합성형 단면을 갖는 풍력발전 타워구조물에 대한 신뢰성 해석

Abstract

최근 10MW급 이상의 초대형 풍력터빈을 지지하거나 혹은 좀 더 우수한 바람을 이용하기 위하여 풍력발전 타워의 높이를 120~140m 이상으로 높이고자 하는 연구가 많은 관심을 받고 있다. 또한 이와 같은 타워구조물을 안전하고 경제적으로 제작하기 위하여 콘크리트 또는 신형식 합성형 타워구조물에 대한 관심 및 연구개발이 증가하고 있다. 이 연구에서는 신형식 합성형 단면을 갖는 풍력발전 타워 구조물에 대하여 재료물성치와 하중의 불확실성을 고려한 신뢰성 해석을 수행하였다. 합성형 단면의 성능은 콘크리트의 구속효과 및 재료 비선형성을 고려할 수 있는 CoWiTA 프로그램을 이용하여 분석하였으며, 기존 5MW급 풍력터빈을 대상으로 제안된 합성형 단면을 갖는 풍력발전 타워구조물을 대상으로 Level II 및 Level III 신뢰성 해석을 수행하였다. Level II 신뢰성 해석을 위하여 응답면 기법 및 AFOSM(Advanced First Order Second Moment) 방법을 적용하였으며, Level III 몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용하여 그 결과를 비교, 검증하였다. 요구 휨강도 및 축강도 수준에 따른 신뢰도 지수 및 파괴확률, 민감도 등을 분석하였으며, 재료물성치 보다는 요구강도의 민감도가 상대적으로 큼을 알 수 있었다.

Recently, heightening a wind turbine tower up to 120~140m is an issue to support large wind turbines over than 10MW capacity and to promote the efficiency of wind energy. As a solution of making this higher tower economic and safe, concrete towers and steel-concrete composite towers have been suggested and researched. In this study, reliability analyses for steel-concrete composite wind turbine towers were carried out considering uncertainties of material properties and loads. The performance of a steel-concrete composite wind turbine tower was analyzed with CoWiTA which is a special purpose analysis program with consideration of confining effect of concrete and material nonlinearity. Level II and level III reliability analyses were performed for a steel-concrete composite wind turbine tower suggested to support a 5MW wind turbine. Response surface method and AFOSM(Advanced First Order Second Moment) were used for level II reliability analysis. Also, the analysis results were compared and verified by level III Monte Carlo simulation. Reliability index, probability of failure, and sensitivity were investigated as the variation of required flexural and axial strengths. The analysis results showed that the sensitivity of required flexural and axial strengths much more affect on the reliability of a steel-concrete composite wind turbine tower than that of material property does.