1. 서    론

2014년 기준으로 세계 풍력 신규 설비용량은 전년 대비 44.2 % 증가한 51.5GW이며, 누적 설비용량은 369.6GW로 크게 성장하였다. 향후 2030년까지 연간 60GW, 총 1,000GW 규모의 시장으로 성장할 것으로 전망된다. 국내 풍력발전 시장 규모는 2011년 OECD 국가 중 22위에 해당하며, 연평균성장률(CAGR)은 11위로 빠른 성장세를 보이고 있다. 2016년 국내 풍력발전은 누적 설비용량 1GW를 돌파하였으며, 정부는 향후 2035년까지 풍력발전을 통해 재생에너지의 약 18 %에 달하는 전력을 충당할 계획이다. 이에 따라 국내 풍력발전산업은 연평균 17 %의 성장세를 보일 것으로 예상되며, 기술의 발전과 함께 풍력발전기가 대형화됨에 따라 발전용량이 더욱 증가할 것으로 예상된다(DBGuide.net 2014; KWEIA 2015).

일반적으로 풍력발전기의 로터 지름을 증가시키면 발전용량이 증가(Edenhofer et al. 2012)하게 되어 발전단가를 저감시킬 수 있다. 따라서 지금까지 풍력 발전기의 크기는 지속적으로 대형화 추세에 있다. 이에 따라 풍력타워의 높이 또한 증가추세에 있는데, Fig. 1과 같이 경제성의 이유로 90m 이상의 높이에서는 콘크리트를 활용한 풍력타워 건설이 급격히 증가하고 있다.

콘크리트를 활용한 풍력타워는 지금까지 프리캐스트 방식의 단주식 풍력타워가 시공되어왔다. 새로운 형식으로는 여러 개의 기둥을 배치하는 다주식 풍력타워를 대안으로 고려해 볼 수 있다. 현재까지 시공 사례는 없으나 경제성과 품질이 우수한 기성 PHC 파일을 이용하여 다주식 풍력타워를 시공할 경우 경제적 시공이 가능하고 공기를 단축시킬 수 있으며, 현장 조건에 따라 다양한 설계 및 시공이 가능할 것으로 사료된다. 그러나 PHC 파일은 기성품으로 제작되어 높이가 제한되어있는 만큼 풍력타워 시공에 활용되기 위해서는 반드시 여러 개의 파일이 연결되어 시공되어야한다.

이 연구는 기성 PHC 파일을 다주식 풍력타워에 적용하기 위한 기초 연구로서, PHC 파일을 연결하여 사용할 경우 연결부에 대한 성능을 확인하기 위한 것이다. 콘크리트 속채움을 통해 기성 PHC 파일의 단면을 보강하고 포스트텐션을 통해 하중을 도입시킨 실험체를 제작하여 단면해석 및 휨 실험을 수행함으로써 보강된 PHC 파일의 성능에 대해 조사를 수행하였다.

2. 실험체 제작

기성 PHC 파일의 다주식 풍력타워에 대한 적용성을 판단하기 위해 구조해석을 수행하였다. 다주식 풍력타워의 기본 형상 및 배치형식은 Fig. 2와 같이 8주식과 16주식으로 가정하였으며, Table 1과 같이 직경 800 mm, 두께 110 mm 단면(C종)에 대해 검토를 수행하였다. 구조해석 시 배치된 파일 전체 강성에 대해 하나의 프레임 요소로 가정하였으며, 상부 하중 및 타워에 작용하는 풍하중을 고려하여 해석을 수행하였다.

해석결과 Table 2와 같이 발생 인장응력과 압축응력이 허용응력을 초과하여 기성 PHC 파일은 다주식 타워에 직접 적용이 어려운 것으로 판정되었다. Table 2에서 허용응력은 파일 생산 업체에서 제공하는 기성 PHC 파일 자체의 허용응력 값을 적용하였다.

기성 PHC 파일(Fig. 3)의 휨강성을 증가시키기 위해 콘크리트 속채움을 수행(Fig. 4)하고 포스트텐션을 통해 긴장력을 도입한 실험체를 제작하였다. 실험체 제작을 위해 확보가 가능한 직경 500 mm, 두께 80 mm 단면(A종)의 기성 PHC 파일(균열 휨 모멘트: 103 knm, 파괴 휨 모멘트: 155 knm)을 사용하였다. 이때 속채움을 위해 SUPER Structure 2020과제(13건설연구A02)에서 개발한 압축강도 80 mPa급 콘크리트(이하 SC80)을 사용하였으며, 포스트텐션을 위해 긴장력 188.5 kN을 직경 15.2 mm 강연선(1,860 mPa) 12개(실험체 M-12, C-12) 및 8개(실험체 C-8)에 각각 도입하여 3개의 실험체(Fig. 5)를 제작하였다.

Fig. 5에서 실험체 M-12(길이 10m)는 기준 실험체를 나타내며, 연결부 실험체와의 성능 비교를 위해 연결부가 존재하지 않는 단일 PHC 파일로 제작되었다. 실험체 M-12에는 2,261.9 kn의 긴장력이 도입되었다. 실험체 C-12와 실험체 C-8은 연결부 성능을 확인하기 위한 것으로서 5m 길이의 PHC 파일 2개를 연결하는 방식으로 제작되었다. 실험체 C-12에는 2,261.9 kn의 긴장력이 도입되었으며, 실험체 C-8에는 1,508 kn의 긴장력이 도입되었다. Fig. 6은 실험체 C-12 및 실험체 C-8의 연결부 제작 과정을 나타낸 것으로서, 여기서 두 개의 PHC 파일을 연결하기 위해 파일 두부에 삽입된 볼트(인장강도 1,300 mPa, 직경 20 mm)와 연결부에 타설된 콘크리트(UHPC, 180 mPa)를 볼 수 있다. 연결부에 본체보다 높은 강도의 콘크리트를 타설한 것은 연결부에서 프리텐션이 도입되는 PC 강봉의 부재로 인해 휨 강도 저하가 예상되므로 12 mPa 이상의 인장강도를 가지는 UHPC를 타설하여 휨강성을 강화해주기 위함이다.

3. 단면해석 및 연결부 성능실험

3.1 단면해석

제작된 단면 보강 PHC 파일의 성능을 확인하기 위해 단면해석을 수행하였다. Table 3은 단면해석에 사용된 재료의 물성값을 나타낸다. 해석 시 PC 강봉의 프리텐션, 강연선의 포스트텐션 순서로 하중을 도입하고(포스트텐션에 의한 프리텐션의 감소 효과가 반영되었음.) 해석 단면에 대한 곡률을 증가시키며 각각의 재료에 대해 Table 3의 최대변형율에 먼저 도달할 때까지 해석을 수행하였다.

Fig. 7은 기준 실험체 M-12의 중앙부에 대한 해석 단면 AA′과 해석 결과를 나타낸다. 단면해석 시 SC80, PC 강봉에 의한 프리텐션, 강연선에 의한 포스트텐션이 고려되었다. Fig. 7(b)에서 단면 보강 PHC 파일의 모멘트 저항력이 기성 PHC 파일에 비해 약 3.2배 이상 향상된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8은 연결부 실험체 C-12와 C-8에 대한 해석 단면을 나타낸다. 단면 BB′은 PC 강봉이 정착되는 부분으로서 프리텐션 효과가 없을 것으로 예상되는 단면이며, 해석 시 SC80, PC 강봉, 강연선에 의한 포스트텐션이 고려되었다. 단면 CC′은 UHPC가 타설된 연결부로서 해석 시 UHPC, 볼트, 강연선에 의한 포스트텐션이 고려되었다.

Fig. 9는 실험체 M-12, C-12, 그리고 C-8에 대한 단면해석 결과를 나타낸다. 여기서 단면 CC′ > 단면 AA′ > 단면 BB′의 순서로 모멘트 저항력이 발휘되는 것을 볼 수 있는데, 이는 단면해석 시 고려되는 재료의 물성값과 울본의 프리텐션 효과 때문으로 판단된다. 즉, 단면 CC′은 실험체 C-12 및 C-8의 연결부 단면으로서 단면해석 시 UHPC의 강도(180 mPa) 효과가 고려되어 가장 큰 모멘트 저항력을 발휘하며, 단면 BB′은 실험체 C-12 및 C-8의 PC 강봉 정착 단면으로서 단면해석 시 PC 강봉의 프리텐션에 의한 모멘트 저항 효과가 고려되지 않아 프리텐션 효과가 고려되는 단면 AA′보다 상대적으로 작은 모멘트 저항력을 발휘하는 것으로 판단된다.

3.2 연결부 성능실험

제작된 단면 보강 PHC 파일(Fig. 5)의 연결부 성능실험을 위해 모든 실험체에 대해 휨 강도 실험을 수행하였다. Fig. 10은 실험체 C-12의 휨 강도 실험을 나타낸다(KSC 2003). 실험 시 단면 보강 PHC 파일의 지간을 10m로 하여 지지하고, 지간의 중앙에 하중을 증가시키며 중앙부에서의 변위를 측정하였다.

Figs. 11∼13은 하중 재하에 의해 발생되는 휨 모멘트에 의한 실험체 M-12, C-12, C-8의 파괴 상태를 각각 보여준다. 여기서 실험체 M-12는 중앙부에서, 실험체 C-12와 C-8은 Fig. 8(a)의 BB′ 단면에서 파괴가 발생했음을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 9의 해석 결과와 일치하는 것으로서 2개의 PHC 파일을 연결할 경우 가장 취약한 단면은 중앙부가 아닌 PC 강봉에 의한 텐던력이 발휘되지 않는 BB′ 단면이 될 수 있음을 보여준다.

Fig. 14는 실험체 M-12, C-12, C-8의 하중-변위 곡선을 보여준다. 여기서 실험체 M-12, C-12, C-8의 순서로 하중 저항력이 발휘되는 것을 볼 수 있는데, 이는 PC 강봉의 프리텐션 효과와 강연선에 의한 텐던력의 차이 때문으로 판단된다. 즉, 실험체 M-12는 연결부가 없으므로 PC 강봉의 프리텐션에 의한 모멘트 저항 효과가 발휘되는 반면, 실험체 C-12는 BB′ 단면에서 프리텐션 효과가 발휘되지 않아 모멘트 저항 능력이 떨어지기 때문으로 판단된다. 그리고 실험체 C-8은 C-12보다 포스트텐션에 의한 긴장력이 작으므로 가장 작은 하중 저항력을 보여주는 것으로 판단된다.

3.3 해석 및 실험결과 비교

Figs. 15∼17은 해석과 실험에 의한 실험체 M-12, C-12, C-8의 하중-변위 관계를 나타낸 것이다. 여기서 실험체 M-12와 C-8의 파괴 하중은 해석값과 실험값이 비교적 잘 일치하는 것을 볼 수 있으나 실험체 C-12는 약 38 kn의 차이가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이는 실험체 C-12와 C-8의 제작에 있어서 다른 모든 조건은 동일하고 포스트텐션에 의한 텐던력 차이만이 존재하는 것을 고려하였을 때, 기성 PHC 파일의 압축강도가 부족하여 파괴하중이 작게 측정된 것으로 판단된다. Figs. 16과 17에서 실험값의 최대 변위가 해석값 보다 작게 측정된 것을 볼 수 있다. 이는 실험체 C-12와 C-8의 경우 PC 강봉이 정착된 단부에서 프리텐션 효과가 제대로 발휘되지 않아 해석값 보다 작은 변위에서 파괴가 발생한 것으로 판단된다. Figs. 15와 16의 하중-변위 곡선에 서 해석값이 약 5 % 정도의 오차를 가지고 실험값을 추정하고 있음을 볼 수 있으며, Fig. 17의 하중-변위 곡선에 서 해석값이 약 13 % 정도의 오차를 가지고 실험값을 추정하고 있음을 볼 수 있다.

4. 결    론

이 연구에서는 PHC 파일을 연결하여 사용할 경우를 가정하여 연결부에 대한 성능을 확인하는 연구를 수행하였다. 기성 PHC 파일의 다주식 풍력타워 적용에 대한 구조해석을 수행하였고, 콘크리트 속채움을 통해 기성 PHC 파일의 단면을 보강하고 포스트텐션을 통해 하중을 도입시킨 실험체를 제작하여 단면해석 및 휨 실험을 수행하였다. 이를 통한 결론은 아래와 같다.

1)기성 PHC 파일을 적용한 다주식 풍력타워에 대해 구조해석을 수행한 결과 발생한 압축 및 인장응력이 기성 PHC 파일의 허용응력을 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 기성 PHC 파일을 다주식 풍력타워에 적용하기 위해서는 단면에 대한 보강이 필요하다고 판단된다.

2)기성 PHC 파일과 단면 보강을 수행한 PHC 파일에 대해 단면해석을 수행한 결과, 단면 보강 PHC 파일의 모멘트 저항력이 약 3.2배 이상 향상된 것을 확인하였다.

3)UHPC 연결부를 적용하여 2개의 단면 보강 PHC 파일을 포스트텐션을 통해 연결한 후 휨 실험을 수행한 결과 프리텐션 효과가 상대적으로 작은 PC 강봉 정착 단면에서 파괴가 발생하는 것을 확인하였다.

4)단면해석 결과가 실험결과를 비교적 잘 추정하고 있음을 확인하였다.

이 연구 결과는 PHC 파일을 이용한 다주식 풍력타워의 설계 및 시공에 있어서 설계 단면력 확보를 위한 단면 보강 방법의 결정과 파일 연결부를 계획하고 시공하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.