지지구조의 형식에 따른 해상풍력타워의 선박충돌거동비교

Collision Behavior Comparison of Offshore Wind Tower as Type of Support Structure

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

The collision behaviors of the tripod and jacket structures, which are considered as support structures for offshore wind towers at the Southwest sea of Korea, were compared by nonlinear dynamic analysis. These structures, designed for the 3 MW capacity of the wind towers, were modeled using shell elements with nonlinear behaviors, and the tower structure including the nacelle, was modeled by beam and mass elements with elastic materials. The mass of the tripod structure was approximately 1.66 times that of the jacket structure. A barge and commercial ship were modeled as the collision vessel. To consider the tidal conditions in the region, the collision levels were varied from -3.5 m to 3.5 m of the mean sea level. In addition, the collision behaviors were evaluated as increasing the minimum collision energy at the collision speed (=2.6 m/s) of each vessel by four times, respectively. Accordingly, the plastic energy dissipation ratios of the vessel were increased as the stiffness of collision region. The deformations in the wind tower occurred from vibration to collapse of conditions. The tripod structure demonstrated more collision resistance than the jacket structure. This is considered to be due to the concentrated centralized rigidity and amount of steel utilized.