Load and Structural Analysis of an Offshore Wind-Turbine Foundation with Weight Control Functionality

(1)

Load and Structural Analysis of an Offshore Wind-Turbine Foundation with Weight Control Functionality

자중조절

기능이 있는 해상풍력 지지구조의 하중 및 구조해석

Minwoo Oh

^*

, Donghyun Kim

^*

†, Kiha Kim

^*

, Seoktae Kim

^**

오민우

^*

, 김동현

^*

†, 김기하

^*

, 김석태

^**

*

Graduate Sschool of Mechanical and Aerospace Eng., Gyeongsang National Univ.and CAE-KOREA Co., Ltd., Jinju, 52828, Korea

**

KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation, 105 Munji-ro Yuseong-gu, Daejeon 34056, Korea

† [email protected]

Abstract

Offshore wind turbines are divided into an upper wind turbine and a lower support structure. Offshore wind turbine system is required to secure high reliability for a variety of external environmental conditions compared to ground wind turbines because of additional periodic loads due to ocean wave and current effects. In this study, extreme load analyses have been conducted for the designed offshore wind turbine foundation with weight control functionality using computational fluid dynamics (CFD) then structural analyses have been also conducted to investigate the structural design requirement.

해상풍력터빈 시스템은 크게 상부의 풍력터빈과 하부의 지지구조로 구성된다. 해상풍력발전은 육상용 풍력발전 보다 우수하다는 평가가 지배적이지만 육상용 풍력발전에서 고려되지 않는 파랑에 의한 주기적인 하중이 추가로 고 려되기 때문에 다양한 외부 환경조건에 대하여 높은 안정성 확보가 요구된다. 본 연구에서는 전산유체역학 기법을 활용하여 설계된 해상풍력 하부구조에 대한 하중해석을 수행하고 유한요소해석을 통해 설계된 자중조절형 해상풍력 기초에 대한 구조 건전성을 검토하였다.

Keywords: Offshore wind-turbine foundation, weight control functionality, load analysis, CFD, FEM, structural analysis

I. 서 론

풍력에너지는 신재생에너지의 주도적인 역할을 하 며, 현재에도 주요 에너지원으로 인식되고 있으며 신뢰 성과 비용 효율성 면에서 빠르게 성장하는 에너지원 중 의 하나이다 [1]. 해상풍력발전은 광범위한 지역, 공급 잠재량 , 민원발생여부, 경계층 효과 등을 고려할 때 육 상용 풍력발전보다 우수하다는 평가가 지배적이지만 육 상용 풍력발전에서는 고려되지 않는 파랑에 의한 주기 적인 하중이 추가로 고려되기 때문에 다양한 외부 환경 조건에 대하여 높은 안정성 확보가 요구된다. 한국은 삼 면이 바다인 반면 한정된 육상공간으로 인하여 해양공 간의 활용이 매우 중요하기 때문에 해상풍력발전이 매 우 중요하게 부각되고 있어 많은 연구가 요구되고 있는 실정이다 . 일반적으로 중력식 기초구조는 콘크리트로 제 작되며 자중으로 해저면에 고정시킨다. 해저면은 설치 전 준설과 평탄화 작업이 필요하며 세굴 (scour) 방지구 조가 요구된다. 이러한 중력식 기초구조는 유럽의 Vindeby 해상풍력단지와 Nysted 해상풍력단지에 적용되었다. 유 럽에서 중력식 기초구조에 대한 연구를 수행하고 있으

며 [1], Attari [2] 등은 중력식 기초구조의 주요 설계 치수

와 수심에 따른 구조의 부유안정성에 대해 연구를 수행

한 사례가 있다. Esteban [3] 등과 Alonso [4]는 중력식 기

초구조의 해상운용과 설치과정에 대해 연구를 수행하였

으며 , 김현기 [5] 등은 파일지지 콘크리트 기초구조물

(Multi-piled Concrete Foundation, MCF)에 대해 소개하였고

3차원 설계 및 해석, 설치과정을 제시하였다. 해양 콘크

리트 재료의 특성과 다양한 중력식 기초구조 형상에 대

해 소개하고 수심 40 m에 대하여 콘크리트-강 합성 지지

구조물의 설계와 제작과정에 대해 연구를 수행한 사례

[6]가 있으며, 중력식 해상풍력 기초에 대해 해상 환경하

중과 지반효과를 고려하여 신뢰성 해석 [7]을 수행한 경

우도 있다. 김지환 [8] 등은 콘크리트 하부구조 연결부에

대해 3차원 설계 및 구조해석을 수행하여 안정성을 파

악하였다 . 하지만 기존 연구사례에서 하중해석을 정밀하

게 수행한 경우는 드물며 본 연구에서는 수치해석 기법

관점에서 매우 정확한 해석이 가능한 3차원 전산유체역

학 (CFD)기반으로 파랑과 조류영향이 동시에 고려된 하

중해석을 수행하고 이를 구조해석에 응용한 결과를 제

시하고자 한다.

(2)

II. 전산유체역학 기반의 하부구조 해양환경 하중해석 본 논문에서는 MW급 해상풍력터빈의 기초의 해상 축소모형 실험이 가능한 크기의 모델을 설계하고 서남 해 실증단지의 극치풍속, 파고 및 조류 유속을 동시에 고려한 하중해석을 위해 3차원 비정상 (unsteady) 전산유 체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 기법을 적용 하였다 . 기본설계 모델의 질량을 계산하기 위해 적용한 밀도는 철 (steel) 구조는 7,850 kg/m

³

를 적용하였고 콘크 리트 (concrete)는 2,500 kg/m

³

을 고려하였다. 전체 높이는 25.2 m이고, 부유이송시 draft는 3.3 m가 고려되어 설계된 축소 모형의 총 질량은 455 ton이며, 무게중심에 대한 X 방향 질량관성모멘트는 19,980,000 kg·m

²

이다 . 대칭 형상 이기 때문에 Y방향 질량관성모멘트는 동일한 값을 가지 며 Z방향 질량관성모멘트는 13,780,000 kg·m

²

이다 .

A. 극한하중 해석조건

본 연구에서 적용한 극한하중해석을 위한 조건의 산정은 전력연구원의 서남해 2.5 GW 해상풍력 실증단지 설계근거 보고서에 근거하였다. 하중해석에 적용한 공기 의 밀도는 1.225 kg/m

³

을 고려하였으며, 해수의 평균 밀 도는 1,025 kg/m

³

이며 평균온도는 13.4도를 적용하였다.

또한 극한하중에 대한 부분안전계수는 정상 및 극치조 건에 해당하는 1.35를 적용하였다. 파랑조건은 실증단지 의 50년 재현주기 극치해양조건 (Extreme sea state)에 대 한 극치 설계파고를 고려해 적용하였다. 적용된 해양 조 건은 Table 1과 같다. 참고로 design basis의 장기간 태풍 모의에 근거한 50년 재현주기 10분 평균 극치풍속은 43 m/s이며, 순간 극치풍속은 50.22 m/s이다. 현재 지구 온난 화로 인해 한반도에 진입하는 태풍의 세기가 지속적으 로 강해지는 추세이므로 본 연구에서는 향후 50년간의 풍속 증가 불확도를 고려하여 55 m/s를 설계 극한 풍속 으로 고려하였다. 또한, 극치설계파고 역시 보다 보수적 인 6 m로 설정하였다.

CFD 해석기법의 편차 가능성과 상세설계 단계에서 의 구조설계 변동성을 고려하고 다소 보수적인 하중해석 결과 도출을 위해 3차원 CFD 유동해석 조건은 총 4가지 극한 해양상황을 고려하여 Table 2와 같이 적용하였다.

여기서 시험평가 설치 고려 지역의 최대 예상 수심은 약 10.3 - 17.25 m이나 파고를 산정하는 방식의 편차 및 보 수적 해석결과 도출을 위해 다음과 같이 고려하였다.

① 수심조건 : 10 m, 20 m

② 파고조건 : 6.0 m (극치 설계파고)

B. CFD기반 해양 극한하중 해석결과

3차원 CFD해석기법을 적용하여 해양환경 극한하중 해석을 수행하기 위해 공기와 바닷물의 이종 유체 특성 을 동시에 고려하기 위해 Reynolds-Averaged Navier-Stokes 방정식에 Eulerian multiphase 모델을 적용하였고, 난류모 델은 SST(Shear Stress Transport) k-ω 모델을 적용하였다.

파도효과는 VOF (Volume of Fluid) wave 모델을 적용하였 다. 설계된 축소 시험용 해상풍력기초 모델의 극한하중 해석을 위한 3차원 CFD 유동해석 격자는 Fig. 1과 같다.

Fig. 2의 경계조건은 CFD를 이용해 파도를 구현할 때 유 동 영역의 각 경계면에서 발생하는 반사파를 제거하기 위해 설정한 wave damping 구간을 보여주고 있으며, 입 력된 파도가 베이스 주변에 도달하기까지에 영향을 미 치지 않는 범위로 설정하였다. 파도가 유동해석영역 밖 으로 빠져나가는 pressure outlet 경계면으로부터 8.8초 주 기파의 경우는 120 m, 11.8초 주기파의 경우는 195 m에 이르는 영역을 wave damping 구간으로 설정하여 후방 경 계로 빠져나가는 파도에 의한 반사파 영향을 억제할 수 있도록 하였다. Fig. 3은 CFD 유동해석에서 하부기초의 부분별 하중특성을 파악하기 위해 높이방향으로 section 을 구분한 경계를 보여주고 있다.

Table 1. 적용 해상상태 조건

구분 최대조류유속 극한 풍속 극치설계파고(Hs) 파고주기 범위 적용값 1.08 m/s 55 m/s 6 m 8.8 - 11.8 sec

Table 2. CFD 유동해석을 위한 해양 극한하중해석조건 Load

Case No.

Water Depth (m)

Wave Height

(m)

Wave Period (sec)

Wave Length

(m)

Wind Velocity

(m/s)

Current Velocity (m/s) 1 10 6 8.8 121 55 1.08 2 10 6 11.18 195 55 1.08 3 20 6 8.8 121 55 1.08 4 20 6 11.18 195 55 1.08

Fig. 1. 3차원 CFD 유동해석 격자 (격자수 526만개).

Fig. 2. 파도 반사파 억제를 위한 wave damping 구간.

(3)

1) Load Case 1

Table 2에 제시한 하중해석 조건 중 첫 번째 경우에 대한 CFD 하중해석을 수행하였다. 하부구조에 작용하는 표면 압력 분포는 Fig. 4(a)와 같이 수심에 비례하여 정수 압 증가로 인해 해저 면에 가까워질수록 표면의 압력도 함께 증가하는 경향을 보여주고 있다. 하지만 파도의 영 향을 받는 부위는 시간에 따라 변동하는 하중이 발생되 게 되며, 본 연구에서의 해석기법은 비정상 (unsteady) 하중특성을 정확하게 반영하여 결과가 도출되게 된다.

시간에 따른 파고 변위 분포는 Fig. 4(b)와 같이 수심 10 m 기준으로 6 m의 파고를 가진 파도가 베이스를 지나 wave damping 구간에 도달한 뒤, outlet 경계에 가까워지 면서 감쇠되어 소실되는 것을 볼 수 있다. 조류속도 벡 터 분포의 경우, Fig. 4(c)와 같이 해저 면과 베이스가 맡 닿는 부분에서 와류가 발생하며, 조류 방향을 기준으로 베이스의 전후 모두에서 베이스 쪽을 향하는 벡터 성분 이 있는 것을 확인할 수 있다. 본 하중해석 경우에 대해 각 섹션별 시간응답 하중을 구한 후 최대치를 정리한 결과를 Table 3에 제시하였다. 이 결과는 모델 표면에 작 용하는 바람에 의한 공기력 (aerodynamic force), 정수압 (hydrostatic pressure), 부력 (buoyancy) 하중을 모두 고려 한 결과를 나타낸 것이다. 본 논문에서는 축소모델 시험 용 하부기초 자체에 관점을 두고 있기 때문에 풍력터빈 의 형상은 고려하지 않았으나 풍력터빈까지 고려한 정 밀 해석도 추후 수행하는 것이 가능하다.

2) Load Case 2

Table 2의 Case 2에 대해 CFD 해석을 수행한 압력 분포는 Fig. 5(a)와 같으며 파도의 마루가 위치한 우측의 베이스 바닥면 정수압이 비교적 큰 것을 확인할 수 있 고 파고 변위 분포는 Fig. 5(b)와 같이 Outlet 경계면에 가까워짐에 따라 파도가 감쇠되는 것을 확인할 수 있다.

(a)

(b)

Fig. 3. 해상환경 CFD 해석 및 하부구조 section 하중계산 분할 영역.

(a) 파고높이 6 m, 주기 8.8초, 풍속 55 m/s, 조류유속 1.08 m/s의 해상조 건, (b) 높이방향 하중분포 산정을 위해 분할된 표면영역.

Table 3. Section별 하중분포(Case 1) (단위: N)

No Fx (Max) Fx (Min) Fy (Max) Fy (Min) Fz (Max) Fz (Min)

W09 3,275 7,917 871 1,077 - -

W08 4,375 5,337 627 161 -8 1

W07 4,793 7,245 2,207 -714 -10 -27

W06 2,432 6,522 29,306 -12,141 -6 761 W05 101,467 3,999 149,187 -114,891 -3 -744 W04 123,506 -11,858 25,557 -17,680 -543,349 -1,330,549 W03 257,226 -102,872 18,431 -931 -2,409,601 -3,856,884 W02 588,195 -270,396 18,655 4,307 -162 -19 W01 715,070 -362,318 12,725 2,185 11,157,741 12,141,435 SUM 1,800,339 -716,424 257,566 -138,627 8,207,974 6,957,737

(a)

(b)

(c)

Fig. 4. Load Case 1에 대한 3차원 비정상 CFD 해석결과. (a) 순간 표면 압력 분포, (b) 파고 변위 분포, (c) 순간 조류유속분포 (벡터).

(4)

또한 , 특정 시간에서 순간 조류속도 벡터 분포를 Fig. 5(c) 에 제시하였다. 해수면 상부에는 바람 해수면 하부에는 파도와 조류의 영향이 동시에 가해지는 경우로 기초형 상을 통과하여 흐르는 조류의 유동특성이 매시간 변화 하게 되며 그림의 결과는 특성시간 순간에 조류유속 분 포의 예에 해당하나 기초 형상과 간섭효과로 인해 주변

에서 속도 분포양상이 복잡하게 나타남을 볼 수 있다.

본 하중해석 조건에 대한 섹션별 최대 하중을 Table 4에 제시하였다.

W09 6,965 5,261 1,581 -815 - -

W08 4,617 5,346 23 -2,201 -1 23

W07 8,678 4,568 1,577 -5,355 -20 -23 W06 8,986 6,887 -347 -23,443 -25 365 W05 73,429 14,284 42,232 -8,571 -47 -227 W04 73,911 -4,609 5,623 -2,309 -606,944 -1,028,667 W03 206,475 -84,484 9,155 -11,022 -2,591,161 -3,238,190 W02 460,715 -234,666 17,286 -21,573 -298 -374 W01 555,637 -326,181 14,553 -20,760 11,316,157 11,418,220 SUM 1,399,413 -613,593 91,682 -96,050 8,126,390 7,161,002

(a)

(b)

(c)

W09 3,474 6,483 1,365 -3,866 - -

W08 12,343 1,856 27,320 -3,875 107 -32 W07 31,248 -15,394 27,277 -15,859 63 -6 W06 26,709 -18,008 24,880 -16,253 50 0 W05 26,910 -18,617 22,193 -9,169 -434 -483 W04 44,863 -37,927 3,511 592 -4,501,292 -4,602,537 W03 149,964 -149,479 4,247 -4,147 -10,597,157 -10,829,257 W02 377,175 -352,479 11,451 -7,879 -869 -941 W01 486,753 -458,349 9,747 -6,531 22,834,889 23,079,790 SUM 1,159,439 -1,041,915 131,991 -66,986 7,735,588 7,648,784

(a)

(b)

(c)

(5)

3) Load Case 3

Table 2의 Case 3에 대해 CFD 해석을 수행한 결과에 서 특정 시간 순간에서의 압력 분포 예는 Fig. 6(a)와 같 으며 , 파고 변위 분포는 Fig. 6(b)와 같이 베이스의 전후

로 파도가 명확하게 생성되고 있음을 볼 수 있다 (고려 수심이 20 m로 증가된 경우임). 마찬가지로 순간 조류속 도 벡터 분포를 Fig. 6(c)에 제시하였으며 이 경우는 상류 (upstream) 쪽으로 파도의 마루가 형성 되어 +X 방향으 로 하중이 작용 중인 시점의 속조벡터 분포를 나타낸다.

Load Case 3의 하중해석 결과 수직방향으로의 하중분 포를 Table 5에 제시하였으며 수심이 증가되어 파도에 의한 영향이 주로 직경이 상대적으로 작은 상부 기둥에 작용하기 때문에 이전 수심 10 m의 두 가지 하중해석 케이스에 비해 전체적으로 낮은 하중상태를 나타내고 있다. 참고로 본 하중해석 경우는 Load Case 1에 비해 +X 방향으로 최대 하중이 약 35% 낮으며, +Z 방향으로의 최대 하중은 약 5.7% 정도 낮은 수준을 나타내었다.

4) Load Case 4

마지막으로 Case 4에 대한 특정시간에서 순간 표면 압력 분포를 Fig. 7(a)에 제시하였으며, 파고 변위 분포는 Fig. 7(b)와 같이 정상적인 파고 변위 분포를 보임을 확 인 할 수 있다. 또한, 순간 조류속도 벡터 분포의 예를 Fig. 7(c)에 나타내었는데 이 경우는 하부기초와 해저 면 이 맡 닿는 부분에서 와류가 발생하고 파도의 마루가 상당히 인접해있기 때문에 수면과 베이스의 기둥이 만 나는 지점에서 순간적으로 강한 역류 현상도 발생할 수 있음을 볼 수 있다. Case 4에 대한 하부기초의 각 섹션별 최대 하중분포는 Table 6에 제시하였으며, X 방향 최대 하중성분은 Case 1에 비해 약 51% 가량 적은 수준을 나 타내었다. Load Case 1-4의 해석 결과를 종합해 보면 수 심이 가장 얕고 주기가 짧은 Case 1에서 오히려 하부구 조 섹션에 대해 가장 높은 최대 하중특성을 나타내었으 며 , 수심이 깊고 주기가 파도조건인 Case 4에서 X 방향 으로 가장 낮은 최대하중 수준을 보였다.

No Fx (Max) Fx (Min) Fy (Max) Fy (Min) Fz (Max) Fz (Min) W09 2,070 5,975 -113 -1,724 - - W08 10,535 4,573 -12 -7,718 7 -35 W07 21,636 -9,300 4,193 -7,088 57 19 W06 20,192 -9,531 14,859 -12,580 27 25 W05 20,202 -7,580 17,337 -16,473 -409 -474 W04 36,420 -24,677 -263 -4,355 -3,997,193 -4,622,408 W03 123,309 -120,054 2,345 -4,591 -9,560,053 -10,881,945 W02 323,539 -296,167 5,906 -3,390 -792 -928 W01 425,364 -387,053 9,074 -2,034 21,595,127 23,239,567 SUM 983,267 -843,814 53,327 -59,953 8,035,170 7,738,158

(a)

(b)

(c)

Fig. 7. Load Case 4에 대한 3차원 비정상 CFD 해석결과. (a) 표면 압력 분포, (b) 파고 변위 분포, (c) 순간 조류유속분포 (벡터).

Fig. 8. 유한요소 구조해석 모델 및 내부 보강재 형상.

(6)

III. 해상풍력 기초 구조해석 (축소시험용 모델)

A. 구조해석 형상

본 논문에서 고려한 해석 모델은 MW급 해상풍력터 빈 기초의 해상 축소시험을 위한 목적으로 설계한 것이 다 . 앞서 구한 CFD 기반의 정밀 하중해석 결과를 적용 하여 기본설계 모델에 대한 구조해석을 수행하였다. 본 논문에서 설계한 기초의 구조 및 내부 보강재 형상은 Fig. 8과 같다.

B. 유한요소 구조해석 경계조건

구조해석을 위한 기본설계 모델에 대한 격자는 Fig.

9와 같이 생성되었고 해양 환경 하중과 자중을 고려하 였다. 또한, 현재 축소 시험용 기초 구조물의 하부구조 물의 최종 설계는 지반조건을 고려하여 설계된 석션버 켓 (suction bucket)이 추가로 장착될 예정이므로 지반에 대한 영향은 향후 연구로 고려하고자 한다. 따라서 본 논문의 범위에서는 Fig. 10과 같이 기초 하단부에 변위 구속조건을 적용하였으며, 기초 자체 구조에 대한 최대 하중에서의 응력해석을 수행하였다.

C. 구조해석 결과

해상풍력용 기초의 자중조절을 위한 내부 물채움 수위 변화에 따른 정수압 조건과 앞서 CFD 해석으로

구한 최대 해양환경 하중을 고려하여 구조해석을 수행 하였으며 , 하중해석 안전계수는 1.25를 적용하였다.

1) 외부수심 10 m, 내부수위 10 m인 경우

본 조건에 대한 구조해석은 수심 10 m 조건에 대해 구해진 최대 해양환경 하중과 내부 물채움 수위 10 m인 경우의 정수압 하중을 동시에 고려하여 수행되었다. 본 조건에 대한 유한요소 구조해석 결과, Fig. 11과 같이 최 대 변위는 37.20 mm가 기초구조 최상단에서 발생하였으 며 , 이는 극한하중에서 고려된 파도, 바람, 및 조류 조건 때문에 X 방향에 대한 하중성분이 가장 지배적으로 크 기 때문이다. 또한, 유발된 최대응력은 82.43 MPa이며, Section 1의 하단, Section 2와 연결되는 부분에서 발생하였 다 . 내부 보강재의 경우는 최대 변위가 1.64 mm로 나타 났으며 최대 유발응력은 105.77 MPa이 내부 보강재 최대 변위 발생 지점에서 나타났으며, 하중 안전계수 1.25를 고려한 경우에 대해 구조적으로 안전함을 알 수 있다.

2) 외부수심 20 m, 내부수위 10 m인 경우

본 조건에 대한 구조해석은 수심 20 m 조건에 대해 구해진 최대 해양환경 하중과 내부 물채움 수위 10 m 인 경우의 정수압 하중을 동시에 고려하여 수행되었다.

본 조건에 대한 유한요소 구조해석 결과, Fig. 12와 같이 최대 변위는 28.09 mm가 기초구조 최상단에서 발생하였 으며, 이는 극한하중에서 고려된 파도, 바람 및 조류 조

Fig. 9. 구조해석을 위한 유한요소 생성.

Fig. 10. 구조해석을 위한 경계조건 생성.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 11. 구조해석결과 (외부수심: 10 m, 내부수위: 10 m). (a) 기초구조 변 형분포, (b) 기초구조 응력분포, (c) 내부 보강재 변위분포, (d) 내부 보강 재 응력분포.

(7)

건 때문에 X 방향에 대한 하중성분이 가장 지배적으로 크기 때문이다. 또한, 유발된 최대응력은 231.88 MPa이며, Section 2의 면의 모서리에서 발생하였다. 내부 보강재의 경우는 최대 변위가 7.86 mm로 나타났으며 최대 유발응 력은 내부 보강재의 모서리 부근에서 국부적으로 420.62 MPa이 발생되었으며, 250 MPa 이상의 응력이 유발되는 부분들에 대해서는 상세설계 단계에서 국부적인 구조보 강이 수행될 예정이다.

3) 외부수심 20 m, 내부수위 20 m인 경우

본 조건에 대한 구조해석은 수심 20 m 조건에 대해 구해진 최대 해양환경 하중과 내부 물채움 수위 20 m 인 경우의 정수압 하중을 동시에 고려하여 수행되었다.

본 조건에 대한 유한요소 구조해석 결과, Fig. 13과 같이 최대 변위는 26.33 mm가 기초구조 최상단에서 발생하였 으며, 이는 극한하중에서 고려된 파도, 바람 및 조류 조 건 때문에 X 방향에 대한 하중성분이 가장 지배적으로 크기 때문이다. 또한, 유발된 최대응력은 98.42 MPa이며, Section 2의 면의 모서리에서 발생하였다. 내부 보강재의 경우는 최대 변위가 1.64 mm로 나타났으며 최대 유발응 력은 105.77 MPa이 내부 보강재 최대 발생 지점에서 나 타났다. 이 경우는 하중 안전계수 1.25를 고려한 경우에 대해서도 구조적으로 안전함을 알 수 있다.

4) 구조해석 결과분석

극한하중에 따른 구조해석 결과를 Table 7과 같이 요약하였다 . 그 결과를 살펴보면 전반적인 응력은 강구 조물의 항복응력을 초과하지 않는 결과를 보였지만 내 부 보강재에 대해서는 외부수심 20 m, 내부 정수압 수심 10 m를 고려한 해석에서는 최대응력이 420.62 MPa에 달 해 상세설계에서 Section 3 바닥면과 보강재가 연결되는 부분을 구조적으로 좀 더 보강하는 방법과 또는 설치시 구조물 내부 물채움 높이를 10 m 이상으로 유지하여 최 대 유발응력을 낮추는 방법이 있을 수 있다. 구조 보강 하는 방법으로는 구조물에 fillet을 적용하는 방법과 항복 응력이 넘는 부분만 두께를 증가시키는 방법 등 큰 비 용의 증가 없이도 다양한 기법을 적용할 수 있다. 내부 물채움 높이를 조절하는 방법으로는 내외부 수위차를 동일하게 제어하거나 수위차를 5 m 이내로 조절하는 방 안 등을 고려할 수 있다.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 13. 전체적인 구조해석결과(외부수심: 20 m, 내부수심: 20 m). (a) 변 형변위 결과, (b) 구조응력 결과, (c) 내부보강재 변위결과, (d) 내부 보강 재 응력결과

Table 7. 극한하중 구조해석 결과 요약

구분 수심

(m)

내부정수압 (m)

구조물 보강재

최대변위 (mm)

최대응력 (MPa)

최대변위 (mm)

최대응력 (MPa) Case 1 10 10 37.2 82.4. 1.64 105.77 Case 2 20 10 28.09 231.88 7.86 420.62 Case 3 20 20 26.33 98.42 3.87 168.47

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 12. 구조해석결과(외부수심: 20 m, 내부수심: 10 m). (a) 변형변위 결 과, (b) 구조응력 결과, (c) 내부보강재 변위결과, (d) 내부 보강재 응력결 과.

(8)

IV. 결론

본 논문에서는 기본 설계된 해상풍력터빈용 기초구 조에 대해 3차원 CFD 해석기법에 기반하여 해양환경을 고려한 정밀 하중해석을 수행하고 유한요소 구조해석으 로 설계 건전성을 검토하였다. 극한하중해석을 수행하기 위해 극치풍속, 파고 및 조류 유속을 동시에 고려하였으 며, 자중조절을 위한 내부 물채움 수위에 따른 영향을 고찰하였다 . 내부 물채움 수위를 조절하는 자중 조절이 가능한 기초의 경우 파랑하중 이외에도 외부 및 내부 수위차가 구조에 유발되는 응력수준에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보였으며, 구조해석을 통해 보강재를 보강하 는 방법과 구조물 내부 물채움 높이를 제어하는 방법으 로 설계 요구도를 충족시킬 수 있음을 파악하였다. 본 논문의 결과는 향후 경제성이 우수한 자중 조절식 실규 모 해상풍력 지지구조 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

ACKNOWLEDGEMENT

This research was supported by Korea Electric Power Corporation through KEPCO Research Institute. (Grant Number:

R14EA02)

이 논문은 한국전력공사의 재원으로 2014년 선정된 자체연구개발과제의 지원을 받아 수행된 것임. (과제번호:

R14EA02)

REFERENCES

[1] Gravity Base Foundation (https://vimeo.com/79661595).

[2] A. Attari, P. Doherty, E.R. Amoros, and C. Paulotto. “Design drivers for buoyant gravity-based foundations,” WIND ENERGY, Vol. 10, 2015.

[3] M.D. Esteban, B. Counago, J.S. Lopez-Gutierrez, V. Negro, and F.

Vellisco. “Gravity based support structures for offshore wind turbine generators: Review of the installation process,” Ocean Engineering, Vol. 110, Part A, 2015, pp. 281-291.

[4] I.R. de T. Alonso. “Gravity Base Foundations for Offshore Wind Farms: Marine Operations and Installation Processes,” Master in European Construction Engineering, University of Cantabria, 2013.

[5] H.G. Kim, H.K. Jeon, K.D. Kim, “Multi-Piled Concrete Foundation for Offshore Wind Turbines”, Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 26, No. 4, 2014, pp. 20-24.

[6] K.D. Kim, J.S. Sim, S.Y. Choi, “New Concrete and Steel-Concrete Support Structure of Offshore Wind Turbine Using Pile Foundation in 40m Water Depth,” Korean Society of Civil Engineers, Vol. 60, No. 7, 2012, pp. 33-38.

[7] S.G. Lee, D.H. Kim, “Reliability Analysis of Gravity-based Offshore Wind Turbine Foundation Considering Ocean Environmental Loads and Soil Uncertainty,” Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 29, No. 5, 2015, pp. 359-365.