최근 신재생 에너지 중 하나인 풍력발전에 대한 관심이 증가하고 있다. 풍력발전은 토지구입비, 소음문제에 자유로운 해상풍력으로 추세가 옮겨가고 있으며 이를 위한 연구개발이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 그러나 해상에 위치한 풍력발전을 위한 설계기준은 국내, 국외 모두 없는 실정이다. 이 점을 고려하여 국내, 국외의 구조설계기준인 도로교 설계기준, 항만 및 어항 설계기준, DNV OS를 참고하여 다중 파일기초 콘크리트 지지구조물(MCF)의 내진해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 또한 시간에 의한 효과를 확인하기 위하여 시간이력 해석 또한 수행되었다. 부가질량법(Added-mass method)을 사용하여 물과 구조의 상호작용을 고려하였고 물의 유무에 따라 구조물의 반응을 비교하였다.
최근 신재생 에너지 중 하나인 풍력발전에 대한 관심이 증가하고 있다. 풍력발전은 토지구입비, 소음문제에 자유로운 해상풍력으로 추세가 옮겨가고 있으며 이를 위한 연구개발이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 그러나 해상에 위치한 풍력발전을 위한 설계기준은 국내, 국외 모두 없는 실정이다. 이 점을 고려하여 국내, 국외의 구조설계기준인 도로교 설계기준, 항만 및 어항 설계기준, DNV OS를 참고하여 다중 파일기초 콘크리트 지지구조물(MCF)의 내진해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 또한 시간에 의한 효과를 확인하기 위하여 시간이력 해석 또한 수행되었다. 부가질량법(Added-mass method)을 사용하여 물과 구조의 상호작용을 고려하였고 물의 유무에 따라 구조물의 반응을 비교하였다.
Recently, Wind-turbine electronic generator become popular. Wind-Turbine is free to cost for purchase and noise problem. For this reason, trend is shifting from Wind-turbine on land to offshore. Research and Development for offshore Wind-turbine has been conducted by various research institution. Ho...
Recently, Wind-turbine electronic generator become popular. Wind-Turbine is free to cost for purchase and noise problem. For this reason, trend is shifting from Wind-turbine on land to offshore. Research and Development for offshore Wind-turbine has been conducted by various research institution. However, There is no solid design code for offshore Wind-turbine even in domestic as well as foreign. In this paper, conduct seismic analysis and compare results using design codes Korea Bridge Design Codes, Korea Harbor and Marina Design Codes, and DNV OS. Time-History analysis conducted for checking time dependent effect. The Added-Mass Method applied to consider water-structure effects and compared for w/ water and w/o water condition.
Recently, Wind-turbine electronic generator become popular. Wind-Turbine is free to cost for purchase and noise problem. For this reason, trend is shifting from Wind-turbine on land to offshore. Research and Development for offshore Wind-turbine has been conducted by various research institution. However, There is no solid design code for offshore Wind-turbine even in domestic as well as foreign. In this paper, conduct seismic analysis and compare results using design codes Korea Bridge Design Codes, Korea Harbor and Marina Design Codes, and DNV OS. Time-History analysis conducted for checking time dependent effect. The Added-Mass Method applied to consider water-structure effects and compared for w/ water and w/o water condition.
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문제 정의
본 연구에서는 5MW 풍력발전기를 위한 다중 파일기초 원추형 콘크리트 지지구조(MCF)의 내진해석을 수행하였다. 본 연구는 새로운 부가질량법(added mass method)을 사용하여 물의 영향의 정도를 평가하고, 여러 설계기준에서 제시된 지진에 대해서 MCF 원추형 콘크리트 기초의 내진 안정성의 평가하기 위한 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 5MW 풍력발전기를 위한 다중 파일기초 원추형 콘크리트 지지구조(MCF)의 내진해석을 수행하였다. 본 연구는 새로운 부가질량법(added mass method)을 사용하여 물의 영향의 정도를 평가하고, 여러 설계기준에서 제시된 지진에 대해서 MCF 원추형 콘크리트 기초의 내진 안정성의 평가하기 위한 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 5MW급 풍력터빈의 콘크리트기초에 대하여 내진해석을 수행하였다. 물에 의해 고유진동수가 교란되는 영향을 확인하기 위해 물을 고려한 모델, 물을 고려하지 않은 모델, 두 개의 모델을 작성하여 결과를 비교, 검토하였다.
가설 설정
작용하는 하중은 자중과 지진력만이 작용하는 것으로 가정하였다.
구조물의 경계조건은 기초의 바닥에서 모든 자유도를 구속하였다. 감쇠는 모드감쇠 0.05를 가정하였다. 동일한 물성치, 하중조건에 대하여 물의 영향을 고려한 모델과 물의 영향을 무시한 모델의 두 가지의 경우로 나누어 해석을 수행하였다.
3에 풍력타워의 콘크리트 기초부의 형상과 치수를 나타내었다. 구조물 상부에 거치되는 블레이드, Generator Shaft, Turbine은 집중질량 350ton으로 가정하였다. 본 연구에서는 물의 영향을 확인하기 위하여 두 가지의 모델 형식을 사용하였다.
구조해석은 상용 구조해석 프로그램인 MIDAS/Civil 2012를 사용하였다. 작용하중은 자중(self weight+turbine weight)만을 고려하였고 지반은 안정하다고 가정하였다.
제안 방법
Beam Model은 다음 장에 설명된 단면 정보를 활용하여 요소길이 1m, Beam Element를 이용하여 모델링하였다. 구조물의 경계조건은 기초의 바닥에서 모든 자유도를 구속하였다.
물의 영향은 Added Mass Method를 사용하였으며 추가질량의 계산은 Yang 등(2013)이 제안한 간략식을 사용하여 결정하였다. 각각의 모델에 대하여 국내에 존재하는 설계기준, 도로교 설계기준, 항만 및 어항 설계기준, DNV OS 설계기준들의 내용을 근거로 응답스펙트럼 방법을 사용하여 지진 시 발생하는 변위와 응력을 계산하였고 추가로 El-centro 지진파를 국내 실정에 맞게 크기를 조정 후 모델에 재하하여 해석을 수행하였다.
05를 가정하였다. 동일한 물성치, 하중조건에 대하여 물의 영향을 고려한 모델과 물의 영향을 무시한 모델의 두 가지의 경우로 나누어 해석을 수행하였다. 작용하는 하중은 자중과 지진력만이 작용하는 것으로 가정하였다.
사용된 설계기준은 도로교 설계기준(korea bridge design codes, KBDC), 항만 및 설계기준(korea port and marina design codes, KPMDC) 그리고 DNV OS를 사용하였다. 또한 시간 이력 효과를 확인하기 위하여 El-Centro(1940, 270 Deg.) 지진을 국내 지진규모에 맞게 최대가속도를 조정한 후 가진하여 시간이력해석(time-history analysis)을 수행하였다. 구조해석은 상용 구조해석 프로그램인 MIDAS/Civil 2012를 사용하였다.
본 연구에서는 5MW급 풍력터빈의 콘크리트기초에 대하여 내진해석을 수행하였다. 물에 의해 고유진동수가 교란되는 영향을 확인하기 위해 물을 고려한 모델, 물을 고려하지 않은 모델, 두 개의 모델을 작성하여 결과를 비교, 검토하였다. 물의 영향은 Added Mass Method를 사용하였으며 추가질량의 계산은 Yang 등(2013)이 제안한 간략식을 사용하여 결정하였다.
물을 고려한 Beam model, 물을 고려하지 않은 Beam model, 2개의 모델을 만들어 위에 기술한 내용으로 모델을 만든 후 결과를 비교하였다(Tables 8, 9, Fig. 6). Beam 모델에서 물을 고려한 모델과 물을 고려하지 않은 모델을 비교해 보면 물을 고려한 모델에서 응력값이 크게 발생하나 물을 고려하지 않은 모델 기준, 1.
그러나 교량, 항만, 건축물과 같은 여타 구조물과는 달리 현재 해상에 위치한 해상풍력타워 지지구조를 위한 명확한 설계기준은 존재하지 않으며 이로 인해 풍력발전기의 내진성능 평가에 어려움이 있다. 본 연구에서는 국내의 도로교 설계기준(2012), 항만 및 어항 설계 기준(2005), DNV OS(Det Norske Veritas Offshore Standard; 2012)와 기존의 풍력발전 모델을 참조하여 5MW급 다중 파일기초 콘크리트 풍력발전 지지구조(MCF)의 내진해석을 수행하였다.
본 연구에서는 위의 식을 통하여 추가되는 질량을 구하였으며 물의 영향을 고려한 모델에 추가되는 질량을 재하하여 물에 의한 고유진동수 변화를 고려하였다.
본 연구에서는 응답스펙트럼과 시간이력해석을 수행하기 위해 먼저 고유치 해석(eigenvalue)을 수행하였다. 구조물의 감쇠가 작다면 감쇠를 고려한 고유진동수와 감쇠를 고려하지 않은 고유진동수의 차이는 매우 작다.
하나는 물의 영향을 고려하기 위하여 Added Mass Method를 적용하여 물의 영향을 고려한 모델, 또 하나는 대조군인 물의 영향을 고려하지 않은 모델 두 가지의 모델을 제작하였다. 수면의 높이는 구조물의 입지조건에서 예상되는 평균 해수면 높이를 사용하였으며 콘크리트 기초의 바닥으로부터 18m 위에 자유수면이 놓인다고 결정하여 모델링하였다.
그러나 이를 실험적으로 구하는 것은 시간과 비용이 많이 필요하므로 설계단계에서 적용하기 어렵고 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 유체-구조물의 상호작용(fluid-structure interaction)을 고려하는 것은 현대 컴퓨터로도 많은 시간과 노력, 비용을 필요로 한다. 이러한 어려움을 피하기 위하여 여러 연구자로부터 다양한 간략 해법이 제안되었으며 본 연구에서는 간략해법인 Added Mass Method를 사용하기 쉽도록 Yang 등(2013)에 의해 제시된 간략식을 사용하여 물의 영향을 고려하였다.
콘크리트 기초의 바닥면으로부터 높이 10m까지는 콘크리트만으로 구성되며 콘크리트 기초의 바닥을 기준으로 높이 10m에서 16m까지는 콘크리트와 콘크리트 내부에 위치한 Steel Shaft가 일체로 거동하는 합성단면으로 고려하였다. Fig.
본 연구에서는 물의 영향을 확인하기 위하여 두 가지의 모델 형식을 사용하였다. 하나는 물의 영향을 고려하기 위하여 Added Mass Method를 적용하여 물의 영향을 고려한 모델, 또 하나는 대조군인 물의 영향을 고려하지 않은 모델 두 가지의 모델을 제작하였다. 수면의 높이는 구조물의 입지조건에서 예상되는 평균 해수면 높이를 사용하였으며 콘크리트 기초의 바닥으로부터 18m 위에 자유수면이 놓인다고 결정하여 모델링하였다.
대상 데이터
구조물에 사용된 재료는 콘크리트와 강재를 사용하였다. 콘크리트의 물성치는 Table 1과 같다.
외국의 지진사례 중 가장 자주 사용되는 El-centro, 1940지진을 국내의 최대지진가속도에 맞추어 최대가속도를 조정하여 사용하였다. 도로교 설계기준, 항만 및 어항 설계기준에서 제시하고 있는 500년 주기 지진의 최대 지진가속도는 0.11g로 제시하고 있으며 El-centro 지진을 최대가속도값 0.11g로 크기를 조정하여 사용하였다. Scaling한 지진가속도 이력 데이터를 Fig.
본 해석에서 사용한 콘크리트 지지기초와 강기둥(steel shaft) 연결부는 Fig. 3에 나타나 있고 이를 바탕으로 모델링을 하였다. 모델의 전체적인 형상과 구성 요소의 명칭을 Fig.
외국의 지진사례 중 가장 자주 사용되는 El-centro, 1940지진을 국내의 최대지진가속도에 맞추어 최대가속도를 조정하여 사용하였다. 도로교 설계기준, 항만 및 어항 설계기준에서 제시하고 있는 500년 주기 지진의 최대 지진가속도는 0.
이론/모형
구조물의 응답은 각 모드별 응답치를 조합하여 얻어지며 조합하는 방법으로는 식 (8), SRSS(square root of the sum of the squares) 방법을 사용하였다.
) 지진을 국내 지진규모에 맞게 최대가속도를 조정한 후 가진하여 시간이력해석(time-history analysis)을 수행하였다. 구조해석은 상용 구조해석 프로그램인 MIDAS/Civil 2012를 사용하였다. 작용하중은 자중(self weight+turbine weight)만을 고려하였고 지반은 안정하다고 가정하였다.
동적 해석 방법은 각 설계기준에서 권장하는 응답스펙트럼(response spectrum analysis) 방법과 시간이력해석(time-history analysis)을 사용하였다. 사용된 설계기준은 도로교 설계기준(korea bridge design codes, KBDC), 항만 및 설계기준(korea port and marina design codes, KPMDC) 그리고 DNV OS를 사용하였다.
물에 의해 고유진동수가 교란되는 영향을 확인하기 위해 물을 고려한 모델, 물을 고려하지 않은 모델, 두 개의 모델을 작성하여 결과를 비교, 검토하였다. 물의 영향은 Added Mass Method를 사용하였으며 추가질량의 계산은 Yang 등(2013)이 제안한 간략식을 사용하여 결정하였다. 각각의 모델에 대하여 국내에 존재하는 설계기준, 도로교 설계기준, 항만 및 어항 설계기준, DNV OS 설계기준들의 내용을 근거로 응답스펙트럼 방법을 사용하여 지진 시 발생하는 변위와 응력을 계산하였고 추가로 El-centro 지진파를 국내 실정에 맞게 크기를 조정 후 모델에 재하하여 해석을 수행하였다.
따라서 물의 영향이 크게 작용하는 경우 적용이 어렵다. 물의 영향을 계산하기 위하여 본 연구에서는 Yang(2013)이 제안한 Added Mass 제안식을 사용하여 물의 영향을 고려하였다.
시간이력해석은 구조물의 최대변위, 최대가속도만을 구하는 응답스펙트럼과는 달리, 구조물의 동적특성과 가진되는 하중을 이용하여 임의의 시간에 대한 구조물의 거동을 구하게 된다. 본 연구에서는 모드중첩법을 이용하여 시간이력해석을 수행하였다.
구조물 상부에 거치되는 블레이드, Generator Shaft, Turbine은 집중질량 350ton으로 가정하였다. 본 연구에서는 물의 영향을 확인하기 위하여 두 가지의 모델 형식을 사용하였다. 하나는 물의 영향을 고려하기 위하여 Added Mass Method를 적용하여 물의 영향을 고려한 모델, 또 하나는 대조군인 물의 영향을 고려하지 않은 모델 두 가지의 모델을 제작하였다.
동적 해석 방법은 각 설계기준에서 권장하는 응답스펙트럼(response spectrum analysis) 방법과 시간이력해석(time-history analysis)을 사용하였다. 사용된 설계기준은 도로교 설계기준(korea bridge design codes, KBDC), 항만 및 설계기준(korea port and marina design codes, KPMDC) 그리고 DNV OS를 사용하였다. 또한 시간 이력 효과를 확인하기 위하여 El-Centro(1940, 270 Deg.
그러나 유체-구조물의 상호작용(fluid-structure interaction)을 고려하는 것은 현대 컴퓨터로도 많은 시간과 노력, 비용을 필요로 한다. 이러한 비용을 피하기 위하여 여러 연구자로부터 다양한 간략 해법이 제안되었으며 본 연구에서는 간략 해법인 Added Mass Method를 사용하여 물의 영향을 고려하였다.
지진하중 가진방법은 AASHTO을 참조하여 다음과 같이 결정하였다.
성능/효과
3) 설계기준에 의한 지진하중에 의한 콘크리트 기초의 응력은 항만 및 어상 설계기준에서 최대 12.03MPa로 나타났다.
5) 주어진 하중조합하에서 응력은 응답스펙트럼해석, 시간이력해석 모두 콘크리트의 파괴강도 이내로 나타났으며 변위 또한 도로교 설계기준에서 제시하는 최대변위 기준을 만족하였다.
03MPa로 나타났다. 가장 큰 응력이 나타나는 설계기준은 항만 및 어항 설계기준으로 나타났다. 지진하중에 의한 최상단, 터빈의 최대변위는 변위는 165∼240mm로 나타났으며 도로교 설계기준에 정의된 하중을 재하하였을 때 최대변위가 가장 크게 발생하였다.
물에 의한 고유진동수의 변화가 지진하중에 의한 영향을 경감 또는 증가시키는 것으로 나타났으나 해석한 모델에서 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 물에 영향을 고려한 모델에서 발생하는 응력과 변위는 물을 고려하지 않은 모델에 비하여 응력크기 기준 1~2% 내외의 변동이 있었으며 가진되는 지진하중이 동일한 경우 변위는 물을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델이 동일한 값을 보였다.
79mm로 응답스펙트럼 해석에 의한 변위값보다 작게 나타났다. 변위값은 물의 영향을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델과 동일하게 나타났으며 응력은 물의 영향을 고려한 모델이 0.22 MPa 더 크게 나타났으나 두 값의 상대적인 차이는 물을 고려하지 않은 모델 기준으로 2% 큰 값으로 물을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델에서 구조물의 반응에 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 지진 시 전 단면에서 압축영역이 나타나며 인장력은 나타나지 않았다.
사용된 설계기준이 동일할 때 물에 의한 영향을 고려한 모델과 결과를 비교하면 변위는 동일하고 응력의 크기는 물을 고려한 모델에서 0.1∼0.2MPa 가량 크게 나타났다.
설계기준 비교 결과 항만 및 어항 설계기준(KPMDC)의 설계응답스펙트럼의 최대가속도값이 도로교 설계기준(KBDC) 에 비하여 매우 크게 계산되었으며 특히 주기 1sec이하단주기 영역에서 항만 및 어항 설계기준의 가속도 값은 두 배 가까운 차이가 발생하였다(Table 6, Fig. 5).
시간이력해석 결과 지진 시 콘크리트기초에 8.98~9.20 MPa의 최대압축응력이 발생하였으며 최대변위는 86.79mm로 응답스펙트럼 해석에 의한 변위값보다 작게 나타났다. 변위값은 물의 영향을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델과 동일하게 나타났으며 응력은 물의 영향을 고려한 모델이 0.
힘의 크기만을 고려하는 응답스펙트럼 방법과는 달리 시간이력해석은 힘의 크기와 방향을 모두 고려할 수 있다. 시간이력해석 결과 해석 시간동안 압축이 지배적으로 나타났으며 인장영역은 나타나지 않았다.
시간에 따른 변위의 분석 결과물의 유무에 따른 차이는 나타나지 않았다. 시간이력해석의 결과는 물을 고려한 모델에서 9.20MPa의 최대응력이 발생하였고 물을 고려하지 않은 모델에서 압축 8.98MPa의 최대응력이 발생하였다(Table 10, Fig. 9). 최대응력이 발생하는 지점은 콘크리트와 강기둥이 일체로 거동하는 Composite Section 하단에서 발생하였다.
응답스펙트럼으로 해석하였을 시각 설계기준에 정의된 지진하중에 의한 발생응력은 7.03∼12.03MPa로 나타났다.
응답스펙트럼해석, 시간이력해석 결과 응력은 콘크리트의 파괴강도 이내로 작용하였으며 변위 또한 도로교 설계기준에서 제시하는 최대변위 기준을 만족하였다.
지진하중과 자중에 의한 콘크리트 기초부의 응력의 변화는 최대 12.03MPa로 콘크리트 압축응력 대비 30%로 나타났다. 최대 발생 변위는 240mm로 도로교 설계기준 2.
03MPa로 콘크리트 압축응력 대비 30%로 나타났다. 최대 발생 변위는 240mm로 도로교 설계기준 2.5.2.6에서 제시하는 최대변위 기준(캔틸레버 구조물, L/300) 280mm 이내로 발생하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MCF가 기존의 구조형식과 비교하였을 때 가지는 특징은?
MCF는 기존의 지지구조에서 발생한 문제점을 반영하여 경제성과 구조성능을 개선하기 위하여 제안되었다. 기존의 구조형식과 비교하였을 때 강재 사용량과 용접 필요부분이 작으므로 피로성능, 안정성에서 유리하다. 또한 MCF 구조물은 콘크리트가 주가되는 강합성 구조물로 이는 강재소모량 감소, 콘크리트의 높은 부식에 대한 저항성, 높은 피로저항능력, 뛰어난 내구성, 유지보수비용 절감이라는 장점을 가진다.
MCF 구조물의 장점은?
기존의 구조형식과 비교하였을 때 강재 사용량과 용접 필요부분이 작으므로 피로성능, 안정성에서 유리하다. 또한 MCF 구조물은 콘크리트가 주가되는 강합성 구조물로 이는 강재소모량 감소, 콘크리트의 높은 부식에 대한 저항성, 높은 피로저항능력, 뛰어난 내구성, 유지보수비용 절감이라는 장점을 가진다. MCF는 위에 설명한 특징들을 통해 구조성능 뿐만 아니라 경제성 또한 확보하는 것을 목표로 하고 있으며 이를 위한 다양한 연구와 실험이 진행 중에 있다.
MCF는 왜 제안되었는가?
MCF는 강합성 구조로 지지파일과 말뚝과 기초가 연결되는 슬리브, 콘 모양의 콘크리트 본체, 강기둥과 접합되는 접합부로 이루어져 있다. MCF는 기존의 지지구조에서 발생한 문제점을 반영하여 경제성과 구조성능을 개선하기 위하여 제안되었다. 기존의 구조형식과 비교하였을 때 강재 사용량과 용접 필요부분이 작으므로 피로성능, 안정성에서 유리하다.
참고문헌 (12)
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Kim, H.G., Kim, B.J., Kim, K.D. (2013) New Development of Hybrid Concrete Support Structure with Driven Piles for Offshore Wind Turbines, J. Korean Soc. Steel Construct., 25(3), pp.307-320.
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Micheal, H., Thomas, M., Gerad, K. (1997) Modal Analysis of an Existing Offshore Platform, Eng. Struct., 19(6), pp 487-498.
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