세굴을 고려한 고정식 해상풍력 터빈 지지구조물의 신뢰성 해석

Abstract

최근 해상풍력터빈의 설치 수심이 점차 중수심 해역으로 확대되면서 기존의 모노파일과 함께 재킷 또는 트라이포드와 같은 기초형식을 채택한 고정식 해상풍력터빈의 적용이 증가하고 있다. 국내에서도 현재 공사가 진행 중인 제주 탐라해상풍력단지의 터빈 10기 모두 재킷식 기초가 적용되고 있으며, 서남해안 해상풍력단지의 터빈에 대한 지지구조물 역시 재킷식 기초가 유력하게 거론되고 있다. 20 m 미만의 천해역의 경우 모노파일이 경제성 있는 기초 형식이지만 수심이 30-50 m 사이의 중수심 해역의 경우 재킷 또는 트라이포드가 경쟁력이 있으며, 수심이 20-30 m 사이인 경우 지반 조건 등을 고려하여 최적의 기초형식을 선정할 수 있다. 이 연구에서는 모노파일을 비롯하여, 재킷 및 트라이포드로 지지되는 해상풍력터빈에 대하여 지반 물성치 및 하중의 불확실성을 고려한 구조 신뢰성을 검토하였다. 이때 세굴깊이에 따른 신뢰도 지수의 변화를 기초 형식별로 분석하여, 세굴의 영향이 구조 신뢰성에 미치는 영향을 검토하였다. FORM(First Order Reliability Method)를 적용하기 위하여 응답면 기법을 적용하였다.NREL 5 MW 풍력터빈 제원을 이용한 수치해석을 통하여, 지반 물성치의 불확실성을 고려한 신뢰도 지수 분석 결과 모노파일 기초를 채택한 해상풍력터빈의 신뢰도 지수가 세굴깊이가 증가함에 따라 크게 감소하는 것을 알 수 있었으며, 상대적으로 재킷 또는 트라이포드 기초를 채택한 해상풍력터빈의 경우 세굴깊이가 신뢰도 지수에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었다. 결과적으로 재킷 또는 트라이포드 기초를 채택한 해상풍력터빈의 경우 지반 물성치에 대한 정보가 충분하지 않은 경우 지반-구조물 상호작용을 0기 모두 재킷식 기초가 적용되고 있으며, 서남해안 해상풍력단지의 터빈에 대한 지지구조물 역시 재킷식 기초가 유력하게 거론되고 있다. 20 m 미만의 천해역의 경우 모노파일이 경제성 있는 기초 형식이지만 수심이 30-50 m 사이의 중수심 해역의 경우 재킷 또는 트라이포드가 경쟁력이 있으며, 수심이 20-30 m 사이인 경우 지반 조건 등을 고려하여 최적의 기초형식을 선정할 수 있다. 이 연구에서는 모노파일을 비롯하여, 재킷 및 트라이포드로 지지되는 해상풍력터빈에 대하여 지반 물성치 및 하중의 불확실성을 고려한 구조 신뢰성을 검토하였다. 이때 세굴깊이에 따른 신뢰도 지수의 변화를 기초 형식별로 분석하여, 세굴의 영향이 구조 신뢰성에 미치는 영향을 검토하였다. FORM(First Order Reliability Method)를 적용하기 위하여 응답면 기법을 적용하였다.NREL 5 MW 풍력터빈 제원을 이용한 수치해석을 통하여, 지반 물성치의 불확실성을 고려한 신뢰도 지수 분석 결과 모노파일 기초를 채택한 해상풍력터빈의 신뢰도 지수가 세굴깊이가 증가함에 따라 크게 감소하는 것을 알 수 있었으며, 상대적으로 재킷 또는 트라이포드 기초를 채택한 해상풍력터빈의 경우 세굴깊이가 신뢰도 지수에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었다. 결과적으로 재킷 또는 트라이포드 기초를 채택한 해상풍력터빈의 경우 지반 물성치에 대한 정보가 충분하지 않은 경우 지반-구조물 상호작용을