며, STP355 강종의 물성치가 구조물에 적용되었다. 3.1 절에 언급되었던 하중전이함수를 보-스프링 모델을 이용하여 수치해석 모델에 적용하여 각 지반조건에 따른 모노파일의 횡방향 거동 해석을 수행하였다. 본 모델에서 고려된 하중은 풍하중과 파랑하중이 있다. 풍하중은 등가 정적 하중으로 치환하여, 이에 해당하는 shear force, bending moment를 상부 구조물인 TP 최상단에 적용하였다. 한편, 파랑하중은 ABAQUS의 AQUA 키워드를 이용하여 airy 파 이론 기반의 해양 환경을 정의하고, DLOAD 키워드를 통해 Morison equation 기반의 항력과 관성력을 구조물에 분포하중으로 적용하여 모델을 구축하였다. 이에 대한 모식도는 Fig. 7에 제시되어 있다. 또한, ULS 및 SLS 해석에서는 적용되는 풍하중과 파랑하중의 조합이 상이하며, 100% 풍하중과 100% 파랑하중이 적용되는 SLS 해석에서 사용된 하중조건의 예시는 Table 11 및 Table 12에 제시되어 있다. p-y 곡선과 하중조건 모두 고려된 수치해석 모델은 Fig. 6에 나타나 있으며, 서로 다른 6개의 지반 조건에 따라 모델의 직경, 길이 등의 제원이 달리 적용되었으며, 이에 대한 상세 제원은 Table 13에 제시되어 있다.

Fig. 6

Numerical analysis model of monopile

Fig. 7

Numerical analysis model with applied wind and wave loads

4. 모노파일 수치해석 결과

4.1 주요 설계 변수에 대한 민감도 분석

모노파일 기초의 수평 거동에 영향을 미치는 주요 설계 변수들의 민감도를 평가하고, 각 매개변수가 구조물 응답에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 매개변수의 민감도 분석을 수행하였다. 분석에 고려된 모델과 하중 조합은 각각 BH-5와 ULS의 파랑하중 감소조건이고, 주요 변수는 말뚝 직경, 근입깊이, 말뚝 두께이며, 각 변수 조건에 따른 해석 결과는 Table 14에 나타난 바와 같다.

기초 직경의 경우, 11.5m를 기준으로 직경이 12.5m로 증가할 때 지반 변위는 0.284m에서 0.277m로, 최대 응력은 96.51MPa에서 93.11MPa로 감소하였다. 이와 반대로 직경이 감소하였을 때는 변위와 응력이 증가하여, 직경이 구조물의 강성과 응력 분포에 중요한 매개변수임을 확인하였다. 근입 깊이는 분석된 변수 중 구조물의 변위 및 응력 제어에 가장 민감한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 기준 모델 대비 근입 깊이가 32m 증가하자, 지반 변위 및 최대 응력 모두 가장 큰 감소가 나타난 것을 확인할 수 있는데, 이는 근입 깊이 확보가 지지력 향상에 매우 효과적임을 의미한다. 반면, 기초 두께는 구조물 거동에 미치는 영향이 상대적으로 가장 적은 것으로 분석되었다. 두께가 기준 0.09md에서 0.10m로 증가하였음에도 지반 변위와 최대 응력의 감소 정도는 기초 직경과 근입 깊이에 비해 작은 것으로 확인되었다. 이는 두께가 국부적인 강성 보강에는 기여하지만, 기초 직경 및 근입 깊이에 비해 구조물 전체의 거동을 지배하는 영향은 적은 것으로 판단된다.

4.2 수치해석 결과 분석

본 연구에서는 ULS 및 SLS 해석과 고유진동수 해석에 대한 모노파일 수치해석을 수행하였다. ULS 해석에서 고려된 풍하중 및 파랑하중 감소조건 중, 파랑하중 감소조건에서 구조물에 가장 큰 하중이 발생하였으며, 이에 따라 본 논문에서는 이를 대표 사례로 선정하고, 서남해 해상 풍력단지의 BH-5 모델을 통해 수치해석 결과를 제시하였다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이, TP의 최상단에서 96.51MPa의 최대 응력이 발생하였으며, 지반면에서 발생하는 최대 수평변위는 0.284m로 확인되었다. 이를 통해, 구조물에서 발생하는 최대 응력은 사용 강종의 항복응력인 355MPa 이내로 분포하며, 파일의 지반면 수평변위도 직경의 10%(1.15m) 이내로 거동하는 것을 확인할 수 있다. SLS 해석에서는 하중 재하 후, 제거 시 발생하는 영구적인 회전각도가 0.25° 이하 인지를 확인하는 것이 필요하며, 하중 재하 및 제거 시의 지반면 수평변위를 통해 영구적인 회전각도를 확인하였다. 회전각도는 하중 제거 후 발생한 지반면 수평변위를 지반에 근입된 파일 길이로 나누어 계산하였다.

Fig. 8

Numerical results of BH-5 under ULS wave load reduction

구조물의 영구적 변형과 관련해서는 Fig. 9에 제시된 바와 같이, 하중 재하 시에 발생하는 영구적 변위는 0.284m, 제거 시의 변위는 0m로 영구적으로 발생하는 회전각도는 0°인 것을 알 수 있어 SLS 기준을 만족하는 것을 알 수 있다. 또한, 해상풍력 구조물은 공진회피 설계가 필수적인데, 이를 위해 고유진동수 해석을 진행하였다. Mode 1에서의 고유진동수는 0.18155Hz, Mode 2의 고유진동수는 0.19219Hz로 본 설계에서 고려하고 있는 고유진동수 설계기준인 0.179~0.227Hz 범위를 만족하는 것을 알 수 있다. 아울러, BH-5 모델을 포함하여 6종의 다른 지반 조건에 따른 모델에 대한 수치해석을 수행하였으며, 모든 모델에 대한 수치해석 결과는 Table 14에 정리하여 제시하였다. Table 15에 제시된 바와 같이, ULS 수치해석 결과에서도 다른 5종의 모델은 모두 사용 강종의 항복응력 이내에서 최대 응력이 분포하였으며, 지반면 수평변위 또한 기초 직경의 10% 이내에서 발생하는 것을 확인하였다. SLS 해석에서는 하중 재하 후 제거 시 지반면 수평변위가 0m로 나타나, 영구 회전각도가 0°이며, 이에 따라 SLS 기준도 만족함을 확인하였다. 마지막으로, 고유진동수 해석 결과 모두 설계 기준 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 결론적으로, 본 연구에서 제안한 모델을 사용하여, 서로 다른 지반 및 외부 조건에 따른 구조물의 안정성 평가를 효과적으로 평가할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 9

Numerical results of BH-5 under SLS

5. 결 론

본 연구에서는 해상 풍력 구조물의 대표적인 기초 형식인 모노파일의 횡방향 거동 해석을 위해 보-스프링 모델(p-y 곡선 적용)을 활용하여, 국내 해역의 다양한 환경 조건에서 수평 거동을 정량적으로 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 국내 대표 해양 환경 및 하중 조건을 적용한 결과, 상대적으로 모델 구성이 간단한 보-스프링 모델만으로도 모노파일 기초의 복잡한 수평 거동을 신뢰성 있게 예측할 수 있음을 확인하였음.

(2) 주요 설계 변수인 말뚝 직경, 근입 깊이, 두께에 대한 매개변수 분석을 수행하여, 각 변수가 구조물의 변위 및 응력에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 민감도를 분석하였음.

(3) 본 연구의 결과는 향후 국내 해상풍력 지지구조물의 합리적이고 경제적인 설계를 위한 핵심 기초자료로 활용될 수 있으며, 초기 설계 단계에서 다양한 조건을 신속하게 검토하는데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.