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부분집합 시뮬레이션 방법을 이용한 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석
Seismic Reliability Analysis of Offshore Wind Turbine with Twisted Tripod Support using Subset Simulation Method 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.32 no.2, 2019년, pp.125 - 132  

박광연 (한국건설기술연구원 지진안전연구센터) ,  박원석 (목포대학교 토목공학과)

초록
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이 논문에서는 지진 하중을 받는 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석 방법을 제시한다. 수평하중에 대해서 면외 변위가 발생하는 꼬인 삼각대지지 구조의 기하학적 특성과 지반의 비선형성을 포함한 지반-말뚝 상호작용을 고려하기 위한 구조물의 3차원 동적 유한요소 모델을 제시하였다. 지진신뢰성 평가를 위해 재현주기별 인공지진파를 사용한 시간이력 해석을 통해 말뚝 두부의 수평변위로 정의된 한계 상태식에 대하여 파괴확률을 산정하였다. 비선형 시간이력해석에 의한 한계상태식 평가를 고려하여 효율적으로 신뢰성 해석을 하기 위해 Markov Chain Monte Carlo 샘플링 방법을 적용한 부분집합 시뮬레이션 방법의 적용을 제시하였다. 제시한 방법은 2차원 모델 및 정적해석만으로는 정확한 결과를 도출할 수 없는 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 신뢰성 평가 및 설계기준 개발에 활용될 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a seismic reliability analysis method for an offshore wind turbine with a twisted tripod support structure under earthquake loading. A three dimensional dynamic finite element model is proposed to consider the nonlinearity of the ground-pile interactions and the geometrical chara...

주제어

#해상풍력발전기   #꼬인 삼각대 지지구조   #지진 신뢰성   #부분집합 시뮬레이션  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 하지만 이 형식의 구조물에 대한 지진하중에 대한 연구는 많은 연구가 이루어져 있지 않다(Park and Park, 2018). 이 논문에서는 지진 하중을 받는 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석 방법을 제시한다.
  • 이 연구에서는 지진 하중을 받는 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석 방법을 제시하였다. 평면 2차원 모델로는 수평하중에 대해서 면외 변위가 발생하는 꼬인 삼각대 지지구조물의 기하학적 특성을 고려하기 위해 3차원 유한요소 모델을 개발하였다.

가설 설정

  • 말뚝과 지반의 상호작용 모델은 Lee(2015)의 지반-말뚝 상호작용 모델을 사용했다. 들보로 가정한 말뚝에 다수의 비선형스프링을 부착해 횡하중, 연직마찰력, 선단지지력을 모델링 한다.
  • 실제 유체는 바닷물이지만담수로 가정하고 물의 질량밀도인 ρw =1000kg/m3을 사용했다.
  • 이중 파도, 해류, 바람하중은 Chen(2016)에서 사용한 사용하중을 기준으로 무작위성을 고려했고, 지진하중은 삼각대 세 면 중 한 면에 수직으로 적용했으며, 파도, 해류, 바람하중은 악조건을 고려해 지진과 같은 방향으로 가해지는 것으로 가정했다.
  • 지진구역 I 및 암반지반 S1, 5% 감쇠비에 대한 수평지반운동 가속도 응답스펙트럼을 이용하였다. 입력지반운동 가속도는 말뚝 선단부의 기반암에만 작용하는 것으로 가정하였고, 공통 적용사항의 설계 지진 분류체계와 내진등급 분류체계를 고려하여 지진의 강도를 정하였다. 기능수행수준 한계상태식에 대한 신뢰성 해석을 위해 설계지진재현주기 50년, 100년 및 200년, 붕괴방지수준 신뢰성 해석을 위해 1000년, 2400년, 4800년 강도의 지진을 고려하였다.
  • API(2005)는 각 계수의 값을 토양 종류와 단단한 정도에 따라 분류해 제시하고 있는데, 여기서는 중간강도의 흙(medium clay) 기준으로 계수의 평균값을 결정했다. 지반관입 깊이에 따른 지반 특성 변화는 고려하지 않고 균질한 중간강도의 흙이 분포한 것으로 가정한다.
  • 팬과 나셀은 동적효과 없이 타워 최상단에 3500kN의 집중 질량으로 모델링했다. 타워, 하부구조물, 말뚝은 질량밀도와 강성이 각각 7800kg/m3, 200GPa인 구조용 강재로 제작된 원형 강관을 가정한 3차원 들보로 모델링했다. 타워는 높이 65m, 지름 6m, 두께 0.
  • 팬과 나셀은 집중질량으로 표했기 때문에 바람에 대한 효과를 따로 계산해 타워 상단부에 가해지는 집중하중으로 모델링했다. 팬에는 정면, 상하, 좌우 각각 389.48kN, 4112kN, 1185 kN를, 나셀에는 정면, 상하, 좌우 각각 51.77kN, 4.05kN, 102.26kN이 가해지는 것으로 가정했다
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지진 신뢰성 해석이란 무엇인가? 이 연구에서 지진 신뢰성 해석은 특정 강도의 지진에 대한 구조물 응답 소요(demand)로부터 계산할 수 있는 한계상태 식에 대한 파괴확률 또는 신뢰성지수를 산정하는 것을 말한다. 즉, 특정한 세기의 지진에 대한 조건부 확률로서 지진 신뢰성을 평가한다.
꼬인 삼각대(twisted tripod) 형식의 장점은? , 2016). 이 형식은 가장 많이 쓰이는 자켓(jacket)과 일반 삼각대(tripod) 형식의 하부구조에 비해 간단한 구조로서 제작 단가가 낮고 시공 및 유지보수 비용이 저렴하다(Fenech et al., 2011). 또한 간단한 구조로 인해 조류, 파도, 바람과 같은 외부 하중의 영향이 상대적으로 적은 것으로 알려져 있다(Gong, 2011). 하지만 이 형식의 구조물에 대한 지진하중에 대한 연구는 많은 연구가 이루어져 있지 않다 (Park and Park, 2018).
지진 신뢰성 해석을 위하여 지진의 강도로 사용한 것은 무엇인가? 즉, 특정한 세기의 지진에 대한 조건부 확률로서 지진 신뢰성을 평가한다. 이 연구에서 고려하는 지진의 강도는 구조물의 사용 수명 동안 발생하는 지진의 초과발생확률에 의해 분류된 평균 재현주기로 나타내는 설계지진의 세기를 사용한다. 불확실성 인자는 꼬인 삼각대 지지 구조물과 말뚝 기초 및 지반모형을 고려한 동적 유한요소모델의 파라미터를 확률 변수로 모델링 하여 고려한다.
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참고문헌 (15)

  1. API (American Petroleum Institute) (2005) Recommended Practice for Planning, Design and Constructing Fixed Offshore Platforms-working Stress Design, American Petroleum Institute Publishing Service, Washington D.C., pp.1-263. 

  2. Au, S.-K., Beck, J.L. (2001) Estimation of Small Failure Probabilities in High Dimensions by Subset Simulation, Prob. Engi. Mech., 16, pp.263-277. 

  3. Beck, J.L., Au, S.K. (2002) Bayesian Updating of Structural Models and Reliability using Markov Chain Monte Carlo Simulation, J. Eng. Mech., 128(4), pp.380-39. 

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  4. Chen, I.W., Wong, B.L., Lin, Y.H., Chau, S.W., Huang, H.H., (2016) Design and Analysis of Jacket Substructures for Offshore Wind Turbines, Energies, 264(9). 

  5. Fenech, L., Sant, T., Muscat, M. (2011) Design and Cost Evaluation of a Deep Water Support Structure for a Wind Turbine in Central Mediterranean Waters, In Proceedings of the European Wind Energy Conference, Brussels, Belgium. 

  6. Fishman, G., (2013) Monte Carlo: Concepts, Algorithms, and Applications. Springer Science & Business Media. 

  7. Gong, W. (2011) Lattice Tower Design of Offshore Wind Turbine Support Structures, Master's Thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway 

  8. Goyal, A., Chopra. A.K, (1989) Simplified Evaluation of Added Hydrostatic Mass for Intake Towers, J. Eng. Mech., 115(7), pp.1393-1412. 

  9. Lee, S.H., Lee, J.H., Nghiem, T.X., Kim, S.R. (2015) Development of Nonlinear Spring Modeling Technique of Group Suction Piles in Clay, J. Korean Geosynthetics Society, 14(1), pp.1-10. 

  10. Lee, J.D., Ahn, B.C. (2005) Characteristics of Stress-Displacement on Uplift Loaded Group Piles, J. Korean Soc.Saf., 20(3), pp.152-157. 

  11. Metropolis, N., Rosenbluth, A.W., Rosenbluth, M.N., Teller, A.H., Teller, E. (1953) Equation of State Calculations by Fast Computing Machines, J. Chem. Phys., (21)6, pp.1087-1092. 

  12. Papaionaanou, I. Betz, W., Zwirglmaier, K., Straub, D. (2015) MCMC algorithms for Subset Simulation, Probab. Eng. Mech., 41, pp.89-103. 

  13. Park, K.-Y., Park, W. (2018) Evaluation of Pile-Ground Interaction Models of Wind Turbine with Twisted Tripod Support Structure for Seismic Safety Analysis, J. Korean Soc. Saf., 33(1), pp.81-87. 

  14. Tierney, L. (1994) Markov Chains for Exploring Posterior Distribution, The Annals of Statistics, pp.1701-1728. 

  15. Yi, J.H., Kim, S.B., Han, T.H., Yoon, G.L. (2015) Probabilistic Assessment of Dynamic Properties of Offshore Wind Turbines Considering Soil-Pile Interaction, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 28(4), pp.343-350. 

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