해상풍력발전 하이브리드 지지구조의 정·동적 거동특성 연구 = (A) study on the static and dynamic behaviors for hybrid support structure of offshore wind turbines

국문 초록 (Abstract)

최근 해상풍력발전의 경제성을 확보하기 위한 규모의 논리에 따라, 건설여건이 양호하고 에너지효율이 높은 수심 20m이상의 대수심, 터빈 용량은 5MW이상(7MW 실증완료, 10MW 개발중)의 대용량을 갖는 대단위 해상풍력단지가 건설되고 있다. 전통적으로 석유나 가스 시추산업에 사용되던 강재 자켓과 같은 지지구조는 지반조건에 따라, 전체 건설비용 중 하부구조물이 차지하는 비용 측면에서 경제성이 떨어지며. 전력생산을 위한 터빈의 가동과 바람이나 파도의 동적인 하중을 고려하면 해상풍력발전 구조물은 동적 안정성과 피로 저항력의 확보가 상당히 중요한 구조물이므로, 해양환경 조건에서 충분한 안정성이 보장되는 경제적인 재료가 요구하게 된다. 따라서, 그동안 중력식 구조물에만 적용되던 콘크리트를 이용한 지지구조물에 대한 연구개발이 활발하다. 그러나, 자중 문제나 시공성을 확보해야하는 어려움도 상존한다. 특히, 콘크리트 구조물은 대형화되어 보요소를 이용한 등가모델로 구조해석을 하는 것은 부적절하다.
한편, 해상풍력의 경제성을 확보하기 위해서는 내재된 위험성을 예측하여 완화시키고, 설계지배변수가 최적화 되어야한다. 엔지니어링 관점에서 이런 요구사항들을 정리해 보면, 우선적으로 해상풍력터빈의 기본적인 이해가 필요하다. 또한, 기존의 프로젝트에서 얻은 학습된 경험을 적용과, 설계도구를 향상시키는 방법이 있다.
본 연구에서는 파일로 지지된 콘크리트 재료를 이용한 새로운 형식의 해상풍력 지지구조를 제안하고, 콘크리트 지지구조물의 해석을 위한 파랑이론(wave theory) 및 입체 유한요소의 개발, 예비설계(preliminary design)와 정·동적 거동분석을 통한 타당성을 검토하였다. 연구방법으로는 첫째, 콘크리트 지지구조의 3차원 해석을 위해 Resultant Force Formulation을 이용하여 절점 단면력 산정이 가능한 Solid-Shell요소를 개발하였고, 파력 산정시 단위길이당 하중으로 적용되던 모리슨식을 입체요소에 적용할 수 있도록 개발하였다. 기존의 Airy선형이론과 Stokes5차 이론으로는 설계기준에서 제시하는 모든 영역의 파랑이론을 적용하기 어려워 Stream Function을 정식화하여 해상구조물 전용 유한요소해석 프로그램인 XSEA 탑재 후 검증하였다. 둘째, 기존의 문헌이나 사례를 분석후 콘크리트 트라이포드 기하형상이 다른 기본모델을 제안하고, 수평력(단위하중)을 재하하여 반력과 부재력이 기하형상에 미치는 영향검토를 통해 최종적인 모델을 제시하였다. 셋째, US Atlantic Coast의 환경조건을 동일하게 적용하여 XSEA프로그램을 이용한 구조해석을 수행하였으며, 예비설계 개념의 단면 적정성 검토를 수행하였고, 동적 거동을 평가하였다.
본 연구의 결과는 기존의 콘크리트 구조의 해석을 위해 사용되는 Solid 요소로는 불가능한 절점의 단면력을 Solid-Shell 요소 개발로 가능하도록 실현하였으며, 파랑이론 Stream Function을 적용하여 그 적정성을 검증하였다. 또한, 기하형상 연구를 통해 새로운 콘크리트 트라이포드 지지구조를 제안하고 정·동적 거동특성을 분석하여 충분히 현장적용이 가능한 구조물임을 입증하였다. 특히, 해상풍력발전 지지구조물은 동적거동에 대한 평가가 중요한데, 콘크리트구조물의 장점인 감쇄특성으로 동적거동이 우수함을 검정하였다. 또한, 본연구의 과정을 통해 해상풍력발전 콘크리트 지지구조의 설계 및 해석을 위한 절차를 제시할 수 있었다.
제시한 콘크리트 트라이포드 지지구조물의 실제적용을 위해서는 수심에 따른 단면의 최적화에 관한 연구가 추가적으로 수행되어야 하며, 해저지반의 조건에 따른 동적거동에 관한 연구도 수행되어야 할 것이다. 터빈의 동적거동과 콘크리트 설계를 위한 하중조합을 유기적으로 검토할 수 있는 프로그램의 개발로 구조물 전체거동을 보다 명확하게 해석 할 필요가 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 및 범위 5
• 제2장 환경하중 및 거동특성 8
• 2.1 정의 및 개요 8
• 2.2 연구동향 9
• 2.2.1 해상풍력발전 지지구조 형식 9
• 2.2.2 동적거동 해석 12
• 2.2.3 입체요소의 정식화 14
• 2.2.4 파랑하중 및 적용 16
• 2.3 확률론적 개념 19
• 2.4 파랑과 조류 25
• 2.4.1 해수면 25
• 2.4.2 파랑의 정식화 30
• 2.4.3 구조물에 작용하는 파력 32
• 2.4.4 극한파랑, 비선형 파랑이론 및 쇄파 35
• 2.4.5 장기 파랑 37
• 2.4.6 조류와 해류 38
• 2.5 바람의 특성 40
• 2.5.1 풍력과 풍속 40
• 2.5.2 풍속의 연직분포와 난류 42
• 2.5.3 극한풍속과 거스트 47
• 2.6 풍력터빈 49
• 2.7 지지구조물의 동적거동 52
• 2.7.1 기본개념 52
• 2.7.2 연성과 강성시스템 55
• 2.7.3 지지구조물의 동적 설계요건 59
• 2.7.4 보정 조건 62
• 제3장 3차원 파력 산정 63
• 3.1 개요 63
• 3.2 파랑이론 및 파력 65
• 3.2.1 Airy 이론 65
• 3.2.2 Stokes 이론 67
• 3.2.3 Stream Function 이론 72
• 3.2.4 모리슨 방정식을 이용한 3차원 파력 산정 80
• 3.3 솔리드-쉘 요소 및 파력 84
• 3.3.1 개요 84
• 3.3.2 솔리드-쉘 요소의 기하학적 형상 84
• 3.3.3 변형률-변위 관계식 86
• 3.3.4 구성 방정식 87
• 3.3.5 요소강성 행렬 89
• 3.3.6 내력 벡터 90
• 3.3.7 절점 보간법 91
• 3.4 수치해석 예제 94
• 3.4.1 개요 94
• 3.4.2 수평하중이 작용하는 캔틸레버 보 96
• 3.4.3 수직하중이 작용하는 캔틸레버 보 97
• 3.4.4 Pinched Cylinder 99
• 제4장 하이브리드 지지구조 개발 101
• 4.1 기존형식 검토 101
• 4.1.1 검토 개요 101
• 4.1.2 설치형식 분석 102
• 4.1.3 신개념의 지지구조 형식 104
• 4.2 콘크리트 지지구조물의 특징 107
• 4.2.1 개발동향 107
• 4.2.2 해상 콘크리트의 특징 109
• 4.2.3 콘크리트 구조물의 설계 112
• 4.2.4 설계기준 118
• 4.3 신형식 제안 121
• 4.3.1 제안 및 검토 개요 121
• 4.3.2 예비모델 비교안 122
• 4.3.3 모델링 및 해석결과 126
• 4.3.4 결과요약 및 시공성 검토 135
• 제5장 구조해석 및 적용성 검토 137
• 5.1 해석 및 검토조건 137
• 5.1.1 해석 개요 137
• 5.1.2 터빈 및 타워 139
• 5.1.3 적용지역의 환경조건 143
• 5.2 3차원 구조해석 147
• 5.2.1 모델링 및 해석 147
• 5.2.2 변위 및 응력 해석결과 152
• 5.2.3 고유진동수 해석결과 155
• 5.2.4 동적 해석결과 157
• 5.3 해석결과 분석 및 적용성 검토 162
• 5.3.1 준정적해석 162
• 5.3.2 고유진동수 해석 164
• 5.3.3 동적해석 166
• 제6장 결론 167
• 참고문헌 169
• 부록 179
• 국문초록 195