[논문]해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 최적설계 및 신뢰성해석

이지현; 김수영; 김명현; 신성철; 이연승

doi:10.5574/ksoe.2014.28.3.218

해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 최적설계 및 신뢰성해석
Design Optimization and Reliability Analysis of Jacket Support Structure for 5-MW Offshore Wind Turbine 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.28 no.3 = no.118, 2014년, pp.218 - 226

이지현 ((주)삼원밀레니어) , 김수영 (부산대학교 조선해양공학과) , 김명현 (부산대학교 조선해양공학과) , 신성철 (부산대학교 조선해양공학과) , 이연승 (KAIST 해양시스템공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Since the support structure of an offshore wind turbine has to withstand severe environmental loads such as wind, wave, and seismic loads during its entire service life, the need for a robust and reliable design increases, along with the need for a cost effective design. In addition, a robust and reliable support structure contributes to the high availability of a wind turbine and low maintenance costs. From this point of view, this paper presents a design process that includes design optimization and reliability analysis. First, the jacket structure of the NREL 5-MW offshore wind turbine is optimized to minimize the weight and stresses, while satisfying the design requirements. Second, the reliability of the optimum design is evaluated and compared with that of the initial design. Although the present study results in a new optimum shape for a jacket support structure with reduced weight and increased reliability, the authors suggest that the optimum design has to be accompanied by a reliability analysis during the design process, as well as reliability based design optimization if needed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

먼저 대상 풍력발전기의 설계하중을 결정하기 위해 서남해안의 실측자료를 바탕으로 하중계산을 수행하고 이로부터 최소무게를 갖는 자켓지지구조물의 최적설계 및 최적설계에 대한 신뢰성 해석을 통해 구조 안전성을 평가하였다. 본 연구는 해상풍력발전기 설치 후 20년 운전기간 동안 효율성과 사용성(Avaiability)을 높일 수 있는 지지구조물 설계의 기술적 배경으로 최적설계 및 신뢰성해석을 포함한 설계방법론을 제안하고자 한다(Lee et al., 2012).
본 연구에서는 5MW 해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 최적설계와 신뢰성 해석을 수행하였다. 먼저 대상 풍력발전기의 설계하중을 결정하기 위해 서남해안의 실측자료를 바탕으로 하중계산을 수행하고 이로부터 최소무게를 갖는 자켓지지구조물의 최적설계 및 최적설계에 대한 신뢰성 해석을 통해 구조 안전성을 평가하였다.
M₁ 부재의 경우는 허용응력비의 허용기준인 1을 초과하여 설계기준을 만족하지 못하였으므로 허용응력비를 만족할때까지 반복적인 설계변경 및 해석을 수행하게되는데 이 경우 일반적으로 부재치수와 무게가 증가하게 된다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 초기 설계치 대비 중량이 감소하도록 최적설계를 수행하였다.
본 연구에서는 정식화된 자켓의 형상최적화를 위해 구조해석 상용프로그램인 SACS와 최적설계 및 신뢰성해석 상용프로그램인 PIAnO를 연동하여 자동 최적화를 가능하게 하였다(PIAnO, 2012). 즉, PIAnO 내의 마이크로 유전자 알고리즘(μGA)에 따라 설계 변수인 자켓형상 파라메터들을 생성한 후, SACS의 입력데이터에 생성된 설계변수를 연계하여 목적함수와 제한조건을 계산한다.
본 연구에서는 초기설계 단계에서 경제성과 구조 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 최적설계 및 신뢰성 해석 프로세스를 구축하였다. 설계 과정에서 구조물이 설계기준을 만족하지 못하면 중량을 증가시키면서 강성을 확보하도록 하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서 제안한 최적설계 방법을 이용하면 설계기준을 만족시키면서 동시에 최소중량을 갖는 최적설계를 빠르게 도출할 수 있다.
또한 설계 기준을 만족한 결정론적 최적설계 결과에 대하여 신뢰성 해석을 수행하여 최적설계의 구조신뢰성을 평가하였다. 본 연구의 최적설계 및 신뢰성해석 프로세스를 적용한 5MW NREL 풍력발전기 자켓지지구조물에 대해 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 이 파손 모드를 만족시키기 위하여 최적설계기법을 통하여 목표 수준에 도달할 수 있게 하였다. 본 최적설계의 목적은 지지구조물의 구조 안전성을 확보하면서 중량을 최소화할 수 있는 자켓 지지구조물의 형상 및 치수를 결정하는 것이다. 따라서, 해상 풍력발전기가 설치될 연안의 환경 조건을 감안하여 지지구조물의 안정성을 개선하는 동시에 중량을 줄여 비용 절감을 할 수 있도록 최소중량 설계를 수행하였다.

제안 방법

SACS의 구조해석 결과를 다시 PIAnO가 받아들이고 목적함수와 제한 조건을 만족하는지를 판단한 후, 만족하지 않으면 μGA에 의해 설계변수를 다시 생성하여 구조해석을 연속적으로 반복 수행하도록 하였다.
자켓 지지구조물에서의 파손 모드(Failure mode)는 AISC와 API 규정에 근거하여 부재의 허용응력비로 대표된다. 따라서 이 파손 모드를 만족시키기 위하여 최적설계기법을 통하여 목표 수준에 도달할 수 있게 하였다. 본 최적설계의 목적은 지지구조물의 구조 안전성을 확보하면서 중량을 최소화할 수 있는 자켓 지지구조물의 형상 및 치수를 결정하는 것이다.
본 최적설계의 목적은 지지구조물의 구조 안전성을 확보하면서 중량을 최소화할 수 있는 자켓 지지구조물의 형상 및 치수를 결정하는 것이다. 따라서, 해상 풍력발전기가 설치될 연안의 환경 조건을 감안하여 지지구조물의 안정성을 개선하는 동시에 중량을 줄여 비용 절감을 할 수 있도록 최소중량 설계를 수행하였다.
설계 과정에서 구조물이 설계기준을 만족하지 못하면 중량을 증가시키면서 강성을 확보하도록 하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서 제안한 최적설계 방법을 이용하면 설계기준을 만족시키면서 동시에 최소중량을 갖는 최적설계를 빠르게 도출할 수 있다. 또한 설계 기준을 만족한 결정론적 최적설계 결과에 대하여 신뢰성 해석을 수행하여 최적설계의 구조신뢰성을 평가하였다. 본 연구의 최적설계 및 신뢰성해석 프로세스를 적용한 5MW NREL 풍력발전기 자켓지지구조물에 대해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 5MW 해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 최적설계와 신뢰성 해석을 수행하였다. 먼저 대상 풍력발전기의 설계하중을 결정하기 위해 서남해안의 실측자료를 바탕으로 하중계산을 수행하고 이로부터 최소무게를 갖는 자켓지지구조물의 최적설계 및 최적설계에 대한 신뢰성 해석을 통해 구조 안전성을 평가하였다. 본 연구는 해상풍력발전기 설치 후 20년 운전기간 동안 효율성과 사용성(Avaiability)을 높일 수 있는 지지구조물 설계의 기술적 배경으로 최적설계 및 신뢰성해석을 포함한 설계방법론을 제안하고자 한다(Lee et al.
본 연구에서는 신뢰성 해석을 위해 기존의 표본 추출기법(Sampling method)과 고속확률 적분기법(Fast probability integration)보다 향상된 eDR(Enhanced dimension reduction)기법을 사용하였다(PIAnO, 2012). 입력확률설계변수(Input variable)와 확률 제한조건에 사용될 성능 지수(Output variable)를 선택하고, 상하한값 등을 입력하여, PIAnO와 SACS프로그램을 연동하여 총 85회 해석을 수행하고 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
즉, PIAnO 내의 마이크로 유전자 알고리즘(μGA)에 따라 설계 변수인 자켓형상 파라메터들을 생성한 후, SACS의 입력데이터에 생성된 설계변수를 연계하여 목적함수와 제한조건을 계산한다.

대상 데이터

I₁₅은 10분간 평균속도 15 m/s에서 허브높이의 난류강도 특성값이며, a는 난류 표준편차 모델의 경사변수이다. 대상지역의 설계 해상 조건은 평균 수심(Average water depth) 20m, 유의파고(Significant wave height, H_S) 3.33m, 유의파주기(Peak period, T_P) 8.46초, 평균수심에서 조류속도(Total current speed, U_C) 1.65m/s을 사용하였다. 이 조건의 파는 천이구간(Intermediate water depth) 내에서 분산관계(Dispersion relation)를 만족하지만 H/h = 0.
본 연구에서는 NREL(National renewable energy lab) 5MW 풍력발전기를 대상으로 선정하였다(Jonkman et al., 2009). 해상풍력발전기 지지구조물은 풍력, 파력, 조류력 등의 환경하중과 다양한 터빈 구동 조건하에서 구조적 건전성을 만족하여야 한다.
구조해석은 해양구조물 전용 해석프로그램인 SACS(Bentley systems, 2011)를 이용하였다. 설계하중은 Table 3의 극한설계하중을 적용하였고, 강재의 재료물성은 탄성계수 210Gpa, 포아송비 0.3, 밀도 7850kg/m³, 항복응력 430Mpa의 재료를 사용하였다. 해석결과는 AISC 1989와 API 1993 기준에 따라 평가하였다.
자켓의 설계변수는 레그와 브레이스의 지름 및 두께, 브레이스의 취부 위치, 레그의 각도 등으로 다양하다. 일반적으로 주요 설계변수를 이용하여 효과적인 최적설계를 수행하기 위해서는 민감도 해석을 통한 설계변수의 중요도를 파악하지만, 자켓 구조물은 비교적 간단한 설계변수들로 표현될 수 있기 때문에 Table 4에 표시한 11개 파라메터를 모두 설계변수로 선정하였다.
즉, 자켓구조물의 형상은 브레이스 연결 상부 레그길이(L1), 레그간 하부간격(L2), 레그 각도(α), 메인레그(M1), 타워 브레이스(M2), 타워상부(M3)의 지름과 두께, 브레이스(B1) 부재의 지름, 두께로 표현하였다.

데이터처리

5는 Table 7의 확률설계변수에 대한 정규분포와 극치분포의 예를 나타내었다. 설계하중에 대한 확률변수의 COV(Coefficient of variation)는 0.1(DNV, 1996), 자켓구조물의 형상 확률변수의 COV는 철판의 허용오차 기준인 0.01을 채택하여 최소 오차에 대한 신뢰성 해석을 수행하였다(Hess et al.,2002).

이론/모형

구조해석은 해양구조물 전용 해석프로그램인 SACS(Bentley systems, 2011)를 이용하였다. 설계하중은 Table 3의 극한설계하중을 적용하였고, 강재의 재료물성은 탄성계수 210Gpa, 포아송비 0.
17로 선형파이론(linear airy wave theory)를 적용하기에 비교적 높은 파고를 갖는다. 따라서 본 연구에서는 Stream function 모델인 비선형파와 Pierson-Moskowitz 스펙트럼으로부터 식 (1)의 Morison 식을 사용하여 파력을 계산하였다. 이때 자켓 레그와 브레이스 지름이 파장의 0.
본 연구에서는 서남해안의 실측자료를 바탕으로 설계하중을 결정하였으며 풍력발전기 하중해석은 IEC61400-3 조건에 따라 GH-Bladed (Garrad Hassan GL, 2010)를 사용하여 수행하였다(IEC61400-3, 2009). Table 1은 설치 대상 지역인 서해안 위도인근 해역 시추공 No.
본 연구에서는 신뢰성 해석을 위해 기존의 표본 추출기법(Sampling method)과 고속확률 적분기법(Fast probability integration)보다 향상된 eDR(Enhanced dimension reduction)기법을 사용하였다(PIAnO, 2012). 입력확률설계변수(Input variable)와 확률 제한조건에 사용될 성능 지수(Output variable)를 선택하고, 상하한값 등을 입력하여, PIAnO와 SACS프로그램을 연동하여 총 85회 해석을 수행하고 그 결과를 Fig.
최적화 기법은 마이크로 유전자 알고리즘(Micro genetic algorithm, μGA)을 사용하였다.
3, 밀도 7850kg/m³, 항복응력 430Mpa의 재료를 사용하였다. 해석결과는 AISC 1989와 API 1993 기준에 따라 평가하였다. AISC 1989의 허용응력 설계에서는 결합 전단 및 인장응력에 대한 평가, 축 압축과 굽힘에 대한 평가, 축 인장과 굽힘에 대한 평가로 나누어서 평가식을 적용한다.

성능/효과

μGA기법에 의한 최적설계 결과 50회 세대에 걸쳐 최적해를 도출하였고, 초기설계에서는 설계변수 M1의 허용응력비가 1보다 큰 1.11 값을 가졌으나 최적설계 수행 후 설계기준을 만족하는 0.97의 결과를 얻음으로써, 제한조건을 모두 만족하는 동시에 목적함수인 중량도 초기설계 275.3톤에서 최적설계 257.6톤으로 17.7톤(6.4%) 감소하였다.
(1) 최적설계를 통하여 모든 주어진 제한조건이 만족되었고 동시에 전체 중량이 17.7톤(6.4%) 감소하였다.
(2) 설계변수 B₁의 최적설계 결과 허용응력비는 0.55에서 0.66으로 증가되었고 이때 지름은 5%, 두께는 17% 감소하였다.
(3) 설계변수 M₁의 초기설계 모델은 허용응력비가 1.11로 그 기준치를 만족하지 못했으나 최적설계를 통해 허용응력비를 0.97로 감소시키고 제한조건을 만족시킬 수 있었다.
(4) 설계변수 L₁은 최적설계 결과 31% 감소였으며 설계설계 변수 L₁이 전체 구조물의 허용응력비를 만족시키는데 있어서 중요한 설계변수임을 확인할 수 있다. 레그의 각도인 α는 초기설계 대비 26.
(5) 신뢰성해석 결과, 초기 설계에서는 M₁의 최대허용응력비를 만족할 확률이 약 5%에 불과하였으나, 최적설계 수행 후, 주요 제한조건이던 M₁의 최대허용응력비를 만족할 확률이 60% 수준으로 개선되었다.
1(b)에 나타낸 바와 같이 축하중과 굽힘하중을 받는 4개의 레그(Leg)와 그 레그 사이를 연결하는 브레이스(Brace)로 구성된다. 4 개의 레그가 전체 구조물의 하중을 분산하므로 모노파일 등 여타 지지구조물보다 상대적으로 큰 하중을 안정적으로 지지할 수 있다. 또한, 자켓은 해저 지반에 항타한 소형 파일로 고정된다.
이는 최적설계 결과 초기설계모델 대비 지름이 5%, 두께가 17% 줄어든 결과이다. 그리고 설계변수 M₁의 초기설계 모델은 외경 1500mm와 두께 22mm 로 허용응력비가 1.11로 허용응력비를 만족시키지 못했지만 최적설계 결과, 외경 1376mm와 두께 27mm로 허용응력비가 0.97로 허용응력비가 1 이하로 감소하면서 제한조건을 만족시켰으며, 초기설계모델 대비 지름은 8.3% 줄어든 반면, 두께는 23% 증가되었다. 브레이스 연결부 위치를 나타내는 설계변수 L₁은 초기설계모델 16.
97로 제한조건을 만족하였지만, 신뢰성의 관점에서 보면 여전히 부족하다. 따라서, 본 최적설계와 신뢰성해석 결과로 부터, 최적설계 기법을 포함하고 목표 신뢰성을 만족시키기 위한 신뢰성 최적설계 기법의 도입이 필요하다는 것을 알 수 있다.
본 연구는 현재 해상풍력발전기 설계기준인 LRFD 방법보다 더 엄격한 허용응력설계법(ASD)에 따라 최적설계를 수행하여 결정론적 설계 기준을 만족시켰음에도 불구하고 최적설계된 자켓구조물의 신뢰성은 60%에 불과하다. 따라서, 해상풍력발전기 구조물 설계에 최적설계 뿐 아니라 신뢰성을 동시에 고려하여 목표 신뢰성을 만족시키는 신뢰성기반 최적설계 방법에 대한 연구가 요구된다.
본 연구에서는 초기설계 단계에서 경제성과 구조 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 최적설계 및 신뢰성 해석 프로세스를 구축하였다. 설계 과정에서 구조물이 설계기준을 만족하지 못하면 중량을 증가시키면서 강성을 확보하도록 하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서 제안한 최적설계 방법을 이용하면 설계기준을 만족시키면서 동시에 최소중량을 갖는 최적설계를 빠르게 도출할 수 있다. 또한 설계 기준을 만족한 결정론적 최적설계 결과에 대하여 신뢰성 해석을 수행하여 최적설계의 구조신뢰성을 평가하였다.
설계변수 B₁의 초기설계 모델은 형상이 외경 600mm와 두께 12mm로 허용응력비가 0.55이었으며, 최적설계 결과 외경 570mm와 두께 10.0mm로 허용응력비는 0.66으로 증가되었다. 이는 최적설계 결과 초기설계모델 대비 지름이 5%, 두께가 17% 줄어든 결과이다.
아울러 레그 각도 α는 초기설계 레그각 8.83°에서 6.49°로 26.5% 줄었고 자켓 하부 끝단 간격을 나타내는 설계변수 L2는 15m에서 최적설계 수행 후 13.91m로 7.3% 감소하였다.
위에서 언급한 허용응력비와 허용응력 평가식을 기준으로 자켓 해양구조물 전용해석프로그램인 SACS를 이용하여 구조해석을 수행한 결과, 평가 기준인 최대 허용응력비는 M₁ 부재에서 1.11, B₁ 부재에서 0.55로 나타났다. M₁ 부재의 경우는 허용응력비의 허용기준인 1을 초과하여 설계기준을 만족하지 못하였으므로 허용응력비를 만족할때까지 반복적인 설계변경 및 해석을 수행하게되는데 이 경우 일반적으로 부재치수와 무게가 증가하게 된다.

후속연구

본 연구는 현재 해상풍력발전기 설계기준인 LRFD 방법보다 더 엄격한 허용응력설계법(ASD)에 따라 최적설계를 수행하여 결정론적 설계 기준을 만족시켰음에도 불구하고 최적설계된 자켓구조물의 신뢰성은 60%에 불과하다. 따라서, 해상풍력발전기 구조물 설계에 최적설계 뿐 아니라 신뢰성을 동시에 고려하여 목표 신뢰성을 만족시키는 신뢰성기반 최적설계 방법에 대한 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해저 지반에 설치되는 고정식 지지구조물은 어떠한 형식으로 개발되는가?	이러한 지지 구조물은 크게 고정식과 부유식으로 나누어진다. 해저 지반에 설치되는 고정식 지지구조물은 수심과 지반 특성에 따라 모노파일, 트라이포드, 자켓, 중력식 등네가지의 기본 형식으로 개발되어 왔다(de Vries et al., 2011; Musial et al.
	풍력발전기를 지지할 수 있는 신뢰성있고 강건한 구조물은 어떻게 나누어지는가?	해상에서 풍력발전기를 설치⋅운용하기 위해서는 설계수명동안 풍력발전기를 지지할 수 있는 신뢰성있고 강건한 구조물이 필요하다. 이러한 지지 구조물은 크게 고정식과 부유식으로 나누어진다. 해저 지반에 설치되는 고정식 지지구조물은 수심과 지반 특성에 따라 모노파일, 트라이포드, 자켓, 중력식 등네가지의 기본 형식으로 개발되어 왔다(de Vries et al.
	모노파일은 어떠한 지지구조물인가?	모노파일은 하나의 대구경 원형 파일을 해저면에 항타 (Driving) 또는 드릴링하고 고강도 콘크리트인 그라우트를 이용하여 트랜지션피스(TP, Transition piece)와 접합시킨 후, TP 상부에 풍력발전기 타워와 너셀을 설치하는 공법으로 유렵에서 가장 많이 채택되고 있는 지지구조물이다. 하지만, 최근 5MW 이상 해상풍력발전기의 경우 지름이 5 미터 이상인 대형 파일을 사용해야 할 뿐 아니라, 바람 및 파랑으로 인한 축하중과 횡굽힘 하중을 받는 해상 풍력발전기의 특성상, 그라우트 강도 저하 및 손상에 대한 우려와 설치 장비 수급 등의 어려움으로 인해 자켓형 지지구조물을 선호하는 추세이다.

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저자의 다른 논문 :

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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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