풍력 구조물의 진동 특성 분석을 위한 지반-구조물 상호작용 모델의 비교 연구
Comparative Study on Soil-Structure Interaction Models for Modal Characteristics of Wind Turbine Structure
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초록
본 논문은 모노파일 풍력 지지구조물에 대한 공진 안전성 평가에서 여러 말뚝-구조물 상호작용(PSI) 모델을 사용하여 고유진동수를 비교하였다. PSI 재현을 위한 유한요소모델은 기저 스프링 모델, 분산 스프링 모델, 3차원 고체-쉘 모델을 사용하였다. PSI 모델이 고유주파수에 미치는 영향을 분석하기 위해 기저 스프링과 분산 스프링 모델 적용을 위한 강성행렬 산정법과 Winkler 보 모델을 각각 논문에 나타내고 이들 모델로부터 도출된 서로 다른 기하 및 지반조건을 갖는 모노파일의 고유진동수를 조사하였다. 해석결과는 또한 3차원 고체-쉘 모델의 고유진동수와도 비교되었다. 해석결과는 소구경 모노파일이 견고한 지반 및 암반에 관입된 경우 각 해석모델로부터 얻어진 고유진동수의 차이가 거의 없음을 보여준다. 반면 연약 지반에 설치된 대구경 모노파일에 대해 분산스프링 모델은 고유진동수를 과대평가할 수 있다. 따라서 고유진동수 평가 시 구조물 규모와 지반 조건을 고려해 적합한 PSI모델이적용되어야 한다.
Abstract
In this study, natural frequencies are compared using several pile-soil interaction (PSI) models to evaluate the effects of each model onresonance safety checks for a monopile type of wind turbine structure. Base spring, distributed spring, and three-dimensional brick-shellmodels represented the PSIs in the finite element model. To analyze the effects of the PSI models on a natural frequency, after a stiffnessmatrix calculation and Winkler-based beam model for base spring and distributed spring models were presented, respectively; naturalfrequencies from these models were investigated for monopiles with different geometries and soil properties. These results were comparedwith those from the brick-shell model. The results show that differences in the first natural frequency of the monopiles from each model aresmall when the small diameter of monopile penetrates hard soil and rock, while the distributed spring model can over-estimate the naturalfrequency for large monopiles installed in weak soil. Thus, an appropriate PSI model for natural frequency analyses should be adopted byconsidering soil conditions and structure scale.
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