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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.5 No.1 pp.9-15
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2014.5.1.009

Optimal Fiber-Angle of Wind Turbine Tower made of Composites under Wind Loads

Jong-Myen Park1, Sang-Youl Lee2, Hyo-Seon Ji3, Byung Jik Son4
1President, Jiseung Consultant co., ltd
2Assistant Professor, Andong National University, Department of Civil Engineering
3Associate Professor, Daewon University College, Department of Civil & Railroad Engineering
4Associate Professor, Konyang University, Department of Civil & Environmental Engineering, Corresponding Author
Corresponding Author: Son, Byung Jik, Associate Professor, Department of Civil & Environmental Engineering, Konyang University, Tel: +82-43-730-5634, E-mail: strustar@konyang.ac.kr
January 20, 2014 February 14, 2014 February 21, 2014

Abstract

This study analyzes performance-cost ratio of composite(GFRP) wind-towers by fiber reinforcement angle and determines their optimal fiber angle. The finite element models for composite structures using the ANSYS program described in this paper is attractive not only because it shows excellent accuracy in analysis but also it shows the effect of the geometrical combination. New results reported in this paper are focused on the significant effects of the cost for various parameters, such as thicknesses of outer shells and stiffeners. From the numerical examples, optimal fiber angles were determined as 80°~90°.


풍하중을 받는 복합재료 풍력타워의 최적 섬유 보강각도

박 종면1, 이 상열2, 지 효선3, 손 병직4
1(주)지승컨설턴트 대표이사
2안동대학교 토목공학과 조교수
3대원대학 철도건설과 부교수
4건양대학교 건설환경공학과 부교수

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    12CCTI-B063597-01
    National Research Foundation of Korea
    No.2012R1A1A1014722

    1.서 론

    현재 풍력타워의 재료는 주로 강재가 사용되고 있다. 강재의 단점으로 부식 및 중량이 주요 문제가 되며 부식 방지를 위한 추가의 방식공사를 해야 하 고, 시공 후에도 유지관리비가 많이 필요하다. 따라 서, 기존 풍력 타위의 재료인 강재의 단점을 근원적 으로 해결하기 위하여 경량, 내부식, 고내구성의 소 재 개발의 필요성이 제기되어 왔다.

    최근 선진국에서는 복합 신소재의 가격하락과 경 제적인 제조기법 및 신재료 개발기술의 발전에 따 라 항공, 조선, 자동차 및 스포츠 용품 분야에까지 널리 사용됨은 물론 건설 분야에 적용하기 위한 연 구가 활발히 진행되고 있다. 내부식, 고강도, 초경량 의 장점을 가진 복합 신소재를 구조물에 사용함으 로서 구조물의 내구연한을 증대시키고 공사비와 유 지관리비를 대폭 절감할 수 있을 뿐만아니라 가볍 기 때문에 운반 및 시공이 간편하여 공기단축 효과 도 기대할 수 있다.

    본 연구는 복합재료로 만들어진 풍력타워의 최적 의 보강각도에 대해서 연구하고자 한다. 복합재료는 재료의 보강각도에 따라서 구조물의 성능이 달라지 기 때문에 보강각도 변화에 따라 최적화 연구를 수 행하였으며, 두께비 변화에 따른 결과를 비교, 분석 하였다.

    2.풍력 타워

    2.1.개요

    풍력타워는 높이 100m인 2MW급으로 설정하였 다. 2MW급 풍력타워의 기본 형상은 Fig. 1과 같다. 풍력타워 형상은 원뿔대이며, 상부, 하부의 단면 형 상은 Fig. 1의 우측 그림과 같다.

    복합재료는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics) 를 사용하였으며, 물성치, 허용응력은 각각 Table 1, 2와 같다.

    2.2.유한요소 모델링

    풍력타워의 유한요소 모델은 Fig. 2와 같다. 하부 는 완전 고정이며, 풍압이 그림과 같이 작용한다. GFRP의 보강각도는 약축(90도)이 타워방향(원뿔방 향)이며, 강축(0도)은 이에 직각인 평면방향이다. 즉, 내부 쉘(inner) 및 외부 쉘(outer)의 강축은 원주방향 을 의미하며, 보강재(stiffener)의 강축은 반경방향을 의미한다.

    해석 프로그램은 ANSYS 11.0을 사용하였다. ANSYS 프로그램의 APDL을 사용하여 파라미터 연 구를 수행하였다. 4노드를 갖는 SHELL181 요소를 사용하여 Fig. 2와 같이 모델링하였다.

    2.3.하중 산정

    풍력타워의 하중 산정은 설계시 매우 중요한 요 소이다. 풍력타워에서 가장 중요한 하중은 풍하중 (FW)이다. 따라서, 본 논문에서는 풍하중만 고려하 여 Fig. 2와 같이 재하하였다. 풍하중은 높이에 따 라 변하며 건축구조설계기준에 다음과 같이 제시되 어 있다.

    F w = p f A = q z G f C f A
    (1)

    여기서, pf : 구조골조용 설계풍압 (=qzGfCf)

    A : 유효수압면적

    Gf : 구조골조용 거스트 영향계수 (=1.7)

    Cf : 풍력계수 (=2.0)

    따라서, 지표고도에 따른 풍압(pf)을 정리하면 Table 3과 같으며, 고도별 풍압을 10m 단위로 Fig. 2와 같이 재하하여 해석을 수행하였다.

    2.4.파라미터

    두께 변화에 따른 복합재료 풍력타워의 부피/성능 비를 비교하기 위해서 풍력타워 부피를 Table 4와 같이 계산하였다. 파라미터 변수는 외부 쉘의 두께 (to)가 15~25mm로 1mm씩 변하며, 보강재의 두께 (ts)는 0.04–to로 동시에 변한다.

    3.해석결과 및 분석

    3.1.개요

    해석 결과를 Tsai-Wu 파괴기준(tswi), 최대응력기 준(Maximun Stress Criterion, Smax), 합변위 (Resultant displacement, Usum)의 3가지로 고려하여 파라미터 연구를 수행하였다.

    3.2.복합재료 풍력타워

    Table 5~9는 복합재료 풍력타워의 파라미터 해석 결과이다. 파라미터는 GFRP의 보강각도(강축)의 변 화이다. 가로축은 내부 쉘 및 외부 쉘의 보강각도이 고, 세로축은 보강재의 보강각도를 의미한다. Table 5~9는 각각 to=15mm, 18mm, 20mm, 22mm, 25mm 일 때의 해석 결과이다.

    작은 값(Min, 파란색 영역)이 최적의 보강각도를 의미한다. twsi, Smax, Usum의 해석결과 모두 최적 의 보강각도는 쉘 및 보강재 모두 80~90° 사이로 나타났으며, 추천각도는 85°이다. 보강각도에 따라 서 2.0~3.2배의 결과값 차이가 발생하기 때문에 최 적의 보강각도 산정은 매우 중요하다고 할 수 있다.

    Table 10과 Fig. 3은 복합재료 타워의 부피/성능 비를 비교한 것이다. 보강각도가 85°로 보강된 경우 를 나타낸 경우이며, 기준값은 to=15mm인 경우이 다. 분석 결과 부피가 증가할수록 결과값이 작아짐 을 알 수 있으며, 부피 증가 비율과 결과값 감소 비 율이 비슷함을 알 수 있다.

    4.결 론

    본 논문에서는 풍압을 받는 복합재료(GFRP) 풍력 타워의 최적의 보강각도 및 부피/성능비를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    1. 풍하중을 받는 복합재료 풍력타워의 최적의 보강각도는 80°~90°로 분석되었으며, 추천각도는 85°이다. 보강각도에 따라서 2.0~3.2배의 결과값 차 이가 발생하기 때문에 최적의 보강각도 산정은 복 합재료 풍력타워에서 매우 중요하다고 할 수 있다.

    2. 복합재료 풍력타워의 부피/성능비를 비교, 검 토하였다. 부피가 증가할수록 결과값이 작아짐을 알 수 있으며, 부피 증가 비율과 결과값 감소 비율이 비슷함을 알 수 있다.

    Figure

    KOSACS-5-9_F1.gif

    Basic Shape of Wind Turbine Tower

    KOSACS-5-9_F2.gif

    Finite Element Modelling of Wind Turbine Tower

    KOSACS-5-9_F3.gif

    Comparison of GFRP Tower

    Table

    Mechanical Properties of The Tower (MPa)

    *1, 2, 3-axis is the material coordinate system with the 1-axis(strong axis) oriented along the fiber direction

    Allowable Stress Used in Failure Criteria (MPa)

    *Allowable compressive strengths are to negative of tensile strengths
    **S means allowable shear stress

    Wind Pressure by Surface Altitude

    Comparison of Volume by Thickness Change

    *Parameter variables

    Analysis Results of to=15mm

    Analysis Results of to=18mm

    Analysis Results of to=20mm

    Analysis Results of to=22mm

    Analysis Results of to=25mm

    Comparison of GFRP Tower

    Reference

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