[논문]해상풍력 파일 굴착직경 결정을 위한 하부구조물 설계해석

이기옥; 선민영

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.4.048

[국내논문] 해상풍력 파일 굴착직경 결정을 위한 하부구조물 설계해석
Design Analysis of Substructure for Offshore Wind Pile Excavation 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.4, 2019년, pp.48 - 55

이기옥 (ICT 군산대학교 융합조선해양연구원) , 선민영 (전북대학교 기계설계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

With recent rapid increases in the power generation capacity of offshore wind power generators, reliable structural analysis of the large-scale infrastructure needed to install wind power generators at sea is required. Therefore, technology for heavy marine equipment such as barges and excavation equipment is needed. Under submarine conditions, rock drilling technology to install the substructure for offshore wind pile excavation is a very important factor in supporting a wind farm safely under dynamic loads over periods of at least 20 years. After investigating the marine environment and on-site ground excavation for the Saemangeum offshore wind farm, in this study we suggest.

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문제 정의

본 연구는 국내 서·남해 Deep Mud층(약40~60m) 의 해저지반에 해상풍력발전단지 개발을 위한 3-Le g Bracket Type Substructure의 설치를 목적으로 지반 굴착 기술에 관한 사례[3~7] 를 연구하고 고정식 하부구조물 시공 및 상용화를 돕는데 있다.
본 연구에서는 강관파일(Steel Pile) 하부지지구조의 좌굴, 전단력, 휨모멘트 등에 견디는 단면구조 결정에 따른 하중해석(연직하중 및 수평하중, 진동하중, 기타 하중에 대해 구조물이 저항할 수 있도록) 후에 RCD 천공 굴착직경 결정이 주요 목적이다.
본 연구에서는 상기 프로세서 중 새만금해상풍력 Site의 해양환경 여건조사 및 지반굴착조사 후 선정 하부구조물의 하중해석 실시, 암반굴착을 위한 단면의 결정과 소요 굴착장비의 Bit 단면 결정에 대해서 제시 하고자 한다.
본 연구에서는 예측하지 못하는 실제 수평파일 상부하중의 잠재적인 변화를 검토하기 위하여, 1,0 00kN에서 1,500kN 범위에서 효과가 연구되었다. 이상황에서는 2m의 세굴 깊이가 고려되었다.

제안 방법

15 중심이다. 해상 풍력 발전의 해양환경 하중 계산을 위해서는 설치 지점에서 수위 변동을 고려하고, Table 1 과 같이 국립해양조사원, 영광 검조소, 해모수의 계측데이터 분석에 따른 수위(Water Level)를 참조하였다.
를 연구하고 고정식 하부구조물 시공 및 상용화를 돕는데 있다. 이를 위해 Fig. 2와 같이 새만금 해저지반조사를 기준으로 3 - Leg Bracket Type Substructure 설치를 위한 지반 굴착기술에 적용 하고자 한다.
본 연구에서는 Table 2과 같이 풍력 시스템사 (Siemens-3.6-130, 85m Tower)의 하중 Data를 바탕 으로 자하중과 외력하중의 데이터를 조합한 극한 하중을 하부구조물에 적용(하부구조물의 TP상부) 하여 하부구조물 각 부재의 허용응력을 계산 적용하였다.
발전기의 수명이 지속되는 기간 동안 충분한 구조강도를 유지하여야 한다. 하중 평가과정을 거쳐 산정된 하중케이스를 지지구조물에 적용한 뒤, 유한요소법을 응용한 상용프로그램 (ANSYS)을 이용하여 지지구조물 중요 부위의 변위, 응력, 변형률, 피로수명 등의 평가를 수행하였다. 해석절차는 국제 설계 기준에 따라 (DNV-OS-J 101 Unfactored Load) ^[9~10] 해상풍력 지지구조물 해석을 위해서 상용 유한요소 해석프로그램인 ANSYS 를 이용하였다.
해석절차는 국제 설계 기준에 따라 (DNV-OS-J 101 Unfactored Load) ^[9~10] 해상풍력 지지구조물 해석을 위해서 상용 유한요소 해석프로그램인 ANSYS 를 이용하였다. ANSYS Design Modeler를 이용하여 3D 모델링 및 Meshing을 한 뒤, 하중에 대한 구조 해석을 ANSYS R18.2 Design Simulation으로 수행 하였다.
하부구조물은 Autodesk Inventor에서 모델을 생성 하고 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench 18.2를 사용하여 해석하였고, DIN EN 1993-1-6에따라 부재의 중간면을 고려한 Shell Model로 구성하 였으며, Mesh 구성은 Shell요소를 사용하여 ULS 해석은 60mm의 Mesh 크기로, FLS 해석은 아래 Fig. 5 와 같이 30mm의 매쉬 크기를 적용하였다.
Fig. 8에서와 같이 하부구조물과 그 지지파일의 모델링과 해석결과를 기반으로 단면이 결정되고, 아래와 같이 해저지질의 수평변위, 벤딩모멘트/ 응력 등 특성을 분석하여 지지파일의 직경에 따른 굴착직경을 결정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 해상 풍력 지지구조물의 설치 해역은 새만금 해상풍력 99.2MW 단지 중 No.15 중심이다. 해상 풍력 발전의 해양환경 하중 계산을 위해서는 설치 지점에서 수위 변동을 고려하고, Table 1 과 같이 국립해양조사원, 영광 검조소, 해모수의 계측데이터 분석에 따른 수위(Water Level)를 참조하였다.
본 해석에서 등가 파일(점토층 아래 15m)은빔 요소로 포함되었다. 파일은 점토층 아래 15m 에 고정되며, Wave Loads는 Shaft-0.
해석 경계조건으로는 Fig. 3과 같이 해저면에 닿는 3개 부분을 완전 고정하여 자유도를 구속시켰으며, 본 해석을 위해 사용된 재료는 355MPa의 압축 및 인장 항복강도(Table. 3)를 가지는 구조용 강 및 그라우팅 부분에 대한 그라우팅 재료이다.
ULS 좌굴과 FLS 해석은 Hooke의 법칙에 기반한 선형 탄성재료(Young’s modulus는 210,000 MPa이고 Poisson's 비는 0.3임)를 사용하였고, 설치구조물의 해수위 적용은 15.0m, 부분 안전계수(\(r\)=1.35)를적용하여 아래 Table 4와 Fig. 6과 같은 결과(이때 S-N 곡선에서 N=2e8 일 때 그 기울기 m=3.5 임).

데이터처리

해석절차는 국제 설계 기준에 따라 (DNV-OS-J 101 Unfactored Load) [9~10] 해상풍력 지지구조물 해석을 위해서 상용 유한요소 해석프로그램인 ANSYS 를 이용하였다.

이론/모형

파랑에 의한 하중을 산정하기 위해서는 Morison Formular를 이용한다. 단위 길이 당 파하중은 아래의 식 (1)과 같다.

성능/효과

비선형 좌굴 해석 모델은 최고 임계하중이 기초로 선택되는 선형좌굴해석을 기반으로 구성되 는데, 실제로 이것은 항복에 대해 사용되는 완전 탄성 - 완전 소성 모델이 비선형 모델에 적용될수 없다는 것을 확인하였다. 이는 소성역(Plastic Region)에서 완전하지 않은 강재에 대한 이중선형 (bi-linear) 응력-변형 곡선을 추정함으로써 해결된다.
하부구조물의 피로 평가는 모든 주 강재 요소에 대해 수행되는데, 그 결과 모든 요소가 25년의 피로수명을 만족하는 것으로 나타났다. 최대 핫스폿 응력 범위가 해석 결과로부터 도출되었다.
결과적으로 해양환경 및 해저토질의 특성을 , 고려하여 시뮬레이션 한 결과 3-Leg Bracket Pile의 초기 단면은 와 Fig. 12 같이 1,600mm로 산정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조력하중이 실제을 측정하거나 기록된 자료로 사용해야 하는 이유는?	조력하중은 임의 지점에서 여러 가지 형태의 조류의 합으로 이루어져 있으므로, 설계변수를 결정 하기 위해서는 실제로 측정을 하거나 기록된 자료를 사용해야 한다. 조류의 속도는 Owner의 Design Specification에서 Field 데이터로 수심에 따라 주어 지지만 이러한 데이터가 없을 경우 아래의 식(2)을 이용하여 계산한다.
	비선형 좌굴 해석 모델에 완전 탄성 혹은 완전 소성 모델을 적용이 안되는 문제를 해결하기 위한 방법은?	비선형 좌굴 해석 모델은 최고 임계하중이 기초로 선택되는 선형좌굴해석을 기반으로 구성되 는데, 실제로 이것은 항복에 대해 사용되는 완전 탄성 - 완전 소성 모델이 비선형 모델에 적용될수 없다는 것을 확인하였다. 이는 소성역(Plastic Region)에서 완전하지 않은 강재에 대한 이중선형 (bi-linear) 응력-변형 곡선을 추정함으로써 해결된다. 경험식에 따르면 접선계수(Tangent Modulus) E/1000이 사용되어야 하며, 여기서 E는 구조강의 영률 (Young's Modulus)이다.

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