본 연구는 해상풍력발전기 기초 설계에 사용되는 IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO 및 국내 설계기준의 설계방법 및 안전율의 정도를 비교, 분석함으로써, 국내에서 해상풍력발전기 기초 설계시 필요한 제반사항을 제공하고자 한다. 해상풍력발전기 기초 설계에 관한 국내외 설계기준을 분석한 결과 설계법은 크게 설계접근법, 하중저항 설계법, 허용응력설계법을 적용하고 있으며, 각 설계법에 따른 안전율 정도를 분석한 결과 하중저항계수 설계법과 설계접근법은 거의 유사한 수준의 안전율을 확보하고 있는 반면, 허용응력설계법에서는 다소 보수적인 안전율을 적용하고 있어 해상풍력발전기 기초의 경제적 설계를 위한 국내 설계기준 개발이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 해상풍력발전기 기초 설계에 사용되는 IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO 및 국내 설계기준의 설계방법 및 안전율의 정도를 비교, 분석함으로써, 국내에서 해상풍력발전기 기초 설계시 필요한 제반사항을 제공하고자 한다. 해상풍력발전기 기초 설계에 관한 국내외 설계기준을 분석한 결과 설계법은 크게 설계접근법, 하중저항 설계법, 허용응력설계법을 적용하고 있으며, 각 설계법에 따른 안전율 정도를 분석한 결과 하중저항계수 설계법과 설계접근법은 거의 유사한 수준의 안전율을 확보하고 있는 반면, 허용응력설계법에서는 다소 보수적인 안전율을 적용하고 있어 해상풍력발전기 기초의 경제적 설계를 위한 국내 설계기준 개발이 필요할 것으로 판단된다.
This study is carried out to analyze the design method and safety rate degree for IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO and domestic design standard used for offshore wind turbine foundation design. The findings will provide a design parameter for domestic offshore wind turbine foundat...
This study is carried out to analyze the design method and safety rate degree for IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO and domestic design standard used for offshore wind turbine foundation design. The findings will provide a design parameter for domestic offshore wind turbine foundation design. The design of the steel Support Structure of an offshore wind turbine can be based on either the Allowable Stress Design(ASD) approach or the Load and Resistance Factor Design(LRFD) approach. The design principles with the use of LRFD method are described with various limit states. A limit state is a condition beyond which a structure or part of a structure exceeds a specified design requirement. Design by the LRFD method is a design method by which the target component safety level is obtained by applying load and resistance factors to characteristic reference values of loads (load effects)and structural resistance. When the strength design of the steel Support Structure is based on the ASD approach, the design acceptance criteria are to be expressed in terms of appropriate basic allowable stresses in accordance with the requirements specified. After comparison an economics domestic offshore wind turbine foundation standard will be developed.
This study is carried out to analyze the design method and safety rate degree for IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO and domestic design standard used for offshore wind turbine foundation design. The findings will provide a design parameter for domestic offshore wind turbine foundation design. The design of the steel Support Structure of an offshore wind turbine can be based on either the Allowable Stress Design(ASD) approach or the Load and Resistance Factor Design(LRFD) approach. The design principles with the use of LRFD method are described with various limit states. A limit state is a condition beyond which a structure or part of a structure exceeds a specified design requirement. Design by the LRFD method is a design method by which the target component safety level is obtained by applying load and resistance factors to characteristic reference values of loads (load effects)and structural resistance. When the strength design of the steel Support Structure is based on the ASD approach, the design acceptance criteria are to be expressed in terms of appropriate basic allowable stresses in accordance with the requirements specified. After comparison an economics domestic offshore wind turbine foundation standard will be developed.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 해상 풍력발전기 기초의 안전성을 확보하기 위한 안전율의 정도를 국제적으로 인정된 설계기준인 IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO와 국내 설계기준을 비교함으로써, 향후 국내 해상 풍력발전기 설계에 필요한 제반사항을 제공하고자 한다. 본 연구에서 선정한 EUROCODE와 AASHTO 설계 기준은 해상 풍력발전기 기초 설계를 위한 전용 설계기준은 아니지만, 토목 분야에서 이미 검증된 설계기준으로서 해상 풍력발전기 기초 설계에 적용 가능할 것으로 판단되어 함께 비교, 분석하였으며, 그림 1은 대략적인 해상풍력발전기의 개념도를 나타내었다.
제안 방법
AASHTO의 경우 Wind Load가 적용된 한계상태는 Strength 3(풍속 55 MPh 이상)과 Strength 5(풍속 55 MPh) 기준이며, 본 연구에서는 일반적인 조건을 적용하고자 Strength 5를 적용하였다. 저항계수는 각 조건에 해당되는 값을 모두 적용하여 분석하였으며, 2.
따라서, 본 연구에서는 해상 풍력발전기 기초의 안전성을 확보하기 위한 안전율의 정도를 국제적으로 인정된 설계기준인 IEC 61400-3, DNV-OS-J101, GL Wind, EUROCODE, AASHTO와 국내 설계기준을 비교함으로써, 향후 국내 해상 풍력발전기 설계에 필요한 제반사항을 제공하고자 한다. 본 연구에서 선정한 EUROCODE와 AASHTO 설계 기준은 해상 풍력발전기 기초 설계를 위한 전용 설계기준은 아니지만, 토목 분야에서 이미 검증된 설계기준으로서 해상 풍력발전기 기초 설계에 적용 가능할 것으로 판단되어 함께 비교, 분석하였으며, 그림 1은 대략적인 해상풍력발전기의 개념도를 나타내었다.
IEC 61400-3에 의한 하중조합 및 하중계수는 다음과 같다. 최대하중계수는 1.35로서 선형적 조합을 토대로 저항계수는 타워의 재료에 사용되는 안전계수를 사용하였으며, 파괴의 중요도는 Component class 2를 적용하였다. 검토결과 IEC 61400-3 코드에 의한 해상풍력발전기 기초의 안전율 정도는 1.
해상 풍력발전기 기초 설계를 위한 국내외 관련 설계 기준의 안전율 정도를 파악하기 위하여 해상 풍력발전기에 작용하는 대표적인 하중인 자중, 풍하중, 파랑, 조류, 추력, 침하, 온도 하중을 토대로 검토하였으며, LRFD의 안전율 수준은 다음 식 (1)로 추정하였다.
대상 데이터
해상 풍력발전기 기초 중 항타에 의해 시공되는 Monopile 기초를 예로 선정하여 검토하였다.
이론/모형
풍력과 관련된 IEC 설계 기준은 아래와 같으며, 이 중 해상 풍력발전기 기초 설계와 관련된 기준은 IEC 61400-3으로서 설계법은 하중저항계수 설계법(LRFD)을 적용하고 있다. 또한, IEC 61400-3에서는 해상 풍력발전기 구조물의 안전 등급을 크게 2가지 범주로 구분하고 있으며, 설계에서는 Normal safety class에 해당하는 기준을 적용하고 있다.
성능/효과
EUROCODE에 의한 하중조합은 3개의 설계접근법 중 설계접근법 1을 적용하여 분석한 결과 안전율은 1.4786, 1.6343으로 분석되었다. 안전율 1.
해상 풍력발전기 기초 설계에 관한 국내외 설계기준을 분석한 결과 설계법은 크게 설계접근법, 하중저항설계법, 허용 응력설계법으로 구분할 수 있다. 각 설계법에 따른 안전율 정도를 분석한 결과 하중저항계수 설계법과 설계접근법은 거의 유사한 수준을 나타내고 있으나, 허용응력설계법에서는 다소 보수적인 설계가 됨을 알 수 있다.
35로서 선형적 조합을 토대로 저항계수는 타워의 재료에 사용되는 안전계수를 사용하였으며, 파괴의 중요도는 Component class 2를 적용하였다. 검토결과 IEC 61400-3 코드에 의한 해상풍력발전기 기초의 안전율 정도는 1.755로 분석 되었다.
후속연구
본 연구는 우리나라 최초의 해상풍력 발전기 기초 설계에 대한 설계법 정립이라는 초석을 마련하는데 그 의의를 찾을 수 있으며, 향후 구체적인 설계기준을 마련하기 위해 인증기관 및 관련 전문가들의 업무 협의 및 연구개발이 지속적으로 수행될 필요성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력발전의 장점은 무엇인가?
인류의 지속가능한 성장과 지구 온실가스 문제 해결을 위해 다양한 신재생에너지 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그중에서도 풍력발전은 가장 경제성이 높고 공급 비중이 가장 빠르게 증가하고 있는 에너지원이다. 이러한, 풍력발전의 최근 경향은 대형화, 대규모화, 해상풍력 이렇게 3가지로 분류할 수 있다.
EUROCODE에서 설계접근법 1의 원리의 신뢰도 체크를 위하 2단계를 설명하시오
EUROCODE에서 설계접근법 1의 원리는 2가지 단계로 기초의 신뢰도를 체크하고 있다. Combination 1에서는 부분계수가 하중에만 적용되며, 지반강도 및 저항력에는 계수가 적용되지 않는다. Combination 2에서는 부분계수가 지반강도와 변동하중에 적용되는 반면, 영구하중과 저항력에는 계수를 적용하지 않는다. 설계접근법 2의 원리는 하중 또는 하중효과와 저항력에는 동시에 부분계수를 적용하는 반면 지반강도에는 적용하지 않음으로써 기초의 신뢰도를 확인한다.
풍력발전의 최근 경향을 3가지로 분류한다면?
인류의 지속가능한 성장과 지구 온실가스 문제 해결을 위해 다양한 신재생에너지 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그중에서도 풍력발전은 가장 경제성이 높고 공급 비중이 가장 빠르게 증가하고 있는 에너지원이다. 이러한, 풍력발전의 최근 경향은 대형화, 대규모화, 해상풍력 이렇게 3가지로 분류할 수 있다. 최근에 바람이 우수하고 소음이나 경관의 문제가 비교적 없는 해상풍력발전 단지의 개발이 크게 늘고 있으며 이를 위해 해상 풍력 발전용 초대형 풍력발전 시스템의 개발 및 설치가 늘어나고 있다.
참고문헌 (13)
국토해양부(2009) 구조물 기초 설계기준 해설.
송승호, 정병창(2010) 해상으로 가는 풍력발전, 전기의 세계, 대한전기학회, Vol. 59, No. 5, pp. 47-54.
(사)한국선급(2008) 풍력발전 시스템의 기술 기준.
(사)한국선급(2011) 해상용 풍력발전 시스템의 기술 기준.
해양수산부(2005) 항만 및 어항 설계기준.
AASHTO(2007) LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATION.
API-LRFD(1993) Recommended Practice for Planning, Desi gning and Constructing Fixed Offshore Platforms.
API-WSD(2002) Recommended Practice for Planning, Desi-gning and Constructing Fixed Offshore Platforms.
DNV-OS-J101(2007) Design of Offshore Wind Turbine Struc-ture.
EUROCODE 7 : Geotechnical design- Part 1: General rules.
GL wind(2005) Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbine.
IEC 61400-3 Part 3, Design requirements for offshore wind turbine.
IEC 61400-22 Part 22, Conformity testing and certification of wind turbines.
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