해상풍력터빈의 고유진동수 예측을 위한 지반에 인입된 파일의 탄성지지보 모델 기반 수평 거동 해석 An analysis of horizontal deformation of a pile in soil using a beam-on-spring model for the prediction of the eigenfrequency of the offshore wind turbine원문보기
지반에 인입된 파일에 대한 거동 해석은 지반의 비선형 거동 특성으로 인해 일반적으로 유한요소에 기반한 수치적인 방법을 주로 이용한다. 그러나 수치 해석은 파일-지반 모델링 및 연산에 많은 노력과 시간을 요구하므로 파일의 제원과 지반 물성치가 확정되지 않은 초기 설계 단계에서는 활용에 많은 한계를 갖는다. 반면, 지반을 선형화한 이론해석의 경우 수치 해석에 비해 모델이 단순하고 연산 시간이 매우 짧으므로, 해석의 신뢰성이 확보된다면 지반-지지구조의 거동 특성을 초기에 예측하는데 유용할 것이다. 본 연구에서 대상으로 하는 풍력발전기의 경우, 초기 설계 단계에서 풍력터빈의 고유진동수 예측을 위한 동적 거동 해석이 요구되며, 이 때 지반에 인입된 풍력터빈의 지지구조는 탄성경계조건으로 단순화하여 동적 거동 해석에 반영할 수 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 풍력터빈 지지구조의 선단부 탄성 계수를 도출하고자 지반에 인입된 파일에 대한 파일-지반 연성해석을 수행하였다. 해석 시 지반의 변형은 탄성범위 이내에 있다고 단순화하여 지반에 인입된 파일을 탄성지지된 보로 모델링하였다. 탄성지지보 모델을 이용해 파일 선단에 수평 하중 또는 모멘트가 작용할 때 발생하는 파일의 횡변형을 구하고, 이로부터 영향계수를 도출하였다. 풍력터빈의 지지구조에 대한 해석 예로써, 모노파일과 석션파일에 대해 파일 선단의 영향계수를 구하고, 이를 문헌의 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰도를 검증하였다. 또한 이 두 파일의 깊이에 따른 변형 및 선단부의 스프링 상수를 비교하여 지지구조의 강성 측면에서 모노파일과 석션파일의 특성을 살펴보았다.
지반에 인입된 파일에 대한 거동 해석은 지반의 비선형 거동 특성으로 인해 일반적으로 유한요소에 기반한 수치적인 방법을 주로 이용한다. 그러나 수치 해석은 파일-지반 모델링 및 연산에 많은 노력과 시간을 요구하므로 파일의 제원과 지반 물성치가 확정되지 않은 초기 설계 단계에서는 활용에 많은 한계를 갖는다. 반면, 지반을 선형화한 이론해석의 경우 수치 해석에 비해 모델이 단순하고 연산 시간이 매우 짧으므로, 해석의 신뢰성이 확보된다면 지반-지지구조의 거동 특성을 초기에 예측하는데 유용할 것이다. 본 연구에서 대상으로 하는 풍력발전기의 경우, 초기 설계 단계에서 풍력터빈의 고유진동수 예측을 위한 동적 거동 해석이 요구되며, 이 때 지반에 인입된 풍력터빈의 지지구조는 탄성경계조건으로 단순화하여 동적 거동 해석에 반영할 수 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 풍력터빈 지지구조의 선단부 탄성 계수를 도출하고자 지반에 인입된 파일에 대한 파일-지반 연성해석을 수행하였다. 해석 시 지반의 변형은 탄성범위 이내에 있다고 단순화하여 지반에 인입된 파일을 탄성지지된 보로 모델링하였다. 탄성지지보 모델을 이용해 파일 선단에 수평 하중 또는 모멘트가 작용할 때 발생하는 파일의 횡변형을 구하고, 이로부터 영향계수를 도출하였다. 풍력터빈의 지지구조에 대한 해석 예로써, 모노파일과 석션파일에 대해 파일 선단의 영향계수를 구하고, 이를 문헌의 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰도를 검증하였다. 또한 이 두 파일의 깊이에 따른 변형 및 선단부의 스프링 상수를 비교하여 지지구조의 강성 측면에서 모노파일과 석션파일의 특성을 살펴보았다.
In the prediction of response of a pile in soil, numerical approaches such as a finite element method are generally applied due to complicate nonlinear behaviors of soils. However, the numerical methods based on the finite elements require heavy efforts in pile and soil modelling and also take long ...
In the prediction of response of a pile in soil, numerical approaches such as a finite element method are generally applied due to complicate nonlinear behaviors of soils. However, the numerical methods based on the finite elements require heavy efforts in pile and soil modelling and also take long computing time. So their usage is limited especially in the early design stage in which principal dimensions and properties are not specified and tend to vary. On the contrary, theoretical approaches adopting linear approximations for soils are relatively simple and easy to model and take short computing time. Therefore, if they are validated to be reliable, they would be applicable in predicting responses of a pile in soil, particularly in early design stage. In case of wind turbines regarded in this study, it is required to assess their natural frequencies in early stages, and in this simulation the supporting pile inserted in soil could be replaced with a simplified elastic boundary condition at the bottom end of the wind turbine tower. To do this, analysis for a pile in soil is performed in this study to extract the spring constants at the top end of the pile. The pile in soil can be modelled as a beam on elastic spring by assuming that the soils deform within an elastic range. In this study, it is attempted to predict pile deformations and influence factors for lateral loads by means of the beam-on-spring model. As two example supporting structures for wind turbines, mono pile and suction pile models with different diameters are examined by evaluating their influence factors and validated by comparing them with those reported in literature. In addition, the deflection profiles along the depth and spring constants at the top end of the piles are compared to assess their supporting features.
In the prediction of response of a pile in soil, numerical approaches such as a finite element method are generally applied due to complicate nonlinear behaviors of soils. However, the numerical methods based on the finite elements require heavy efforts in pile and soil modelling and also take long computing time. So their usage is limited especially in the early design stage in which principal dimensions and properties are not specified and tend to vary. On the contrary, theoretical approaches adopting linear approximations for soils are relatively simple and easy to model and take short computing time. Therefore, if they are validated to be reliable, they would be applicable in predicting responses of a pile in soil, particularly in early design stage. In case of wind turbines regarded in this study, it is required to assess their natural frequencies in early stages, and in this simulation the supporting pile inserted in soil could be replaced with a simplified elastic boundary condition at the bottom end of the wind turbine tower. To do this, analysis for a pile in soil is performed in this study to extract the spring constants at the top end of the pile. The pile in soil can be modelled as a beam on elastic spring by assuming that the soils deform within an elastic range. In this study, it is attempted to predict pile deformations and influence factors for lateral loads by means of the beam-on-spring model. As two example supporting structures for wind turbines, mono pile and suction pile models with different diameters are examined by evaluating their influence factors and validated by comparing them with those reported in literature. In addition, the deflection profiles along the depth and spring constants at the top end of the piles are compared to assess their supporting features.
본 논문에서는 이러한 목적을 위한 파일은 보로, 지반은 탄성 스프링으로 가정하는 지반-지지구조 연성 해석 방법인 탄성지지보(beam-on-spring) 모델[2]을 정식화하였다. 본 연구에서 대상으로 하는 3 MW급 풍력터빈의 경우, 1차 고유진동수가 약 0.
가설 설정
본 연구에서는 지반을 탄성체로 가정하여 다층 지반에 인입된 파일에 대한 정적 변형을 탄성지지보로 모델링하였다.
(36)과 (38) 의 cΘM과 가장 유사한 결과를 주는 ki와 ti를 추출해 사용하였다. 본 연구에서는 파일 직경 변화에 따른 영향계수 변화를 확인하고자 하였으므로 지반은 단일 지층으로 구성되어 있다고 가정하였다.
제안 방법
3 Hz 이하의 낮은 주파수 대역에 위치하므로 본 논문에서는 파일-지반에 대한 정적 해석을 수행하였다.[1]정식화한 탄성지지보 방법을 이용해 직경이 각각 1m와 5m인 두 개의 파일에 대해 파일 선단의 영향계수를 구하고 문헌에 제시된 영향 계수와 비교하여 해석 결과의 유효성을 검토하였다. 또한 두 예제 파일의 변형 특성을 살펴보았다.
대상 데이터
해석에서 고려한 파일은 직경 1 m의 속이 채워진 중실 파일과 직경 5 m, 두께 25 mm의 중공 파일로 설정하였으며 해석에 사용한 파일 및 지반의 제원 및물성치는 Table 1에 나타내었다. 두 파일에 대해 세장비를 1부터 10까지 변화시켰으므로, 두 파일의 최대길이는 각각 10 m와 50m가 된다.
데이터처리
영향 계수는 무차원 계수이므로 세장비가 같으면 파일의 직경이 다르더라도 값이 일정해야 한다. 본 해석에서는 두 종류의 파일에 대해 세장비에 따른 영향 계수 변화를 구하고 그 결과를 비교하였다.
이론/모형
탄성지지보 해석이 갖는 큰 문제점으로는 해석에 필요한 두 개의 지반 강성 파라미터를 어떻게 추정할 것인가 하는 점이다. 본 논문에서는 문헌자료에 제시된 영향계수와 유사한 결과를 주는 두 개의 지반 강성 파라미터를 시행착오 방법으로 추정해 사용하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 지반의 물성치로부터 지반 강성 파라미터를 수학적 또는 수치적으로 추출하는 과정이 필요하며, 추후 이에 대한 해석을 수행할 예정이다.
성능/효과
본 연구를 통해 탄성지지보 방법의 유용성을 확인 하였으므로, 풍력터빈 초기 설계 단계에서는 모델링과 연산에 많은 노력과 시간이 요구되는 유한요소해석 대신 모델링 및 연산이 단순한 이론 모델을 활용 하는 것이 보다 효율적일 것으로 판단된다. 물론, 파일의 거동 및 변형 특성을 보다 상세히 해석해야 하는 경우 유한요소법과 같은 기존의 수치 해석 방법을 활용하는 것이 타당할 것이다.
이를 통해 탄성지지보 모델의 해석 결과가 문헌에 제시된 영향계수와 유사함을 확인하였다. 특히 풍력터빈에서 중요한 모멘트 작용 시의 영향 계수 cΘM은 두 결과가 매우 유사한 수준과 경향을 보이고 있어 탄성지지보 모델에 대한 신뢰성을 확인 할 수 있었다. 또한 파일의 세장비 변화에 따른 파일 선단의 영향계수 및 스프링 상수 변화를 관찰함으로써 세장비에 따른 파일의 변형 특성을 살펴보 았다.
후속연구
본 논문에서는 문헌자료에 제시된 영향계수와 유사한 결과를 주는 두 개의 지반 강성 파라미터를 시행착오 방법으로 추정해 사용하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 지반의 물성치로부터 지반 강성 파라미터를 수학적 또는 수치적으로 추출하는 과정이 필요하며, 추후 이에 대한 해석을 수행할 예정이다.
따라서 낮은 세장비에서도 신뢰성을 확보할 수 있도록 파일 하단의 경계조건에 대한 정식화와 보완이 필요하다. 추후 파일-지반에 대한 유한요소 해석 결과와 이론 해석 결과와의 비교를 통해 이론 모델에 대한 검증을 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공진 회피를 위해 요구되는 작업은?
이로 인해 풍력터빈 시스템의 강성이 낮아져 풍력터빈 시스템에 작용하는 동하중에 의해 진동 응답이 크게 발생할 수 있다. 특히 동하중의 진동수가 풍력터빈 시스템의 고유진동수와 일치하게 되는 공진에서는 큰 진동 응답이 발생하므로 공진 회피를 위해 초기 설계 단계에서 풍력터빈 시스템의 고유진동수를 정확히 예측하는 작업이 요구된다.
탄성지지보 해석이 가지는 큰 문제점은?
탄성지지보 해석이 갖는 큰 문제점으로는 해석에 필요한 두 개의 지반 강성 파라미터를 어떻게 추정할 것인가 하는 점이다. 본 논문에서는 문헌자료에 제시된 영향계수와 유사한 결과를 주는 두 개의 지반 강성 파라미터를 시행착오 방법으로 추정해 사용 하였다.
풍력터빈 시스템의 강성이 낮아져 동하중에 의해 진동 응답이 크게 발생하게 되는 원인은?
풍력터빈은 고출력을 위해 계속적으로 대형화 되어 가는 반면 블레이드 및 풍력타워는 비용 절감을 위해 지속적으로 경량화 되어 가고 있다. 이로 인해 풍력터빈 시스템의 강성이 낮아져 풍력터빈 시스템에 작용하는 동하중에 의해 진동 응답이 크게 발생할 수 있다.
참고문헌 (5)
L. B. Ibsen and M. Liingarrd, "Prototype bucket foundation for wind turbines-natrual frequency estimation," Aalborg University (Denmark), Tech. Rep., No. 9, 2006.
D. Basu and R. Salgado, "Elastic analysis of laterally loaded piles in multilayered soil," Geomech. Geoeng. Int. J., 183-196 (2007).
D. Basu, R. Salgado, and M. Prezzi, "Analysis of laterally loaded piles in multilayered soil deposits," Purdue University (USA), Tech. Rep., FHWA/IN/ JTRP-2007/23, 2008.
H. G. Poulus, "Behavior of laterally loaded piles I. single piles," J. Soil Mech. Found. Div., 733-751 (1971).
J. P. Carter and F. H. Kulhawy, "Analysis of laterally loaded shafts in rock," J. Geotech. Eng., 839-855 (1992).
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