해상풍력 구조물은 풍속과 파고 등 유체동역학적 하중의 영향을 받는다. 유럽의 경우 다수의 해상풍력발전기가 설치되어 있고, 한국의 경우에는 설치사례가 없으나, 해상풍력발전에 대한 관심이 고조되어 조만간 설계단계가 도래할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 ABS(2010, 2013)와 IEC(2009)에서 제공하는 설계 기준을 이용하여 구조물의 신뢰성 수준을 검토하였다. 한국 연안 4개 지점(군산, HeMOSU 1호, 목포, 제주)의 해상조건을 사용하여 바람과 파랑하중, 해상풍력발전 구조물의 응답에 대하여 적용하였다. 검토 결과, 태풍이 우세한 해역의 경우 큰 변동성 때문에 IEC 설계기준을 한국 연안에 적용하는 경우, 유럽 해상에 적용한 결과보다 신뢰도 지수가 낮게 산정되었다. 유럽의 경우와 유사한 수준의 신뢰도 확보를 위해서는 ABS(2010, 2013) 100년 빈도 설계기준을 적용하는 것이 바람직한 것으로 파악되었다. 그러나, IEC 기준은 태풍의 영향에 대한 고려가 미흡하고, ABS 기준은 WSD 설계법이므로 국내 실정에 맞는 Level 1 신뢰성 설계법 도입이 필요하며, 국내 바람과 파랑 하중에 대한 통계적 특성을 고려하여 설계방정식을 설정하는 것도 필요하다.
해상풍력 구조물은 풍속과 파고 등 유체동역학적 하중의 영향을 받는다. 유럽의 경우 다수의 해상풍력발전기가 설치되어 있고, 한국의 경우에는 설치사례가 없으나, 해상풍력발전에 대한 관심이 고조되어 조만간 설계단계가 도래할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 ABS(2010, 2013)와 IEC(2009)에서 제공하는 설계 기준을 이용하여 구조물의 신뢰성 수준을 검토하였다. 한국 연안 4개 지점(군산, HeMOSU 1호, 목포, 제주)의 해상조건을 사용하여 바람과 파랑하중, 해상풍력발전 구조물의 응답에 대하여 적용하였다. 검토 결과, 태풍이 우세한 해역의 경우 큰 변동성 때문에 IEC 설계기준을 한국 연안에 적용하는 경우, 유럽 해상에 적용한 결과보다 신뢰도 지수가 낮게 산정되었다. 유럽의 경우와 유사한 수준의 신뢰도 확보를 위해서는 ABS(2010, 2013) 100년 빈도 설계기준을 적용하는 것이 바람직한 것으로 파악되었다. 그러나, IEC 기준은 태풍의 영향에 대한 고려가 미흡하고, ABS 기준은 WSD 설계법이므로 국내 실정에 맞는 Level 1 신뢰성 설계법 도입이 필요하며, 국내 바람과 파랑 하중에 대한 통계적 특성을 고려하여 설계방정식을 설정하는 것도 필요하다.
Offshore wind power structures are subject to coastal hydrodynamic loading such as wind and wave loads. A considerable number of turbines have been installed in Europe, but so far none in Korea. Interest in offshore wind energy is growing in Korea, and it is expected that projects will reach the des...
Offshore wind power structures are subject to coastal hydrodynamic loading such as wind and wave loads. A considerable number of turbines have been installed in Europe, but so far none in Korea. Interest in offshore wind energy is growing in Korea, and it is expected that projects will reach the design stage in the near future. This paper discusses the level of structural reliability implied by the design rules of ABS(2010, 2013) and IEC(2009). Metocean conditions in 4 Korean seas(Gunsan, HeMOSU 1, Mokpo, Jeju) were used in the calibrations to calculate the aerodynamic and hydrodynamic loads as well as the structural responses of the typical designs of offshore wind turbines. Due to the higher variability of the wind and wave climate in hurricane-prone areas, applying IEC strength design criteria in combination with Korea west sea conditions could result in a design with much lower reliability index than what is anticipated from a design in European waters. To achieve the same level of safety as those in European waters, application of ABS 100 year design standards are recommended. Level-1 reliability-based design suitable for the Korean sea state conditions should be introduced because the IEC standards does not consider the typhoon effects in depth and the ABS standards is a WSD design method. In addition, the design equation should be established based on the statistical characteristics of the wind and wave loads of the Korean sea areas.
Offshore wind power structures are subject to coastal hydrodynamic loading such as wind and wave loads. A considerable number of turbines have been installed in Europe, but so far none in Korea. Interest in offshore wind energy is growing in Korea, and it is expected that projects will reach the design stage in the near future. This paper discusses the level of structural reliability implied by the design rules of ABS(2010, 2013) and IEC(2009). Metocean conditions in 4 Korean seas(Gunsan, HeMOSU 1, Mokpo, Jeju) were used in the calibrations to calculate the aerodynamic and hydrodynamic loads as well as the structural responses of the typical designs of offshore wind turbines. Due to the higher variability of the wind and wave climate in hurricane-prone areas, applying IEC strength design criteria in combination with Korea west sea conditions could result in a design with much lower reliability index than what is anticipated from a design in European waters. To achieve the same level of safety as those in European waters, application of ABS 100 year design standards are recommended. Level-1 reliability-based design suitable for the Korean sea state conditions should be introduced because the IEC standards does not consider the typhoon effects in depth and the ABS standards is a WSD design method. In addition, the design equation should be established based on the statistical characteristics of the wind and wave loads of the Korean sea areas.
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문제 정의
본 연구에서는 해상풍력 구조물에 관한 각국의 설계 기준서를 비교하여 우리 실정에 맞는 설계기준을 검토하였다. 이를 위하여 한국 연안 4개 지점(군산, HeMOSU 1호, 목포, 제주)의 풍속과 파고 자료를 사용하여, 바람과 파랑하중 한계 상태 방정식으로부터 신뢰도 지수와 부분안전계수를 산정하여 비교 · 분석하였다.
제안 방법
Joint Committee on Structural Safety(JCSS, 2001)와 Germanischer Llyod(GL, 2005)에서 제시하는 자료를 기준하여 본 연구에서는 신뢰도 지수 β = 3.72(목표 파괴확률, 10−4)을 기준으로 부분안전계수를 산정하였다.
본 연구에서는 ABS(2010, 2013) 설계기준과 IEC(2009) 설계기준을 활용하여 설계한 자료를 대상으로 신뢰성 해석을 실시하였다. 극한 풍속 설계 하중 하에서 정상 및 비정상 상태의 터빈을 대상으로 설계를 수행하였으며, 바람과 파랑 하중에 대한 한계상태 방정식은 식 (1)~(4)와 같다(Yu et al.
본 연구에서는 ABS와 IEC에서 제시한 설계기준을 활용하여 신뢰성 해석을 실시하였다. 분석에 사용한 해상기상자료는 유럽의 1개 지점(북해), 미국의 7개 지점(Gulf of Mexico, Atlantic 1, 2, 3, 4, Massachusetts offshore, Texas offshore) 지점(Yu et al.
이를 위하여 한국 연안 4개 지점(군산, HeMOSU 1호, 목포, 제주)의 풍속과 파고 자료를 사용하여, 바람과 파랑하중 한계 상태 방정식으로부터 신뢰도 지수와 부분안전계수를 산정하여 비교 · 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 ABS와 IEC에서 제시한 설계기준을 활용하여 신뢰성 해석을 실시하였다. 분석에 사용한 해상기상자료는 유럽의 1개 지점(북해), 미국의 7개 지점(Gulf of Mexico, Atlantic 1, 2, 3, 4, Massachusetts offshore, Texas offshore) 지점(Yu et al., 2011), 한국 4개 지점(군산, HeMOSU 1호, 목포, 제주) 총 12지점이다. 이 중 국내 4개 지점의 위치는 Fig.
이론/모형
한편, MMI Engineering(2009)에서 수행한 연구 결과에 의하면 터빈 지지구조물의 설계시 IEC 61400-3과 ISO 19902(ISO, 2007)을 활용하여 설계한 결과는 API RP 2AWSD과 잘 일치하고 있다. 그러나, IEC/ISO 기준은 50년 빈도 기준의 해양환경과 IEC 61400-3의 하중계수, ISO 19902의 저항계수 및 신뢰성 설계법을 채택하였고, API 기준은 100년 빈도 기준의 해양환경과 API RP 2A-WSD에서 정의한 안전계수 및 허용응력 설계법을 사용하였다.
신뢰도 지수 β는 FORM 분석법을 이용하여 Table 4와 한계상태 방정식 (1), (2), (3), (4)로부터 산정하였다.
신뢰도 지수 β는 FORM 분석법을 이용하여 Table 4와 한계상태 방정식 (1), (2), (3), (4)로부터 산정하였다. 신뢰도 지수를 산정하는 방법에는 연립방정식과 행렬을 사용하는 방법이 있으나 본 연구에서는 연립방정식을 이용하는 방법을 사용하였다( Jeong et al., 2010 ; Nowak and Collins, 2000).
성능/효과
본 연구에서 미국 7개 및 한국 연안 4개 지점을 대상으로 신뢰도 지수를 산정한 결과 ABS 기준(2010, 2011, 2013)이 IEC 기준(2009)에서 제시한 파괴확률을 대체로 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 바람 및 파랑하중에 대한 재현기간은 50년이 아닌 100년 빈도를 사용하는 것이 적절한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상풍력 구조물은 무엇의 영향을 받는가?
해상풍력 구조물은 풍속과 파고 등 유체동역학적 하중의 영향을 받는다. 유럽의 경우 다수의 해상풍력발전기가 설치되어 있고, 한국의 경우에는 설치사례가 없으나, 해상풍력발전에 대한 관심이 고조되어 조만간 설계단계가 도래할 것으로 예상된다.
해상풍력이 육상에 비해 갖는 장점은 무엇인가?
작은 조도(roughness), 작은 난류 발생, 고도별 작은 풍속 변화 요인 등으로 육지에 비하여 강하고 안정된 바람이 발생하는 해양을 중심으로 풍력발전단지를 건설하는 추세이다. 해상풍력은 육상에 비하여 넓은 공간 확보, 대형 풍차의 설치 및 운반 가능, 용지 취득 및 시설의 건설과 철거 용이, 소음, 전파장애 등 환경문제가 미약한 장점이 있다.
유럽과 한국에서 해상풍력 구조물의 현황은?
해상풍력 구조물은 풍속과 파고 등 유체동역학적 하중의 영향을 받는다. 유럽의 경우 다수의 해상풍력발전기가 설치되어 있고, 한국의 경우에는 설치사례가 없으나, 해상풍력발전에 대한 관심이 고조되어 조만간 설계단계가 도래할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 ABS(2010, 2013)와 IEC(2009)에서 제공하는 설계 기준을 이용하여 구조물의 신뢰성 수준을 검토하였다.
참고문헌 (15)
American Bureau of Shipping(ABS), (2010). Guide for Building and Classing Offshore Wind turbine Installations.
American Bureau of Shipping(ABS), (2011). Design Standards for Offshore Wind Farms.
American Bureau of Shipping(ABS), (2013). Guide for Building and Classing Bottom-Founded Offshore Wind turbine Installations.
American Petroleum Institute(API), (2007). API RP 2A-WSD:Recommended Practice for Planning Designing and Constructing Fixed Offshore structures -Working Stress Design, 21st Edition (with Errata and Supplement in 2002, 2005 and 2007).
Det Norske Veritas (DNV). (2010). OS-J101 Design of offshore wind turbine structures.
Germanischer Llyod (GL), (2005). Guideline for the certification of offshore wind turbines.
International Electrotechnical Commission (IEC), (2009). IEC 61400-3: Wind turbines - Part 3: Design Requirements for Offshore Wind turbines.
International Organization for Standardization (ISO), (2007). ISO 19902: Petroleum and Natural Gas Industries - Fixed Steel Offshore Structures.
Jeong, S.-T., Ko, D.-H., Park, T.-H., Kim, J.-D. and Cho, H.-Y., (2010). Development of Reliability-Based Design Program based on the MATLAB GUI Environment. Journal of korean society of coastal and ocean engineers, 22(6), 415-422 (in Korean).
Joint Committee on Structural Safety (JCSS), (2001). Probabilistic Model Code Part 1 - Basic of Design.
Ko, D.-H., Jeong, S.-T., Cho, H.-Y. and Kang, K.-S., (2014). Extreme Offshore Wind Estimation using Typhoon Simulation. Submitted to Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers. (in Korean).
Korea Ocean Research & Development Institute(KORDI) (2005). The report of estimation for deep-sea design wave in Korean coastal seas II. (in Korean).
MMI Engineering Inc., 2009. Comparative Study of OWTG Standards. Comparative Study of Offshore Wind Turbine Standards JIP Report.
Nowak, A.S. and Collins, K.R. (2000). Reliability of Structures, McGraw Hill.
Yu, Q., Samuelsson, L. and Tan, P., 2011. Design Considerations for Offshore Wind Turbines in US Waters - the American Way. Offshore Technology Conference (OTC), Houston, Texas, Paper No. OTC 21870.
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