최근 화석 연료의 사용에 따른 문제들로 인해 다양한 그린 에너지들이 주목 받고 있다. 그린 에너지의 한 종류로써 풍력 발전의 원동력인 바람은 육상에서 보다 해상에서 양질의 값이 관측된다. 또한, 부지확보, 소음, 전자파와 같은 육상 풍력 발전의 문제점을 해결할 대안으로써, 또한 더 효율적인 풍력 발전을 위해 해상 풍력 발전의 개발이 주목받고 있다. 이에 따라 해상 풍력에 대한 많은 연구들이 수행되고 있다. 풍력 타워가 해상으로 진출함에 따라 해상 풍력 타워는 점차 거대해지고 있다. 따라서 풍력과 파력을 견뎌내기 위한 안정성이 요구되고 있다. 본 연구에서는 p-y 관계를 이용해 다층 지반의 기초에 작용하는 외력을 계산하였다.
최근 화석 연료의 사용에 따른 문제들로 인해 다양한 그린 에너지들이 주목 받고 있다. 그린 에너지의 한 종류로써 풍력 발전의 원동력인 바람은 육상에서 보다 해상에서 양질의 값이 관측된다. 또한, 부지확보, 소음, 전자파와 같은 육상 풍력 발전의 문제점을 해결할 대안으로써, 또한 더 효율적인 풍력 발전을 위해 해상 풍력 발전의 개발이 주목받고 있다. 이에 따라 해상 풍력에 대한 많은 연구들이 수행되고 있다. 풍력 타워가 해상으로 진출함에 따라 해상 풍력 타워는 점차 거대해지고 있다. 따라서 풍력과 파력을 견뎌내기 위한 안정성이 요구되고 있다. 본 연구에서는 p-y 관계를 이용해 다층 지반의 기초에 작용하는 외력을 계산하였다.
Recently, by the problems owing to utilization of fossil fuel, various green energies receive attention. Wind, the impetus for the wind power generation as one of the green energies, is observed higher quality value in the offshore than onshore. Also, the development of offshore wind turbines is in ...
Recently, by the problems owing to utilization of fossil fuel, various green energies receive attention. Wind, the impetus for the wind power generation as one of the green energies, is observed higher quality value in the offshore than onshore. Also, the development of offshore wind turbines is in the spotlight as alternative to solve the problems of onshore wind farm such as securing sites, noise, and electromagnetic waves, and to get efficient wind energy. Therefore, the many researches on offshore wind energy have been carried out. As wind towers are advanced to ocean, offshore wind towers have been enlarged. Thus, stability is required to endure wind force and wave force. In this study, the external forces act on the foundation in multi-layered are calculated by p-y relation.
Recently, by the problems owing to utilization of fossil fuel, various green energies receive attention. Wind, the impetus for the wind power generation as one of the green energies, is observed higher quality value in the offshore than onshore. Also, the development of offshore wind turbines is in the spotlight as alternative to solve the problems of onshore wind farm such as securing sites, noise, and electromagnetic waves, and to get efficient wind energy. Therefore, the many researches on offshore wind energy have been carried out. As wind towers are advanced to ocean, offshore wind towers have been enlarged. Thus, stability is required to endure wind force and wave force. In this study, the external forces act on the foundation in multi-layered are calculated by p-y relation.
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문제 정의
본 연구에서는 Kim and Jin(2013)의 연구에서 개발된 프로그램을 발전시켜, 모노파일 식 해상 타워에 작용하는 파압과 풍압이 기초 주변 지반에 미치는 영향에 관하여 해석하였다.
본 연구에서는 다층지반에 근입 된 모노파일 기초의 해상 풍력 타워가 수평하중을 받을 때, 풍속에 따라 해상 풍력 타워에 작용하는 풍력과 파력을 산출하여 기초 주변 지반의 응답을 해석하였다. 지반 응답 해석을 위해 p-y 곡선이 사용되었으며, 풍속은 태풍의 분류 기준인 10m/s, 20m/s, 30m/s가 사용되었다.
가설 설정
본 연구에서는 계산을 위한 조건으로 수심은 30m로 가정하였고, 타워 높이는 수면 아래 30m, 수면 위로 80m이가. 기초의 근입 깊이는 구조물기초설계기준과 도로교설계기준에서 제시한 산정식을 기초로 30m로 산정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 계산을 위한 조건으로 수심은 30m로 가정하였고, 타워 높이는 수면 아래 30m, 수면 위로 80m이가. 기초의 근입 깊이는 구조물기초설계기준과 도로교설계기준에서 제시한 산정식을 기초로 30m로 산정하였다. 타워의 상부 직경 3.
대상 데이터
와 유효 단위 중량 γ는 Andersen et al.(2012)의 150kN/m2와 12kN/m3을 사용하였다. 나머지 지반은 사질토이며, 내부 마찰각과 γ는 상층부 부터 Kim and Park(2005)의 30o와 15.
Table 1에서 Ⅰ은 고층 건물이 많은 지역이며, Ⅱ는 낮은 건물이 많은 지역, Ⅲ은 장애물이 있는 평지, 그리고 Ⅳ는 해양과 같이 장애물이 없는 지역을 뜻한다. 본 연구의 경우, 해상 풍력발전을 대상으로 하고 있으므로, n값은 Table 1에서 0.1을 사용하였다(Coastal Development Institue of Technology, 2011).
풍속의 경우, Thrust force의 영향을 확인하기 위해 10m/s, 20m/s와 30m/s의 경우로 나타내었다. 블레이드의 모델링을 위한 블레이드의 데이터는 NREL에서 개발된 S826, S825, S818이 적용되었다.
데이터처리
(2012)의 해석 결과와 비교하였으며, 사질토의 경우에는 Jang et al.(2013)의 해석 결과와 비교 검증하였다.
이론/모형
본 연구에서는 Reese et al.(1974)이 사질토 층에 대하여 제안한 p-y 곡선을 이용하여 해석을 수행하였다.
Coastal Development Institute of Technology의 Offshore Wind Power Generation Technical Manual(2011)을 참고하여, 풍력발전 타워에 미치는 풍력을 다음 식으로 계산하였다.
성능/효과
따라서 높이에 따라 직경이 일정하게 감소되는 해상 타워에서는 직경이 작은 상부에서보다 직경이 큰 하부에서 더욱 큰 풍력이 작용하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 로터의 가동 구간인 10m/s와 20m/s에서는 블레이드의 회전에 의한 풍력의 손실로 인해 타워에 가해지는 풍력의 크기가 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
5~6에 나타내었다. 비교 결과 잘 일치함을 확인 할 수 있었다.
(2012)의 연구 결과이며, 빨간 포인트는 본 연구 결과이다. 비교 결과 좋은 일치를 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 사질토에서의 타당성 검토를 위해 Jang et al.
풍속이 증가할수록 모노파일의 변형에 의해 지반 변형이 증가하며 전단력 및 모멘트는 지반 반력에 비례해 변화하는 것을 확인할 수 있다. 지반의 반력은 각 지반의 지반 반력 계수의 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있으며, 동일한 지반 층에서는 지반의 변형이 커질수록 지반 반력 또한 커짐을 알 수 있다. 그러나 기초 깊이의 절반 이후에는 지반 반력의 감소를 확인할 수 있는데, 이는 지표에 가까워짐에 따라 지반의 상재 하중 감소로 인한 지반 반력 계수의 감소로 인한 것으로 사료된다.
10~13은 풍속 변화에 따른 기초의 변형, 지반 반력, 전단력 및 모멘트를 나타낸 것이다. 풍속이 증가할수록 모노파일의 변형에 의해 지반 변형이 증가하며 전단력 및 모멘트는 지반 반력에 비례해 변화하는 것을 확인할 수 있다. 지반의 반력은 각 지반의 지반 반력 계수의 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있으며, 동일한 지반 층에서는 지반의 변형이 커질수록 지반 반력 또한 커짐을 알 수 있다.
해석 결과 기초의 중심부에 반력의 집중이 나타며, 지표와 가까운 층에서는 하중을 거의 견뎌내지 못함을 확인할 수 있다. 따라서 기초의 직경 혹은 강성의 변화를 통한 고른 하중 분포의 유도가 필요할 것으로 사료된다.
후속연구
본 연구를 통해 해상 풍력 타워의 안정성의 해석에 기초 해석으로써 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바람, 조석, 파랑, 태양을 이용한 그린에너지 개발이 진행되는 이유는?
최근 화석 연료 사용에 따른 환경오염과 지구 온난화 현상, 그리고 자원의 고갈로 인해 바람, 조석, 파랑, 태양을 이용한 그린에너지 개발이 진행되고 있다.
해상 풍력발전 타워는 기초의 형식에 따라 어떻게 나뉘는가?
이러한 해상 풍력발전 타워는 기초의 형식에 따라 중력식, 모노파일식, 자켓식, 부유식이 있다. 중력식의 경우는 6m~10m, 모노파일식의 경우에는 25m~30m, 자켓식의 경우 20m~80m, 부유식의 경우에는 40m~900m의 수심에서 주로 사용된다.
모노파일 기초의 해상 풍력 타워에 대한 다층 지반 해석연구 결과는?
해석 결과 기초의 중심부에 반력의 집중이 나타며, 지표와 가까운 층에서는 하중을 거의 견뎌내지 못함을 확인할 수 있다. 따라서 기초의 직경 혹은 강성의 변화를 통한 고른 하중 분포의 유도가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 해상 풍력 타워의 안정성의 해석에 기초 해석으로써 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (18)
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