KR20150126127A - An analysis of the multi-layered soil on monopile foundation of offshore wind tower - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for analyzing a multi-layered ground on a monopole foundation of an offshore wind tower. More specifically, the method comprises: an external strength calculating step of calculating external strength applied to the offshore wind tower; a displacement calculating step of calculating a displacement of a tower base by using the external strength calculated from the external strength calculating step; and a ground reaction calculating step of calculating a ground reaction of the ground by using the displacement calculated from the displacement calculating step. The external strength calculating step comprises: a wind calculating step of calculating wind applied to the tower by wind; a wave strength calculating step of calculating wave strength applied to the power by wave; and a thrust calculating step of calculating thrust applied to the tower by rotation of a blade. Overall substantial external strength applied to a tower of an offshore wind generator is considered, and subgrade reaction is respectively calculated according to a soil constituting the ground. The same may be applied to a multi-layered ground, and an interaction between a base of the tower and the surrounding ground can be accurately analyzed.

Description

해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법{An analysis of the multi-layered soil on monopile foundation of offshore wind tower}[0001] The present invention relates to a multi-layer ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower,

본 발명은 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 해상 풍력 타워에 미치는 외력을 산정하는 외력산정단계와 상기 외력산정단계에서 산정된 외력을 이용하여 타워 기초의 변위를 산정하는 변위산정단계와 상기 변위산정단계에서 산정된 변위를 이용하여 지반의 지반 반력을 산정하는 지반반력산정단계를 포함하며, 상기 외력산정단계는 바람에 의해 상기 타워에 작용하는 풍력을 산정하는 풍력산정단계와 파랑에 의해 상기 타워에 작용하는 파력을 산정하는 파력산정단계와 블레이드의 회전에 의해 상기 타워에 작용하는 추력을 산정하는 추력산정단계를 포함하여, 해상 풍력 발전기의 타워에 미치는 실질적인 외력을 모두 고려하고, 지반을 이루는 흙(토)에 따라 각각 지반반력을 산정하므로, 다층지반에 적용될 수 있고 타워의 기초와 주변 지반 사이의 상호 작용을 정확하게 해석할 수 있는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 대한 것이다.The present invention relates to a multi-layer ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower, and more particularly, to a multi-layer ground analysis method for an offshore wind tower, And a ground reaction force calculation step of calculating a ground reaction force of the ground by using the displacement calculated in the displacement calculation step, and the external force calculation step is a step of calculating a wind reaction force acting on the tower by the wind Calculating a wave power to calculate a wave force acting on the tower by wave and calculating a thrust force acting on the tower by rotation of the blade, and calculating a thrust force on the tower of the offshore wind power generator Considering all the substantial external forces and calculating the ground reaction force according to the soil (soil) constituting the ground, The present invention relates to a multi-layer ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower that can be applied to the ground and accurately interpret the interaction between the foundation of the tower and the surrounding ground.

최근에는 자원이 고갈되고 화석 연료 사용으로 인해 발생하는 환경오염, 온실효과 등의 문제로 인해 풍력, 조력, 태양열 등을 이용한 친환경 재생에너지에 대한 연구와 개발이 널리 이루어지고 있다. 재생에너지의 한 종류인 풍력은 무공해 에너지원으로써 주로 육상풍력발전과 해상풍력발전의 두 갈래로 나뉘는데, 풍력발전의 발전량을 좌우하는 풍속은 해상에서 양질의 값을 가지고, 풍력 발전 터빈의 대형화, 단지화로 인한 설치 장소의 확보, 전자파, 소음 문제 등의 이유로 점차 육상보다는 해상 풍력 발전으로 무게의 중심이 이동되고 있다. 육상 풍력 타워와 달리 해상 풍력 타워에는 파랑에 의한 외력이 추가로 작용하고 육상 지반과 해상 지반 조건이 상이함으로, 해상 풍력 타워의 설치시 위와 같은 사정을 고려하여야 한다.In recent years, research and development of environmentally friendly renewable energy using wind power, tidal power, and solar heat have been widely performed due to problems such as depletion of resources, environmental pollution caused by the use of fossil fuels, and greenhouse effect. Wind energy, which is a type of renewable energy, is divided into two categories of off-shore wind power generation and offshore wind power generation as pollution-free energy sources. Wind speed that determines the generation amount of wind power generation has high quality in the sea, The center of gravity is shifting to offshore wind power generation rather than land based on the reasons such as the establishment of installation site due to fire, electromagnetic wave, noise problem, and the like. Unlike onshore wind towers, offshore wind towers are subject to additional external forces due to waves, and the conditions of offshore and offshore grounds are different. Therefore, such conditions should be considered when installing offshore wind towers.

아래 논문문헌과 특허문헌을 포함하는 종래의 기술은 해상에 설치된 수직 원주에 작용하는 파력에 대한 수치해석을 수행하고(논문문헌), 구조적 변경을 통해 조류 및 파랑에 대한 구조물 안정성을 확보한다(특허문헌).Conventional techniques including the following documents and patent documents are based on the numerical analysis of the waves acting on the vertical circumference installed on the sea and securing the stability of the structure against algae and waves through structural modification literature).

(논문문헌)(Articles)

Kim, N.H and Cao, T.N.T.(2008), "Wave force analysis of the two vertical cylinders by boundary element method", KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 12, No. 6, pp. 359-366.Kim, N. H and Cao, T. N.T. (2008), "Wave force analysis of the two vertical cylinders by boundary element method", KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 12, No. 6, pp. 359-366.

(특허문헌)(Patent Literature)

공개 특허공보 10-2013-0034755(2013. 04. 08. 공개) "해상 풍력 발전용 지지구조물 및 이의 건설 방법"Open Patent Publication No. 10-2013-0034755 (published on Mar. 04, 08, 2013) "Support structure for offshore wind power generation and construction method thereof"

하지만, 상기 해상 풍력 발전용 지지구조물은 구조적 변경을 통해 조류 및 파랑에 대한 구조물 안정성을 확보하고자 하나, 지지구조물에 작용하는 힘과 지반과의 상호 작용을 해석하는 데이터가 제시되지 않아 상기 지지구조물이 위의 목적을 달성할 수 있는지 어떤 지반 환경에서 적용될 수 있는지 불분명하고, 상기 논문을 포함하는 해상 구조물과 지반에 대한 상호 작용을 해석하는 방법은 해상 구조물에 작용하는 한정된 외력(파력 등)과 한정된 지반 조건(단층 지반 등)에서만 적용이 가능하여 실제 해상 풍력타워의 설계 및 설치에 적용하는데 한계가 있다.However, since the support structure for offshore wind power generation is designed to secure structural stability against algae and waves through structural modification, data for analyzing the interaction between the force acting on the support structure and the ground is not presented, It is unclear in what geological environment it can be achieved that the above objective can be achieved and the method of interpreting the interaction between the marine structure including the above paper and the ground is limited to the limited external force acting on the marine structure (Single layer ground), it is limited to be applied to the design and installation of an actual offshore wind tower.

따라서, 설치되는 해상 풍력 타워의 안전성을 확보하기 위해, 해상 풍력 타워에 실질적인 영향을 미지치는 풍력, 파력, 추력을 모두 고려하고, 점성토, 사질토 등으로 이루어진 다층 지반에서 적용될 수 있는 풍력 타워의 기초와 주변 지반 사이의 상호 작용을 정확하게 해석할 수 있는 해석방법의 필요성이 증대되고 있다.Therefore, in order to secure the safety of the installed offshore wind tower, it is necessary to consider the wind force, wave force, and thrust force which have a substantial effect on the offshore wind tower and to provide the foundation of the wind tower which can be applied in multi- There is an increasing need for an analysis method capable of accurately interpreting the interaction between surrounding grounds.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems,

본 발명은 해상 풍력 발전기의 타워에 미치는 실질적인 외력을 모두 고려하고, 지반을 이루는 흙(토)에 따라 각각 지반반력을 산정하므로, 다층지반에 적용될 수 있고 타워의 기초와 주변 지반 사이의 상호 작용을 정확하게 해석할 수 있는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention takes into account all the substantial external forces exerted on the towers of an offshore wind turbine and calculates the ground reaction forces according to the soil (soil) constituting the ground. Therefore, the present invention can be applied to multi- The present invention provides a multi-layered ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower which can be accurately interpreted.

또한, 본 발명은 타워에 미치는 외력으로 풍력, 파력, 추력을 고려하고, 타워가 설치되는 지반으로 사질토, 점성토로 이루어진 지반을 고려하므로, 해상 풍력 발전기가 설치되는 실제 환경과 유사한 환경에서 타워의 기초와 주변 지반 사이의 상호 작용을 해석한 것과 같은 효과를 가지는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, considering the wind force, the wave force, and the thrust force as the external force applied to the tower, the present invention considers the ground composed of the sandy soil and the clayey soil as the ground on which the tower is installed. Therefore, in the environment similar to the actual environment where the offshore wind power generator is installed, The present invention provides a multi-layer ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower having the same effect as that of analyzing an interaction between a ground and a surrounding ground.

또한, 본 발명은 SMB법에 따라 풍파(유의파 주기, 유의파고)를 산정하고 이를 이용하여 Morison식에 의해 파력을 산정하므로 파력의 정확성을 높이고, 로터가 작동되는 범위에서 블레이드 회전에 따른 손실을 고려하여 추력이 산정되므로 추력의 정확성을 높일 수 있는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention estimates the wind wave (significant wave period, significant wave height) according to the SMB method, and uses the Morison formula to calculate the wave power, thereby increasing the wave accuracy and reducing the loss due to the rotation of the blades The present invention provides a method of analyzing a multi-layered ground structure on a monofilament foundation of an offshore wind tower capable of enhancing the accuracy of thrust.

또한, 본 발명은 사질토의 지반반력을 산정함에 있어 탄성 범위와 소성 범위로 나누고 소성 범위에서는 지표면 부근과 일정 깊이 부근으로 나누어 지반반력을 산정하므로, 지반반력의 정확성을 높일 수 있는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention, the ground reaction force is divided into the elastic range and the plastic range in the calculation of the ground reaction force, and the ground reaction force is divided into the vicinity of the ground surface and the predetermined depth in the plastic range. Therefore, The purpose of this paper is to provide a multi-layered ground analysis method for pile foundation.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.In order to achieve the above object, the present invention is implemented by the following embodiments.

본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법은 해상 풍력 타워에 미치는 외력을 산정하는 외력산정단계와, 상기 외력산정단계에서 산정된 외력을 이용하여 타워 기초의 변위를 산정하는 변위산정단계와, 상기 변위산정단계에서 산정된 변위를 이용하여 지반의 지반 반력을 산정하는 지반반력산정단계를 포함하며, 상기 외력산정단계는 바람에 의해 상기 타워에 작용하는 풍력을 산정하는 풍력산정단계와, 파랑에 의해 상기 타워에 작용하는 파력을 산정하는 파력산정단계와, 블레이드의 회전에 의해 상기 타워에 작용하는 추력을 산정하는 추력산정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The multi-layer ground analysis method of the monofile foundation of the offshore wind tower according to an embodiment of the present invention includes an external force calculation step of calculating an external force applied to an offshore wind tower and a tower foundation based on the external force calculated in the external force calculation step. And a ground reaction force calculation step of calculating a ground reaction force of the ground by using the displacement calculated in the displacement calculation step, wherein the external force calculation step is a step of calculating a wind reaction force acting on the tower by the wind Calculating a wave power to calculate a wave force acting on the tower by waves; and calculating a thrust force acting on the tower by rotation of the blades.

본 발명의 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 변위산정단계는 상기 풍력산정단계에서 산정한 풍력, 상기 파력산정단계에서 산정한 파력 및 상기 추력산정단계에서 산정한 추력을 이용하여 전단력을 구하고, 상기 전단력을 이용하여 모멘트를 구하고, 상기 모멘트를 이용하여 타워 기초의 변위를 산정하는 것을 특징으로 한다.In the multi-layer ground analysis method of the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, the displacement calculation step may include a step of estimating the displacement of the wind turbine tower based on the wind power estimated in the wind power calculation step, the wave power calculated in the wave power calculation step, The shear force is calculated using the thrust calculated by the shear force, the moment is calculated using the shear force, and the displacement of the tower foundation is calculated using the moment.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 풍력산정단계에서 상기 풍력은 풍속별로 멱법칙에 따른 풍속의 수직 분포를 산정하여 구해지며, 상기 추력산정단계에서 상기 추력은 블레이드가 작동되는 cut in 풍속과 cut out 풍속 사이에서 블레이드 회전에 따른 손실을 고려하여 산정되는 것을 특징으로 한다.In the multi-layer ground analysis method of the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, in the step of calculating the wind power, the wind power is obtained by calculating the vertical distribution of the wind speed according to the power law for each wind speed, The thrust is calculated in consideration of the loss due to the rotation of the blade between the cut in wind speed and the cut out wind speed at which the blade is operated.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 파력산정단계는 SMB법에 따라 풍파를 산정하고 이를 이용하여 Morison식에 의해 파력을 산정하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, in the multi-layer ground analysis method of the monofilament foundation of the offshore wind tower, the wave power calculation step calculates wind waves according to the SMB method and uses the Morris equation to calculate the wave power .

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 지반반력산정단계는 각각 사질토와 정성토로 이루어진 지반을 나누고, 사질토로 이루어진 지반의 경우 지반의 탄성 범위와 소성 범위로 나누고, 소성 범위에서는 지표면 부근과 일정 깊이 부근으로 나누어 지반반력을 산정하는 것을 특징으로 한다.In the multi-layer ground analysis method of the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, the ground reaction force calculation step divides the ground consisting of sand soil and the qualitative soil, respectively, and in the case of the ground comprising sand soil, And the plastic range, and in the plastic range, the ground reaction force is calculated by dividing it into the vicinity of the ground surface and a certain depth.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 일정 깊이 부근은 지반의 아래에서 상측으로 갈수록 지반반력이 증가하다가 감소하기 시작하는 지점을 의미한다.In the multi-layered ground analysis method for the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, the vicinity of the certain depth means a point where the ground reaction force increases and then starts to decrease from the bottom to the top of the ground.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 추력은 하기의 수학식 4에 의해서 산정된 값에 하기의 수학식 5에 의해 산정된 손실률을 반영하여 산정되는 것을 특징으로 한다.In the multi-layer ground analysis method of the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, the thrust may reflect the loss rate calculated by the following equation (5) to the value calculated by the following equation (4) .

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 사질토 지반의 탄성 범위에서의 지반 반력은 하기의 수학식 9에 의해 구해지고, 사질토 지반의 소성 범위 및 지표면 부근에서의 지반 반력은 하기의 수학식 10에 의해서 구해지고, 사질토 지반의 소성 범위 및 일정 깊이 부근에서의 지반 반력은 하기의 수학식 11에 의해서 구해지는 것을 특징으로 한다.In the multi-layer ground analysis method of the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, the ground reaction force in the elastic range of the sand soil layer is obtained by the following equation (9) And the ground reaction force in the vicinity of the ground surface is obtained by the following equation (10), and the soil reaction force in the vicinity of the sintering range and the certain depth of the sandpaper soil is obtained by the following equation (11).

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법에 있어서 상기 점성토 지반의 지반반력은 하기의 수학식 12를 통해 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도를 계산하고, 수학식 13을 통해 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절을 계산하고, 수학식 14를 통해 나머지 지반 저항을 계산하여, 위에서 계산된 값을 이용하여 수학식 15를 통해 최종적으로 지반 반력을 구하는 것을 특징으로 한다.In the multi-layer ground analysis method for the monofilament foundation of the offshore wind tower according to another embodiment of the present invention, the ground reaction force of the clay soil can be calculated by calculating the ultimate soil strength per unit length of the file using Equation (12) The ground reaction force is finally calculated through Equation (15) by calculating the refraction at half of the ultimate ground resistance through Equation (13), calculating the remaining ground resistance through Equation (14) do.

본 발명의 또 다른 실시예는 청구항 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법이 프로그램화하여 기록된 기록매체를 특징으로 한다.Another embodiment of the present invention is characterized in that a multi-layered ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower according to any one of claims 1 to 9 is programmed and recorded.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.The present invention can obtain the following effects by the above-described embodiment, the constitution described below, the combination, and the use relationship.

본 발명은 해상 풍력 발전기의 타워에 미치는 실질적인 외력을 모두 고려하고, 지반을 이루는 흙(토)에 따라 각각 지반반력을 산정하므로, 다층지반에 적용될 수 있고 타워의 기초와 주변 지반 사이의 상호 작용을 정확하게 해석할 수 있는 효과가 있다.The present invention takes into account all the substantial external forces exerted on the towers of an offshore wind turbine and calculates the ground reaction forces according to the soil (soil) constituting the ground. Therefore, the present invention can be applied to multi- There is an effect that can be accurately interpreted.

또한, 본 발명은 타워에 미치는 외력으로 풍력, 파력, 추력을 고려하고, 타워가 설치되는 지반으로 사질토, 점성토로 이루어진 지반을 고려하므로, 해상 풍력 발전기가 설치되는 실제 환경과 유사한 환경에서 타워의 기초와 주변 지반 사이의 상호 작용을 해석한 것과 같은 효과가 있다.In addition, considering the wind force, the wave force, and the thrust force as the external force applied to the tower, the present invention considers the ground composed of the sandy soil and the clayey soil as the ground on which the tower is installed. Therefore, in the environment similar to the actual environment where the offshore wind power generator is installed, And the interaction between the surrounding ground and the surrounding ground.

또한, 본 발명은 SMB법에 따라 풍파(유의파 주기, 유의파고)를 산정하고 이를 이용하여 Morison식에 의해 파력을 산정하므로 파력의 정확성을 높이고, 로터가 작동되는 범위에서 블레이드 회전에 따른 손실을 고려하여 추력이 산정되므로 추력의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention estimates the wind wave (significant wave period, significant wave height) according to the SMB method, and uses the Morison formula to calculate the wave power, thereby increasing the wave accuracy and reducing the loss due to the rotation of the blades So that the accuracy of thrust can be improved.

또한, 본 발명은 사질토의 지반반력을 산정함에 있어 탄성 범위와 소성 범위로 나누고 소성 범위에서는 지표면 부근과 일정 깊이 부근으로 나누어 지반반력을 산정하므로, 지반반력의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.Further, in calculating the soil reaction force of the sand soil, the soil reaction force is divided into the elastic range and the plastic range, and in the plastic range, the ground reaction force is divided into the vicinity of the ground surface and the vicinity of the predetermined depth, so that the accuracy of the ground reaction force can be improved.

도 1은 본 발명의 해상풍력 타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법의 흐름도.
도 2는 해상 풍력 발전기에 작용하는 외력을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따라 높이에 따른 풍력을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에 따라 높이에 따른 파력을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따라 풍속에 따른 추력을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따라 깊이에 따른 전단력을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따라 깊이에 따른 모멘트를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명에 따라 깊이에 따른 기초의 변위를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명에 따라 깊이에 따른 지반 반력을 도시한 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart of a method for multi-layered ground analysis on a monofilament foundation of an offshore wind tower of the present invention. FIG.
2 is a diagram showing an external force acting on an offshore wind power generator;
3 is a graph showing wind force along a height according to the present invention;
4 is a graph showing wave power along a height according to the present invention.
5 is a graph showing the thrust according to the wind speed according to the present invention.
6 is a graph showing the shear force according to depth according to the present invention.
7 is a graph showing moments along depth according to the present invention.
8 is a graph depicting the displacement of the foundation along the depth according to the invention.
9 is a graph showing the ground reaction force according to the depth according to the present invention.

이하에서는 본 발명에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a method for analyzing a multi-layered ground on a monofilament of a offshore wind tower according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Throughout the specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

도 1은 본 발명의 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법의 흐름도이며, 도 2는 해상 풍력 발전기에 작용하는 외력을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따라 높이에 따른 풍력을 도시한 그래프이며, 도 4는 본 발명에 따라 높이에 따른 파력을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따라 풍속에 따른 추력을 도시한 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따라 깊이에 따른 전단력을 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따라 깊이에 따른 모멘트를 도시한 그래프이며, 도 8은 본 발명에 따라 깊이에 따른 기초의 변위를 도시한 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따라 깊이에 따른 지반 반력을 도시한 그래프이다.
FIG. 2 is a diagram showing an external force acting on an offshore wind power generator, and FIG. 3 is a view showing a wind force along a height according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 5 is a graph showing the thrust according to the wind speed according to the present invention, and FIG. 6 is a graph showing the shear force according to the depth according to the present invention. FIG. Fig. 7 is a graph showing moments along the depth according to the present invention, Fig. 8 is a graph showing the displacement of the foundation according to the depth according to the present invention, Fig. 9 is a graph showing the depth Of the ground reaction force.

본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법을 도 1 내지 9를 참조하여 설명하면, 상기 지반해석방법은 상기 타워에 미치는 외력을 구하는 외력산정단계(S1)와, 상기 외력산정단계(S1)에서 산정된 외력을 이용하여 타워 기초의 변위를 구하는 변위산정단계(S2)와, 상기 변위산정단계(S2)에서 산정된 변위를 이용하여 지반의 지반 반력을 구하는 지반반력산정단계(S3) 등을 포함한다. 상기 지반해석방법을 설명하기에 앞서 상기 해상 풍력 발전기를 설명하면, 상기 해상 풍력 발전기(100)는 해상에 설치되어 발전부(120)를 지반하는 해상 풍력 타워(110)와, 상기 타워(110)의 상부에 설치되어 바람에 의해 회전하면서 전기를 생하는 발전부(120)를 포함한다. 상기 타워(110)의 하단에 위치하는 기초(111)는 해저의 지반(200)에 삽입되어 고정되고, 상기 발전부(120)는 발전기를 내장한 나셀(121)과 발전기의 구동을 위해 나셀(121)에 회전하도록 설치되며 복수의 블레이드(123)를 갖춘 로터(122) 등을 포함한다. 상기 타워(110)의 기초(111)의 형식에 따라 중력식, 모노파일식, 자켓식, 부유식 등이 있는데, 상기 지반해석방법은 타워(110)의 기초(111)가 지반(200)에 모노파일식으로 고정되고, 구조물-기초-지반은 등가 스프링 모텔로 연결되며, 지반(200)은 사질토, 점성토 등으로 이루어진 것을 가정하여 수행되게 된다.
1 to 9, the ground analysis method includes an external force calculation step S1 for obtaining an external force applied to the tower, A displacement calculating step S2 for calculating the displacement of the tower foundation by using the external force calculated in the external force calculating step S1, and a calculating step S2 for calculating the ground reaction force of the ground using the displacement calculated in the displacement calculating step S2 A ground reaction force calculation step (S3), and the like. The offshore wind turbine generator 100 includes an offshore wind turbine tower 110 mounted on the sea and grounded on the power generator 120, And a power generating unit 120 installed on the upper portion of the power generating unit 120 to generate electricity while being rotated by the wind. The base 111 positioned at the lower end of the tower 110 is inserted and fixed in the ground 200 of the seabed. The power generator 120 includes a nacelle 121 having a built-in generator and a nacelle 121 121 and a rotor 122 having a plurality of blades 123 and the like. The ground analysis method is based on the assumption that the foundation 111 of the tower 110 is formed of a monolithic type, a mono type type, a jacket type and a floated type in accordance with the type of the foundation 111 of the tower 110, The structure-foundation-ground is connected to the equivalent spring motel, and the ground 200 is assumed to be composed of sandy soil, clayey soil, and the like.

상기 외력산정단계(S1)는 상기 타워에 미치는 외력을 구하는 단계로, 상기 외력산정단계(S1)에서 구해진 외력은 상기 타워의 기초의 변위를 구하는데 이용된다. 바람의 직접적인 작용에 의한 풍력, 바람의 의해 발생한 파랑에 의한 파력, 바람의 의해 블레이드(로터)가 회전함에 따라 생기는 추력이 외력으로써 상기 타워에 작용하게 된다. 상기 외력산정단계(S1)는 풍력산정단계(S11), 파력산정단계(S12), 추력산정단계(S13) 등을 포함한다.The external force calculating step (S1) is a step of obtaining an external force exerted on the tower, and the external force obtained in the external force calculating step (S1) is used to obtain the displacement of the foundation of the tower. Wind force due to direct action of wind, wave caused by wind, and thrust caused by the rotation of the blade (rotor) by the wind act on the tower as an external force. The external force calculation step S1 includes a wind force calculation step S11, a wave power calculation step S12, a thrust calculation step S13, and the like.

상기 풍력산정단계(S11)는 바람에 의해 상기 타워에 작용하는 풍력을 산정하는 단계로, 상기 풍력은 풍속별로 멱법칙에 따른 풍속의 수직 분포를 산정하여 구해진다. 상기 풍력산정단계(S11)에서는 하기의 수학식 1에 의해 타워에 미치는 풍력이 구해진다.The wind power calculating step S11 is a step of calculating the wind force acting on the tower by the wind, and the wind power is obtained by calculating a vertical distribution of the wind speed according to the power law for each wind speed. In the wind power calculation step S11, the wind force applied to the tower is obtained by the following equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서,

Figure pat00002
,
Figure pat00003
이고, Ft는 타워에 작용하는 풍력, A는 타워의 높이별 수풍면적, H는 지상으로부터의 높이, n은 멱지수로 해양과 같이 장애물이 없는 지역에서는 0.1, Gr은 거스트 계수로 장애물이 없는 지형일 때 10m이하에서는 2.0, 40m이상에서는 1.8, 그 사이 범위에서는 두 값을 직선 보간 한 값, U는 평균풍속(m/s)이고, D는 타워의 직경)(here,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
And, F t is the wind acting on the tower, A is the height of each supung area of the tower, H is in the area free of obstacles, such as marine a height from the ground, n is the exponent 0.1, G r are free of obstacles to geoseuteu coefficient (M / s), and D is the diameter of the tower). In the case of the terrain, it is 2.0 at the distance of 10m or less, 1.8 at the distance of 40m or more,

상기 파력산정단계(S12)는 파랑에 의해 상기 타워에 작용하는 파력을 산정하는 단계로, 상기 파력은 하기의 수학식 2(SMB법, Sverdrup-Munk Bretschneider method)에 의해 풍파(유의파주기, 유의파고, 최대파고)를 산정하고, 상기 풍파의 값을 이용하여 하기의 수학식 3(모리슨식)에 의해 타워에 미치는 파력이 구해진다. 상기 수학식 2에서 구한 유의파주기, 유의파고, 최대파고를 이용하여 수학식 3의 물입자 수평속도, 물입자 수평가속도를 구하는 것을 공지의 사항이므로 사세한 설명을 생략하기로 한다.The wave power calculation step S12 is a step of calculating the wave power acting on the tower by the wave. The wave power is calculated by the following equation (2) (SMB method, Sverdrup-Munk Bretschneider method) Wave height and maximum wave height), and the wave power on the tower is obtained by using the value of the wind wave by the following expression (3) (Morrison formula). The water particle horizontal velocity and the water particle horizontal acceleration of Equation (3) are obtained by using the meaningful wave period, the significant wave height and the maximum wave height obtained from Equation (2), so that detailed explanation will be omitted.

Figure pat00004
Figure pat00004

(여기서, H1 /3은 유의파고, T1 /3는 유의파주기, Hmax는 최대파고, ua는 풍속, g는 중력가속도)(Where, H 1/3 the significant wave height, T 1/3 is significant wave period, H max is the maximum wave height, u is a velocity, g is the acceleration of gravity)

Figure pat00005
Figure pat00005

(여기서, F는 파력, ρ는 해수의 밀도, CD는 항력계수, D는 타워의 직경, u는 물입자 수평속도, CM은 질량계수,

Figure pat00006
는 물입자 수평가속도, y는 지반에서의 높이 )(Where, F is the wave power, ρ is the density of sea water, C D is the drag coefficient, D is the diameter of the tower, u is the horizontal velocity of water particles, C M is the mass coefficient,
Figure pat00006
Is the water particle horizontal acceleration, and y is the height in the ground)

상기 추력산정단계(S13)는 블레이드(로터)의 회전에 의해 상기 타워에 작용하는 추력을 산정하는 단계로, 블레이드(로터)가 작동되는 범위(cut in 풍속에서 cut out 풍속 사이)에서 블레이드 회전에 따른 손실을 고려하여 추력이 산정된다. 상기 추력산정단계(S13)에서는 수학식 4에 의해 산정된 추력에서 수학식 5에 의해 산정된 손실률을 반영하여 산정된 추력을 보정하여 타워 작용하는 최종 추력을 산정한다.The step S13 of calculating the thrust is a step of calculating a thrust acting on the tower by rotation of the blade. The step S13 is a step of calculating the thrust of the blade The thrust is calculated by considering the loss due to the thrust. In the thrust calculation step S13, the final thrust force acting on the tower is calculated by correcting the thrust calculated by reflecting the loss rate calculated by the equation (5) from the thrust calculated by the equation (4).

Figure pat00007
Figure pat00007

(여기서, Fthrust는 추력, ρα는 공기밀도, CF는 추력 계수, U는 풍속)(Where F thrust is thrust, ρ α is air density, C F is thrust coefficient, and U is wind speed)

Figure pat00008
Figure pat00008

(여기서, f는 손실률, N은 블레이드수, μ는 허브로부터 팁까지 블레이드 국부 위치를 무차원화 변수(0.05), λ는 설계 주속비(6), u는 풍속, a는 축 간섭 계수로

Figure pat00009
)
(Where f is the loss factor, N is the number of blades, μ is the non-dimensionless variable (0.05) for the local position of the blade from the hub to the tip, λ is the design speed ratio (6), u is the wind speed,
Figure pat00009
)

상기 변위산정단계(S2)는 상기 외력산정단계(S1)에서 산정된 외력을 이용하여 타워 기초의 변위를 구하는 단계로, 상기 풍력산정단계(S11)에서 산정한 풍력, 상기 파력산정단계(S12)에서 산정한 파력, 상기 추력산정단계(S13)에서 산정한 추력을 이용하여 전단력을 구하고(수학식 6 사용), 상기 전단력을 이용하여 모멘트를 구하고(수학식 7 사용), 상기 모멘트를 이용하여 타워 기초의 변위(수학식 8 사용)를 산정한다.The displacement calculation step S2 is a step of calculating the tower foundation displacement using the external force calculated in the external force calculation step S1. The wind power calculated in the wind power calculation step S11, the wave power calculation step S12, The shear force is calculated using the wave force calculated in the thrust calculation step S13 and the shear force calculated in the thrust calculation step S13 (using Equation 6), the moment is obtained using the shear force (using Equation 7) The displacement of the foundation (using Equation 8) is calculated.

Figure pat00010
Figure pat00010

(여기서, V는 전단력, q는 하중, y는 세로축 길이, 하중은 풍력, 파력, 전단력의 합)(Where V is the shear force, q is the load, y is the longitudinal axis length, and the load is the sum of wind force, wave force, and shear force)

Figure pat00011
Figure pat00011

(여기서, M은 모멘트, V는 전단력, y는 세로축 길이)(Where M is moment, V is shear force, y is longitudinal axis length)

Figure pat00012
Figure pat00012

(여기서, υ는 타워 기초의 변위, M은 모멘트, E는 말뚝의 탄성계수, I는 단면 2차 모멘트, y는 세로축 길이)
(Where v is the displacement of the tower foundation, M is the moment, E is the modulus of elasticity of the pile, I is the moment of inertia of the cross section,

상기 지반반력산정단계(S3)는 상기 변위산정단계(S2)에서 산정된 변위를 이용하여 지반의 지반반력을 구하는 단계로, 사질토지반반력산정단계(미도시), 점성토지반반력산정단계(미도시)를 포함한다.The ground reaction force calculation step S3 is a step of calculating a ground reaction force of the ground using the displacement calculated in the displacement calculation step S2. The ground reaction force calculation step S3 is a step of calculating a ground reaction force ).

상기 사질토지반반력산정단계는 지반이 사질토 층으로 이루어졌을 때 기초의 변위에 대한 지반 반력을 산정하는 단계로, 지반의 탄성 범위와 소성 범위로 나누어 지반 반력을 구하고, 소성 범위에서는 지표면 부근과 일정 깊이 부근으로 나누어 지반 반력을 산정한다. 지반에 설치된 구조물의 변위가 충분히 커지면 지반이 소성화하게 되는데, 소성화 전에 지반은 탄성 범위에 있고 소성화 이후에는 지반은 소성 범위에 있게 된다. 상기 일정 깊이 부근은 지반의 아래에서 상측으로 갈수록 지반반력이 증가하다가 감소하기 시작하는 지점을 의미한다. 지반의 탄성 범위에서의 지반 반력은 하기의 수학식 9에 의해 구해지고, 지반의 소성 범위 및 지표면 부근에서의 지반 반력은 수학식 10에 의해서 구해지고, 지반의 소성 범위 및 일정 깊이 부근에서의 지반 반력은 수학식 11에 의해서 구해진다.The ground reaction force calculation step is a step of calculating the ground reaction force against the displacement of the foundation when the ground is made of the sandy soil layer. The ground reaction force is divided into the elastic range and the plastic range of the ground, and in the plastic range, And the ground reaction force is calculated. When the displacement of the structure installed on the ground is sufficiently large, the ground becomes plasticized. Before the plasticization, the ground is in the elastic range, and after the plasticization, the ground is in the plastic range. The vicinity of the certain depth means a point where the ground reaction force increases and then starts to decrease from the bottom to the top of the ground. The soil reaction force in the elastic range of the ground is obtained by the following equation (9), and the plastic reaction range of the ground and the ground reaction force in the vicinity of the ground surface are obtained by the equation (10) The reaction force is obtained by equation (11).

Figure pat00013
Figure pat00013

(여기서, p는 지반 반력, B는 기초의 직경, k는 스프링수, z는 지표면에서의 깊이, y는 타워기초의 변위)(Where p is the soil reaction force, B is the diameter of the foundation, k is the number of springs, z is the depth at the surface of the earth,

Figure pat00014
Figure pat00014

(여기서, pu는 극한 지반반력, B는 기초의 직경, Au는 경험적 보정계수, Pc는 극한 저항으로

Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
, γ는 흙의 보정계수, z는 지표면에서의 깊이, K0는 0.4, φ는 모래의 내부마찰각, β는 45°+φ/2, α는 φ/2, KA는 tan2(45°-φ/2))(Where p u is the ultimate ground reaction force, B is the diameter of the foundation, A u is the empirical correction factor, and P c is the ultimate resistance
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
φ is the internal friction angle of the sand, β is 45 ° + φ / 2, α is φ / 2, K A is tan 2 (45 °), γ is the correction coefficient of soil, z is depth on the surface, K 0 is 0.4, -φ / 2))

Figure pat00018
Figure pat00018

(여기서, pu는 극한 지반반력, B는 기초의 직경, Au는 경험적 보정계수, Pc는 극한 저항으로

Figure pat00019
, γ는 흙의 보정계수, z는 지표면에서의 깊이, K0는 0.4, φ는 모래의 내부마찰각, β는 45°+φ/2, α는 φ/2, KA는 tan2(45°-φ/2))(Where p u is the ultimate ground reaction force, B is the diameter of the foundation, A u is the empirical correction factor, and P c is the ultimate resistance
Figure pat00019
φ is the internal friction angle of the sand, β is 45 ° + φ / 2, α is φ / 2, K A is tan 2 (45 °), γ is the correction coefficient of soil, z is depth on the surface, K 0 is 0.4, -φ / 2))

상기 점성토지반반력산정단계는 지반이 점성토 층으로 이루어졌을 때 기초의 변위에 대한 지반반력을 산정하는 단계로, 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도를 계산하고(수학식 12 사용), 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절을 계산하고(수학식 13 사용), 나머지 지반 저항을 계산하여(수학식 14 사용), 위에서 계산된 값을 이용하여 최종적으로 지반 반력을 구한다(수학식 15 사용).The step of estimating the reaction force of the clayey soil is a step of calculating the soil reaction force with respect to the displacement of the foundation when the clayey soil is composed of clayey soil, calculating the ultimate soil strength per unit length of the pile (using Equation 12) (Using Equation 13), calculating the remaining ground resistance (using Equation 14), and finally calculating the ground reaction force using the above calculated value (using Equation 15).

Figure pat00020
Figure pat00020

(여기서, Pu는 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도, γ은 흙의 보정계수, Cu는 비배수 전단 강도, z는 깊이, D는 파일 직경, J는 경험적 무차원 파라미터(0.5))Where P u is the ultimate soil strength per unit length of the file, γ is the correction factor of the soil, C u is the undrained shear strength, z is the depth, D is the file diameter and J is the empirical dimensionless parameter (0.5)

Figure pat00021
Figure pat00021

(여기서, y50은 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절, ε50은 최대 주응력의 절반에 대응하는 변형률, D는 파일의 직경)(Where y50 is the refraction at half the ultimate soil resistance, epsilon 50 is the strain corresponding to half the maximum principal stress, and D is the diameter of the pile)

Figure pat00022
Figure pat00022

(여기서, Prest는 극한 지반 저항의 나머지에서 지반 저항(반력), Pu는 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도, z는 깊이, Cu는 비배수 전단 강도, D는 파일 직경, J는 경험적 무차원 파라미터(0.5), γ은 흙의 보정계수)Where P rest is the soil resistance (reaction force) at the remainder of the ultimate soil resistance, P u is the ultimate soil strength per unit length of the file, z is the depth, C u is the undrained shear strength, D is the file diameter, Dimensionless parameter (0.5), y is the correction coefficient of soil)

Figure pat00023
Figure pat00023

(여기서, p는 지반반력, Pu는 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도(반력), Prest는 극한 지반 저항의 나머지에서 지반 저항(반력), y는 타워 기초 변위, y50은 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절)Where p is the soil reaction force, P u is the ultimate soil strength per unit length of the pile (reaction force), P rest is the soil resistance (reaction force) at the rest of the ultimate soil resistance, y is the tower foundation displacement, y50 is the ultimate soil resistance Refraction in half)

상기와 같은 단계를 포함하는 상기 지반해석방법을 이용하여, 해상 풍력 발전기의 설치 전에, 타워에 작용하는 하중(외력의 합)을 정확하게 산출하고, 기초를 설치하고자 하는 주변 지반의 실제 정수들을 활용해 지반 반력을 정확하게 산출하는 것이 가능하여, 상기에서 산출된 값을 해상 풍력 발전기의 타워 기초의 설계에 활용할 수 있다.
Using the above-described ground analysis method, it is possible to accurately calculate the load (sum of external forces) acting on the tower before installing the offshore wind turbine generator, and to use the actual constants of the surrounding grounds It is possible to calculate the ground reaction force accurately, and the value calculated in the above can be utilized in the design of the tower foundation of the offshore wind power generator.

이하에서는 상기와 같은 단계를 포함하는 상기 지반해석방법의 구체적인 일 적용사례를 도 1 내지 9를 참조하여 살펴보기로 한다. 상기 적용사례에서 수심은 30m, 타워의 높이는 수면 아래 30m, 수면 위로 80m이고, 기초의 근입 깊이는 30m이고, 타워는 상부 직경 3.87m, 하부 직경 6m로 직경이 일정하게 감소하며, 발전기의 규모는 5MW급이며, 파일 두께는 60mm이고, 모노파일은 STK 490 강관으로써 탄성계수는 210,000MPa, 단위중량은 77kN/m3의 재료 물성치를 갖는다. 풍속의 경우, 추력의 영향을 확인하기 위해 10m/s, 20m/s와 30m/s의 경우로 나타내었고, 블레이드의 모델링을 위한 블레이드의 데이터는 NREL에서 개발된 S826, S825, S818이 적용되었다. 지반은 총 4개 층으로 설정하였으며, 깊이는 최상부를 시작점으로 각각 11m, 7m, 7m, 5m로 총 30m이며, 처음 11m는 점성토이며, 이때 비배수 전단 강도 Cu와 유효 단위 중량 γ는 150kN/m2와 12kN/m3이며, 나머지 지반은 사질토이며 내부 마찰각과 γ는 상층부부터 30°와 15.7kN/m3 , 36°와 20kN/m3, 중간값인 33°와 17.4kN/m3이다.
Hereinafter, a specific application example of the soil analysis method including the above steps will be described with reference to FIGS. 1 to 9. FIG. In the above application example, the water depth is 30 m, the height of the tower is 30 m below the water surface, 80 m above the water surface, the penetration depth of the foundation is 30 m and the tower has a constant diameter of 3.87 m in the upper diameter and 6 m in the lower diameter. 5MW, with a file thickness of 60mm. The monofile is STK 490 steel, with a modulus of elasticity of 210,000MPa and a unit weight of 77kN / m 3 . In case of wind speed, 10m / s, 20m / s and 30m / s were used to confirm the influence of thrust. The blade data for modeling the blade were applied to NREL developed S826, S825 and S818. Soil was set to a total of four layers, the depth are each 11m, 7m, 7m, a total of 30m to 5m to the top as the starting point, the first 11m is clay, and wherein undrained shear strength C u and the effective weight per unit area of γ is 150kN / and m 2 and 12kN / m 3, the remaining soil is sand and the internal friction angle and γ is from 30 ° and 15.7kN / m 3, 36 ° and 20kN / m 3, the middle value of 33 ° and 17.4kN / m 3 upper .

상기 해상 풍력 타워에 작용하는 풍력은 수학식 1에 의해 산정되고 그 결과는 도 3과 같이 도시되게 된다. 도 3을 통해, 멱함수로 계산되는 해상에서의 풍속은 고도가 높아질수록 빠르지만 고도가 높아질수록 풍속 증가의 폭은 감소하여, 높이에 따라 직경이 일정하게 감소되는 해상 타워에서는 직경이 작은 상부에서보다 직경이 큰 하부에서 더욱 큰 풍력이 작용하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 로터의 가동 구간인 10m/s와 20m/s에서는 블레이드의 회전에 의한 풍력의 손실로 인해 타워에 가해지는 풍력의 크기가 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.The wind force acting on the offshore wind tower is calculated by Equation 1 and the result is shown in FIG. 3, the wind speed at sea calculated by the power function increases as the altitude increases, but as the altitude increases, the width of the increase in the wind speed decreases, and in the marine tower where the diameter decreases constantly according to the height, It can be seen that a larger wind force acts on the lower diameter portion. In addition, at 10m / s and 20m / s, which are the operating ranges of the rotor, it can be seen that the magnitude of the wind force applied to the tower sharply decreases due to loss of wind caused by rotation of the blades.

상기 해상 풍력 타워에 작용하는 파력은 수학식 2를 통해 파고를 산정하고 그 결과를 수학식 3에 적용하여 산정되며, 그 결과는 도 4와 같이 도시되게 된다. 도 4를 통해 풍속이 증가할수록 발생된 파력의 크기는 증가하게 된다.The wave force acting on the offshore wind tower is calculated by calculating the wave height using Equation (2) and applying the result to Equation (3), and the result is shown in FIG. 4, the magnitude of the generated wave increases as the wind speed increases.

상기 해상 풍력 타워에 작용하는 추력은 수학식 4를 통해 일차적으로 추력을 산정하고 수학식 5에 의해 산정된 블레이드가 회전함에 따라 생기는 손실률을 반영하여 최종적으로 추력을 산정되며, 그 결과는 도 5와 같이 도시되게 된다. 도 5를 통해 추력은 cut-in 풍속인 4m/s와 날개 끝 손실이 발생하는 7m/s 사이에서 급격한 증가를 보이며, 7m/s 이후에는 날개 끝 손실로 인해 추력의 증가가 조금 더딘 양상을 보이다가 15m/s 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다. cut-out 풍속인 25m/s에서 추력은 급감하고 이후에는 블레이드는 추력이 아닌 풍속에 의한 영향만을 받게 된다.The thrust acting on the offshore wind tower is firstly calculated by the following equation (4), and the thrust is finally calculated by reflecting the loss rate caused by the rotation of the blade calculated by the equation (5) Will be shown together. 5, the thrust increases rapidly between the cut-in wind speed of 4 m / s and the wing tip loss of 7 m / s, and after 7 m / s, the thrust increases slightly due to the wing tip loss Was gradually decreased after 15m / s. At a cut-out wind speed of 25 m / s, the thrust suddenly decreases, after which the blade is only affected by wind speed, not thrust.

도 6은 수학식 6을 통해 산정된 전단력을 나타내는 도면이고, 도 7은 수학식 7을 통해 산정된 모멘트를 나타내는 도면이며, 도 8은 수학식 8을 통해 산정된 기초의 변위를 나타내는 도면이고, 도 9는 수학식 9 내지 15를 통해 산정된 지반 반력을 나타내는 도면인데, 도 6 내지 9를 통해 풍속이 증가할수록 모노파일의 변형에 의해 지반 변형이 증가하며 전단력 및 모멘트는 지반 반력에 비례해 변화하는 것을 확인할 수 있다. 지반의 반력은 각 지반의 지반 반력 계수의 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있으며, 동일한 지반 층에서는 지반의 변형이 커질수록 지반 반력 또한 커짐을 알 수 있다. 그러나 기초 깊이의 절반 이후에는 지반 반력의 감소를 확인할 수 있는데, 이는 지표에 가까워짐에 따라 지반의 상재 하중 감소로 인한 지반 반력 계수의 감소로 인한 것으로 사료된다. 따라서, 상기 지반해석방법을 통해 설치하고자 하는 일정 규격의 해상 풍력 타워에 작용하는 외력을 산정하고, 설치하고자 하는 지반의 지반반력을 산정하는 것이 가능하여, 해상 풍력 타워가 안정성을 확보하기 위해 갖추어야할 타워의 기초의 강성 등의 조건을 예측할 수 있게 된다.
FIG. 6 is a view showing the shear force calculated by the equation (6), FIG. 7 is a view showing a moment calculated by the equation (7), FIG. 8 is a diagram showing the displacement of the foundation calculated by the equation (8) FIG. 9 is a view showing the ground reaction force calculated from the equations (9) to (15). As shown in FIGS. 6 to 9, as the wind speed increases, the ground deformation increases due to the deformation of the monofilaments. Shear force and moment are proportional to the ground reaction force . It can be seen that the reaction force of the ground is heavily influenced by the ground reaction force coefficient of each soil, and as the deformation of the ground increases in the same ground layer, the ground reaction force also increases. However, after half of the foundation depth, the decrease of the soil reaction force can be confirmed. It is considered that this is due to the reduction of the soil reaction force coefficient due to the reduction of the overburden of the ground as it approaches the surface. Therefore, it is possible to calculate the external force acting on the offshore wind tower of a certain standard to be installed through the above-described ground analysis method, and to calculate the ground reaction force of the ground to be installed, And the stiffness of the foundation of the tower can be predicted.

본 발명의 다른 실시예는 상기 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법이 프로그램화하여 기록된 기록매체를 포함한다.
Another embodiment of the present invention includes a recording medium on which a multi-layer ground analysis method for the monofilament foundation of the offshore wind tower is programmed and recorded.

이상에서, 출원인은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Should be interpreted as belonging to the scope.

100: 해상 풍력 발전기 110: 타워 120: 발전부
111: 기초 121: 나셀 122: 로터
123: 블레이드
100: Offshore wind turbine generator 110: Tower 120: Power generator
111: Foundation 121: Nacelle 122: Rotor
123: The blade

Claims (10)

해상 풍력 타워에 미치는 외력을 산정하는 외력산정단계와, 상기 외력산정단계에서 산정된 외력을 이용하여 타워 기초의 변위를 산정하는 변위산정단계와, 상기 변위산정단계에서 산정된 변위를 이용하여 지반의 지반 반력을 산정하는 지반반력산정단계를 포함하며,
상기 외력산정단계는 바람에 의해 상기 타워에 작용하는 풍력을 산정하는 풍력산정단계와, 바람에 의해 생성된 파랑에 의해 상기 타워에 작용하는 파력을 산정하는 파력산정단계와, 바람에 의해 블레이드의 회전에 의해 상기 타워에 작용하는 추력을 산정하는 추력산정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
A step of estimating an external force applied to the offshore wind tower, a step of calculating a displacement of the tower foundation by using the external force calculated in the step of estimating the external force, and a step of calculating a displacement of the ground by using the displacement calculated in the displacement calculating step And a ground reaction force calculation step of calculating the ground reaction force,
The external force calculating step may include a wind power calculating step of calculating wind power acting on the tower by the wind, a wave power calculating step of calculating a wave power acting on the tower by the wind generated by the wind, And a thrust calculation step of estimating a thrust acting on the tower by the first and second sensors.
제1항에 있어서, 상기 변위산정단계는
상기 풍력산정단계에서 산정한 풍력, 상기 파력산정단계에서 산정한 파력 및 상기 추력산정단계에서 산정한 추력을 이용하여 전단력을 구하고, 상기 전단력을 이용하여 모멘트를 구하고, 상기 모멘트를 이용하여 타워 기초의 변위를 산정하는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
2. The method according to claim 1, wherein the displacement calculation step
The shear force is obtained using the wind force calculated in the wind power calculation step, the wave power calculated in the wave power calculation step, and the thrust calculated in the thrust calculation step, the moment is obtained using the shear force, A method for multi-layered ground analysis for a monofilament foundation of an offshore wind tower, characterized in that the displacement is calculated.
제2항에 있어서,
상기 풍력산정단계에서 상기 풍력은 풍속별로 멱법칙에 따른 풍속의 수직 분포를 산정하여 구해지며,
상기 추력산정단계에서 상기 추력은 블레이드가 작동되는 cut in 풍속과 cut out 풍속 사이에서 블레이드 회전에 따른 손실을 고려하여 산정되는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
3. The method of claim 2,
In the step of estimating wind power, the wind power is obtained by calculating a vertical distribution of wind speed according to a power law,
Wherein the thrust is calculated in consideration of loss due to rotation of the blade between a cut in wind speed and a cut out wind speed at which the blade is operated in the step of estimating the thrust.
제3항에 있어서, 상기 파력산정단계는
SMB법에 따라 풍파를 산정하고 이를 이용하여 Morison식에 의해 파력을 산정하는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
4. The method of claim 3, wherein the wave power calculation step
A method of multi-layer ground analysis for a monofilament foundation of an offshore wind tower, characterized in that the wind waves are calculated according to the SMB method and the wave power is calculated by the Morison equation.
제2항에 있어서, 상기 지반반력산정단계는
각각 사질토와 정성토로 이루어진 지반을 나누고, 사질토로 이루어진 지반의 경우 지반의 탄성 범위와 소성 범위로 나누고, 소성 범위에서는 지표면 부근과 일정 깊이 부근으로 나누어 지반반력을 산정하는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
The method of claim 2, wherein the ground reaction force calculation step
And the soil zone composed of sandy soil is divided into the elastic range and the plastic zone of the ground and the ground reaction force is divided into the vicinity of the ground surface and the vicinity of the ground surface in the plastic range, Multi - layer ground analysis method for monofilament foundation.
제5항에 있어서, 상기 일정 깊이 부근은
지반의 아래에서 상측으로 갈수록 지반반력이 증가하다가 감소하기 시작하는 지점을 의미하는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the ground reaction force is increased from the lower part of the ground to the upper part of the ground, and then begins to decrease.
제2항에 있어서,
상기 추력은 하기의 수학식 4에 의해서 산정된 값에 하기의 수학식 5에 의해 산정된 손실률을 반영하여 산정되는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
[수학식 4]
Figure pat00024

(여기서, Fthrust는 추력, ρα는 공기밀도, CF는 추력 계수, U는 풍속)
[수학식 5]
Figure pat00025

(여기서, f는 손실률, N은 블레이드수, μ는 허브로부터 팁까지 블레이드 국부 위치를 무차원화 변수(0.05), λ는 설계 주속비(6), u는 풍속, a는 축 간섭 계수로
Figure pat00026
)
3. The method of claim 2,
Wherein the thrust is estimated by reflecting a loss rate calculated by the following equation (5) to a value calculated by the following equation (4): " (5) "
&Quot; (4) "
Figure pat00024

(Where F thrust is thrust, ρ α is air density, C F is thrust coefficient, and U is wind speed)
&Quot; (5) "
Figure pat00025

(Where f is the loss factor, N is the number of blades, μ is the non-dimensionless variable (0.05) for the local position of the blade from the hub to the tip, λ is the design speed ratio (6), u is the wind speed,
Figure pat00026
)
제7항에 있어서,
상기 사질토 지반의 탄성 범위에서의 지반 반력은 하기의 수학식 9에 의해 구해지고, 사질토 지반의 소성 범위 및 지표면 부근에서의 지반 반력은 하기의 수학식 10에 의해서 구해지고, 사질토 지반의 소성 범위 및 일정 깊이 부근에서의 지반 반력은 하기의 수학식 11에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
[수학식 9]
Figure pat00027

(여기서, p는 지반 반력, B는 기초의 직경, k는 스프링수, z는 지표면에서의 깊이, y는 타워기초의 변위)
[수학식 10]
Figure pat00028

(여기서, pu는 극한 지반반력, B는 기초의 직경, Au는 경험적 보정계수, Pc는 극한 저항으로
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
, γ는 흙의 보정계수, z는 지표면에서의 깊이, K0는 0.4, φ는 모래의 내부마찰각, β는 45°+φ/2, α는 φ/2, KA는 tan2(45°-φ/2))
[수학식 11]
Figure pat00032

(여기서, pu는 극한 지반반력, B는 기초의 직경, Au는 경험적 보정계수, Pc는 극한 저항으로
Figure pat00033
, γ는 흙의 보정계수, z는 지표면에서의 깊이, K0는 0.4, φ는 모래의 내부마찰각, β는 45°+φ/2, α는 φ/2, KA는 tan2(45°-φ/2))
8. The method of claim 7,
The soil reaction force in the elastic range of the sandy soil is obtained by the following equation (9), and the plastic reaction range of the sandy soil and the ground reaction force in the vicinity of the surface are obtained by the following equation (10) Wherein the ground reaction force at a certain depth is obtained by the following equation (11). ≪ EMI ID = 11.0 >
&Quot; (9) "
Figure pat00027

(Where p is the soil reaction force, B is the diameter of the foundation, k is the number of springs, z is the depth at the surface of the earth,
&Quot; (10) "
Figure pat00028

(Where p u is the ultimate ground reaction force, B is the diameter of the foundation, A u is the empirical correction factor, and P c is the ultimate resistance
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
φ is the internal friction angle of the sand, β is 45 ° + φ / 2, α is φ / 2, K A is tan 2 (45 °), γ is the correction coefficient of soil, z is depth on the surface, K 0 is 0.4, -φ / 2))
&Quot; (11) "
Figure pat00032

(Where p u is the ultimate ground reaction force, B is the diameter of the foundation, A u is the empirical correction factor, and P c is the ultimate resistance
Figure pat00033
φ is the internal friction angle of the sand, β is 45 ° + φ / 2, α is φ / 2, K A is tan 2 (45 °), γ is the correction coefficient of soil, z is depth on the surface, K 0 is 0.4, -φ / 2))
제8항에 있어서,
상기 점성토 지반의 지반반력은 하기의 수학식 12를 통해 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도를 계산하고, 하기의 수학식 13을 통해 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절을 계산하고, 하기의 수학식 14를 통해 나머지 지반 저항을 계산하여, 위에서 계산된 값을 이용하여 하기의 수학식 15를 통해 최종적으로 지반 반력을 구하는 것을 특징으로 하는 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법.
[수학식 12]
Figure pat00034

(여기서, Pu는 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도, γ은 흙의 보정계수, Cu는 비배수 전단 강도, z는 깊이, D는 파일 직경, J는 경험적 무차원 파라미터(0.5))
[수학식 13]
Figure pat00035

(여기서, y50은 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절, ε50은 최대 주응력의 절반에 대응하는 변형률, D는 파일의 직경)
[수학식 14]
Figure pat00036

(여기서, Prest는 극한 지반 저항의 나머지에서 지반 저항(반력), Pu는 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도, z는 깊이, Cu는 비배수 전단 강도, D는 파일 직경, J는 경험적 무차원 파라미터(0.5), γ은 흙의 보정계수)
[수학식 15]
Figure pat00037

(여기서, p는 지반반력, Pu는 파일의 단위 길이당 극한 지반 강도(반력), Prest는 극한 지반 저항의 나머지에서 지반 저항(반력), y는 타워 기초 변위, y50은 극한 지반 저항의 절반에서의 굴절)
9. The method of claim 8,
The ground reaction force of the clay soil is calculated by the following equation (12), and the refraction at half of the ultimate soil resistance is calculated by the following equation (13) And the ground reaction force is finally obtained through the following equation (15) by using the above calculated values. The method of claim 1, wherein the ground reaction force is obtained by the following equation (15).
&Quot; (12) "
Figure pat00034

Where P u is the ultimate soil strength per unit length of the file, γ is the correction factor of the soil, C u is the undrained shear strength, z is the depth, D is the file diameter and J is the empirical dimensionless parameter (0.5)
&Quot; (13) "
Figure pat00035

(Where y50 is the refraction at half the ultimate soil resistance, epsilon 50 is the strain corresponding to half the maximum principal stress, and D is the diameter of the pile)
&Quot; (14) "
Figure pat00036

Where P rest is the soil resistance (reaction force) at the remainder of the ultimate soil resistance, P u is the ultimate soil strength per unit length of the file, z is the depth, C u is the undrained shear strength, D is the file diameter, Dimensionless parameter (0.5), y is the correction coefficient of soil)
&Quot; (15) "
Figure pat00037

Where p is the soil reaction force, P u is the ultimate soil strength per unit length of the pile (reaction force), P rest is the soil resistance (reaction force) at the rest of the ultimate soil resistance, y is the tower foundation displacement, y50 is the ultimate soil resistance Refraction in half)
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 해상풍력타워의 모노파일 기초에 대한 다층 지반해석방법이 프로그램화하여 기록된 기록매체.A recording medium on which a multi-layer ground analysis method for a monofilament foundation of an offshore wind tower according to any one of claims 1 to 9 is programmed and recorded.
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