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문제 정의
- 본 연구는 풍력발전타워 국내 설계/시공 자립기반 구축을 목표로 풍력 발전 타워의 정적 및 동적 거동 분석, 시공 기술 기반 구축, 풍환경에 따른 대응 방안에 대하여 연구를 수행 하였으며, 해당 연구 수행을 통하여 다음과 같이 자립화된 설계 기술을 구축하고자 한다.
- 풍력발전 타워의 증가 및 대형화에 따른 국내 환경조건 반영을 통한 자립화된 국내 설계 기준 및 세계적 수준의 풍력타워 설계 경쟁력을 확보하기 위해 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 1) 자립화된 기술을 확보하고, 기존의 선진국 설계를 보완 및 추가하여, 세계적 수준의 설계기술 확보.
- 방법론 분석결과 최우도 추정법이 유연한 해석적 접근이 가능하므로, 향후 최우도 추정법을 사용하여 지진 시뮬레이션을 수행하였다. RSM 모델로 쓰나미 위험도 평가 기법을 정립하였으며, 국내 환경조건에서 쓰나미 발생 사례가 없으므로, 태풍/해일 시의 데이터베이스를 통한 파랑 및 파고의 하중 모델을 산정하고자 하였다.
- 45이다. 개구부와 보강재의 유무에 따른 파괴 거동을 관찰하였으며 국제 표준 설계에 부합하는 해석 기법과 설계 예제를 제공하였다.
- 국내 법규를 반영한 모듈러 풍력타워 세그먼트 최대허용 운반규격을 제시하였다(도로법상 허가 가능 운행제한 차량규격 조사 및 분석).
- 중량허가 기준인 총 하중 48톤은 도로 노선에 따라 크게 차이를 보이지 않고, 총하중 운행제한 차량 규격은 허가 기준인 48톤으로 설정하였다. 규격에는 최대 길이 운반규격, 최대 높이 운반규격, 최대 폭 운반규격, 최대 총 중량 운반규격이 있으며, 이에 따른 법규와 규격을 조사하였다.
- 타워의 지반조건에 따라 고유 진동수가 달라지며, 일반적으로 Fixed 경계조건을 활용한 구조해석이 진행되었다. 기초-지반 상호작용을 고려하지 않고 구조해석을 할 경우 지반의 연성을 고려하지 못하여 보수적인 결과를 도출할 수 있어 본 연구에서는 기초-지반과의 상호작용을 고려한 고유진동수 분석을 진행하였다.
- 발생지진의 불확실성을 고려할 경우, 내진설계기준에 규정된 응답스펙트럼이 구조물의 고유진동수의 미소변화에 지나치게 민감하게 변하는 것은 합리적이지 못하다. 대상 지역에서 발생 가능하다고 판단되는 다양한 강진기록에 대한 응답스펙트럼을 통계적인 방법으로 처리하여 구조물의 고유진동수에 따라 민감하게 변하지 않는 설계응답스펙트럼을 이용하여 내진설계기준에 반영한다.
- 지역에 적합한 방정식을 만들어 적용하는 것이 이상적이다. 방법론 분석결과 최우도 추정법이 유연한 해석적 접근이 가능하므로, 향후 최우도 추정법을 사용하여 지진 시뮬레이션을 수행하였다. RSM 모델로 쓰나미 위험도 평가 기법을 정립하였으며, 국내 환경조건에서 쓰나미 발생 사례가 없으므로, 태풍/해일 시의 데이터베이스를 통한 파랑 및 파고의 하중 모델을 산정하고자 하였다.
- 이때 풍속은 10분 평균 풍속을 의미하며, 서귀포에서 관측된 연 최고최대풍속 시계열의 최댓값은 1987년 8월 31일에 측정된 26.2m/s이며, 표 4의 ‘조도구분’ 열은 도로교설계기준에서 정의하고 있는 지표조도구분에 따른 구분이며, 1975년부터 2000년 까지 5년 단위로 제작된 대분류토지피복지도를 이용하여 지표조도구분을 실시하였으며, 2000년 이후의 지표조도구분은 최근 위성사진을 바탕으로 반경 1km 이내의 지역을 목안으로 판별하여 지표조도구분을 실시하였다.
- 재현주기에 따른 풍하중을 산정하기 위한 풍속 프로파일의 국내-외 기준 분석을 수행하였고, 극치 분포 및 태풍 시뮬레이션을 통한 설계 기본 풍속을 산정하였다.
- 하지만 비교적 해석진행 과정이 복잡하다. 지반의 특성을 고려하여 점토지반, 모래지반 그리고 모래와 점토가 섞인 혼합지반 층을 대상으로 타워의 고유진동수를 분석하였다.
- 타워의 탄성과 소성을 고려한 해석을 수행하여 위험도를 분석하였다. 위험도 평가는 RSM을 기초로, 허용응력상태에 대한 FORM 신뢰성 해석방법을 이용하였고, 신뢰성 해석은 Nessus 프로그램을 활용하였다.
- 따라서, 풍력타워는 구조적으로 문제가 없다는 안정성을 확보하였다. 태풍 및 선박 충돌 시뮬레이션의 해석 기법 및 방법론을 정립하였다.
- 타워 단일 모형일 경우 외부 유입풍속에 대한 타워부분 풍하중이 우세하였으며, 타워 너셀 분리모형의 경우 외부 유입풍속과 로터회전 시 후류에 의한 타워부분 풍하중(후류 영향 미미)이 우세하였고, 타워 너셀 결합모형의 경우 외부 유입풍속과 로터회전 시 후류에 의한 타워부분 풍하중과 추력이 우세하였다. 풍동실험을 통해 로터를 적용한 풍력 타워의 각형 별 풍력 및 추력 계수를 산정하였다.
- 풍력타워에 작용하는 지진하중을 결정하기 위해 50년간 초과발생확률 10%에 상응하는 475년의 재현주기를 가진 지진 가속도를 사용하여 지진응답해석을 수행하였다. 지진응답해석에는 응답스펙트럼해석과 시간이력해석이 사용될 수 있으며, 응답스펙트럼해석에는 충분한 수의 진동모드, 시간이력해석에는 충분한 수의 시뮬레이션을 요구한다.
대상 데이터
- 극한 풍속을 추정하기 위한 기상자료로서 대상지역에서 가장 가까운 서귀포 기상관측소(189)의 1971년∼ 2013년에 관측된 연 최고최대풍속 시계열을 이용하였다.
- 특정한 지진데이터의 특성이 반영되므로 다양한 시뮬레이션의 수행이 요구되며 해석시간의 소요가 크다. 인공지진 생성 프로그램인 SIMQKE를 통해 생성된 설계응답 스펙트럼에 준하는 인공지진파 데이터(0.01초 간격, 20초간)를 이용한다.
- 지반경계조건 모델로는 3가지며 첫 번째로는 일반적으로 많이 사용되는 Fixed 경계모델이다. Fixed 경계모델의 경우 기초-지반 상호작용을 고려하지 못하지만 비교적 단순하다.
이론/모형
- 여기서 ⧍wk(characteristic imperfection amplitude)는 Q(meridional compression fabrication quality parameter)의 등급에 따라 식 (6)과 같이 결정된다. 본 연구에서는 EN 1993-1-6, ANNEX D에서 제시하는 Q=16(Class C)을 해석에 적용하여 분석하였다. 또한 EN 1993-1-6 ANNEX D 에서는 원통형 쉘에 대해서 λ0=0.
- 타워의 탄성과 소성을 고려한 해석을 수행하여 위험도를 분석하였다. 위험도 평가는 RSM을 기초로, 허용응력상태에 대한 FORM 신뢰성 해석방법을 이용하였고, 신뢰성 해석은 Nessus 프로그램을 활용하였다. 일반적으로 구조물의 목표 신뢰성 지수는 3이상이며, 풍력타워 신뢰성 지수는 11이상 (파괴확률은 0으로 수렴)으로 도출한다.
- 풍력타워 플랜지의 기하학적 형상과 고장력 볼트의 초기인장응력에 따른 연결부 거동 특성에 대한 연구를 수행하였으며, 연결부 볼트 접합에 대한 설계기준 Eurocode(EN1993-1-1), AISC-LRFD 매뉴얼을 따라 설계를 진행하였다.
성능/효과
- 타워 단일 모형일 경우 외부 유입풍속에 대한 타워부분 풍하중이 우세하였으며, 타워 너셀 분리모형의 경우 외부 유입풍속과 로터회전 시 후류에 의한 타워부분 풍하중(후류 영향 미미)이 우세하였고, 타워 너셀 결합모형의 경우 외부 유입풍속과 로터회전 시 후류에 의한 타워부분 풍하중과 추력이 우세하였다. 풍동실험을 통해 로터를 적용한 풍력 타워의 각형 별 풍력 및 추력 계수를 산정하였다.
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