해상풍력터빈 지지구조물 중 석션버켓 지지구조물은 파일을 항타하여 설치하는 다른 지지구조물보다 공사기간이 짧고, 경제적으로 설치가 가능하다(Oh et al., 2012). 이러한 석션 버켓 지지구조물의 주요 설계인자는 수평 허용 지지력과 기초의 강성이다. Latini and Zania(2017)는 석션버켓의 동적거 동을 조사하여, 석션버켓의 스커트 길이가 동적 거동을 결정하는 중요한 매개변수라고 밝혔고, 수평 하중 지지력은 버킷 직경과 길이의 비의 영향을 크게 받으며, 초기 강성은 모래의 상대적 밀도와 버켓의 기하학적 구조에 크게 좌우되는 것으로 일련의 연구를 통해 조사되었다(Achmus et. al., 2013; Ding et al., 2015; Thieken et al., 2014). 석션버켓 지지구조물을 토질층이 깊지 않은 지역에 설치할 경우, 지지력을 발휘하기 위하여 직경이 비정상으로 커져야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 펜타팟 셕선버켓 지지 구조물을 개발하였으며(Ngo et al., 2020), 본 연구에서는 개발한 지지구조물에 대한 세굴위험도해석을 수행하였다.

해상풍력터빈 지지구조물의 세굴위험도 평가에 관한 연구로는 Lee et al.(2013)이 기초세굴을 고려한 모노파일식 해상 풍력 터빈의 동적 불안정성 해석이 있다. 이 연구에서는 세굴 깊이를 직경의 0.5배, 1.0배, 1.5배로 고려하여 세굴 발생에 따른 고유 주파수를 분석하고 공진이 발생할 수 있는 1P, 3P 주파수와 비교하여 동적 불안정성 발생 가능성을 검토하였다. 석션버켓 지지구조물의 위험도 평가 연구로는 Kim et al.(2020)이 연구한 세굴에 대한 해상풍력터빈의 세굴 위험도 평가 연구가 있다. Kim et al.(2020)은 세굴에 대한 확률론적 평가방법 개발을 위해 변위기반 세굴 취약도와 세굴 위험 (hazard)을 결합하여 세굴 위험도 평가기법을 제안하였다. 그러나, 변위기반 세굴 취약도의 경우 상시 하중을 적용하여 특정 변위값을 초과하는 경우를 파괴로 정의하는 사용성 한계 위험도 평가 방법이다. 해상풍력지지구조물의 경우 사용성 평가도 필요하지만 극한 하중에 대한 안정성 검토가 선행될 필요가 있다. 펜타팟 석션버켓과 같은 신형식 구조물의 경우 극한하중에 대한 위험도 해석은 더욱 그러하다. 본 연구에서는 세굴을 고려한 극한한계상태의 위험도 해석을 위해 석션기초의 지지력에 대한 취약도를 계산한 후 이를 세굴 해저드와 결합하여 세굴 위험도 평가를 진행하였다. 이를 위해 전북 군산시 인근 해역의 지반조건을 이용하여 세굴 깊이 별 허용 지지력을 산정한 후, 구조해석을 통해 계산된 부재력을 이용하여 세굴 취약도를 계산하였다. 세굴 취약도는 구조해석을 통해 계산된 부재력에 안전율을 변화시키면서 위험도의 변화 추이를 조사하였다.

본 논문에서는 해상풍력터빈 펜타팟 지지구조물에 대한 극한한계상태 위험도를 평가하였다. 평가 대상은 전북 군산시 고군산군도 인근에 설치 예정인 5.5 MW 해상풍력터빈을 대상으로 하였으며, 지지구조물은 새롭게 개발된 펜타팟 석션 버켓 지지구조물이 적용되었다.

극한 한계상태의 세굴 취약도를 산정하기 위하여 풍하중과 파랑하중을 적용한 동적 해석을 수행하였다. 풍속의 seed를변경하여 총 30가지 추력을 이용하여 해석을 수행하였고, 세굴 깊이별 허용지지력을 세굴 깊이 6.5 m까지 0.5 m 간격으로 계산하였다. 구조해석을 통해 계산된 수평 부재력에 안전율을 고려하였으며, 세굴이 발생하지 않은 상태에서의 최대 수평 부재력과 비교하였다.

세굴 위험도는 안전율 1.0으로 설정했을 때 약 0.012%로 나타났으며 이에 대응되는 신뢰도 지수는 2.245로 계산되었다. 하지만 안전율을 증가시키면 부재력이 증가하기 때문에 세굴 위험도는 증가하고 신뢰도 지수는 감소하였다. 안전율을 2.0을 고려할 경우 위험도는 약 0.597%까지 상승하며, 신뢰도지수 또한 -0.245로 감소되었다.