1. 서 론
신재생에너지에 대한 관심이 증가하면서 전 세계적으로 대규모 해상풍력발전에 대한 개발이 가속화하고 있다. 특히 한반도의 서남해안은 비교적 낮은 수심과 양질의 풍자원으로 대형 개발계획이 준비되고 있다. 이 해역은 수심이 낮고 해저지반이 발달하여 해저지반에 직접 지지되는 해상풍력구조물이 고려되고 있다. 이러한 지지구조물은 주로 수직방향주부재를 외측에 배치한 자켓(jacket)형식의 지지구조(이하 자켓구조)와 중앙에 주부재를 두고 바깥쪽의 지지점을 사재로 연결한 세발(tripod)형식의 지지구조(이하 세발구조)가 대표적이고 새로운 구조형식도 시도되고 있다(Park and Park, 2019). 대상해역은 연근해 항로에 인접하여 선박들의 통항이 빈번한 곳으로 기상악화나 인적오류 등에 기인한 선박충돌사고의 발생가능성이 높은 곳이다.
해상풍력타워와 선박의 충돌거동에 대한 연구는 국내외에서 신재생에너지에 대한 관심이 증가되면서 활발하게 추진되었다. 현재 풍력타워 지지구조물의 형식이나 풍력터빈의 용량이 지속적으로 발전하는 단계이므로 선박충돌에 대한 연구도 이에 발맞추어 진행되고 있다고 할 수 있다. 해상풍력타워의 충돌거동에 대한 해석으로는 버켓기초를 갖는 단일기둥 풍력타워에 대한 충돌해석이 먼저 이루어졌다(Lee et al., 2012). 이 연구에서는 상선이 다양한 충돌조건에서 풍력타워와 충돌시 발생하는 거동에 대한 비선형 동적해석이 이루어졌다. 이 연구에서는 버켓기초가 다양한 충돌조건에 따른 타워구조물의 파괴에서도 지지력을 유지할 수 있다는 것을 보였다. 또 다른 연구(Cho and Kim, 2013)에서는 모노파일로 지지되는 풍력타워에서 상선과 바지선 등에 의한 충돌에 대해서 비선형해석을 수행하고 그 결과를 이용하여 취약도 곡선을 산정하였다. 국외에서 이루어진 연구(Moulas et al., 2017)에서는 모노파일 및 자켓으로 구성된 지지구조물에 대해서 DWT4000톤 크기의 선박이 선수 및 측면 충돌하는 거동에 대한 비선형해석을 수행하여 지지구조물의 변형 및 응력집중의 특성을 분석하였으나, 전체적으로는 방법론을 검증하는 연구로 판단된다. Bela 등(2017)의 연구에서는 선박을 강체와 유연체로 가정하여 모델링하고 모노파일로 지지되는 해상풍력타워에 충돌시켜 풍력발전기 낫셀(nacelle) 에서의 응답을 산정하였다. 이 연구에서는 모노파일로 지지된 구조물에 대해서는 특히 지반의 강도가 중요하다는 결론을 얻었으며, 충돌선박을 강체로 가정한 경우에 유연체로 가정한 경우에 비하여 2배의 응답이 산정된다는 결과를 얻어 선박의 강도가 충돌거동의 중요한 매개변수로 작용된다는 기존의 결론을 재확인하였다. 이러한 연구들이 대부분 모노파일로 구성된 지지구조물을 가진 해상풍력타워의 충돌거동에 관심을 두는 것에 반해 Hao와 Liu(2017)의 연구에서는 모노파일, 세발구조, 자켓구조물로 구성된 지지구조물의 특성에 따른 충돌거동을 비교하였다. 이 연구에서는 DWT3000톤의 충돌선박이 0.5m/s에서 2.0m/s의 충돌속도를 가지고 정면 및 경사충돌하는 경우에 대해서 해석을 수행하였고 이 때 낫셀(nacelle) 위치에서의 응답을 비교하였다. 하지만 각각의 지지구조가 동일한 용량의 풍력발전기를 지지하기 위해 설계된 구조물인지 불명확하고 최대충돌력에 대한 접근이 불확실한 점이 있었다. 이 연구에서는 자켓구조물의 낫셀 응답이 가장 작은 값을 보이는 것으로 나타나는데, 이는 상대적은로 작은 단면을 가진 부재들로 구성된 자켓구조물에 발생하는 충돌이 다른 지지구조에 비해 국부적으로 소성변형이 집중된 것으로 판단된다. 그 밖에 모노파일로 지지되는 풍력터빈에 대해서 운용 중에 충돌이 발생하는 경우 전체 풍력발전타워의 안정성을 바람과 충돌방향에 따라 분석하는 연구(Song et al., 2021)이 최근 발표되어 풍력타워에 대한 선박충돌연구가 단순한 응답산정 방법론에서 진일보하는 경향을 보여주고 있다고 판단된다.
본 연구에서는 현재 국내 기술현황에서 동일한 용량의 상부풍력발전기를 지지하기 위해 설계된 세발구조와 자켓구조로 이루어진 해상풍력타워에 대하여 선박의 충돌해석을 수행하고 구조형식에 따른 각 지지구조의 충돌특성과 거동을 다양한 충돌조건에 대하여 산정하였다. 충돌선박은 바지선과 상선을 고려하였고 충돌에너지의 증감을 고려하기 위하여 충돌속도를 변화시켰다. 그리고 조수간만의 차가 큰 서남해안의 특성을 고려하여 수위변동에 따른 충돌위치에 따른 충돌거동을 산정하였다.
2. 충돌모델의 구성
2.1 지지구조물
해석의 대상인 지지구조물은 세발(tripod)구조와 자켓(jacket)구조의 두 가지이다. 두 지지구조는 모두 3MW용량의 해상풍력발전기를 지지하기 위하여 설계되었다. 이 구조물들은 이전의 해상풍력타워의 내진해석에 관한 연구(Lee et al., 2019)에서 사용되었던 구조물과 동일한 구조물이다. 이 구조물의 탄성거동에 대한 비교는 위의 연구에서 참조할 수 있다.
세발구조는 중앙의 주기둥을 3개의 기초방향에서 지지하는 2종의 사재(Leg and Brace)와 각각의 기초를 연결하는 보강재로 이루어져 있다(Fig. 1). 이를 지지하는 기초는 주기둥을 중심으로 정삼각형 형태로 배치되어 있으며 이 정삼각형의 한 변의 길이는 20m이다. 풍력타워의 상부구조는 주기둥과 직결된다. 전체적으로 상부구조를 지지하는 재료가 대부분 주기둥에 집중되어 있고, 이를 3개의 기초에서 사재로 지지하는 구조이다.
자켓구조는 Fig. 2에서 보이는 바와 같이 4개의 주기둥이 8m의 간격으로 정방형을 이루어 평면상에서 배치되고 사재와 가로보가 이를 지지하는 구조이다. 기초는 주 지지구조의 상부에는 연결부가 설치되어 각각의 기둥부재를 강결 구속하고 풍력타워의 상부구조물과 연결부를 제공한다. 각각의 부재가 만나는 곳은 다른 일반부위보다 두꺼운 강재가 사용되어 집중되는 힘을 지지할 수 있도록 구성되어 있다.
이들 지지구조는 각각 쉘요소를 이용하여 모델링하였고 자켓구조물의 경우는 연결부에서 두께의 변화를 고려하여 모델링하였다. 자켓구조물의 상부에 있는 연결 부위는 다른 부재에 비하여 강성이 매우 큰 부재이고 직접적인 충돌이 발생하지 않는 부위임을 고려하여 집중질량과 구속조건을 이용하여 모델링하였다.
이상과 같은 지지구조에 의해서 지지되는 3MW의 해상풍력발전기는 연결부에서 발전기의 회전축까지 62m의 높이를 가지고 있고 연결부에서 4.5m, 상단에서 3.0m의 지름을 갖는 변단면 실린더형상을 가지고 있다. 이 부분은 선박충돌에 직접적으로 발생하지 않는 부분이기 때문에 효율적인 모델링을 위하여 보요소로 모델링하였다. 상부에 설치되는 발전기는 회전축의 위치에 집중질량으로 고려하였다.
해저지반의 지지력에 따른 충돌거동의 분석은 지지구조물의 형식에 못지않게 광범위한 고려가 필요하므로 지지구조물의 형식에 따른 충돌거동의 분석을 목표로 하는 본 논문에서는 고려하지 않았다. 기존의 연구(Lee et al., 2012)에서 해상풍력타워의 선박충돌 해석시 충분한 지지력을 제공하는 기초의 도입이 가능하고 일반적으로 대변형이 발생하는 충돌해석의 특성상 지지력의 미세한 변화는 전체적인 거동에 영향을 미치지 못한다는 점을 고려하여 본 연구에서는 해저지반을 고정점으로 가정하여 충돌모델을 작성하였다.
모델링 결과 해저지반상부의 구조물의 질량은 세발구조가 587.8E3kg, 자켓구조가 355.0E3kg으로 세발구조가 약 1.66배의 질량을 가지고 있다.
2.2 충돌선박
본 연구에서 고려한 충돌선박은 연근해에서 통행량이 많은 바지선과 상선이다. 선박은 일반적으로 외부강판과 이를 보강하는 수많은 보강재로 구성된 구조물이기 때문에 전체를 상세모델링하기 보다는 충돌이 발생하는 부위만 상세 모델링하고 다른 부위는 충돌질량을 나타낼 수 있도록 모델링하는 것이 일반적이다. 따라서 본 연구에서는 선박의 선수충돌을 가정하여 선수부분을 상세모델링하고 선박의 본체부분은 단순하게 모델링하여 두 부분의 요소망을 구속조건을 이용하여 일체화시켰다.
본 연구에서 고려한 바지선의 크기는 8000P크기로 길이길이 80m, 폭 20m, 깊이 5m의 크기를 가정하였으며 선박 외판의 두께는 15mm이며, 보강재는 12mm를 가정하였다. 바지선의 충돌질량은 선체 및 화물 부가질량을 포함하여 6.6e6kg의 충돌질량을 갖도록 선체부분의 밀도값을 조정하여 모델링하였다(Fig. 3, Table 1).
Table 1
Mass properties of collision vessels
|
TP-CC H-3.5 | Barge | Ship | ||||
|
volume (m3) |
density (kg/m3) |
mass (kg) |
volume (m3) |
density (kg/m3) | (kg) | |
| Bow | 0.905 | 7800 | 20.0e3 | 11.18 | 7800 | 87.7e3 |
| Body | 332 | 19.3e3 | 6.4e6 | 88.4 | 189.e3 | 16.6e6 |
| whole | 6.6e6 | 16.7e6 | ||||
본 연구에서 사용한 상선의 충돌모델(Fig. 4)은 7000GT급 자동차 운반선이며 선체의 길이 140m, 폭 23m의 크기를 가진 구조물이다. 이 선박의 외벽도 12mm의 강판으로 구성된 것으로 가정하였다. 전체 충돌질량은 선체부의 밀도를 조절하여 16.7E6kg의 충돌질량을 갖도록 하였다(Table 1).
충돌거동은 두 구조물 모두 비선형거동이 발생하는 것이 일반적이므로 강재의 탄소성 거동을 고려한 재료모델을 사용하였다(Fig. 5).
3. 충돌해석
충돌 해석시 고려되어야 하는 중요 매개변수는 충돌에너지와 충돌위치라 할 수 있다. 충돌 초기의 충돌에너지는 충돌선박의 운동에너지의 형태이므로 충돌에너지를 변화시키려면 충돌속도를 변화시키거나 충돌질량을 변화시켜야 한다. 본 연구에서는 모델링된 충돌선박의 속도를 변화시켜 충돌에너지의 변화를 고려하였다. 해석에서 고려된 충돌속도는 각각 2.60, 3.68, 4.50, 5.20m/s로 동일한 충돌질량을 가정한 경우 운동에너지의 크기는 1.0, 2.0, 3.0, 4.0배 이다.
해상풍력타워는 기본적으로 지반을 지점으로 하는 외팔보 구조물이기 때문에 지반으로부터의 충돌력이 작용하는 지점까지의 모멘트 팔의 길이가 구조물의 거동에 주요한 변수가 된다. 특히 한반도의 서남해는 조수위의 변화가 큰 곳으로 이러한 충돌위치가 상하로 크게 변화한다. 이를 고려하기 위하여 평균해수면을 기준으로 상하 3.5m의 충돌위치 변화를 고려하여 총 7m의 수직방향 충돌위치를 고려하였다. 최고조위에서 바지선은 주기둥에 충돌하지만 최저조위인 경우 사재와 기초의 연결부에 처음 충돌하게 된다. 그 사이에서는 사재에 처음 충돌하게 된다. 따라서 사재의 파괴모드가 가장 먼저 발생할 것으로 추정된다. 주부재가 외측에 위치한 자켓구조의 경우 수직방향 충돌위치의 변화가 발생해도 모든 경우 주기둥에 처음 충돌한다. 이와 같은 해석의 경우를 정리하면 “H±숫자”는 평균해수면을 기준으로 해수면의 변화에 따른 충돌위치를 나타내고 “Ex숫자”는 기본충돌에너지에 대한 충돌에너지의 변화에 따른 해석을 나타낸다. 기본충돌에너지는 충돌속도 2.6m/s인 경우에 각 충돌선박이 가지는 운동에너지이다.
이상과 같은 조건에서 충돌해석을 양해법의 상용프로그램인 ABAQUS6.14/Explicit(Dassault Systèms Simulia Corp, 2013)를 이용하여 해석을 수행하였다. 작은 시간간격을 필요로 하는 요소에 대하여 국부적으로 mass scaling기법을 적용하여 4.0e-6초 내외의 최소 시간간격을 가지고 해석을 수행하였다. 자켓구조물에 상선이 충돌하는 해석의 경우 Intel(R) i7 9700k 8Core 3.6Ghz에서 12개의 Thread를 이용하여 약 560분의 해석시간이 소요되었다. 본 연구에서 검토된 전체 해석의 경우는 모두 44개이다. 실제 해석은 국가슈퍼컴퓨팅센터의 Nurion system(National Supercomputing Center, 2021)에서 40노드의 중앙처리장치를 이용하여 수행하였다.
4. 해석결과
4.1 충돌변형
선박의 충돌위치에 따른 지지구조와 선박의 해석 종료시 변형형상의 예를 Fig. 6, 7, Fig. 8에 도시하였다.
최저조위에서 세발구조에 바지선이 충돌하는 경우는 바지선의 선저와 지지구조의 사재와 기초를 연결하는 부분에 먼저 접촉하는 현상이 발생하였다. 이 경우에는 선박의 충돌력이 지지구조를 거치지 않고 지반으로 바로 전달되므로 지지구조의 충돌거동을 분석하는 부분에 있어서는 제외하여야 할 것으로 판단되었다. 저조위에서의 충돌은 선박과 사재에서 주로 변형이 발생하였고 고조위의 충돌에서는 강성이 큰 주기둥에 직접 선수가 충돌하여 선수의 변형이 크게 발생하였다. 전체적으로 부분적인 변형이 발생하기는 하지만 구조물 각 부재의 연결 및 지지구조는 유지되는 것으로 나타났다. 세발구조에 대한 상선의 충돌거동은 해석에 사용된 상선의 높이가 바지선에 비해서 상대적으로 크기 때문에 바지선의 충돌과는 다르게 집중하중이 아니라 분포하중의 형태로 충돌이 발생하였다. 따라서 지지구조를 측면으로 밀어내는 양상의 변형을 발생시키고 충돌위치가 올라갈수록 전도거동이 지배적으로 나타났다. 상선에 의한 세발구조의 충돌에서는 부재의 연결부에서 과도한 변형이 발생하였다(Fig. 6).
자켓구조에 대한 바지선의 충돌거동은 충돌이 발생하는 위치에서의 부재밀집정도에 따라 지지구조의 변형이 달라지는 경향을 보였다. 강성이 큰 횡방향 다이아프램의 인근에 충돌이 발생하는 경우에는 부재의 변형이 부재의 중앙부에 충돌하는 경우에 비하여 작게 나타났다(Fig. 7).
자켓구조에 상선이 충돌하는 경우의 지지구조는 붕괴하는 거동을 보였다(Fig. 8). 이는 세발구조에 해당선박의 충돌시 발생하는 변형에 비하여 상대적으로 매우 큰 변형으로 본 연구와 같은 조건에서는 자켓구조의 충돌저항능력은 세발구조에 비하여 낮은 것으로 판단된다.
4.2 탑정부의 변위이력
하부구조의 충돌시 풍력발전기가 위치하는 상부절점에서의 횡방형 변위시간이력을 Fig. 9 ~ Fig. 10에 도시하였다. 저조위에서 세발구조에 바지선이 충돌하는 경우에는 사재와 기초의 연결부와 선저사이에 간섭이 발생하여 충돌력이 직접 지반에 의해 지지되기 때문에 지지구조에 가해지는 영향이 작게 나타난다. 이러한 간섭이 발생하지 않는 경우에는 충돌위치가 상승할수록 더 큰 변위를 보이고 있다. 변위의 형상은 충격에 의한 자유진동의 형태이며, 구조물의 전체적인 규모를 고려하여 볼 때 충돌 후에 소성거동에 의한 잔류변형은 크지 않을 것으로 판단된다.
반면에 상선이 세발구조에 충돌하는 경우에는 하부에 충돌했을 경우에는 비교적 작은 범위의 변형을 보이지만 충돌위치가 상승할수록 변위는 급격히 늘어난다. 하지만 구조물의 반동이 발생하는 것으로 판단할 때 잔류강성을 가지고 있는 것으로 보인다.
자켓구조의 상단에 설치된 풍력발전기 위치에서의 변위응답은 Fig. 10에 나타나 있다. 바지선이 충돌하는 경우 저조위의 충돌에서는 상대적으로 부재강도가 약한 수직부재의 중앙부에 충돌하기 때문에 지지구조의 변형이 커진다. 또한 상부의 변위도 이 부분에 충돌하는 경우 변위의 방향이 선박의 충돌방향과 반대로 발생하고 그 크기가 상대적으로 큰 것을 볼 수 있다. 이는 하부구조의 충돌변형시 발생한 꺽임 때문에 발생한 것으로 파악할 수 있고 기존의 연구결과(Song et al., 2021)에서도 비슷한 거동을 볼 수 있다. 부재가 집중된 연결부에 충돌한 경우는 모두 선박의 충돌방향으로 주된 변형이 발생하고 변위도 크지 않다. 다만 모든 경우에 진동하는 거동을 보여 충돌 후에도 구조물의 강성은 유지되는 것을 알 수 있다.
자켓구조에 충돌에너지가 큰 상선이 충돌하는 경우에 탑정부의 변위거동은 저조위의 충돌을 제외하고는 해석시간영역내에서 모두 지속적으로 증가하고 그 크기도 다른 경우보다 매우 커서 사실상 구조물의 붕괴를 나타내고 있다.
위와 같은 거동으로 볼 때 본 연구에서 고려한 두 가지 종류의 해상풍력 지지구조물에서 충돌에 대한 저항력은 강성이 큰 부재가 집중적으로 구성된 세발구조가 더 큰 것으로 판단된다.
4.3 에너지 변화
충돌시, 시스템의 전체 에너지는 선박의 운동에너지이고 충돌이 진행되면 이 에너지가 지지구조와 선박의 소성변형에너지(plastic strain energy, PE)로 변환되어 소산한다. 추가적으로 구조물이 저장되는 탄성변형에너지(strain energy, SE)는 소산되지 않고 운동에너지나 기타의 소산메카니즘으로 변환되거나 구조물에 잔류하게 된다. 따라서 변형에너지의 최고점은 충돌이 종료되기 전에 발생한다. 충돌이 종료되면 대부분의 변형에너지는 운동에너지등으로 전환된다. 따라서 실제 선박의 충돌에너지를 주로 소산하는 것은 소성변형에너지이다. Fig. 11에서 세발구조에 초기 충돌에너지가 다른 충돌시 시스템의 에너지 변화를 나타내었다. 충돌에너지가 작은 경우에는 선박의 소성변형에 의한 에너지소산이 주가 되었지만 충돌에너지가 증가된 경우에 대해서는 오히려 방호공의 에너지 소산이 더 크게 나타났다. 이러한 현상은 선수의 압괴에 의한 강성의 증가와 지지구조의 부분적인 파손에 따른 강성약화에 의해서 나타난다고 판단된다.
자켓구조에 대해서 동일한 충돌에너지 변화에 따른 에너지 분포의 변화를 Fig. 12에 나타내었다. 충돌에너지가 낮은 경우와 높은 경우 모두 지지구조의 에너지 소산이 선박의 소성에너지 소산보다 큰 것을 볼 수 있다. 다만 자켓구조에서는 큰 충돌에너지를 가진 충돌이 발생한 경우 지지구조의 붕괴가 발생하여 충돌이 종료되지 않았다. 이는 선박의 운동에너지가 해석의 종료점까지 반동하지 않는 것으로도 확인할 수 있다.
지지구조와 상선이 충돌하는 경우 충돌위치와 충돌에너지에 따른 충돌시 최대 에너지 값을 Table 2 ~ 3에 나타내었다. 여기서, PE, KE, SE는 각각 소성변형에너지, 운동에너지, 변형에너지를 나타내고 아랫첨자중 P는 지지구조물을 나타내고 V는 선박을 의미한다. 각 Table은 충돌위치에 대한 해석경우(H)와 충돌에너지의 크기(E)에 대한 해석경우로 나누어져 있다. 충돌에너지에 따른 해석경우는 최대 충돌에너지에 대해서 각각 0.25, 0.50, 0.75, 1.00배의 충돌에너지를 고려하였다. 선박의 종류에 따라 충돌의 기준이 되는 에너지의 경우에 대해 밑줄로 표시하였다. 바지선의 기준충돌에너지는 22.23MJ(=22.23E6 J)이고 상선의 기준 충돌에너지는 226.45MJ이다. 따라서 본 해석에서 고려한 충돌에너지의 최대값과 최소값은 약 10배의 차이가 난다.
Table 2
Maximum energy as types in the collision event (tripod-ship, MJ)
Table 2는 세발구조에 상선이 충돌하는 경우에 발생하는 최대 에너지를 정리한 것이다. 충돌위치에 따라 구조물과 선박이 소산하는 에너지의 비를 보면 하부에 충돌하는 경우는 구조물의 에너지 소산이 월등하지만 충돌위치가 상부로 갈수록 선박의 에너지 소산이 커져 최종적으로는 지지구조의 에너지 소산량와 선박의 에너지 소산량이 역전되는 현상을 보여주고 있다. 이는 하부에 충돌하는 경우 상대적으로 강성이 약한 사재에 먼저 충돌이 발생하고 상부로 갈수록 상대적으로 강성이 큰 주기둥에 선박이 충돌하게 되어 강성이 작은 쪽의 변형이 커져서 나타나는 것으로 판단된다. 충돌에너지가 커질수록 지지구조물이 소산시키는 에너지가 증가하는 것을 알 수 있다.
Table 3에서는 자켓형식의 지지구조에 바지선이 충돌하는 경우의 최대에너지를 정리하였다. 충돌위치에 따른 지지구조와 선박의 에너지소산비율을 보면 부재의 수가 적어 상대적으로 강성이 작은 하부에 충돌하는 경우에 지지구조의 소산에너지가 크게 나타나고 다른 경우에는 모두 선박이 지지구조에 비하여 큰 에너지소산을 보인다. 추가적으로 충돌에너지의 크기에 따른 소산에너지의 비율은 충돌에너지가 증가할수록 선박의 기여도가 커지는 것을 세발구조의 경우와 동일하게 확인할 수 있다.
