In alignment with South Korea's “3020 Renewable Energy Expansion Plan,” this study focuses on the developing large-scale floating wind turbines. It addresses the challenges of increased size and cost in floating structures for wind turbines over 10MW. This paper details the preliminary design of a novel floating substructure utilizing composite materials(ie, EVA). Structural analysis was performed using ABAQUS, accounting for both typical and extreme wind conditions. Results from the analysis validate that the substructure design is adequately feasible for implementation.

최근 지구 온난화의 영향으로 태풍의 파괴력이 증가함에 따라 부유식 해상풍력발전기의 막대한 유실과 붕괴에 대한 우려가 깊어지고 있다. 부유식 해상풍력발전기의 안전한 운영을 위해 새로운 형태의 탈착형 계류 시스템 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서 고 려한 새로운 반잠수식 계류 풀리는 기존의 탈착형 계류 장치에 비해 계류 라인으로 부유식 해상풍력 터빈을 보다 쉽게 탈부착할 수 있도 록 고안되었다. 8MW급 부유식 해상풍력발전기에 적용 가능한 반잠수식 계류 풀리의 초기 설계에 대한 구조적 안전성을 검토하기 위해 3D 프린터를 이용하여 축소구조모형을 제작하고, 이 모형에 대한 구조시험을 수행하였다. 축소 모형의 구조시험을 위해 3D 프린팅에 사 용된 ABS 소재의 인장 시편을 제작하고 인장시험을 수행하여 소재의 물성을 평가하였다. 인장시험에서 얻은 재료 특성과 축소모형 구조 시험과 동일한 하중 및 경계 조건을 적용하여 반잠수식 계류 풀리의 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 반잠수식 계류 풀 리의 구조적 취약 부분을 검토하였다. 반잠수식 계류 풀리의 주요 하중조건을 고려하여 구조모형시험을 수행하였으며, 재료의 최대인장 응력 이상이 발생하는 위치에 대해 유한요소해석과 시험 결과를 비교하였다. 유한요소해석과 모형시험의 결과로부터 작동조건에서는 Body와 Wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 파악되었고, 계류조건에서는 Body와 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으로 검토되었 다. 축소모형 구조시험에서 나타난 SMP의 구조 취약부는 구조해석의 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 연구 결과를 통해 반잠수식 계류 풀리의 초기 설계에 대한 구조적 안전성을 실험적으로 검증할 수 있었다. 또한, 본 연구 결과는 상세설계 단계에서 반잠수식 계류 풀리의 구조 강도를 향상시키는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 논문에서는 한국의 서남해상에 건설예정인 해상풍력발전타워의 지지구조물로 고려되고 있는 세발구조와 자켓구조의 선박충 돌 거동을 비선형동적해석을 통하여 비교‧분석하였다. 이 구조물은 3MW용량의 풍력타워를 지지하기 위하여 설계되었다. 두 지지구 조는 쉘요소를 이용하여 비선형 거동을 고려할 수 있도록 모델링하였고, 발전기를 포함하는 상부의 타워구조물은 탄성재료를 이용하 여 보요소와 집중질량으로 모델링하였다. 전체 질량은 세발구조가 자켓구조에 비하여 약 1.66배 정도였다. 바지선과 상선을 충돌선박 으로 선정하여 모델링하였다. 조수차의 조건을 고려하여 충돌선박의 충돌위치를 평균해수면의 상하로 3.5m변동하는 것으로 고려하 였다. 또한 각 선박의 최소충돌속도(=2.6m/s)에서의 충돌에너지를 각각 4배까지 증가시키면서 충돌거동을 산정하였다. 해석결과 지 지구조 충돌부위의 강성이 클수록 선박의 소성에너지 소산량이 상대적으로 증가하였다. 충돌조건에 따라 풍력타워의 변형은 진동에 서 붕괴까지 발생하였다. 세발구조가 자켓구조에 비하여 큰 충돌저항력을 보였다. 이는 중앙부에 강성이 집중된 구조적 특성과 상대 적으로 많은 강재의 사용량에 기인한 것으로 판단된다.

신재생에너지 신규설비 보급이 매년 꾸준히 증가하고 있으며, 그중 개발 확장성이 풍부하고 생산유발계수가 큰 해상풍력 시장이 급성장하고 있다. 특히 서남해 권역은 최고 수준의 해상풍력 잠재량을 보유하고 있으며, 관련 프로젝트들이 추진 중이다. 본 연구는 점토층 지반에 효과적인 해상풍력 하부구조물의 개발에 있어 EUROCODE에 의한 구조물의 설계 절차를 제시하고 구조 안전성을 고찰하여 관련 기술 분야에 이바지함을 목표로 한다. 선행연구에서는 풍력발전기 용량이 5MW급을 주요 대상으로 하였으나, 서남해 해상 풍력발전기 시장의 기술 추세에 부합하는 발전 용량 8MW급을 연구 모델로 선정하였다. 이에 본 연구에서는 서남해 지질 조건에 부합하는 하부구조물을 개발하고, 구조 안전성을 유한요소법을 활용하여 검증하였다. 초기 설계안에서 일부 구간을 보강하여 구조 안전성을 확보하였다. 본 연구 결과를 기반으로 하여, 향후 다양한 형태의 하부구조물에 대한 구조 안전성 평가가 가능하며, 전문화된 구조 설계 및 평가 기준을 확립하였다.

본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 파악한다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도한다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산한다. 해 석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있으므로, 해 상풍력발전시스템의 동적거동 산정 시에는 반드시 지반-구조물 상호작용의 효과를 고려하여야 할 것이다.

Considering a rigorously fluid-structure interaction, a method for an earthquake response analysis of a floating offshore structure subjected to vertical ground motion from a seaquake is developed. Mass, damping, stiffness, and hydrostatic stiffness matrices of the floating offshore structure are obtained from a finite-element model. The sea water is assumed to be a compressible, nonviscous, ideal fluid. Hydrodynamic pressure, which is applied to the structure, from the sea water is assessed using its finite elements and transmitting boundary. Considering the fluid-structure interaction, added mass and force from the hydrodynamic pressure is obtained, which will be combined with the numerical model for the structure. Hydrodynamic pressure in a free field subjected to vertical ground motion and due to harmonic vibration of a floating massless rigid circular plate are calculated and compared with analytical solutions for verification. Using the developed method, the earthquake responses of a floating offshore structure subjected to a vertical ground motion from the seaquake is obtained. It is concluded that the earthquake responses of a floating offshore structure to vertical ground motion is severely influenced by the compressibility of sea water.

In this study, the capability of an existing analysis method for the fluid-structure-soil interaction of an offshore wind turbine is expanded to account for the geometric nonlinearity and sea water drag force. The geometric stiffness is derived to take care of the large displacement due to the deformation of the tower structure and the rotation of the footing foundation utilizing linearized stability analysis theory. Linearizing the term in Morison’s equation concerning the drag force, its effects are considered. The developed analysis method is applied to the earthquake response analysis of a 5 MW offshore wind turbine. Parameters which can influence dynamic behaviors of the system are identified and their significance are examined.

이 논문에서는 유체-구조물-지반의 상호작용을 고려한 해상풍력발전기의 지진응답해석법을 제시하였다. 풍력발전기는 tower와 그 정점에 집중된 질량으로 모델링 되었다. 이 tower는 유연한 해저지반에 기초하고 있는 튜브형 cantilever로 이상화하였다.Tower와 해수 간의 동적 상호작용, 기초와 지반간의 동적 상호작용이 고려된 유체-구조물-지반 연성계의 지배방정식은 부분구조법과Rayleigh-Ritz방법에 의해서 유도되었다. 해수는 압축성 비점성 이상 유체로 이상화하였다. 해수로 포화된 층상지반에 놓인 footing의동적 강성은 Thin Layer법에 의해서 계산하여 상부구조물 모델과 결합시켰다. 이 해석법을 해상풍력발전기 모델의 지진응답해석에 적용하였다. 해석 결과를 준거해와 비교해서 제안한 해석법의 타당성을 검증하였다. Tower의 유연성, 지반의 강성이 해상풍력발전기 지진거동에 미치는 영향을 분석하였다. 유체-구조물 상호작용과 지반-구조물 상호작용의 지진응답에 대한 상대적인 중요도를 비교 평가하였다.

제주도 월정 앞바다에서 건설 중인 4MW 해상풍력단지의 설계자료를 준비하기 위하여 측정-상관-예측(MCP)방법을 이용하여 단기간 풍황탑 자료로부터 장기간 풍황자료를 재생산하였다. 두 참조지점으로서 제주, 구좌 기상관측소와 선형회귀 MCP, 행렬 MCP 조합에 대한 정량적 오차분석을 실시한 결과 구좌와 행렬 MCP에 의한 장기간 보정이 가장 최선의 조합임을 도출하였다. 재생산된 풍황자료를 이용하여 월정해상 풍력발전기의 형식등급을 결정하기위한 표준난류모델 및 극한풍속모델 해석을 수행하였다. 50년 회귀주기의 10분-단위 극한풍속을 예측하기 위해 재생산된 8.5년의 월정 풍황을 검벨 분포로 해석하였다. 이에 의하여 결정된 풍력발전기 형식등급은 II A인 것으로 나타났다.

해양구조물에서 많이 사용되는 K-Joint는 그 구조특성으로 인해 응력집중이 발생하며 최적 설계를 위한 가이드라인제시가 요구된다. 형상특성에 따른 응력집중 현상이 다르게 발생함으로 형상을 결정하는 각종 변수인 의 변화에 따른 조인트의 응력변화를 분석하였다. 수치적인 패라메트릭 연구를 통해 응력 변화 특성을 제시하였고 주요 요소에 따른 최대 응력값도 나타내었고 수치해석 결과를 실험값과 비교하였다.

구조물의 손상전후에 나타나는 고유진동수와 모드 형상으로 부터 Inverse Modal Perturbation기법을 이용하여 잔교식 부두나 돌핀과 같은 대규모 항만구조물의 손상도 추정을 위한 모드 기여도 계수를 근사적으로 직접 구하는 방법을 제시하였다. 잔교식 항만구조물의 고유치 해석을 통해 구조물의 강성 변화량과 구조물의 고유진동수와 모드 형상의 변화량과 요소 손상도 계수를 도입하여 Inverse Modal Perturbation의 2차항을 고려한 관계식을 유도하고 손상전후에 구조물의 강성 감소로 나타나는 구조물의 손상도를 추정하여 수렴정도를 고찰하였다.

The transition piece of the offshore wind power support structure transmits the load of the tower stably to the support structure on the lower side. The transition piece of the offshore wind power support structure should solve the stress concentration problem in design. In this paper, in order to solve the stress concentration problem occurring at the transition piece of the offshore wind power support structure, the location and the mitigation of the stress concentration have been studied.

Transition piece of offshore wind turbine tower is one of the main parts which takes the direct load and pass on to the lower support structure. In this study, a new design method for the transition piece has been developed. The trasition piece was designed based on the the load flow which was analyzed by approximation and was evaluated by FEM.

This study is a part of the research on the development of safety monitoring system and monitoring program of 3MW offshore wind support structure using fiber optic sensor. In this paper, we propose a maintenance system for offshore wind support structure using fiber optic sensor based on the analysis of current monitoring status and related standards of domestic and overseas offshore wind support jacket structures.

In this paper, we research about integrated jacket support structure. The connection of the offshore wind support structure was designed based on the DNV-RP-C201 standard and the design of the appropriate type was derived through numerical calculation and finite element analysis of the stress paths of various connecting part type.