풍력에너지저널 pp. 13~22
전응력과 접수효과를 고려한 고정식 해상풍력발전 하부구조물의 동적응답특성 비교 연구
이강수
*
․박병재**
․김현석**
Comparison Study on the Dynamic Response Characteristics of a Fixed Offshore Wind Turbine Substructure Considering
Prestress and Seawater Effects
Kangsu Lee
*
, Byoungjae Park**
and Hyun-Seok Kim**
Key Words : Offshore wind turbine (해상풍력터빈), Fixed type substructure (고정식 하부구조물), Dynamic response characteristic (동적응답특성), Prestress effect (전응력효과), Seawater effect (접수효과)
ABSTRACT1)
Offshore wind turbine platforms have been used as fixed steel structures in oil exploration and extraction on continental shelves as well as jacket type substructures for new renewable energy. The fixed offshore substructure can be divided into monopile, jacket, and hybrid types according to the support structure shape.
It is known that the frequency response of these substructure has different modal frequencies and shapes. Using the commercial FEA program ANSYS, a stress matrix considering a load and added mass of the substructure was superposed on the stiffness matrix of the structure. A series of harmonic response analyses considering added mass and prestress were carried out to investigate the structural responses of each type of substructure, which were obtained from modal analysis data. In this study, we proposed a structural dynamic analysis procedure for a fixed offshore substructure with added mass and prestress. Furthermore, recommended harmonic analysis is suggested while considering directional response.
기호설명
: 바람의 항력 [m/s] : 블레이드 동압력 [kgf/m2]
: 조류력 [kgf]
: 구조물 질량 [kg]
: 유체 부가질량 [kg]
: 해저면에서 수면까지의 거리 : 높이 10m에서의 풍속
: 높이 z에서의 풍속
: 실린더 구조물의 외경
: 부가수 질량 [kg]
: 구조물의 감쇠
: 구조물의 강성 [kg/m]
: 구조물의 가속도 [m/s2]
: 구조물의 속도 [m/s] : 구조물의 변위 [m]
: 구조물의 고유모드
: 파랑의 항력 [kgf]
: 파랑의 관성력 [kgf]
: 항력계수
: 관성계수
: 유체의 밀도 [kg/m3]
: 유속[m/s] : 해상상태(육지로부터의 거리)
* 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소, 과학기술 연합대학원대학교(UST) 교수 (교신저자)
** 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소 E-mail : [email protected], [email protected]
DOI : https://www.doi.org/10.33519/kwea.2020.11.3.002
ISSN : 2093-5099 (Print), 2733-9467 (Online) Received : May 6, 2020, Revised : June 1, 2020 Accepted : June 3, 2020
1. 서 론
풍력터빈은 바람이 지닌 에너지를 변화하여 전기를 얻는 장치로 풍력 전기 1 kWh를 생산하기 위해서 배 출되는 이산화탄소의 양은 19 g, 이산화황 0.01 g, 질 소산화물은 0.04 g으로 갈탄이나 석탄 발전의 2 % 정 도에 불과하다. 현재 전 세계에 설치된 풍력 발전기의 신규설비용량은 약 55,000 MW, 누적설비용량은 540,000 MW이다. 풍력터빈의 설치는 세계적으로 급속 히 증가하여 2000년 약 28 %, 2001년 약 37 %의 증가 율을 나타내었고, 풍력발전은 비약적으로 성장하여, 연 평균 30 %가 넘는 성장률을 보이고 있다. 2015년 최고 치기록 이후 감소세를 보이고 있으나 풍력발전은 신․
재생에너지로 각광받고 있을 뿐 아니라, 이미 유럽 및 미국과 같은 기술 선진국에서는 소형풍력발전시스템에 서부터 2 MW∼5 MW급의 대용량 풍력발전 시스템까 지도 개발할 수 있는 기술적인 발전을 이룩하였다. 전 세계에는 약 4,400 MW가 신규 설치되며, 풍력발전 전 체 설치량의 3.5 %인 19,000 MW가 설치되었다. 현재 국내에도 풍력발전단지 건설이 활발히 이루어지고 있 다. 육상 뿐만 아니라 해상에도 건설될 전망이다. 풍력 터빈의 타워구조분야에서 현재까지 이루어진 해석적 연구들은 대부분 다물체 동역학(Multi-body dynamics) 로 풍력터빈 날개와 타워와의 질량과 강성 및 감쇠행 렬을 동기화한 연성운동방정식에 기초한 상호작용해석 이 주를 이루었다. 그러나, 해상에 설치되는 풍력터빈 의 경우 진동특성에 영향을 주는 입력변수의 불확실성 이 매우 광범위하기 때문에 동적해석 시 시간에 따른 적분법의 다양한 접근 방법들이 연구되어 왔다. 특히 원통형상을 갖는 실린더의 부가수 질량변화와 진동수 변화를 고찰하여 실제 물에 잠겨진 구조물의 동특성 변화를 연구해 왔다 [1]. 또한, 사각형 탱크에 채워져 있는 유체의 양과 수면적의 변화에 따른 변화를 고찰 한 연구가 수행되어 왔다 [2]. 그리고, 구조물에 가해진 하중변화에 따라 구조물이 응답하는 응력의 변화에 따 라 더 단단해 짐에 따라 이를 고려하여 미리 응력이 완화될 수 있도록 하는 연구들이 수행되어 왔다 [3].
구조물에 적용하는 보강재로 후인장 보강재를 사용하 여 응력을 조정하여 구조물의 강성과 진동수의 목표치 를 설정한 연구들도 수행되어 왔다 [4]. 구조물은 일반 적으로 시간이 지남에 따라 강성의 저하로 인하여 구 조물의 손상이 발생하거나 진동수의 변화가 발생하게 되는데 구조물 건전성 모니터링과 관련된 연구도 수행
되어 왔다 [5][6]. 구조물의 유연성에 따라 유탄성 (Hydroelasticity)효과를 고려해야 하는 경우에는 구조 물 응답변형이 커짐으로써 동시에 유체-구조연성된 구 조물의 동특성변화가 크게 발생함으로써 평가방법이 바뀌어야 하는데 이러한 유탄성에 관한 연구도 활발히 진행되어 왔다 [7]. 국내에서도 이러한 해상풍력발전기 하부구조물 형식에 따라 변화되는 동특성분석 연구들 이 수행되어 왔고 최근 대형화 됨에 따라 더욱 활발한 연구들이 이루어지고 있다 [8][9]. 과거에는 하드웨어의 부족한 리소스로 인하여 비효율적으로 계산이 수행되 어 왔다. 따라서, 효율적이고 실무에 적용이 용이하며 실제에 근접한 동특성 예측을 통해 고정식 풍력발전시 스템 하부구조물의 설계단계, 상세해석 시 실무에서 활용할 수 있는 동특성 해석기법을 제안하고자 하였다.
2. 고정식 풍력터빈의 구조적 특성
2.1 해양환경 하중분석
Fig. 1은 고정식 해상풍력발전시스템에 작용하는 해 양환경하중(파랑, 바람, 조류)과 블레이드 회전에 의한 추력, 블레이드 회전 시 불균형으로 인한 편심력, 터빈 의 자중 등에 관해 보여주고 있다.
Fig. 1 Complex loadings in offshore wind turbine structure
먼저 파랑에 의한 파하중의 경우 파랑이론에는 선
형(Airy), 스토크(Stoke), 스트림함수(Stream Function),
크노이탈(Cnoidal, Solitary Wave Theory) 등이 있으
며, 이러한 파 이론의 특성들이 각각 다르기 때문에
실제 파랑의 특성과 잘 일치하는 파 이론을 선택하는
것이 중요하다. 수심을 d, 설계파의 파장을 L이라 하였
을 때, d/L>0.5 인 심해(Deep sea)에서는 선형이나 스 토크이론을 d/L>0.04인 천해(Shallow sea)에서는 크노 이달이론을 적용하는 것이 유리하다. 파력을 계산하려 면 먼저 주어진 해역설계조건을 가장 잘 만족하는 파 이론를 선택하여 여러 파랑변수를 결정한 다음 실제와 이론을 최대한 만족시킬 수 있는 계수를 고려하여 식 (1)과 같이 모리슨식으로부터 구하게 된다 [10].
(1)수직파일에 대한 수평방향의 파력(Wave force)은 파랑입자가속도에 의한 관성력과 마찰, 경계조건효과 에 의한 드래그힘으로 대별된다. 가속되는 유체속의 고정체는 여기에 가해지는 유체레이어 때문에 힘을 받 게 된다. 이때 관성력은 식(2)와 같다.
(2)그러므로 최대관성력은 식(3)과 같게 되며, 최종 모 리슨식에 의한 최대하중은 아래와 같은 식을 통해 구 할 수 있게 된다. 본 연구에서는 통상적으로 적용되고 있는 해양강재구조물의 표면거칠기를 고려해서
= 1.0,
= 0.2 으로 적용하였다.
(3)이기남(2019) 등은 해양환경변동성을 고려한 기대수 명평가를 위한 파랑 입력자료는 25년 주기를 사용하였 는데, 이는 다소 과도한 설계로 이어질 수 있으나 파 랑하중, 바람하중, 조류하중의 조합을 통해 합리적 평 가가 가능하다 [9]. 바람 역시 파랑과 마찬가지로 불규 칙한 성질을 가지므로 이 불규칙성을 고려하여 동적해 석을 수행해야 하지만, 해석상의 편의를 위해서 주로 정역학적으로 해석을 수행한다.
Fig. 2 Drag force of cylinder structure
다수의 풍력터빈이 파력발전기와 복합되어 있는 형 태의 해상복합발전 플랫폼의 경우 전방의 풍력터빈 영 향을 고려하여 후방의 풍력터빈은 감소된 풍속적용에 관한 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 해양구조 물에 대한 바람의 영향은 상부구조(Deck structure)에 서의 동적효과와 하부구조(Jacket structure)에서의 모 멘트 두 가지로 크게 나누어 볼 수 있다. 풍력을 계산 한 결과 총 풍압은 103,228 kgf/m, 굽힘모멘트는 2,405,015 kg·m으로 계산되었다. [11]
(4)Fig. 3 Profile of wind velocity
식(4)를 통해 계산된 풍속을 통해 항력과 양력으로 나누어 식(5)와 식(6)을 통해 풍하중으로 계산하였다.
본 연구에서는 미국석유협회(API Regulation) 코드에 제시된 원형실린더
와
계수 값은 0.5를 사용하 였다 [12].
(5)
(6)조류의 설계속도는 설계기준(Design specification)
에서 수심에 따라 주어지지만 만약 이러한 데이터가
없을 경우에는 식(7)로 부터 계산할 수 있다. 최종 조
류속도는 수표면 근처에서 중요한 몫을 차지한다. 그
리고 위 식을 사용할 때 평균 해수면 위에 있는 파정
에 조류의 속도는 평균해수면에서의 속도와 같이 사용
한다. Fig..4는 최종 조류속도에 관한 전단합성에 관한
것을 보여주고 있으며 조류와 파랑의 합성이 필요한
경우 물 입자의 속도와 조류의 속도를 방향벡터 합성 하여 해저면으로부터 z인 지점의 조류와 파랑에 의한 하중을 식(8)로 구한다. 본 연구에서는 파랑하중에 조류 하중을 함께 고려하여 반영하였다. 계산 결과, 총 파압 은 476,145 kgf/m, 굽힘모멘트는 69,762,684 kg·m 이다.
(7)
(8)Fig. 4 Tidal and wind stress currents
추력하중은 풍력터빈 블레이드의 회전을 일으키는 힘이며, 공기역학적으로 고려되어야 한다. 또한, 공력하 중은 회전 날개의 깃에서 발생하는 힘을 말하며, 그 크 기는 바람의 세기나 깃의 받음각에 따라 달라지며, 깃 의 굽힘이나 비틀림을 일으키고, 회전하는 힘을 발생시 킨다. 회전축으로부터 거리인 깃 단면의 회전 선속도는 식(9)에서 구할 수 있고, 블레이드가 회전하면서 발생 시키는 추력은 식(10)과 같이 날개가 회전할 때 발생하 는 동압(Dynamic pressure)으로 구할 수 있다.
(9)
(10)풍력발전시스템에 작용하는 항력(Drag force)으로 구할 수 있다. 항력은 타워를 전도시키려고 하고 블레 이드를 후류 방향으로 굽히려고 한다. 회전하고 있는 구조물의 항력을 계산하기 위한 단순화된 식(11)을 통 해 계산하였다. 블레이드의 지름 95 m, 풍속 25.4 m/s 을 기준으로, 투영면적(Swept area) 7,088 m
2, 블레이 드 항력은 29, 267 kg.m/s
2으로 적용하였다. 또한, 굽힘
모멘트는 1,170, 697 kg·m으로 계산되었다.
(11)편심하중의 경우 기계의 정현파 가진 발생원인 중 가장 큰 것은 모든 회전기계가 갖는 어느정도의 불균 형에 의한 것이다. 이러한 불균형은 회전체의 질량중 심과 회전 중심이 일치하지 않기 때문에 발생하는데 Fig. 5와 같이 날개에 적용하여 나타낼 수 있다. 주 질 량은 이 되고 수직 운동만을 강제하고 있음을 알 수 있으며 불균형 질량 m은 주 질량과 주 질량 운동의 운동관계 벡터 조합으로 구성될 것이다. 이 불균형 힘 의 수직성분은 식(13)과 같고 본 연구에서는 풍력터빈 날개에 작용하는 편심하중은 날개 총질량의 약 0.2 % 의 값을 취하였고 주파수 응답해석 수행 시 주기 하중 (Harmonic load)으로 고려하였다.
Fig. 5 Unbalance force of WT blade
2.2 접수 및 전응력 효과
해상풍력발전기 하부구조물과 해수와 접하는 영역,
즉 접수영역에서는 하부구조물 질량에 부가적인 해수
의 질량이 합쳐져서 실제 접수구조물의 질량이 변화하
게 된다. 이에 따라 동특성이 변하게 되므로 하부구조
물의 응답주파수가 바뀌게 된다. 수십 Hz 미만의 고유
진동수를 갖는 접수구조물 진동의 경우에는 유체를 이
상 유체로 취급할 수 있게 되어 접수구조표면에서는
접선방향의 전단력은 무시될 수 있고, 접수면에 수직
한 압력만 작용하게 되므로 식(14)와 같이 쓸 수 있고
경계요소법을 통해 식(15)를 통해 식(16)으로 정리할 수 있다. 식(16)은 부가수질량 행렬이 접수구조표면에 전 자유도에 연성되어 있고 비대칭이다. 본 연구에서 는 유체-구조 상호 작용을 나타내는 아래의 운동방정 식들을 통해 부가수질량을 산정하고 동특성 해석에 적 용하였다.
(13)
(14)
(15)
(16)본 연구에서는 하중을 받고 있는 상태의 구조물, 즉 전응력 또는 전하중으로 표현되며 강성에 영향을 미치 는 사항을 고려하도록 하였다. 주로 주기가 긴 조류, 체적력으로 작용하는 자중이 이에 해당 되도록 고려하 였는데, 일반적으로 고유진동수가 증가하기 때문에 이 에 관한 효과가 구현되도록 하였다. 식(17) 및 식(18) 을 통해 정적구조해석 단계에서 외력 또는 강제 변위 에 의해 발생한 응력행렬을 강성으로 변환하여 고유진 동수 및 고유모드를 계산하도록 하였다.
(17)
(18) 3. 하부구조물 동적해석3.1 해석모델
일반적으로 풍력터빈 타워와 날개의 크기는 풍력터 빈의 용량에 따라 비례하여 커지게 된다. 본 논문의 해석 대상모델은 현재 풍력터빈이 대형화됨에 따라 최 근 널리 보급되어 있는 2 MW 고정식 해상풍력터빈을 대상으로 하였다. 보통 원형의 실린더형과 자켓형으로 나뉘어지며 이들 모델을 대상으로 선정하였다. 실린더 형 타워구조물은 하면과 상면의 직경이 다르며 하면에 서 상면으로 갈수록 크기가 감소하고, 해저 바닥면부 터 수표면까지의 높이는 40 m이다. 대상모델의 제원은 아래의 Table 1과 같다.
(m)H.
Monopile Jacket/Hybrid(Monopile+Jacket) B(20m)xD(10m)
Thk.
[mm] Dia.
[mm]
Chord Dia.[m]
/Thk[mm]
Brace Dia.[m]
[mm]/Thk
Upper Mono.Dia.
[m]/Thk [mm]
16 30 4.7 0.6/60 0.4/40 -
32 28 4.2 0.6/60 0.4/40 -
48 26 3.8 0.6/60 0.4/40 -
64 24 3.4 0.6/60 - 3.0/22
80 22 3.0 0.6/60 - 3.0/22
Table 1 Specification of Analysis model
각 대상 모델에 관한 유한요소모델은 Fig. 6과 같고 적용된 요소형태는 점 요소, 판 요소, 보 요소를 조합 하여 적용하였다. 모노파일 구조물은 전체 4 절점 탄 성 쉘 요소를 적용하고 자켓의 경우 질량 점 요소, 강 체빔 연결을 통해 풍력터빈의 상부 RNA의 자중을 고 려하도록 하였다. 강체빔요소의 경우 풍력터빈 상부 RNA에 작용하는 하중을 하부구조물에 하중과 모멘트 를 전달해주는 역할을 하게 되며, 작용된 하중점이 주 (Master)가 되고 하부구조물에 연결된 점이 부(Slave) 가 되어 동특성평가 시 주기하중으로 변환되어 질 수 있도록 모델링하였다. 하이브리드형의 경우 상부 원통 구조물은 쉘, 하부 자켓은 보 요소로 구현하였다. 동적 해석을 위한 기계적인 재료물성치는 탄성계수, 프와송 비, 밀도 등의 경우 일반 강재재질로써 Table 2와 같 으며 해저면은 지반조건은 모델별로 등가상태로 가정 하여 고정경계조건을 적용하였다. 이는 경계조건에 따 른 강성변화가 전응력, 부가수질량에 영향이 없도록 설정하기 위한 것이며 6개의 자유도(ux, uy, uz, rotx, roty, rotz)를 모두 구속하였다 [13].
Item Value
monopile Jacket Hybrid
Elastic Modulus 207x109 [MPa]
Poisson’s Ratio 0.30 Density 7,800 [Kg/m3] Table 2 Material property of substructures
(a) monopile (b) jacket (c) hybrid
(Monopile+Jacket) Fig. 6 Specification of Analysis model3.2 동특성 해석
본 연구에서는 수행된 동특성 해석법은 먼저 모드해 석을 통해 각 하부구조물의 고유진동수와 응답모드를 분석하고, 구조물에 작용하는 하중과 접수질량을 반영 하여 주파수응답분석을 통해 실제 응답하는 주요 진동 수를 분석하였다. 정규화(Normalization)는 변위(Unity) 또는 질량행렬(Mass matix)로 수행하였고 모달응력 (Modal stress)를 볼 것이 아니므로 식(19)∼(21)을 통 해 직접정규화(Direct normalization)하였다 [15].
(19)
(20)
(21)Fig. 7은 본 연구에서 수행된 동특성해석에 관한 흐 름도를 보여주고 있다. 모드해석은 기본적으로 BLC(Block Lanzos Consistenet)법과 저감법을 동시에 수행하였는데, 계산결과 20차 이상의 모드에서 차이가 발생하는 것을 확인하였다. 각 하부구조물에 대하여 먼저 육상에 설치되는 조건, 두 번째는 육상에 설치되 며 자중을 정적하중으로 고려하여 정적구조해석을 수 행하여 전응력행렬을 구하여 모드해석 시 고려하도록 하였으며 세 번째는 해양에 설치되는 조건 즉, 부가수 질량만 고려하였고, 네 번째는 해양에 설치되며 자중 과, 조류하중 등의 정적구조해석을 수행하여 모드해석 시 전응력행렬(Prestress matrix)을 고려하도록 하였다.
Table 3은 각 하부구조물의 1∼4차까지의 주요 고 유주파수 해석결과를 보여주고 있다.
Fig. 7 Procedure of modal analysis
전체적으로 전응력의 영향으로 인한 주파수 증가의 영향보다 부가수 질량의 영향으로 인해 감소되는 고유 진동수 효과가 훨씬 큰 것을 알 수 있었다. 전응력과 부가수질량을 동시에 고려할 경우 1차 고유진동수는 모노파일 0.19 Hz, 자켓 1.91 Hz, 하이브리드 1.35 HZ 로 나타났으며 모노파일과 자켓은 미미하게 진동수 변 화가 발생하였고 하이브리드의 경우 더 적은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
Fig. 6는 1차 고유모드를 보여주고 있으며, 각 하부 구조물은 글로벌 굽힘모드가 발생하였다. 또한, Fig. 8 은 각 하부구조물의 1차모드에 관한 전응력, 부가수질 량 모두의 고려한 고유진동수의 경향을 보여주고 있다.
(a) monopile
(0.19Hz) (b) jacket (1.91Hz)
(c) hybrid (Monopile+Jacket) (1.35Hz) Fig. 8 Result of fundamental frequency and mode shape
[Hz] Status Mono
pile Jacket Hybrid (Mono+
Jacket)
1st Mode Frequency
None 0.22 2.00 1.36
w/prestress 0.22 2.00 1.36 w/added
mass 0.19 1.92 1.36
All 0.19 1.91 1.35
2nd Mode Frequency
None 2.87 6.00 4.42
w/prestress 2.87 5.99 4.41 w/added
mass 0.55 4.51 3.70
All 0.55 4.49 3.70
3rd Mode Frequency
None 6.19 6.48 7.62
w/prestress 6.20 6.46 7.60 w/added
mass 1.88 4.89 5.30
All 1.88 4.89 5.29
4th Mode Frequency
None 7.76 7.22 8.52
w/prestress 7.77 7.22 8.52 w/added
mass 2.36 5.19 6.55
All 2.37 5.18 6.54
Table 3 Result of natural frequency
3.3 주파수응답 해석
해상풍력발전기의 하부구조물 각 형식에 관한 주파 수응답해석을 통하여 실제 해상상태에서의 응답주파수 영역을 관찰하고 외력의 방향성에 따라 공진의 가능성 이 높은 주파수대역을 회피할 수 있도록 설계단계에서 효과적으로 적용할 수 있도록 하였다. 외력 가진 성분 인 바람, 파랑과 로터블레이드 회전 등에 관한 하중을 선형화하여 적용하였고 풍력터빈 타워에 작용하는 풍 압이 바람의 주기적 진동에 의해 주로 영향을 받으며, 로터블레이드 뿌리쪽에서의 끝단방향의 굽힘모멘트 성 분이 시간에 따라 주기적인 응답을 보여준다. 실제로 풍력터빈 타워구조물에 주기적인 하중으로 작용하게 되므로 이를 통하여 육상용 및 해상용 타워구조물의 실제 응답주파수를 파악하고 중요 모드를 제안하고자 하였다. 주파수응답해석 시 모드해석과 같은 방법으로 수행하였다. 먼저 모드해석 시 전응력의 영향이 미비 함을 확인하였으므로 육상용 타워구조물의 풍압을 포 함하여 추력과 불균형력을 고려하고, 두 번째로 부가
수질량을 고려한 해상용 타워구조물도 마찬가지로 풍 압을 포함하여 추력과 불균형력을 고려하여 주파수응 답해석을 실시하였다. 즉, 추력과 불균형력에 대한 영 향도 알아보았다. 모드해석과 동일한 순서로 정적구조 해석을 실시한 후 발생한 전응력행렬을 주파수 응답해 석 시 시스템의 강성행렬과 합쳐지도록 해석을 수행하 였다. 본 연구에서는 전행렬(Full matrix)을 사용하여 주파수 응답계산을 수행하였으며 전체구조물은 주파수 의존 강성, 감쇠, 질량에 대한 영향을 갖게 되는데 모 든 하중과 변위조건은 사인함수로 주파수범위 내에서 계산되도록 하였다. Fig. 9는 본 연구에서 수행된 주파 수응답해석에 관한 흐름도를 보여주고 있다.
Fig. 9 Procedure of frequency response analysis
Fig. 10∼Fig. 12는 주파수응답해석 결과를 보여주
고 있다. 하부구조물의 수평방향에 관한 주요응답결과
이며 이는 모드해석결과와 비교하여 살펴보았다. 이를
통해 실린더형, 자켓형, 하이브리드 하부구조물 각각의
응답특성이 차이가 큰 것을 확인할 수 있는데 실린더
형의 경우 공진 응답주파수도 고유진동수해석 결과 분
포와 비슷한 경향을 보임을 확인하였다. 1차와 2차 응
답성분이 고유진동수 결과와 동일함을 보였으나 자켓
형의 경우 1차 응답성분은 고유진동수 1차와 일치하지
만 2차 응답성분은 4차와 일치하였다. 하이브리드형의
경우 비틀림모드와 배불림(Breathing)모드를 제외하고
수평방향의 응답에 영향이 큰 굽힘모드의 응답이 가장
컸다. 실린더형의 경우 응답이 0∼10 Hz의 전대역에 골고루 분포하고 응답주파수가 고유진동수 결과와 유 사한 경향을 보이고 있고 자켓형의 경우 하이브리드형 과 같이 국부모드를 제외하고 주응답들이 관찰되었으 며 0∼10 Hz의 대역에 실린더형에 비하여 적게 분포 함을 확인하였고 고주파 성분들이 주로 관찰되었다.
실린더형 하부구조물(전응력고려)의 1차 굽힘모드 고 유진동수는 0.19 Hz이었고, 자켓형 하부구조물의 1차 굽힘모드의 고유진동수는 1.91 Hz, 하이브리드형의 경 우에는 1차에서 1.35 Hz에서 응답이 관찰되었는데 이 는 모드해석에서의 글로벌 굽힘모드임을 확인하였다.
Fig. 10 Dynamic response of the monopile substructure (horizontal direction)
Fig. 11 Dynamic response of the hybrid(Monopile+Jacket) substructure (horizontal direction)
Fig. 12 Dynamic response of the jacket substructure (horizontal direction)
4. 결 론
본 연구에서는 실제 해상운영을 고려한 고정식 해 상풍력발전기 하부구조물의 동특성 예측을 수행하였다.
하부구조물에 작용하는 해양환경하중, 블레이드추력, 편심 등 동하중을 정의하였다. 이를 통해 발생된 응력 을 강성효과로 변환되도록 하고 구조물이 해수에 접수 된 상태를 고려하여 접수면에서의 유체에 의한 부가수 질량을 구조물 형식에 따라 구하였다. 이러한 일련의 연구를 통해 해상풍력발전시스템 설계단계와 상세해석 시 실무에서 활용할 수 있는 해석기법을 제안하였고 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다. 경계조건에 따른 강성변화가 전응력, 부가수질량에 관한 영향이 없도록 각 모델별로 해저면 고정경계조건을 적용하여 강성등 가상태로 계산한 결과이며, 향후 지반경계조건을 고려 한 추가적인 연구가 필요하다.
(1) 해상조건, 하중상태, 부가수질량을 고려할 경우 해상풍력발전기 하부구조물의 고유진동수는 낮 은영역으로 이동하며 그 효과를 형식별로 큰 차 이가 있었다.
(2) 고유진동수에 미치는 영향은 전응력의 영향보다
부가수질량에 의한 효과가 훨씬 큰 것을 알 수
있었고 하이브리드형 하부구조물의 경우 트랜지
션피스의 중량변화에 따라 진동수 변화가 민감
한 것을 확인하였다.
(3) 실린더형 모노파일 하부구조물의 경우 자켓형, 하이브리드형 하부구조물에 비해 저주파수대역 에서의 고유진동수 변화가 컸으며 이는 접수면 이 다른 형식의 구조물보다 크기 때문으로 판단 된다.
(4) 주파수응답결과 비틀림모드와 배불림모드 등 수 평방향의 주방향 모드들의 응답은 발생하지 않 았으나 모노파일 하부구조물의 경우 저주파수 응답이 대부분 유지되는 것으로 확인되었다.
(5) 향후 연구를 통해 시간영역에서 완전적분법 및 주파수영역기법을 보다 효율적으로 수행될 수 있도록 시간효율적인 간이해석법 연구를 수행할 예정이다.
후기
본 연구는 선박해양플랜트연구소에서 주요사업으로 수행중인 “불확실성을 고려한 유탄성 기반 해양구조물 구조손상도평가 핵심기술 개발(1/5)[PES3490]”의 지원 으로 수행되었으며, 연구비 지원에 감사드립니다.
참고문헌
