본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 파악한다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도한다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산한다. 해석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있으므로, 해상풍력발전시스템의 동적거동 산정 시에는 반드시 지반-구조물 상호작용의 효과를 고려하여야 할 것이다.
본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 파악한다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도한다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산한다. 해석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있으므로, 해상풍력발전시스템의 동적거동 산정 시에는 반드시 지반-구조물 상호작용의 효과를 고려하여야 할 것이다.
In this study, characteristics of seismic behaviors of offshore wind turbine systems using concrete-suction-type supporting structures are investigated. Applying hydrodynamic pressure from the surrounding sea water and interaction forces from the underlying soil to the structural system which is com...
In this study, characteristics of seismic behaviors of offshore wind turbine systems using concrete-suction-type supporting structures are investigated. Applying hydrodynamic pressure from the surrounding sea water and interaction forces from the underlying soil to the structural system which is composed of RNA, the tower, and the supporting structure, a governing equation of the system is derived and its earthquake responses are obtained. It can be observed from the analysis results that the responses are significantly influenced by soil-structure interaction because dynamic responses for higher natural vibration modes are increased due to the flexibility of soil. Therefore, the soil-structure interaction must be taken into consideration for accurate assessment of dynamic behaviors of offshore wind turbine systems using concrete-suction-type supporting structures.
In this study, characteristics of seismic behaviors of offshore wind turbine systems using concrete-suction-type supporting structures are investigated. Applying hydrodynamic pressure from the surrounding sea water and interaction forces from the underlying soil to the structural system which is composed of RNA, the tower, and the supporting structure, a governing equation of the system is derived and its earthquake responses are obtained. It can be observed from the analysis results that the responses are significantly influenced by soil-structure interaction because dynamic responses for higher natural vibration modes are increased due to the flexibility of soil. Therefore, the soil-structure interaction must be taken into consideration for accurate assessment of dynamic behaviors of offshore wind turbine systems using concrete-suction-type supporting structures.
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문제 정의
해수는 구조계에 동수압력을 작용하고, 구조계와 지반 간에는 상호작용력이 존재한다. 그러므로 구조계의 운동방정식에 해수의 동수압력과 지반에 의한 상호작용력을 외력으로 가하여 전체 시스템의 지배 방정식을 유도하고자 한다.
본 연구에서는 기존의 지지구조에 비하여 더 깊은 수심에 건설이 가능하고 5MW급 발전기를 지지할 수 있는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 통해 그 거동 특성을 평가하고자 한다. 본 연구에서 고려한 콘크리트 석션식 지지구조물은 Fig.
본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 평가하였다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도하였다.
여기에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 운동방정식을 유도하고자 한다. Fig.
1에 보인 것과 같이 콘크리트 중력식 기초와 석션 기초가 결합된 형태이다. 이러한 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전 시스템의 지진응답 해석을 위해 이 시스템의 운동방정식을 도출한다. 전체 시스템을 RNA(rotor-nacelle assembly), 타워, 지지구조를 포함한 구조계, 유체, 지반의 부분구조로 분리하고, 유한요소 기법을 사용하여 구조계의 운동방정식을 도출한다.
가설 설정
본 연구에서 타워는 원형 단면을 가지고 있고 RNA는 타워 상단의 집중질량으로 근사할 수 있다고 가정한다. RNA와 타워를 지지하는 지지구조물도 축대칭 구조물이므로, 이 시스템의 운동방정식을 원통형 좌표계에서 서술할 것이다.
원통형 좌표계에서 모든 물리량은 원주 방향으로 θ = 0인 평면에 대하여 대칭인 성분, 즉, 원주 방향으로 cos(nθ)(n = 0,1,2,…)로 변동하는 성분과 역대칭인 sin(nθ)(n = 1,2,…)로 변동하는 성분의 조합으로 표현할 수 있다. 본 연구에서는 해저지진의 입사파 중 수직으로 입사하는 1축 수평지반운동의 영향만 고려할 것이므로, n = 1인 성분만 고려할 것이다. 일반적인 3차원 시스템에 대한 적용은 그 이외의 성분들까지도 모두 조합하면 가능하다.
구조계에 작용하는 지반에 의한 상호작용력을 산정한다. 지반의 일정 깊이부터는 강체 기반암이 존재한다고 가정하고, 불규칙하고 비균질의 지반 근역은 유한요소로, 깊이가 일정하고 균질인 지반 원역은 반경 방향으로 무한한 영역으로의 에너지 방사를 고려할 수 있는 전달경계를 사용하여 모사한다. 이와 같이 구성된 수치 모형으로부터 지반의 운동방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다(Kausel, 1974).
구조계에 작용하는 유체의 동수압력을 산정한다. 해수는 비점성 압축성 이상 유체로 가정하고, 유연한 해저지반에 의한 에너지 흡수와 반무한 영역으로의 에너지 방사를 고려하여 동수압력을 산정한다. 단, 유체의 자유표면에서의 표면파의 영향은 고려하지 않는다.
제안 방법
2장에서 설명한 해석기법을 이용하여 콘크리트 석션식 지지 구조물을 사용한 5MW급 해상풍력발전시스템의 지진응답해석을 수행하고 그 거동 특성을 파악한다.
이상으로부터 구조계, 유체, 지반으로 이루어진 해상풍력발전시스템의 운동방정식을 도출하고 지진응답 해석을 수행할 수 있다. 개발된 해석기법을 이용하여 5MW급 해상풍력발전시스템의 지진응답해석을 수행하고 그 거동 특성을 파악하고자 한다.
전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도하였다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산하였다.
단, 유체의 자유표면에서의 표면파의 영향은 고려하지 않는다. 구조물과 접하고 임의의 기하학적 형상을 가질 수 있는 유체의 근역은 유한요소로 모사하고, 그 깊이가 일정하고 반경 방향으로 무한한 유체의 원역은 전달경계를 사용하여 그 영향을 모사한다. 이와 같이 구성된 수치모형으로부터 구조계에 가해져야 할 동수압을 식 (2)와 같이 산정할 수 있다(Lee et al.
구조계에 작용하는 해수의 동수압을 산정하고 이로부터 유체로 인한 부가질량과 부가하중을 결정한다. 또한, 지반의 임피던스와 기초입력운동으로부터 지반과의 상호작용력을 산정한다. 이상으로부터 구조계, 유체, 지반으로 이루어진 해상풍력발전시스템의 운동방정식을 도출하고 지진응답 해석을 수행할 수 있다.
예제 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하였다. 해석 수행 시 지지구조물 석션기초부의 스커트 길이/직경비 L/D를 0(스커트가 없이 중력식 기초부만 존재하는 경우), 0.
한편, 타워에 설치되는 중간설비와 고장력 볼트 등으로 인해 추가 질량이 발생하게 되는데, 이로 인한 타워 각 부분의 집중질량이 Table 1에 정리되어 있다. 이상과 같은 단면과 재료성질을 가지는 타워는 보요소를 사용하여 수치 모형을 구성한다. 한편, RNA의 영향은 상단에 집중되어 있는 강체로 모사하는데, 이 강체의 질량과 회전관성은 각각 428,000kg과 19,866,582kg·m2이다.
이러한 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전 시스템의 지진응답 해석을 위해 이 시스템의 운동방정식을 도출한다. 전체 시스템을 RNA(rotor-nacelle assembly), 타워, 지지구조를 포함한 구조계, 유체, 지반의 부분구조로 분리하고, 유한요소 기법을 사용하여 구조계의 운동방정식을 도출한다. 구조계에 작용하는 해수의 동수압을 산정하고 이로부터 유체로 인한 부가질량과 부가하중을 결정한다.
본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 평가하였다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도하였다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산하였다.
예제 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하였다. 해석 수행 시 지지구조물 석션기초부의 스커트 길이/직경비 L/D를 0(스커트가 없이 중력식 기초부만 존재하는 경우), 0.25, 0.5, 0.75, 0.917(Fig. 2)로 변화시켜 가며 그 영향을 조사하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 기존의 지지구조에 비하여 더 깊은 수심에 건설이 가능하고 5MW급 발전기를 지지할 수 있는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 통해 그 거동 특성을 평가하고자 한다. 본 연구에서 고려한 콘크리트 석션식 지지구조물은 Fig. 1에 보인 것과 같이 콘크리트 중력식 기초와 석션 기초가 결합된 형태이다. 이러한 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전 시스템의 지진응답 해석을 위해 이 시스템의 운동방정식을 도출한다.
이러한 응력 집중으로 인해 콘크리트 지지구조물에 균열이 발생하지 않도록 지지구조물에는 긴장력이 가해지게 된다. 본 예제 구조물에서는 PS 강연선을 총 40개소에 설치하여 긴장력을 가하는데, 1개소는 단면적 138.7mm2의 PS 강연선 18가닥으로 이루어져 있다. PS 강연선의 기준인장강도는 1,900MPa, 긴장율은 0.
성능/효과
또한, Fig. 5(a)의 전달함수에서도 관찰할 수 있듯이, 대상 시스템의 변위 응답은 지지구조물의 구조적인 특성에 따라 상당한 변동을 보이는 것을 확인할 수 있다.
5(b)는 타워 상단에서의 상대 수평변위의 시간이력을 보여주고 있다. 본 논문에는 포함하지 않았지만 지반-구조물 상호작용을 고려하지 않을 때의 최대 변위 0.352m와 비교하여, 지반-구조물 상호작용은 대상 시스템의 응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, Fig.
685Hz 구간에 동적 응답의 증폭이 발생하고, 이는 결국 시스템의 지진응답에 많은 영향을 미치게 된다. 이상으로부터 지반-구조물 상호작용은 유연한 지반에 놓인 강성과 질량이 큰 구조물뿐만이 아니라 해상풍력발전시스템과 같이 아주 유연한 구조물에 대해서도 반드시 고려하여야 하는 사항인 것을 확인할 수 있다.
해석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였고, 이와 같은 응답의 증가가 발생하는 원인을 규명하였다. 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있고, 결과적으로 시스템의 지진응답이 크게 증가하게 됨을 해석 결과로부터 관찰할 수 있었다. 일반적으로 해상풍력발전 지지구조물에 설치되는 상부구조물은 아주 유연하여 그 고유주기가 아주 길지만, 이러한 유연한 구조물의 지진응답도 지반-구조물 상호작용에 의해서 크게 증가할 수 있으므로 해상풍력발전시스템의 동적 거동 산정 시에는 반드시 지반-구조물 상호작용의 효과를 고려하여야 할 것이다.
7은 콘크리트 석션식 지지구조물에서 최대 주응력이 발생할 때의 주응력 분포이다. 콘크리트 석션식 지지구조물의 단면이 변하는 부분에 응력 집중이 발생하고, 지반-구조물 상호작용으로 인해 그 응답이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 석션기초부의 스커트 길이가 증가하여 지지구조물의 정착효과가 증가할수록 응력 집중 현상은 심화됨을 관찰할 수 있다.
콘크리트 석션식 지지구조물의 단면이 변하는 부분에 응력 집중이 발생하고, 지반-구조물 상호작용으로 인해 그 응답이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 석션기초부의 스커트 길이가 증가하여 지지구조물의 정착효과가 증가할수록 응력 집중 현상은 심화됨을 관찰할 수 있다. 이러한 응력 집중으로 인해 콘크리트 지지구조물에 균열이 발생하지 않도록 지지구조물에는 긴장력이 가해지게 된다.
해석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였고, 이와 같은 응답의 증가가 발생하는 원인을 규명하였다. 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있고, 결과적으로 시스템의 지진응답이 크게 증가하게 됨을 해석 결과로부터 관찰할 수 있었다.
후속연구
본 연구에서는 하나의 예제 해상풍력발전시스템의 지진거동특성을 분석하였지만, 이 연구에서 사용한 해석기법을 활용하여 다양한 지반조건, 입력지진, 구조상세 등에 따른 영향을 분석할 수 있을 것이고 이로부터 보다 일반화된 결론을 도출할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상풍력발전의 장점은?
풍력발전은 지금까지는 육상풍력발전을 위주로 진행되어 왔지만, 해상풍력발전의 보급 용량은 전 세계적으로 빠른 속도로 증대되고 있다. 해상풍력발전은 육상풍력발전에 비하여 용지확보가 용이하고 지속적으로 강한 바람을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 그 건설비용이 고가이므로 구조물 거동의 정확한 예측을 통해 비용 효율적으로 발전시설을 건설하여야 한다.
지진에 의해 피해가 해상풍력발전에 영향을 주는 것은?
지진에 의해 피해는 해상풍력발전 시스템에 대해서도 예외가 아니다. 특히, 지진으로 인한 해상풍력발전 시스템의 피해는 에너지 공급에도 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 해상풍력발전 시스템은 지진에 대해서 일반 구조물보다는 한층 높은 수준의 안전성을 보장할 수 있도록 설계되고 유지되어야 할 필요가 있고, 이에 대한 다양한 연구가 진행되었다(Choi et al.
해상풍력발전의 단점은?
풍력발전은 지금까지는 육상풍력발전을 위주로 진행되어 왔지만, 해상풍력발전의 보급 용량은 전 세계적으로 빠른 속도로 증대되고 있다. 해상풍력발전은 육상풍력발전에 비하여 용지확보가 용이하고 지속적으로 강한 바람을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 그 건설비용이 고가이므로 구조물 거동의 정확한 예측을 통해 비용 효율적으로 발전시설을 건설하여야 한다.
참고문헌 (7)
Choi, H.-C., Kim, D.-H., Kim, D.-M., Park, K.-K. (2010) Seismic Response Analysis of a MW Class Wind-Turbine Considering Applied Wind Loads, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 23(2), pp.209-215.
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Kausel, E. (1974) Forced Vibrations of Circular Foundations on Layered Media, Research Report R74-11, Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts.
Lee, J.H., Bae, K.T., Jin, B.M., Kim, J.K. (2013) Earthquake Response Analysis of an Offshore Wind Turbine Considering Effects of Geometric Nonlinearity of a Structure and Drag Force of Sea Water, EESK J. Earthq. Eng., 17, pp.257-269.
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Lee, J.H., Lee, S., Kim, J.K. (2012) Earthquake Response Analysis of an Offshore Wind Turbine Considering Fluid-Structure-Soil Interaction, EESK J. Earthq. Eng., 16, pp.1-12.
Spera, D.A. (2009) Wind Turbine Technology, Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering, 2nd Edition, ASME Press, Three Park Avenue, New York.
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