일반적으로 해양 말뚝기초의 경우 해양 환경적 영향 및 시공상의 오차로 인해 수직도 오차가 필연적으로 발생한다. 해양구조물의 경우 수평하중이 아닌 수직하중에 의해 설계가 지배적이나, 해상풍력발전기 기초의 경우 수평하중이 지배적이며, 블레이드 회전에 의한 동적인 운동을 하는 구조형식으로 수직도 오차가 구조적으로 중요한 영향을 끼칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도 오차에 따른 기초와 지반의 구조응답 특성을 분석하였다. 해양환경하중은 ISO 기준에 의해 산정하였으며, 수직도 오차 범위는 $L/{\infty}$(=0), L/300, L/200 및 L/100로 선정하였다. 해석결과 수직도 오차가 없는 모노파일에 비해 L/100 오차를 갖는 지반의 부재력 최대 값이 약 7.2%정도 더 증가되는 것으로 분석되었다.
일반적으로 해양 말뚝기초의 경우 해양 환경적 영향 및 시공상의 오차로 인해 수직도 오차가 필연적으로 발생한다. 해양구조물의 경우 수평하중이 아닌 수직하중에 의해 설계가 지배적이나, 해상풍력발전기 기초의 경우 수평하중이 지배적이며, 블레이드 회전에 의한 동적인 운동을 하는 구조형식으로 수직도 오차가 구조적으로 중요한 영향을 끼칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도 오차에 따른 기초와 지반의 구조응답 특성을 분석하였다. 해양환경하중은 ISO 기준에 의해 산정하였으며, 수직도 오차 범위는 $L/{\infty}$(=0), L/300, L/200 및 L/100로 선정하였다. 해석결과 수직도 오차가 없는 모노파일에 비해 L/100 오차를 갖는 지반의 부재력 최대 값이 약 7.2%정도 더 증가되는 것으로 분석되었다.
In general, verticality error necessarily occurs in marine pile foundation due to construction error or marine environmental effects. In marine structure, design by vertical load rather than horizontal load is dominant, but in the offshore wind turbine foundation, horizontal load is dominant. As the...
In general, verticality error necessarily occurs in marine pile foundation due to construction error or marine environmental effects. In marine structure, design by vertical load rather than horizontal load is dominant, but in the offshore wind turbine foundation, horizontal load is dominant. As the structure type that has dynamic movement by blade rotation, verticality error may have structurally significant effects. In this study, structural response feature of foundation and ground were analyzed according to verticality error of monopile foundation of 5MW offshore wind turbine. Marine environmental load was calculated per ISO standard and the margin of verticality error was calculated to be $L/{\infty}$(=0), L/300, L/200 and L/100. As a result of analysis, it was found that the maximum value of member force of the foundation with L/100 error increased about 7.2% compared to the monopile without verticality error.
In general, verticality error necessarily occurs in marine pile foundation due to construction error or marine environmental effects. In marine structure, design by vertical load rather than horizontal load is dominant, but in the offshore wind turbine foundation, horizontal load is dominant. As the structure type that has dynamic movement by blade rotation, verticality error may have structurally significant effects. In this study, structural response feature of foundation and ground were analyzed according to verticality error of monopile foundation of 5MW offshore wind turbine. Marine environmental load was calculated per ISO standard and the margin of verticality error was calculated to be $L/{\infty}$(=0), L/300, L/200 and L/100. As a result of analysis, it was found that the maximum value of member force of the foundation with L/100 error increased about 7.2% compared to the monopile without verticality error.
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문제 정의
육상 말뚝기초와 비슷한 타입의 모노파일은 추가적인 해양 환경 요인에 의하여 시공오차의 발생 확률이 높은 실정이다. 그러나 현재까지 해상풍력용 모노파일 기초의 수직도에 따른 영향을 검토한 연구가 조사되지 않으며, 이에 본 연구에서 모노파일의 수직도에 따른 구조 응답 특성을 분석하고자 한다. 이때의 적용 요소망은 앞절에서 제안한 8D의 요소망 크기와 0.
이에 본 장에서는 모노파일 해석 요소망의 신뢰성을 확보하기 위해 지반 요소망 크기와 요소 크기의 변수 연구를 수행하였다. 변수 연구를 수행 후 결과 값의 수렴정도와 해석 수행 시간 등을 고려하여 모노파일 기초의 지반 요소망 및 요소 크기를 제안하고자 한다.
본 연구는 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 시공중 불가항력적으로 발생되는 시공오차의 영향 정도를 분석하기 위해 ISO 기준에 의한 하중을 산정하여 구조특성을 분석하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있다.
2m 이하일 때 상대적으로 증감 폭이 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 5MW급 해상풍력발전기의 경우 해석결과 값에 영향력이 낮아지면서 해석 수행 시 수렴되는 범위인 0.1m~0.25m의 요소 크기를 제안하고자 한다.
이에 본 연구에서는 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도에 의한 영향을 분석하고자 범용 지반 해석프로그램인 MIDAS/GTS의 2차원 요소를 이용하여 해석을 수행하였다. 수직도 영향을 분석하기위하여 ISO 코드(2009)로 5MW급 해상풍력 발전기의 작용 하중을 산정하였고, 유한요소해석 요소망의 신뢰성을 확보하기 위해 지반 요소망 크기와 요소 크기에 대한 변수 연구를 실시하였다.
이에 본 장에서는 모노파일 해석 요소망의 신뢰성을 확보하기 위해 지반 요소망 크기와 요소 크기의 변수 연구를 수행하였다. 변수 연구를 수행 후 결과 값의 수렴정도와 해석 수행 시간 등을 고려하여 모노파일 기초의 지반 요소망 및 요소 크기를 제안하고자 한다.
즉, 해석 수행 시간 대비 비교적 정확한 결과 값을 구할 수 있는 최적화된 요소 크기 결정이 필요하다. 이에 본 절에서는 모노파일기초에 지반 요소망의 요소 크기에 따른 변수 연구를 실시하였다. 변수 연구를 위한 지반의 요소 크기는 최대 1m부터 0.
이에 본 절에서는 해석결과 값에 영향력이 낮아지면서 해석수행 시 수렴되는 범위인 0.1m~0.25m의 요소 크기를 제안하고자 한다.
가설 설정
파랑 하중은 JONWSAP 스펙트럼과 모리슨 식(Morrison's)을 이용하여 산정 하였다. 유의파고(Significant wave height)는 10m, 피크 스펙트럼 주기(Peak spectral period)는 11.9sec로 가정하였다.
조류의 높이별 속도는 ISO 코드(2009)의 식 (8)를 이용하여 산출할 수 있고, 조류 하중은 식 (9)와 같이 조류 속도에 의한 함수로 표현할 수 있으며, 본 연구에서는 조류의 속도를 1.03m/s로 가정하였다.
모노파일 기초에 영향을 주는 바람하중은 해수면 윗 부분 (10m, 그림 1 참고)에 해당되는 부분만 적용하였으며, 기타 타워 부분에 해당되는 바람하중은 제외하였다. 풍속은 17.4m/s로 가정하였으며, 난류 특성(즉, 바람의 동적 특성)을 고려하기 위한 바람프로파일 및 스펙트럼은 ISO 코드(2009)에서 정한 아래 식 (3)~식 (4)를 이용하였다.
제안 방법
지반 요소망 크기에 따른 변수 연구 결과, 요소망 크기 6D 이상인 경우 3D에 비해 구조응답 결과가 상대적으로 크게 감소하였으며, 특히, 8D 이상인 경우 거의 변화가 없는 것으로 분석되었다. 또한, 11D 이상의 경우 결과 값의 수렴도가 높았으나, 해석시간대비 효율성을 고려 시 비효율적일 것으로 판단되며, 이에 모노파일 기초의 2차원 해석 시 지반 요소망 크기는 8D 이상으로 제안한다.
지반 요소망 크기에 따른 변수 연구 결과, 요소망 크기 6D 이상인 경우 3D에 비해 구조응답 결과가 상대적으로 크게 감소하였으며, 특히, 8D 이상인 경우 거의 변화가 없는 것으로 분석되었다. 또한, 11D 이상의 경우 결과 값의 수렴도가 높았으나, 해석시간대비 효율성을 고려 시 비효율적일 것으로 판단되며, 이에 본 장에서는 모노파일 기초의 2차원 해석 시 지반 요소망 크기는 8D 이상으로 제안한다. 이는 지반조건과 모노파일 직경 등의 기본 가정에 따라 차이는 발생될 수 있겠으나, 추후 연구에서 다양한 가정에 따른 추가적인 검토를 수행하여 신뢰성을 높이고자 한다.
모노파일 기초에 수직도 오차의 영향을 검토하기 위하여 작용 하중을 산정하였다. 모노파일 기초에 작용하는 5MW급 풍력발전기 자중을 포함하여 ISO 코드(2009)를 이용해 추력, 바람, 파랑 및 조류의 하중을 산정하였다.
모노파일의 수직도는 모노파일의 길이(L)와 비교하여, L/∞(=0), L/300, L/200, 및 L/100까지를 적용해 해석을 실시하였으며, 지반과 파일의 해석 조건은 앞 절과 동일하게 적용하였다.
이에 본 절에서는 모노파일기초에 지반 요소망의 요소 크기에 따른 변수 연구를 실시하였다. 변수 연구를 위한 지반의 요소 크기는 최대 1m부터 0.5m, 0.25m, 0.2m, 0.125m, 0.1m 및 0.05m로 모형화하여 그 영향을 살펴보고자 하였으며, 이때의 지반 요소망 크기는 앞 절에 제안한 8D를 이용하여 모형화를 실시하였다.
이에 본 연구에서는 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도에 의한 영향을 분석하고자 범용 지반 해석프로그램인 MIDAS/GTS의 2차원 요소를 이용하여 해석을 수행하였다. 수직도 영향을 분석하기위하여 ISO 코드(2009)로 5MW급 해상풍력 발전기의 작용 하중을 산정하였고, 유한요소해석 요소망의 신뢰성을 확보하기 위해 지반 요소망 크기와 요소 크기에 대한 변수 연구를 실시하였다. 해석 요소망에 적합한 변수를 제안하고, 제안된 요소망을 이용하여 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도 오차에 따른 모노파일 및 지반의 영향을 분석하였다.
그러나 현재까지 해상풍력용 모노파일 기초의 수직도에 따른 영향을 검토한 연구가 조사되지 않으며, 이에 본 연구에서 모노파일의 수직도에 따른 구조 응답 특성을 분석하고자 한다. 이때의 적용 요소망은 앞절에서 제안한 8D의 요소망 크기와 0.125m의 요소 크기를 적용하였으며, 재하되는 하중은 2장에서 제안된 하중을 적용하였다. 모노파일의 수직도는 모노파일의 길이(L)와 비교하여, L/∞(=0), L/300, L/200, 및 L/100까지를 적용해 해석을 실시하였으며, 지반과 파일의 해석 조건은 앞 절과 동일하게 적용하였다.
지반 요소망 크기의 변수 연구를 위하여 지반 요소망 범위를 모노파일 중심으로부터 좌, 우측면으로 3D~11D로 결정하였다. 본 절에서의 변수는 지반 요소망 크기이므로 요소 크기는 1m로 고정하였다.
해석에 사용된 하중은 2장에서 산정된 하중을 적용하였으며, 자중은 수직 집중하중과 바람, 파랑 및 조류는 포인트별 수평 집중 하중으로 적용하였다. 추력의 경우 너셀 위치에 작용하는 하중이므로 본 연구에서는 모노파일의 상부에 모멘트하중으로 산정하여 적용하였다.
수직도 영향을 분석하기위하여 ISO 코드(2009)로 5MW급 해상풍력 발전기의 작용 하중을 산정하였고, 유한요소해석 요소망의 신뢰성을 확보하기 위해 지반 요소망 크기와 요소 크기에 대한 변수 연구를 실시하였다. 해석 요소망에 적합한 변수를 제안하고, 제안된 요소망을 이용하여 5MW급 해상풍력발전기 모노파일 기초의 수직도 오차에 따른 모노파일 및 지반의 영향을 분석하였다.
지반은 총 6개 층으로서 각각의 지반 물성치는 표 1에 나타내었고, 대략적인 변수 연구의 해석 개요도와 해석 요소망을 그림 1~그림 2에 나타내었다. 해석에 사용된 지반조건으로 좌우경계는 Roller 조건, 하부경계는 Hinge 조건으로 설정하였고, 말뚝은 탄성요소망, 지반은 Mohr-Coulomb 요소망을 사용하였으며, 말뚝과 지반의 접촉은 강결(Rigid) 조건으로 해석을 수행하였다.
해석에 사용된 하중은 2장에서 산정된 하중을 적용하였으며, 자중은 수직 집중하중과 바람, 파랑 및 조류는 포인트별 수평 집중 하중으로 적용하였다. 추력의 경우 너셀 위치에 작용하는 하중이므로 본 연구에서는 모노파일의 상부에 모멘트하중으로 산정하여 적용하였다.
대상 데이터
해석에 사용된 모노파일 기초는 강관파일(STK 490; γs=77kN/m3 , Es=210,000MPa, v=0.3)로서 직경 5m, 두께 0.07m 및 총 길이 90m이며, 기반암층에 10m 근입된 것으로 가정하였다.
이론/모형
파랑 하중은 JONWSAP 스펙트럼과 모리슨 식(Morrison's)을 이용하여 산정 하였다.
성능/효과
1. 지반 요소망 크기에 따른 변수 연구 결과, 요소망 크기 6D 이상인 경우 3D에 비해 구조응답 결과가 상대적으로 크게 감소하였으며, 특히, 8D 이상인 경우 거의 변화가 없는 것으로 분석되었다. 또한, 11D 이상의 경우 결과 값의 수렴도가 높았으나, 해석시간대비 효율성을 고려 시 비효율적일 것으로 판단되며, 이에 모노파일 기초의 2차원 해석 시 지반 요소망 크기는 8D 이상으로 제안한다.
2. 요소 크기에 따른 변수 분석 결과, 요소 크기가 조밀해질수록 값이 선형적으로 증감하는 현상을 나타냈으며, 특히 요소 크기가 0.2m 이하일 때 상대적으로 증감 폭이 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 5MW급 해상풍력발전기의 경우 해석결과 값에 영향력이 낮아지면서 해석 수행 시 수렴되는 범위인 0.
3. 모노파일 기초의 수직도 오차를 검토한 결과, 모노파일 수직도 오차가 커질수록 모노파일의 수평력은 약 8%, 지반의 수직응력은 약 11% 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
4. 모노파일 기초의 수직도 오차를 검토한 결과, 모노파일의 수직도 오차가 커질수록 수직력은 1%, 모멘트는 3%, 수평변위는 3% 및 수직변위는 1%씩 증가되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히, 지반의 수평응력의 결과 값이 7% 이상이 증가되는 것을 확인 할 수 있었다.
모노파일의 수직도 오차를 분석한 결과 수직도 오차가 발생하지 않은 경우와 비교하여 L/100의 수직도 오차가 발생시 모노파일의 수직력은 493.9kN, 모멘트는 9,959.0kN·m, 지반의 수평변위는 32.37mm, 수직변위는 7.27mm, 그리고 수평응력은 1,825.4 kN/m2가 증가되는 것을 확인 할 수 있었다.
변수 분석 결과 요소 크기가 조밀해 질수록 값이 선형적으로 증감하는 현상을 나타냈으며, 특히 요소 크기가 0.2m 이하일 때 상대적으로 증감 폭이 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
지반 요소망 크기에 따른 변수 연구 결과, 요소망 크기 6D 이상인 경우 3D에 비해 구조응답 결과가 상대적으로 크게 감소하였으며, 특히, 8D 이상인 경우 거의 변화가 없는 것으로 분석되었다. 또한, 11D 이상의 경우 결과 값의 수렴도가 높았으나, 해석시간대비 효율성을 고려 시 비효율적일 것으로 판단되며, 이에 본 장에서는 모노파일 기초의 2차원 해석 시 지반 요소망 크기는 8D 이상으로 제안한다.
후속연구
특히, 해상용 모노파일 기초의 경우 수평하중이 지배적이므로 지반 요소망 크기에 따라 수평 영향력의 결과 값이 큰 차이를 나타낼 수 있다. 또한, 유한요소 해석 결과 값의 정확도는 요소 크기에 의해서도 지배적이며, 이에 대한 사전검토가 필수적이다.
본 연구를 통하여 불가항력 적으로 발생 가능한 모노파일의 수직도에 대한 검토를 필수적으로 수행할 것을 제안하며, 이를 설계에 반영해야 된다고 사료된다.
또한, 11D 이상의 경우 결과 값의 수렴도가 높았으나, 해석시간대비 효율성을 고려 시 비효율적일 것으로 판단되며, 이에 본 장에서는 모노파일 기초의 2차원 해석 시 지반 요소망 크기는 8D 이상으로 제안한다. 이는 지반조건과 모노파일 직경 등의 기본 가정에 따라 차이는 발생될 수 있겠으나, 추후 연구에서 다양한 가정에 따른 추가적인 검토를 수행하여 신뢰성을 높이고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상풍력발전의 장점은 무엇인가?
지구온난화의 영향과 국제유가의 급등으로 인하여 신재생 에너지 공급의무 할당제(Renewable Portfolio Standard; RPS)의 도입이 결정됨에 따라 대규모 신재생에너지 개발이 요구되고 있는 가운데, 해상풍력이 이에 대한 가장 현실적인 대안으로 여겨지고 있다(김지영 등, 2011). 해상풍력발전은 지역적인 입지의 문제점이 없기 때문에 대규모 발전단지의 조성이 가능하며, 장애물 감소로 바람의 난류와 높이나 방향에 따른 풍속변화가 적기 때문에 유사조건 육상풍력발전에 비해 상대적으로 높은 발전량을 유지할 수 있는 장점이 있으나(Musial et al., 2006), 아직까지 해상풍력 개발을 위한 기반기술의 확보가 매우 미흡한 실정이다(김지영 등, 2011).
해상풍력발전에 작용하는 하중은 무엇에 의한 하중인가?
해상풍력발전은 육상에 비해 초기 투자비가 크기 때문에, 단위 생산 전력당 단가를 낮추기 위해 발전 용량이 5MW(Megawatt)급 이상으로 대형화 되고 있고(박광필 등, 2011), 이때, 작용하는 하중은 자중과 파랑(Wave), 조류(Current), 해양생물(Marine growth)등의 해양환경하중, 그리고 바람(Wind)과 추력(Thrust)의 하중이 발생된다. 이러한 하중의 대부분이 수평으로 작용하는 하중으로서 이를 구조물의 하부 기초에서 부담해야 된다.
해상풍력발전의 발전용량이 대형화되는 이유는 무엇인가?
해상풍력발전은 육상에 비해 초기 투자비가 크기 때문에, 단위 생산 전력당 단가를 낮추기 위해 발전 용량이 5MW(Megawatt)급 이상으로 대형화 되고 있고(박광필 등, 2011), 이때, 작용하는 하중은 자중과 파랑(Wave), 조류(Current), 해양생물(Marine growth)등의 해양환경하중, 그리고 바람(Wind)과 추력(Thrust)의 하중이 발생된다. 이러한 하중의 대부분이 수평으로 작용하는 하중으로서 이를 구조물의 하부 기초에서 부담해야 된다.
참고문헌 (10)
김지영, 강금석(2010) 해상풍력터빈 기초 구조물 설치로 인한 파랑거동 변화 검토, 한국해안해양공학회논문집, 한국해안해양공학회, Vol. 22, No. 5, pp. 306-315.
김지영, 김경열, 이준신(2011) 반응표면분석법에 의한 해상풍력터빈 최적배치 설계, 한국해안해양공학회논문집, 한국해안해양공학회, Vol. 23, No. 2, pp. 163-170.
박광필, 차주환, 이규열(2011) 해상 풍력 발전기 리프팅 해석을 위한 해상 크레인 멀티 붐 요소망링, 대한기계학회논문집, 대한기계학회, Vol 35, No. 1, pp. 115-120.
윤길림, 이근하, 함태규, 이규환(2011) 해상풍력발전(Offshore Wind Turbine)과 지반공학, 한국지반공학회지, 한국지반공학회, Vol. 27, No, 2, pp. 8-17.
한국토지공사(2007) 건설공사 전문시방서(토목 및 기초공사).
(사)한국선급(2011) 해상용 풍력발전 시스템의 기술 기준.
ISO 19901-1 (2009) Petroleum and natural gas industries - Specific requirements for offshore structures - Part 1: Metocean design and operating considerations.
Musialm, W., Butterfield, S., and Ram, B. (2006) Energy from offshore wind, NREL, pp. 2-11.
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