극한 해상환경에서 부유식 해상풍력 구조물의 운동 및 구조 응답특성

Abstract

본 연구는 극한 해상환경에서 부유식 해상풍력 구조물의 운동 및 구조응답 특성을 분석한다. 기존 연구들에서는 통계기반의 열대성 저기압 해상상태를 추정하여 설계하중을 계산하기 때문에, 해양환경 변수들의 상호작용이 고려된 극한 해상상태를 활용하기 어려웠다. 그러나 수치 허리케인 시뮬레이션(University of Miami Coupled Model: UMCM)은 위와 같은 한계점을 보완할 수 있으며, 대기와 해양에너지 데이터를 활용할 수 있다. 특히 해양에서는 허리케인이 진행되면서 생성된 풍파와 (Wind sea) 너울성(Swell) 성분으로 분리된 스펙트럼 형태를 띄며, 너울성 성분은 부유식 해상구조물 거동변화의 영향을 미친다. 해상구조물의 거동변화 중 저주기 표류운동은 동적성능 평가하는데 중요한 인자이며, 극한 해수면 변화를 포텐셜 이론 기반의 2차 유체역학 하중과 너울성 에너지와 함께 고려한다면 표류운동을 더 잘 예측할 수 있다. 그러나 반잠수식 해상풍력 구조물은 극한 해수면 변화로 거동변화가 크게 발생하는 단점을 가지고 있기 때문에 다양한 극한 해상상황에서의 동적 성능 분석이 매우 중요하다. 다음의 과정을 통해 연구를 수행하였다. 극한 해상상태를 고려하기 위해 대기-해양 상호작용으로 계산된 수치 허리케인 시뮬레이션 데이터를 활용하였다. 이때 허리케인이 진행되면서 변화된 해상상태를 고려하기 위해 각 시간별 해상상황에서의 극한 하중을 계산하였다. 대기에서는 UMCM을 통해 계산된 데이터를 스케일 브리징 절차로 크기를 축소시켜 도출된 변수들을 통해서 공기역학 하중을 계산하였다. 또한 해양에서는 너울성과 풍파 성분으로 파 에너지를 분리하고 방향 스펙트럼을 단방향 스펙트럼으로 가정하여 포텐셜 이론 기반의 유체역학 하중을 계산하였다. 포텐셜 이론에서 불규칙한 극한 해수면 변화를 2차항으로 고려하기 위한 타당성을 확립하기 위해 파형경사 제한조건을 적용하였다. 극한 해상상태에서 반잠수식 해상풍력 구조물(Semi-submersible offshore wind turbine structure) 거동변화의 유체역학 하중 효과차이를 검토하기 위해서 파 강제력을 1차와 2차 항으로 분류하였다. 여기서 2차 항은 입사파 사이의 상호작용으로 인하여 합-주파수 및 차-주파수 하중을 발생시키기 때문에 하중의 크기는 작지만 해상구조물 거동변화의 중 요한 요소로 작용된다. 대부분의 부유식 해상구조물은 저주기영역의 고유주기가 분포해 있어 2차 차-주파수 하중에 의하여 저주파 표류운동이 발생되면서 계류선의 영향을 준다. 그리고 풍력타워의 고유주기는 고주기영역의 분포해 있어 2차 합-주파수 하중으로 굽힙 모멘트가 더 크게 유발되면서 공진현상을 일으키기에 충분하다. 먼저 특정 극한 해상상황에서 해양에너지 성분의 1차 및 2차 유체역학 하중과 공기역학 하중이 외력으로 작용할 때, 반잠수식 해상풍력 구조물의 동적응답 특성을 파악하였다. 실제로 극한 하중으로 인해 터빈은 전부하 운전상태로 돌입하면서 추력이 감소되면서 유체역학 하중이 동적 운동성능의 중요한 요인으로 작용한다. 전후요 응답을 통해서는 저주기 표류운동의 영향을 주는 인자를 분석할 수 있으며, 상하요 응답에서는 해양에너지 성분들과 1차 및 2차 유체역학 하중차이가 운동성능의 미치는 요인을 분석하였다. 그리고 설계인자로 활용될 수 있는 종 동요 응답, 계류력 응답과 손상 등가 피로성능 분석을 수행하였다. 구조 응답에서는 극한 해상상태 별 해양에너지 성분을 유체력 하중으로 적용하였다. 유체역학 하중을 구조로 적용하기 전 부가질량(Added-mass) 및 방사 감쇠 계수(Radiation damping coefficient) 수치해석 결과를 검증하였다. 이를 통해 분석된 유체역학 하중을 외부 압력으로 적용하기 위해 유체-구조 연성해석(Fluid-structure interaction analysis) 방법을 활용하여 패널요소에서 계산된 압력을 구조요소로 맵핑하였다. 그리고 유체역학 하중은 해양환경별 유의파고(Significant height) 및 첨두주기가(peak period) 고려되었으며, 이를 한계상태법으로 설계된 좌굴 강도와 비교하였다. 부재별 좌굴 강도는 표준안에서 제시되는 강종들을 고려하여 설계되었고, 연성해석으로 분석된 구조응답과 비교하였다.