합성형 풍력발전 타워 구조물에 대한 신뢰성 해석

Abstract

최근 풍력발전 타워의 높이를 100 m 이상으로 높이고자 하는 연구가 많은 관심을 받고 있다. 유럽의 경우 10 MW급 이상의 초대형 풍력터빈을 지지하기 위하여 타워의 높이를 높이고자 하고 있으며, 미국의 경우 기존 3-5 MW급 풍력터빈을 적용하는데 있어 타워의 높이를 높임으로써 좀 더 우수한 품질의 바람을 이용할 수 있고 따라서 미국 내륙의 대부분의 지역에서 경제성을 확보할 수 있는 풍력단지 건설이 가능해 지기 때문에 이와 같은 타워 높이를 높이고자 하는 데 큰 관심이 있다. 기존 원형 강재로 이루어진 풍력발전 타워의 경우 타워의 높이를 100 m 이상 높이는 경우 좌굴 안정성이 크게 저하되므로 이를 방지하기 위하여 강재 두께를 증가시키거나 무보강 강재 대신 보강 강재를 사용하여야 되며, 이러한 경우 타워 구조물의 비용이 증가하여 전체적인 경제성이 저하된다. 따라서 최근에는 100 m 이상 높이의 타워 비용을 줄이기 위하여 콘크리트 타워와 합성형 타워가 제안되고 있다. 이 연구에서는 특히 최근 제안되고 있는 합성형 단면인 이중관 콘크리트 충진(DSCT, Double-Skinned Composite Tubular) 합성형 단면을 적용한 타워 구조물을 대상으로 연구를 수행하였으며, DSCT 단면은 유사한 제원의 콘크리트 기둥에 비하여 단면을 절감할 수 있는 장점이 있고, 또한 이와 같은 합성형 구조는 기존 강재 단면 대비 좌굴안정성이 향상되며, 이러한 장점은 풍력발전 타워의 높이를 높여 발전량을 늘이고자 하는 최근 경향에 부합하는 타워를 제작할 수 있게 해 준다. 이 연구에서는 이와 같이 최근 제안되고 있는 합성형 단면을 갖는 풍력발전 타워의 신뢰성 해석과 관련된 연구를 수행하였다. 신뢰성 해석을 위하여 Monte Carlo워의 높이를 높임으로써 좀 더 우수한 품질의 바람을 이용할 수 있고 따라서 미국 내륙의 대부분의 지역에서 경제성을 확보할 수 있는 풍력단지 건설이 가능해 지기 때문에 이와 같은 타워 높이를 높이고자 하는 데 큰 관심이 있다. 기존 원형 강재로 이루어진 풍력발전 타워의 경우 타워의 높이를 100 m 이상 높이는 경우 좌굴 안정성이 크게 저하되므로 이를 방지하기 위하여 강재 두께를 증가시키거나 무보강 강재 대신 보강 강재를 사용하여야 되며, 이러한 경우 타워 구조물의 비용이 증가하여 전체적인 경제성이 저하된다. 따라서 최근에는 100 m 이상 높이의 타워 비용을 줄이기 위하여 콘크리트 타워와 합성형 타워가 제안되고 있다. 이 연구에서는 특히 최근 제안되고 있는 합성형 단면인 이중관 콘크리트 충진(DSCT, Double-Skinned Composite Tubular) 합성형 단면을 적용한 타워 구조물을 대상으로 연구를 수행하였으며, DSCT 단면은 유사한 제원의 콘크리트 기둥에 비하여 단면을 절감할 수 있는 장점이 있고, 또한 이와 같은 합성형 구조는 기존 강재 단면 대비 좌굴안정성이 향상되며, 이러한 장점은 풍력발전 타워의 높이를 높여 발전량을 늘이고자 하는 최근 경향에 부합하는 타워를 제작할 수 있게 해 준다. 이 연구에서는 이와 같이 최근 제안되고 있는 합성형 단면을 갖는 풍력발전 타워의 신뢰성 해석과 관련된 연구를 수행하였다. 신뢰성 해석을 위하여 Monte Carlo