[논문]해상풍력 콘크리트 하부구조 연결부

김지환; 최국권; 지광습

doi:10.22636/mkci.2014.26.4.25

해상풍력 콘크리트 하부구조 연결부
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문제 정의

본 고에서는 해상풍력 지지구조물의 연결부에 대해 살펴보고, 해상풍력발전 타워에 작용하는 하중을 콘크리트 하부구조물에 효과적으로 전달 및 분배 할 수 있는 해상풍력 콘크리트 하부구조 연결부 설계개념을 소개하고자 한다.

가설 설정

타워에 작용하는 수평력(V)로 인하여 연결부 에 작용되는 모멘트(M)에 저항하는 접촉력(ΔV) 산정 시 내·외부 두 튜브 사이의 수평·수직 방향의 마찰력은 고려하지 않았으며, 외부 튜브에 작용하는 접촉력은 한 곳에 집중되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

그러므로 최소화된 연결부 단면적을 고려하기 위해서는 강관 묻힘 형식과 같은 설계 메커니즘을 적용해야 한다. 이를 위해 연결부를 비부착 앵커가 매입된 콘크리트 내부 튜브와 콘크리트 하부구조의 외부 튜브로 구성한다. 내·외부 튜브는 각각 앵커와 텐던의 인장력 도입으로 인해 프리스트레싱이 작용하는 독립된 구조로 고려하여, 작용 모멘트를 튜브의 상하부에 작용하는 접촉력과 마찰력으로 하부구조에 전달하도록 한 구조이다.

대상 데이터

5 MW급 해상풍력 중력식 콘크리트 하부구조 연결부를 대상으로 본 개념을 적용하였다. 이때, 타워 하단부 외경은 5.

성능/효과

본 적용에서는 내·외부 두 튜브 사이의 마찰력을 고려하지 않았으나 내·외부 콘크리트 튜브가 일체 타설될 경우의 마찰계수는 1.4로 수평·수직 방향의 마찰력 고려 시 접촉력은 더 감소할 것으로 판단된다.
<그림 10>에는 설계 결과와 검증을 위한 유한요소해석 결과를 나타내고 있다. 해석 결과, 내부 튜브 하단의 경계부에서 최대 인장응력과 압축응력이 발생되는 것을 확인하였고, 구조적으로 안전한 것으로 판단된다. 그러나 보다 경제적이고 안전한 설계방안 마련을 위해서는 내부 튜브의 매입깊이(l)과 같은 중요 설계 변수에 대한 검토와 앵커의 콘크리트 단부 파괴에 대한 추가적인 해석이 필요하다.

후속연구

하부구조물과 연결부에 콘크리트 사용 시 높은 구조물 강성을 갖기 때문에 강재 사용에 비해 변형과 진동저감, 부식 저항성 증진, 피로강도 및 내구성이 우수하여 반영구적 수명을 가질 수 있다. 또한, 연근해 적용 시에는 강재에 비해 상당량의 재료비 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 현재 국내에는 콘크리트 하부구조물 연결부에 대한 설계 및 시공 방법이 구축되어 있지 않다.
본 연결부 설계개념은 콘크리트 하부구조 상단 내부에 앵커가 매입된 콘크리트 튜브를 설치하여 타워에 작용하는 최대 모멘트가 외부 튜브의 상단과 하단부에 작용하는 두 접촉력과 두 튜브 사이의 수평·수직 방향의 마찰력을 고려하는 설계 개념으로, 타워와 콘크리트 하부구조물간에 효과적으로 하중을 분배 할 수 있고, 하부구조의 단면을 최소화할 수 있어 경제적인 연결부 설계가 가능하며, 고정식뿐만 아니라 부유식 콘크리트 하부구조의 연결부에도 적용이 가능하다. 해상풍력 콘크리트 하부구조 연결부 설계 시스템의 정립/체계화/실용화를 본고에서 소개한 연결부 설계개념을 기반으로 진행할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

해상풍력발전기는 어떻게 구분되는가?

해상풍력발전기는 크게 RNA(Rotor-Nacelle Assembly)라 불리는 발전기 구성물과 지지구조물(supporting structure)로 구분되며, 지지구조물은 타워(tower), 하부구조(substructure)와 기초(foundation)로 구성된다. 일반적으로 해상풍력발전기의 타워와 하부 구조물 사이에는 타워에 작용하는 수평, 수직, 모멘트하중을 하부구조물에 전달하여 이를 분산시키는 연결부가 존재한다.

강재로 제작된 연결부에서 재료적 단점을 해결할 수 있는 대안은?

강재로 제작된 연결부는 인성이 크고 재료의 성질이 균일하고 경량인 장점이 있으나 혹독한 해양환경 내에서 염해에 의한 부식의 위험성이 있으며, 고가의 비용으로 인하여 경제성 확보가 어렵다. 이러한 강재의 재료적 단점을 해결할 수 있는 대안의 하나로 해상풍력 하부 구조물과 연결부를 콘크리트로 제작하는 것이 제안되고 있다. 하부구조물과 연결부에 콘크리트 사용 시 높은 구조물 강성을 갖기 때문에 강재 사용에 비해 변형과 진동저감, 부식 저항성 증진, 피로강도 및 내구성이 우수하여 반영구적 수명을 가질 수 있다.

지지구조물은 무엇으로 구성되는가?

해상풍력발전기는 크게 RNA(Rotor-Nacelle Assembly)라 불리는 발전기 구성물과 지지구조물(supporting structure)로 구분되며, 지지구조물은 타워(tower), 하부구조(substructure)와 기초(foundation)로 구성된다. 일반적으로 해상풍력발전기의 타워와 하부 구조물 사이에는 타워에 작용하는 수평, 수직, 모멘트하중을 하부구조물에 전달하여 이를 분산시키는 연결부가 존재한다.

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