원통형 강재 풍력발전타워의 개구부 영향에 따른 극한강도 연구 :The Ultimate Strength of Cylindrical Steel Wind Turbine Tower with Opening

조성준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조성준 (상명대학교, 상명대학교 대학원)

지도교수: 박종섭

발행연도: 2017

저작권: 상명대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

원통형 강재 풍력발전타워의 개구부 영향에 따른 극한강도 연구

조성준 건설시스템공학과 2017.01 학위논문

2016

10MW 해상풍력타워 개구부의 잔류응력을 고려한 극한 강도 고찰

조성준 , 루이스 , 임환기 외 2명 대한토목학회 학술대회 2016.10 학술대회자료

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원통형 강재 쉘 구조물은 많은 공학 분야의 구조요소로 사용되어지고 있으며 특히 일반적으로 압축력을 받는 원통형 쉘의 좌굴 거동은 구조적으로 고려해야하는 문제 중 하나이며 구조공학자들에게 많은 관심의 대상이 되어왔다. (장민서 등, 2015) 그리고 Karman and Tsien(1941)의 연구이래로 기하학적 초기결함은 쉘의 극한강도를 감소시키는 것으로 잘 알려져 있으므로 초기결함을 고려한 좌굴하중 계산이 설계에 반영돼야한다. 안준태와 신동구(2015)는 일반적인 원통형 강재 쉘 구조에서 초기 결함이 좌굴 강도에 미치는 영향은 Hutchinson 등(1967), Arbocz and Babcock(1969), Koiter(1982), Yamaki(1984), Arbocz(1987), Rotter and Teng(1989), Gody(1993), Kim and Kim(200) 그리고 Mathon and Limam(2006)등에 수행 되었다고 기술하고 있다. 하지만 개구부가 설치 되어있는 원통형 강재 쉘 구조에 대한 연구는 많이 진행되지 않아 설계 기준이나 지침이 명확하게 규정되어 있지 않기 때문에 본 연구를 진행하였다.
논문의 순서는 서론, 연구 배경 이론, 유한 요소 해석 방법, 축 하중에 의한 탄성 좌굴 강도, 축 하중에 의한 재료 기하 비선형 극한 강도, 휨에 의한 재료 기하 비선형 극한 강도 그리고 결론으로 7개의 챕터로 구성되어있다. 서론은 신재생에너지, 풍력발전 및 풍력에너지, 강재 쉘 구조의 개구부등 간단한 배경을 정의한다. 연구 배경 이론은 관련 코드 및 지침을 정의하며 연구의 이론 및 개념을 정의해준다. 유한 요소 해석 방법은 재료비선형, 기하비선형, 기하학적 초기 결함, 재료적 특성 및 풍력발전타워 하단 부분에서 포함하고 있는 모든 재원들을 제시해주며 개구부를 설치하는 원통형 강재 풍력발전타워의 극한강도를 알아보기 위해 범용 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS(2013)을 사용한다. 유한 요소 해석 모델은 3가지 유형과 비선형 해석 시 개구부 위치에 따른 유형 2가지를 추가하여 해석을 진행하였다. 축 하중에 의한 탄성 좌굴 강도는 Reyno(2015)의 연구방법과 동일하게 탄성 범위 내에서 개구부와 보강재가 좌굴 강도에 미치는 영향을 알아보았다. 축 하중에 의한 재료 기하 비선형 극한 강도는 탄소성 범위에서 개구부와 보강재가 극한강도에 미치는 영향을 알아보고 이를 통해 해석결과를 분석한 후 MINITAB(2006)을 이용하여 2차 및 3차 회귀분석을 통해 개구부 감소 계수를 수정하였으며 쉘 직경에 대한 개구부 폭을 매개변수로 가지고 적합한 보강재 두께를 구하는 간편한 설계 식을 제안하고 있다. 또한 풍력발전타워는 축 하중에 의한 영향도 중요하지만 휨에 의한 영향도 중요 시 되어야 하므로 휨에 의한 재료 기하 비선형 극한 강도 연구를 진행하였다.
본 연구 결과에서 수정 된 개구부 감소 계수와 적합한 보강재 두께 제안 식은 다양한 풍력발전타워를 설계 시 경제적이고 합리적인 설계를 제공해 줄 것이며, 향후 원통형 강제 쉘 구조물 및 풍력발전타워에 대한 연구에도 많은 도움이 될 것이다.

Cylindrical steel shell structures have been used as structural elements in various engineering fields. In particular, buckling behavior of cylindrical shells under compressive stress is one of the typical structural considerations and has attracted a great deal of attention from structural engineers. Since the geometric initial imperfections are well known to reduce the ultimate strength of shells since the work of Karman and Tsien (1941), the buckling loads must be calculated and incorporated into the design considering initial imperfections. The effects of initial failure on the buckling strength in general cylindrical steel shell structures are investigated by Hutchinson et al. (1967), Arbocz and Babcock (1969), Koiter (1982), Yamaki (1984), Arbocz (1989), Gody (1993), Kim and Kim (200), and Mathon and Limam (2006). However, the study on the cylindrical steel shell structure with openings was not carried out because of limited design standards and guidelines.
The order of the thesis is composed of 7 chapters which includes the introduction, research background theory, finite element analysis method, elastic buckling strength by axial load, material geometric nonlinear ultimate strength by bending, material geometric nonlinear ultimate strength by bending, and conclusion. The introduction defines simple backgrounds such as renewable energy, wind power and wind energy, and openings of steel shell structures. The research background theory defines related codes and guidelines as well as the theory and concepts of research. The finite element analysis method presents all the resources included in the material nonlinearity, geometric nonlinearity, geometric initial imperfections, material characteristics and the lower part of the wind power tower. In order to investigate the ultimate strength of the cylindrical steel wind tower, the finite element analysis program ABAQUS (2013) is used. The finite element analysis model was analyzed with three types, and two types were added according to the position of the opening in the nonlinear analysis. The elastic buckling strength due to axial load was examined in the same manner in Reyno''s (2015) study, and the influence of the opening and stiffener on the buckling strength within the elastic range was investigated. The material geometric nonlinear ultimate strength due to axial load is analyzed by using the MINITAB (2006) to analyze the effect of the openings and reinforcements on the ultimate strength in the elastoplastic range, and through the second and third regression analysis. The modulus is modified and a simple design formula is proposed to obtain the appropriate stiffener thickness with the opening width of the shell diameter as a parameter. In addition, the influence of axial load is also important in wind turbine towers, but the effect of bending should also be important. Therefore, the material geometric nonlinear ultimate strength due to bending was also studied.
The modified opening reduction factor and the proposed stiffener thickness formula in this study will provide economical and rational design for various wind turbine towers and will be useful for research on cylindrical steel shell structures and wind tower.

표 차례 III
그림 차례 VI
국 문 요 약 VIII
Chapter 1. 서론 1
1.1. 연구배경 1
1.1.1. 신재생에너지 1
1.1.2. 풍력발전 및 풍력에너지 2
1.1.3. 강재 쉘 구조의 개구부 4
1.2. 연구 목적 및 내용 5
Chapter 2. 연구 배경 이론 6
2.1. 원통형 강재 쉘의 설계기준 6
2.1.1. Theory of elastic stability (1963) 7
2.1.2. DNV-RP-C202 (2013) 7
2.1.3. EN1993-1-6 (2007) 9
2.1.3.1. 축 방향 탄성 임계 좌굴 응력() 12
2.1.3.2. 원주 방향 탄성 임계 좌굴 응력() 14
2.1.3.3. 탄성 전단 임계 좌굴 응력() 16
2.1.3.4. 특성 및 설계 좌굴 강도(, , , , , ) 16
2.2. 개구부가 설치 된 원통형 강재 쉘의 설계기준 19
Chapter 3. 유한 요소 해석 방법 22
3.1. 타워 구성 및 기술 사양 22
3.2. 비선형 해석 조건 26
3.2.1. 재료비선형 26
3.2.2. 기하비선형 28
3.2.3. 기하학적 초기 결함 28
3.3. 유한 요소 모델링 30
3.3.1. 유한 요소 모델의 재료 특성 31
3.3.2. 개구부 재원 및 구성 32
3.3.3. 경계 조건 및 하중 조건 35
3.3.4. 초기 결함 조건 36
3.4. 유한 요소 모델 적절성 평가 38
Chapter 4. 축 하중에 의한 탄성 좌굴 강도 41
4.1. 개구부와 보강재 유무에 따른 해석 결과 42
4.2. 개구부 폭과 보강재 두께 변화에 따른 해석 결과 44
Chapter 5. 축 하중에 의한 재료 기하 비선형 극한 강도 53
5.1. 개구부와 보강재 유무에 따른 해석 결과 53
5.2. 개구부 폭과 보강재 두께 변화에 따른 해석 결과 64
5.2.1. 개구부 영향 감소 계수 수정 64
5.2.2. 적합한 보강재 두께 결정 및 제안 식 66
Chapter 6. 휨에 의한 재료 기하 비선형 극한 강도 72
6.1. 개구부와 보강재 유무에 따른 해석 결과 72
6.2. 개구부 폭과 보강재 두께 변화에 따른 해석 결과 74
Chapter 7. 결론 77
참고 문헌 80
ABSTRACT 85
감사의 글 88

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