유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 신형식 해상풍력 지지구조물의 지진응답 해석

초록

이 연구에서는 유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 신형식 콘크리트 지지구조 시스템의 지진응답 해석기법을 개발하고자 한다. Figure 1은 대상으로 하는 신형식 콘크리트 지지구조를 이용한 해상풍력발전 시스템을 보여주고 있다. 이 시스템의 운동방정식을 도출하기 위하여 전체 시스템을 구조물, 유체, 지반의 부분구조로 분리하고 각 부분구조의 운동방정식을 유도한다. 각 부분구조 간의 상호작용을 고려하여 전체 시스템의 운동방정식을 도출한다.<br>우선, 유한요소를 사용하여 구조물의 질량 행렬, 감쇠 행렬, 강성 행렬을 구성하고, 구조물의 운동방정식을 도출한다. 여기서, 구조물은 신형식 콘크리트 지지구조 뿐만이 아니라 상부의 타워(tower), 나셀(nacelle), 회전날개(rotor)를 모두 포함한다.<br>해수는 압축성 비점성 이상 유체로 이상화하고, 해저 지반은 강체로 가정한다. 이와 같은 가정 하에 해수에 의해서 구조물에 가해지는 유체의 동수압을 유한요소와 전달경계를 사용하여 엄밀히 산정한다. 구조물과 인접하여 불규칙한 기하학적 형상을 가지는 유체의 근역은 유한요소를 사용하여 수치모형을 구성하고, 반경 방향으로 무한히 확장되고 그 깊이가 일정한 해수의 원역은 전달경계를 사용하여 에너지 방사를 엄밀히 고려한다. 유체-구조물 상호작용을 엄밀히 고려하여 유체의 동수압으로 인한 부가질량과 하중을 유체의 수치모형으로부터 산정하고, 이를 구조물의 유한요소와 결합한다. <br>지반-구조물 상호작용 효과를 고려하기 위하여 지반의 임피던스와 구조물 입력운동을 산정한다.지반은 해수로 포화된 2상 매질로 이상화하고, 강체 기반암이 일정 깊이부터 존재한다고 가정한다. 이와 같은 가정 하에 지반의 임피던스와 구조물 입력운동을 유한요소와 전달경계를 사용하여 엄밀히 산정한다. 구조물과 인접하여 불규칙한 기하학적 형상을 가지는 지반의 근역은 유한요소를 사용하여 수치모형을 구성하고, 반경 방향으로 무한히 확장되고 그 깊이가 일정한 지반의 원역은 전달경계를 사용하여 에너지 방사를 엄밀히 고려한다. 이와 같이 구성된 수치모형에서 구조물과 지반이 접하는 경계에서의 자유도만 남기고 나머지 자유도에 대해 응축(condensation)을 수행하면 지반의 임피던스와 구조물 입력운동을 산정할 수 있다. <br>이상으로부터 유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 신형식 콘크리트 지지구조 시스템의 운동방정식을 도출할 수 있고, 이로부터 시스템의 동적거동을 산정할 수 있다.