[논문]선박충돌에 의한 해상풍력발전기의 취약도 평가

조병일; 김동현

doi:10.9765/kscoe.2013.25.4.236

선박충돌에 의한 해상풍력발전기의 취약도 평가
Fragility Assessment of Offshore Wind Turbine by Ship Collision 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.25 no.4, 2013년, pp.236 - 243

초록
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해상풍력발전기는 주위를 항행하는 선박 및 바지선등과 같은 선박에 의한 충돌피해가 발생할 수 있기 때문에 이에 대한 안정성을 고려해야 한다. 본 연구에서는 선박충돌에 대해 안정성을 고려하기 위해 해상풍력발전기의 선박충돌해석을 수행하고 충돌하중의 불확실성을 고려하기 위해 충돌취약도를 분석하였다. 충돌해석은 해저지반-기초구조물의 상호작용 및 유체를 p-y곡선과 부가질량법으로 고려하였다. 충돌취약도는 선박의 중량과 충돌각, 선박흘수를 변동성으로 고려하여 항복응력에 대한 손상수준을 추정하였으며 취약도를 분석한 결과, 850ton 바지선과 30,000DWT 화물선의 충돌속도에 취약함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Offshore wind turbines has to be proved against accidental events such as ship collision. In this study, ship collision fragility analysis of offshore wind turbine is done. Dynamic collision analysis is accomplished by considering soil foundation interaction and fluid structure interaction. Uncertainties due to ship weight and speed, angle are also considered. By analyzing dynamic response of offshore wind turbine, fragility curves are obtained for different damage levels. They can be used for restricting boat speed around the wind turbine and allowable size of the boat for inspection and for other purposes. Results of the fragility, it was confirmed fragility of collision speed of bulk ship of 30,000DWT and 850ton barge ship.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 충돌취약도를 계산하기 위해 충돌 시 해상풍력발전기의 지지구조물에서 발생한 최대응력을 충돌취약도의 손상수준으로 설정하였다. 또한, 충돌취약도 곡선의 변동성을 고려하기 위해 충돌각과 선박의 질량을 만선시(full), 상시(half), 공선시(empty)로 구분하여 Table 4에 나타내었다.

가설 설정

5MW 해상풍력발전기는 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 제시한 참고용 모델로 수심이 45.5 m이고 해저면에서 50 m까지 관입된 모노파일 형식의 기초구조물에 지지되어 있다고 가정하였다. Fig.
Fig. 6은 해상풍력발전기가 설치되는 해역의 해저지반 특성과 관입된 기초구조물을 나타낸 그림으로 해저면 아래로 20 m는 clay층, 그 이후부터 30m까지는 sand층으로 가정하였고, 각 층의 내부마찰각과 단위중량, 지반반력계수를 나타내었다. Fig.
0351 m인 원통형 실린더 타워이다. 본 연구에서 가정한 설계수심은 45.50m이고 평균해수면 위로 20.15 m인 위치에 TP(Transition piece)가 설치되어 있다고 가정하였다.
본 연구에서 사용된 충돌선박은 30,000DWT급 만재된 화물선으로 가정하여 해석을 수행하였다. 충돌선박의 제원은 Table 2에 나타낸 바와 같으며 만재된 화물선으로 가정하기 위해 부가질량요소를 사용하였다.
본 연구에서는 간단하게 해상풍력발전기의 해수면 아래로 작용하는 수압을 등가의 부가질량으로 고려하는 부가질량법을 사용하였다. 부가질량법은 구조물이 강체이고 해수는 점성효과를 고려하지 않은 비압축성 유체라는 가정을 기초로 한다. Goyal and Chopra(1989)은 원통형 실린더 타워에 작용하는 해수의 부가질량을 식 (7), (8)로 표현하여 해수에 둘러싸인 타워에 작용하는 부가질량과 타워 내부에 작용하는 부가질량의 계산방법을 제안하였다.
본 연구에서 사용된 충돌선박은 30,000DWT급 만재된 화물선으로 가정하여 해석을 수행하였다. 충돌선박의 제원은 Table 2에 나타낸 바와 같으며 만재된 화물선으로 가정하기 위해 부가질량요소를 사용하였다. 또한, 해상풍력발전기와 충돌이 발생하는 화물선의 선수부는 shell 요소로, 선수부 이외의 부분은 강체로 고려하여 Fig.
본 연구에서는 1~8 m/s의 충돌속도에 대해서 충돌해석을 수행하여 해상풍력발전기의 충돌취약도를 계산하였다. 해상풍력발전기와 충돌하는 선박은 850 ton 바지선과 30,000 DWT 화물선으로 가정하였으며 충돌취약도의 손상유무는 충돌선박과 지지구조물의 충돌지점에서 발생한 응력이 항복응력을 초과하는지에 따라 결정하였다. 또한 충돌취약도 곡선의 변동성을 고려하기 위해 선박의 충돌각을 0^o, −45^o, 45^o로 설정하고 선박의 중량을 만선시, 상시, 공선시로 구분하였다.

제안 방법

30,000DWT 충돌선박과 850ton barge선박을 이용하여 1~8 m/s의 충돌속도에서의 해상풍력발전기의 충돌해석을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 Ansys/Ls-dyna 구조해석 프로그램를 이용하여 충돌해석 시 API RP 2A(2000)에서 제시한 p-y곡선으로 해저지반의 비선형성을 고려하였고 충돌시 발생하는 충돌에너지를 확인하였다. 그리고 해상풍력발전기의 안정성을 평가하기 위해 선박과 해상풍력발전기가 충돌하는 위치의 응력을 확인하여 충돌속도에 대한 충돌취약도를 계산함으로서 해상풍력발전기 인근 해역을 통항하는 선박의 충돌속도를 제시하였다.
또한 충돌취약도 곡선의 변동성을 고려하기 위해 선박의 충돌각을 0o, −45o, 45o로 설정하고 선박의 중량을 만선시, 상시, 공선시로 구분하였다.
, 2009). 또한, 지지구조물은 6m의 직경을 갖는 모노파일형식으로 모델링하였다.
충돌선박의 제원은 Table 2에 나타낸 바와 같으며 만재된 화물선으로 가정하기 위해 부가질량요소를 사용하였다. 또한, 해상풍력발전기와 충돌이 발생하는 화물선의 선수부는 shell 요소로, 선수부 이외의 부분은 강체로 고려하여 Fig. 8과 같이 모델링하여 충돌해석을 수행하였다.
(2013)은 해상풍력발전기의 충돌위험과 충돌에 영향을 미치는 요인을 확인하여 선박충돌에 대한 위험도 평가방법을 제안하였다. 본 논문에서는 Ansys/Ls-dyna 구조해석 프로그램를 이용하여 충돌해석 시 API RP 2A(2000)에서 제시한 p-y곡선으로 해저지반의 비선형성을 고려하였고 충돌시 발생하는 충돌에너지를 확인하였다. 그리고 해상풍력발전기의 안정성을 평가하기 위해 선박과 해상풍력발전기가 충돌하는 위치의 응력을 확인하여 충돌속도에 대한 충돌취약도를 계산함으로서 해상풍력발전기 인근 해역을 통항하는 선박의 충돌속도를 제시하였다.
본 연구에서는 1~8 m/s의 충돌속도에 대해서 충돌해석을 수행하여 해상풍력발전기의 충돌취약도를 계산하였다. 해상풍력발전기와 충돌하는 선박은 850 ton 바지선과 30,000 DWT 화물선으로 가정하였으며 충돌취약도의 손상유무는 충돌선박과 지지구조물의 충돌지점에서 발생한 응력이 항복응력을 초과하는지에 따라 결정하였다.
해상풍력발전기는 해상에 설치되는 구조물로서 해수의 영향을 고려해야 한다. 본 연구에서는 간단하게 해상풍력발전기의 해수면 아래로 작용하는 수압을 등가의 부가질량으로 고려하는 부가질량법을 사용하였다. 부가질량법은 구조물이 강체이고 해수는 점성효과를 고려하지 않은 비압축성 유체라는 가정을 기초로 한다.
3, 단위중량 8500 kg/m³ 을 사용하였다. 블레이드는 복합재료 물성치가 사용되어지지만 본 논문의 목적은 선박충돌에 의한 해상풍력발전기와 해저지반의 거동 특성을 확인하기 위한 것이므로 블레이드의 질량과 고유 진동수를 유사하게 맞추어 해석에 적용하였다. 블레이드에 대한 질량과 고유진동수의 비교 자료로서는 Jonkman et al.
충돌과 같이 짧은 시간에 발생하는 문제를 해석하기 위해 본 논문에서는 explicit method를 사용하는 Ansys/Ls-dyna 구조해석 프로그램으로 충돌해석을 수행하였다. 블레이드, 로터 허브, 너셀, 타워, 모노파일 지지구조물은 163번 shell요소를 사용하여 모델링 했으며, 기초구조물 및 해저지반 스프링 모델은 161번 beam요소와 165번 link 요소를 사용하였다.
탄성계수와 단위중량, 프와송 비는 강재의 물성치를 이용하였고 항복응력 345×106Pa, 접선계수 763×106Pa, 경화 매개변수 0.8, 변형 매개변수 C와 P는 Cowper-Symonds 변형률 매개변수로 각각 40.5와 5, 파괴변형값은 0.75를 사용하였다.
허브와 너셀 및 블레이드는 선박충돌 발생 시, 타워의 거동에 의해 모사될 수 있도록 rigid 요소를 이용하여 연결시켰다. 해상풍력발전기의 너셀에 연결된 타워는 타워상부부터 지지구조물에 연결되는 타워하부까지 3.87 m에서 6.0 m의 직경으로 되어 있으며 10개 구간으로 나누어 각 구간별로 변단면을 고려해서 모델링 하였다(Jonkman et al., 2009). 또한, 지지구조물은 6m의 직경을 갖는 모노파일형식으로 모델링하였다.
5^o기울어져 있다. 허브의 중심은 타워의 하단에서 90.0 m 떨어진 최상부에 연결되어 있으며 너셀은 허브 중심에서 5m만큼 떨어진 위치에 각각 부가질량요소를 적용하여 모델링하였다. 허브와 너셀 및 블레이드는 선박충돌 발생 시, 타워의 거동에 의해 모사될 수 있도록 rigid 요소를 이용하여 연결시켰다.

대상 데이터

충돌과 같이 짧은 시간에 발생하는 문제를 해석하기 위해 본 논문에서는 explicit method를 사용하는 Ansys/Ls-dyna 구조해석 프로그램으로 충돌해석을 수행하였다. 블레이드, 로터 허브, 너셀, 타워, 모노파일 지지구조물은 163번 shell요소를 사용하여 모델링 했으며, 기초구조물 및 해저지반 스프링 모델은 161번 beam요소와 165번 link 요소를 사용하였다. 해상풍력발전기 모델은 2311개의 절점과 2496개의 요소로 모델링 되었다.
충돌해석에서 사용한 재료 물성치는 강재의 물성치 값인 탄성계수 2.1×1010Pa, 프와송 비는 0.3, 단위중량 8500 kg/m3 을 사용하였다.
타워를 지지해 주는 역할을 하는 지지구조물은 높이가 65.65 m, 외부 직경이 6 m, 두께가 0.0351 m인 원통형 실린더 타워이다. 본 연구에서 가정한 설계수심은 45.
블레이드, 로터 허브, 너셀, 타워, 모노파일 지지구조물은 163번 shell요소를 사용하여 모델링 했으며, 기초구조물 및 해저지반 스프링 모델은 161번 beam요소와 165번 link 요소를 사용하였다. 해상풍력발전기 모델은 2311개의 절점과 2496개의 요소로 모델링 되었다.

이론/모형

왜냐하면 지지구조물에서 직접적인 충돌하중이 전달되어 타워와 기초구조물에 작용하기 때문이다. 따라서 타워와 지지구조물, 기초구조물은 Cowper-Symonds 방정식을 이용한 strain rate dependent 비선형 물성치를 사용하였다. 탄성계수와 단위중량, 프와송 비는 강재의 물성치를 이용하였고 항복응력 345×10⁶Pa, 접선계수 763×10⁶Pa, 경화 매개변수 0.
또한 충돌취약도 곡선의 변동성을 고려하기 위해 선박의 충돌각을 0^o, −45^o, 45^o로 설정하고 선박의 중량을 만선시, 상시, 공선시로 구분하였다. 해상풍력발전기가 설치되는 해역의 지반조건은 API RP 2A(2000)에서 제시한 하중과 변위의 관계를 계산하여 이산화된 스프링으로 비선형성을 고려하였다. 바지선과 화물선에 대한 해상풍력발전기의 충돌취약도의 중앙값을 비교한 결과 바지선보다 화물선의 경우 약 0.

성능/효과

12는 30,000 DWT선박의 충돌과정에서 충돌 속도가 각각 3 m/s, 5 m/s, 충돌각이 0^o일 때 해상풍력발전기에 발생한 총 에너지와 운동에너지, 내부에너지, 감쇠에너지를 비교한 그림이다. 3 m/s일 때, 약 8초까지 선박충돌이 발생한 후 해상풍력발전기의 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있으며 5 m/s일 때는 해석시간까지 계속 선박충돌이 발생하고 3 m/s에서의 내부에너지보다 큰 감쇠에너지가 발생한 것을 확인할 수 있다.
이는 화물선과의 충돌시 해상풍력발전기가 매우 취약함을 나타낸다. 또한 화물선보다 큰 중앙값을 갖는 바지선도 약 2.45 m/s에서 중앙 값이 나타나므로 바지선과의 충돌에 대해 취약함을 확인하였다. 따라서 해상풍력발전기의 충돌에 대한 안정성을 높이기 위한 방안으로 수심이 깊은 곳에서도 사용이 가능한 충돌방지공을 개발할 필요가 있는 것으로 사료된다.
11은 850ton barge 선박으로 충돌해석을 수행하여 충돌속도별 최대응력을 나타낸 그림이다. 지지구조물의 항복응력인 345 MPa을 초과하는 응력이 3 m/s이하의 속도에서 만선시, 상시, 공선시 모두 나타나는 것을 확인하였다. 또한 충돌각이 45^o와 −45^o일 때 충돌속도별 최대응력은 유사하게 발생하였다.

후속연구

45 m/s에서 중앙 값이 나타나므로 바지선과의 충돌에 대해 취약함을 확인하였다. 따라서 해상풍력발전기의 충돌에 대한 안정성을 높이기 위한 방안으로 수심이 깊은 곳에서도 사용이 가능한 충돌방지공을 개발할 필요가 있는 것으로 사료된다.
추정한 충돌취약도 곡선을 이용하면 해상풍력발전기 주변으로 통항하는 선박의 속도제어에 활용할 수 있다. 예를 들어, 통항하는 바지선에 의한 해상풍력발전기의 충돌파괴확률이 10%라고 가정했을 때 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화물선과의 충돌시 해상풍력발전기가 매우 취약함을 나타내는 결과는 무엇인가?	해상풍력발전기가 설치되는 해역의 지반조건은 API RP 2A(2000)에서 제시한 하중과 변위의 관계를 계산하여 이산화된 스프링으로 비선형성을 고려하였다. 바지선과 화물선에 대한 해상풍력발전기의 충돌취약도의 중앙값을 비교한 결과 바지선보다 화물선의 경우 약 0.93 m/s의 작은 값을 갖는다. 이는 화물선과의 충돌시 해상풍력발전기가 매우 취약함을 나타낸다.
	해상풍력발전기가 선박에 대한 안정성을 고려해야 하는 이유는?	해상풍력발전기는 주위를 항행하는 선박 및 바지선등과 같은 선박에 의한 충돌피해가 발생할 수 있기 때문에 이에 대한 안정성을 고려해야 한다. 본 연구에서는 선박충돌에 대해 안정성을 고려하기 위해 해상풍력발전기의 선박충돌해석을 수행하고 충돌하중의 불확실성을 고려하기 위해 충돌취약도를 분석하였다.
	본 고에서 해상풍력발전기와 충돌을 가정한 선박은 무엇인가?	본 연구에서는 1~8 m/s의 충돌속도에 대해서 충돌해석을 수행하여 해상풍력발전기의 충돌취약도를 계산하였다. 해상풍력발전기와 충돌하는 선박은 850 ton 바지선과 30,000 DWT 화물선으로 가정하였으며 충돌취약도의 손상유무는 충돌선박과 지지구조물의 충돌지점에서 발생한 응력이 항복응력을 초과하는지에 따라 결정하였다. 또한 충돌취약도 곡선의 변동성을 고려하기 위해 선박의 충돌각을 0o, −45o, 45o로 설정하고 선박의 중량을 만선시, 상시, 공선시로 구분하였다.

참고문헌 (10)

API RP 2A (2000). Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design. 21st, American Petroleum Institute, N.W., Washington, D.C.
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상세보기
Florian, B. (2005). Collision safety analysis of offshore wind turbines. LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg, B(III), 27-34.
Goyal, A. and Chopra, A. (1989). Simplified evaluation of added hydrodynamic mass for intake towers. Journal of Engineering Mechanics, 115(7), 1393-1435.

상세보기
IEC 16400-3 (2009). Wind Turbines-part3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines. 1st edition, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland.
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W. and Scott, G. (2009). Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development. National Renewable Energy Laboratory(NREL). Technical Report, NREL/TP-500-38060.
LS-DYNA Support, http://www.dynasupport.com/tutorial/ls-dyna-usersguide/ energy -data
Park, J.S., Lee, G.H, Phu, T.D. (2011). Analysis of ship collision behavior on offshore wind tower. A Proceeding of Conference on Computational Structural Engineering Institute of Korea 2011. 610-613 (in Korean).
Ren, N. and Ou, J. (2009). Dynamic numerical simulation for ship- OWT collision. 8th International Conference on Reliability, Maintainability and Safety; ICRMS, 1003-1007.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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