피로하중을 고려한 육상풍력발전기 지지구조물 앵커부 설계 | 57

피로하중을고려한육상풍력발전기지지구조물앵커부설계

Study on the Onshore Wind Power Foundation Design considering Fatigue Load

1. 개요

2. 피로한계상태 설계기준 검토

3. 피로하중을 고려한 앵커부 설계

4. 설계사례 검토

5. 맺음말

1) 구조부 상무(yiJang@Yooshin.com)2) 구조부 부장, 토질및기초기술사(kupark@Yooshin.com)3) 구조부 과장(hjlim@Yooshin.com)

Recently, there has been lots of development in various natural resources to replace the

world's limited resources, especially petroleum. In the field of wind power, research and

development activities are brisk in advanced countries such as the United States, Europe,

and Japan and the adoption of wind power facilities is rapidly increasing in South Korea.1)

Especially, onshore wind power has advantages of easy construction and economically

feasible. However, there are still no clear design methods and standards available in South

Korea.

Particularly, the wind turbine support structure is dominated by dynamic loads1) such as

turbine power generation and wind turbulence. The anchor part has been alternated with

compressive and tensile forces and has load characteristics acting as cyclic loading.

Therefore, the consideration of fatigue load should be carried out in the anchor part which

is subjected to be repetitive with cycling loading by directly transmitting the load of the

tower. In this paper, we will review the design method to fatigue loading acting on anchor

part of support structure of onshore wind turbine. After comparing design examples

provided by the onshore wind turbine support structures that have been designed in South

Korea and the overseas manufacturing company, we will review suitable design methods

for support structure of onshore wind turbine.

장영일1) 박기웅2) 임형준3)

< 유신기술회보_ VOL.23

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1. 개요

최근 세계적으로 한정자원인 석유자원을 대체하

고자 다양한 천연자원에 대한 개발이 이루어 지고

있다. 그중풍력발전분야의경우미국, 유럽, 일본

등 선진국에서 주도적으로 연구 및 개발되고 있으

며, 국내에서도신에너지도입촉진으로풍력발전설

비가급속히증가하고있다.1) 특히육상풍력발전은

건설이용이하고경제성이높다는장점이있다. 그

러나 국내에서는 아직 명확한 설계 방법과 기준이

없는실정이며, 특히풍력발전설비지지구조물은터

빈발전에의한진동및바람의난류등동적하중에

지배되는구조물1)로앵커부에압축력과인장력이교

번하여 cyclic loading으로 작용하는하중특성을

가지고있다. 따라서타워의하중이직접전달되어

반복적인 cyclic loading으로 작용하는앵커부에

피로하중을고려한검토가수행되어야한다. 본회

보에서는 육상풍력발전기 지지구조물 기초부에 작

용하는피로하중에대한검토방법을조사하고, 국내

에서설계완료된육상풍력발전지지구조물과해외

발전사에서제공한설계사례를비교검토하고육상

풍력발전기기초구조물앵커부설계에적합한설계

방법에대하여고찰하고자한다.

2. 피로한계상태설계기준검토

피로하중에 대한 설계기준은 도로교설계기준(한

계상태설계법, 2014)에다음표와같이기준을제시

하고있다.

피로한계상태에대한설계기준에제시된바와같

이, 규칙적인교번하중이적용하는구조요소와부

재에 대해서는 피로한계상태를 검증하여 안정성을

확보하여야한다. 상기설계기준은콘크리트교량의

피로한계상태의 검증이므로 본 육상풍력구조물에

적용하기위해서는적합한설계기준이필요하다.

(1) 적용설계기준 검토

풍력발전설지지지구조물에작용하는피로하중에

대한적합한설계기준적용을위해EUROCODE2

(EC2) 6.8 Fatigue편을참조하였다. EC2에서는

피로에대한검토조건에대해콘크리트와철근을분

리하여각각검토할것을제시하고있으며, 피로에

대한검토는주구조물과부구조물모두에대해고려

할것을제시하고있다.

[표 1] 피로한계상태 도로교설계기준(한계상태설계법, 2014)4)

5.2.3.4 피로한계상태

(1) 규칙적인 교번 하중이 작용하는 구조 요소와 부재에대하여 피로한 상태를 검증하여야 한다.

(2) 콘크리트 교량의 피로한계상태의 검증은 5.7에 따라 수행하여야 하며 교번 응력이 없거나 현저하지않은 경우는 피로를 검토하지 않아도 된다.

[그림 1] 철근에 대한 S-N 곡선3)

● ● ●

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○ ○ ○

(2) 철근에 대한 피로한계상태 검토3)

철근의 피로한계상태를 고려하기 위해 산정하는

철근의단일응력진폭의데미지는S-N curve [그

림1]을이용하여결정된다.

[표 2] 철근에 대한 S-N 곡선 계수5)

철근에대한피로하중의검토는아래의식을만족

하면충분한피로저항을확보했다고본다.

γF,fat ·Δσs,equ (N*) ≤ (식1)

여기서,

ΔσRsk(N*) : [그림1] S-N 곡선에적합한N*

cycle에서응력범위

Δσs,equ(N*) : 다른종류의보강과loading cycles

N*를고려한피해등가응력범위.

건물에대한Δσs,equ (N*)는ΔσS,max

와거의동일

ΔσS,max : 동일한하중조합에서의최대철근

응력범위

(3) 콘크리트에 대한 피로한계상태 검토5)

압축력을받는콘크리트에대하피로검토는아래

식으로검토한다.

≤0.5 = 0.45 (식2)

≤ 0.9 for fck ≤ 50MPa

≤ 0.8 for fck 〉 50MPa

여기서,

σc,max : 반복하중재하시최대압축응력

σc,min : 반복하중재하시최소압축응력,

인장응력발생시0 적용

(4) 앵커부 설계 검토

풍력발전기지지구조물은하부앵커부분을통해

기초판앵커정착부에하중이직접적으로전달된다.

휨모멘트가인장과압축을반복하는특성때문에앵

커부에인장응력과압축응력이반복으로작용한다.

따라서, 콘크리트의작용하는압축응력은허용압축

ΔσRsk(N*)γs,fat

σc,max

fcd,fat

σc,min

fcd,fat

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Model Rated Power Roter Dia. Swpet area Frequency

V90 1.8/2.0MW 90m 6,392m2 50/60Hz

응력이내에서만족해야하며, 인장력에대해충분

한철근량이확보되어야한다.

앵커정착부에발생하는최대응력은다음의식으

로계산할수있다.

σmax = - ± = - ± (식3)

여기서,

Fz : 타워로부터의연직하중

Aring : 플랜지부의면적

Dm : 앵커(steel can)의직경

s : 플랜지의폭

MD : 플랜지설계모멘트

W : ≈πD 2ms/4 얇은실린더에대한휨저항

위식을통해발생하는응력의‘-’값은최대압축

응력을 나타내고‘+’값인 경우 최대인장응력을 나

타낸다. 압축강도는반드시콘크리트의압축응력을

초과하지않는것으로설계되어야한다.

또한, 앵커부보강철근은cyclic loading을고려

하여설계하여야한다. 피로한중에대한허용응력범

위는문헌을통해보수적인제안값70MPa을적용

하였다.2)만약응력범위가70MPa을넘어가게된다

면, 위 [그림 1]의 S-N 곡선을이용하여보다정확

한응력범위를결정하여야한다.

피로한계상태를 고려한 철근량은 다음의 식으로

산정할수있다.

As,fat = = (식4)

만약최소인장력이‘-’값을나타내면인장은발생

하지않은것으로판단할수있으며, 최소인장력은0

으로적용한다.

3. 피로하중을고려한앵커부설계검토

본장에서는스웨덴Halmstad에설치된육상풍

력발전기5)에대한제원과하중을참조하여피로하중

을 고려한 기초구조물 앵커부 설계를 검토하였다.

발전기제원은Vestas사 V90제품에제공하는값6)

을 고려하였고, 작용하중은 발전기에 제원에 따른

설치현장의조건을고려해제공된서부스웨덴연안

에적용되는Typical 하중데이터5)를사용하였다.

(1) 발전기 제원6)

앵커부 검토에 적용된 발전기의 제원은 다음의

[표3]과같다.

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● ● ●

Fz

Aring

ΔFT

ΔσRsd

FT,max - FT,min

ΔσRsd Fz

πDmsFz

πD 2msMd

W

[표 3] 풍력발전기 제원

(2) 적용하중

해당 육상풍력발전기 기초구조물 설계에 사용된

앵커정착부상단하중은스웨덴서부연안에적용

되는하중으로다음과같다.5)

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○ ○ ○

Long term effect factor Concrete factor Reinforcement factor

αc = 1.0 γC = 1.5 γS = 1.15

(3) 앵커부 설계 검토

상부타워의하중을받는콘크리트앵커부에대해

보강철근과콘크리트에대한설계를검토하였으며,

각부재의적용Factor는 Eurocode에준하여적

용되었다. 설계시적용된Factor와제원은아래의

표와같다.

[표 4] Safety factor3)

fck fctk fcd fcd,fat fctd

30 MPa 2 MPa 20 MPa 17.6 MPa 1.33MPa

εcu cover Ecm Creep factor Eceff

0.35% 50mm 33 GPa 0 33GPa

[표 5] 콘크리트 제원

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● ● ●

Φ fyk fyd ΔσRsd Es

32mm 500 MPa 435 MPa 70 MPa 200 GPa

[표 6] 보강 철근 제원

Local Pressure ULS Fatigue Required

15.52〈20 MPa ∴ OK As = 137,414㎟ As = 203,883㎟ As = 203,883㎟

[표 8] 철근량 검토결과

구 분 ULS Fat,max Fat,min unit

σ- -15.52 -4.95 -0.91 MPa

σ+ 13.89 3.32 -0.72 MPa

F - -66,795 -21,292 -3,934 kN

F + 59,775 14,272 -3,086 kN

[표 7] 앵커부 설계하중

상기제원으로검토된풍력발전기기초구조물앵

커부설계는ULS하중에대한철근량산정과피로

하중에대한철근량을산정하여둘중큰값을최종

철근량으로 결정하였다. 보강철근으로 적용된 U-

bows 수량은최종철근량에만족하는개수를산정

하였다. 각하중에대한검토는상기(식3)을사용하

여산정되었으며, 그결과는아래표와같다.

앵커부보강철근에대한검토결과ULS에서산정

된 철근량 보다 피로상태에서 산정된 철근량이 약

48% 더필요한것으로나타났으며따라서, 보강철

근은피로상태에서산정된철근량을적용하여산정

되었다. 보강철근수량은 Φ32 규격의 철근 254개

가 필요하며, U-bows는 127개가 적용된것으로

나타났다.

4. 설계사례검토

현재 국내에서 진행된 육상풍력발전기 지지구조

물기초중설계가완료된‘○○풍력발전기’에대

해사례검토를수행하였다. 해당구조물은독일발전

기 제조 회사인 ENERCON사의 E-92모델을 채

용하고있으며, ENERCON사에서 제공한발전기

타워하단의하중을기초부에재하하는방식으로기

초를설계하였다.

(1) 국내설계자료 및 제조사 제공자료 검토

Enercon사는 E-92모델의발전기설치시타워

하단부기초구조물에대한일반도와구조도를참조

도면으로제공하였다. 이도면은E-92모델에제공

되는기본참조도면이며, 해당설치지역의특성및

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○ ○ ○

변동조건에따라변경가능하도록제공되어지는자

료이다. 따라서 Enercon사의 E-92모델의 타워

하단부하중으로설계한○○풍력발전기기초구조

물과Enercon사에서제공된참조자료를비교하여

사례검토를수행하였다.

‘○○풍력발전기지지구조물’설계시적용된하

중은 Enercon사에서 제공된 타워 하단부 하중을

적용하였으며, 타워와기초구조물을연결하는앵커

정착장치는 두 경우에 대해 모두 동일한 제품으로

Enercon사에서 제공하는 제품을 사용한다. 하지

만, Enercon사에서 제공되는 하중은 반복적으로

작용하는하중에대한피로하중은포함되지않았으

며,7) 이는현지지형및풍향, 풍속등을반영한통합

하중해석이수행되지않은사유로판단된다. 풍력발

전기가설치되는현지조건과풍향, 풍속등의데이

터를반영한통합하중해석은해당지역의지형, 풍

향, 풍속등의데이터가충분히확보된상태에서수

행이가능하므로중소규모의육상풍력발전단지에서

는반영하기어려운실정이다.

아래의 [표 9]는 국내 ○○풍력발전기 구조도와

Enercon사에서제공한구조도를비교하여주철근

및앵커부보강철근량을비교한결과이다.

[표 9] 주철근 및 앵커부 보강철근량 비교7)

구분

ㅇㅇ풍력발전기1layer 76-H25

2layer 76-H25

1layer H25@200

/H25@300

2layer H25@200

1layer H22@100 4-H16

Enercon1layer 76-H25

2layer 76-H16

1layer H16@100

2layer H16@100

1layer H16@100

2layer H16@100

3layer H16@100

12-H16

주철근 앵커부

방사방향 접선방향 수평 연직

상기검토해본바와같이두설계자료에서방사

방향주철근량은○○풍력발전소기초는H25철근

이적용, Enercon사는철근량이일부2layer에서

H16 철근을적용하였다. 접선방향으로는○○풍력

발전소 기초는 H25@200/H25@300을 적용,

Enercon사는H16@200을적용하였다. 주철근량

에대해서는국내에서기초를설계한○○풍력발전

소사례에서발전사제공설계보다다소많거나유

사한철근량이적용된것을확인하였다. 하지만, 앵

커부설계시수평철근에대해○○풍력발전소기초

는H22@100 1단배근, Enercon사는H16@100

3단배근이적용되었다. 또한수직철근에대해○

○풍력발전소기초는4ea-H16 적용, Enercon사

는 12ea(U-bows 6set)-H16 배근이 적용되었

다. 두설계사례를비교해본결과기초부방사방향

및 접선방향 철근량은 유사하나, 앵커부 철근량에

대해서는 ○○풍력발전소에 적용된 철근량이

Enercon사적용철근량에비해상당량적은것으

로검토되었다.

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● ● ●

[표 10] 철근조립도 비교표

구 분

국내ㅇㅇ풍력발전기

Enercon

철근조립도

6. 맺음말

육상풍력발전기 지지구조물에 대한 설계는 국내

에서명확한설계기준이제시되어있지않고, 그설

계법또한정립이되어있지않은상황이다. 본회보

에서는 일반적인 토목구조물과는 다른 거동특성을

가지는풍력발전기지지구조물중기초앵커부설계

방법에대하여고찰하였다.

국내 설계기준에는 규칙적인 교번하중이 작용하

는구조물등에는피로하중에대한검토를수행하도

록규정하고있다. 하지만풍력발전기의하중특성을

반영할만한설계기준은제시되어있지않은실정이

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○ ○ ○

다. 따라서해외의설계기준및설계사례를검토하

여기초앵커부보강철근량을검토한결과ULS에

비해피로한계상태에서약48%철근량이더필요한

것으로나타났다.

또한, 국내에서설계완료된○○풍력발전소기초

구조물설계자료를검토한결과방사방향및접선방

향의주철근량은발전기제조사에서제공하는참조

자료와유사한것으로확인되었다. 하지만기초구

조물앵커부에적용된보강철근량은○○풍력발전

소에배근한철근량이발전기제조사에서제공한참

조자료에비해상당량적은것으로나타났다. ○○

풍력발전소기초구조물앵커부보강설계시피로하

중에 대한 적합한 설계법이 반영되지 않은 것으로

추정된다.

따라서, 풍력발전기기초구조물앵커부설계수행

시피로하중에대한영향을반드시고려하여설계에

반영해야될것이며, 국내여건상육상풍력발전사

업에대한통합하중해석이곤란하여피로하중산정

이어려울경우발전기제조사설계자료를준용하

여충분히안전한설계를수행해야될것으로판단

된다.

참고문헌

1. 해상풍력발전 설계실무, 이동일, 2016

2. 풍력발전설비 지지구조물 설계지침·동해설, 씨아

이알, 2010

3. Eurocode 2 : Design of concrete structures,

European Committee for Standardization,

2008

4. 도로교설계기준(한계상태설계법), 국토해양부, 2014

5. Design of foundation for wind turbines, Lund

university, 2010

6. Vestas Wind System, Webpage

7. Foundation data sheet, Enercon and dra-

wings, 2012

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