유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 해상풍력발전기의 지진응답해석

Abstract

이 논문에서는 유체-구조물-지반의 상호작용을 고려한 해상풍력발전기의 지진응답해석법을 제시하였다. 풍력발전기는 tower와 그 정점에 집중된 질량으로 모델링 되었다. 이 tower는 유연한 해저지반에 기초하고 있는 튜브형 cantilever로 이상화하였다. Tower와 해수 간의 동적 상호작용, 기초와 지반간의 동적 상호작용이 고려된 유체-구조물-지반 연성계의 지배방정식은 부분구조법과 Rayleigh-Ritz방법에 의해서 유도되었다. 해수는 압축성 비점성 이상 유체로 이상화하였다. 해수로 포화된 층상지반에 놓인 footing의 동적 강성은 Thin Layer법에 의해서 계산하여 상부구조물 모델과 결합시켰다. 이 해석법을 해상풍력발전기 모델의 지진응답해석에 적용하였다. 해석 결과를 준거해와 비교해서 제안한 해석법의 타당성을 검증하였다. Tower의 유연성, 지반의 강성이 해상풍력발전기 지진거동에 미치는 영향을 분석하였다. 유체-구조물 상호작용과 지반-구조물 상호작용의 지진응답에 대한 상대적인 중요도를 비교 평가하였다. In this study, an analysis method for the earthquake response of an offshore wind turbine model is developed, considering the effects of the fluid-structure-soil interaction. The turbine is modeled as a tower with a lumped mass at the top of it. The tower is idealized as a tubular cantilever founded on flexible seabed. Substructure and Rayleigh-Ritz methods are used to derive the governing equation of a coupled structure-fluid-soil system incorporating interactions between the tower and sea water and between the foundation and the flexible seabed. The sea water is assumed to be a compressible but non-viscous ideal fluid. The impedance functions of a rigid footing in water-saturated soil strata are obtained from the Thin-Layer Method (TLM) and combined with the superstructure model. The developed method is applied to the earthquake response analysis of an offshore wind turbine model. The method is verified by comparing the results with reference solutions. The effects of several factors, such as the flexibility of the tower, the depth of the sea water, and the stiffness of the soil, are examined and discussed. The relative significance of the fluid-structure interaction over the soil-structure interaction is evaluated and vice versa.