Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.1
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pp.78-87
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2014
Recently the offshore wind turbine development is requested to be installed off south-west coast and Jeju island in Korea. Reliable and robust support structures are required to meet the demand on the offshore wind turbine in harsh and rapidly varying environmental conditions. Monopile is the most preferred substructure in shallow water with long term experiences from the offshore gas and oil industries. This paper presents an optimum design of a monopile connection with grouted transition piece (TP) for the reliable and cost-effective design purposes. First, design loads are simulated for a 5 MW offshore wind turbine in site conditions off the southwest coast of Korea. Second, sensitivity analysis is performed to investigate the design sensitivity of geometry and material parameters of monopile connection based on the ultimate and fatigue capacities according to DNV standards. Next, optimization is conducted to minimize the total mass and resulted in 30% weight reduction and the optimum geometry and material properties of the monopile substructure of the fixed offshore wind turbine.
The 3MW OWEC demonstrator project in Korea will be the first offshore wind project with Korean turbine, Doosan WinDS3000, and constructed on the north-eastern sea of Jeju Island as the water depth of 15m. Integrated loadings of wind and wave are investigated to describe a design loads for both extreme and fatigue conditions using GH-Bladed. A dynamic behaviour of substructure strongly affects a substructure loadings. The jacket structure is designed in accordance with DNV guidelines. The results of this paper show overall design process of offshore substructure as a complex jacket concept and this design process can be implemented on a design of monopile and tripod structures.
Kim, Dong-Hwan;Kim, Dong-Hyun;Kim, Myung-Hwan;Kim, Bong-Yung
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2011.10a
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pp.607-613
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2011
In this study, structural vibration analyses for a 5MW offshore wind wind-turbine model have been performed for different substructure models. The efficient equivalent modeling method based on computational multi-body dynamics are applied to the finite element models of the present offshore wind turbines. Monopile and tri-pod substructure types of the typical offshore wind-turbine are considered herein. Detailed finite element modeling concepts and boundary conditions are described and the comparison results for previous analyses are presented in order to show the verification of the present numerical approach. Campbell diagrams are also present to investigate the rotational resonance characteristics of the offshore wind-turbines with different substructures.
Kim, Byoung-Wan;Shin, Seung-Ho;Hong, Key-Yong;Choi, You-Su;Seo, Jeong-Oh;Ahn, Ike-Jang
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.20
no.4
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pp.323-330
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2010
An efficient wave energy converter with new overtopping flow device on which spiral reefs are attached is proposed by Maritime and Ocean Engineering Research Institute in Korea and its candidate substructures such as monopile, tripod and jacket are designed. This study investigates modal characteristics of the substructures by analyzing natural frequencies and mode shapes. Based on the modal analysis results, relative strength, governing modes and some complementary design strategies of each candidate substructure are compared and discussed considering water depth conditions.
This paper describes experimental studies of impact pressure generated by breaking regular waves in shallow water on a vertical cylinder. Experimental work was carried out in a shallow water flume using a 1:30 - scale model of a vertical rigid circular hollow cylinder with a diameter 0.2 m. This represents a monopile for shallow water offshore wind turbines, subjected to depth induced breaking regular waves of frequencies of 0.8 Hz. The experimental setup included a 1 in 10 sloping bed followed by horizontal bed with a constant 0.8 m water depth. To determine the breaking characteristics, plunging breaking waves were generated. Free surface elevations were recorded at different locations between the wave paddle to the cylinder. Wave impact pressures on the cylinder at a number of elevations along its height were measured under breaking regular waves. The depth-induced wave breaking characteristics, impact pressures, and wave run-up during impact for various cylinder locations are presented and discussed.
Yi, Jin-Hak;Kim, Sun-Bin;Yoon, Gil-Lim;Andersen, Lars Vabbersgaard
Wind and Structures
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v.21
no.6
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pp.625-639
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2015
Monopiles have been most widely used for supporting offshore wind turbines (OWTs) in shallow water areas. However, multi-member lattice-type structures such as jackets and tripods are also considered good alternatives to monopile foundations for relatively deep water areas with depth ranging from 25-50 m owing to their technical and economic feasibility. Moreover, jacket structures have been popular in the oil and gas industry for a long time. However, several unsolved technical issues still persist in the utilization of multi-member lattice-type supporting structures for OWTs; these problems include pile-soil-interaction (PSI) effects, realization of dynamically stable designs to avoid resonances, and quick and safe installation in remote areas. In this study, the effects of PSI on the dynamic properties of bottom-fixed OWTs, including monopile-, tripod- and jacket-supported OWTs, were investigated intensively. The tower and substructure were modeled using conventional beam elements with added mass, and pile foundations were modeled with beam and nonlinear spring elements. The effects of PSI on the dynamic properties of the structure were evaluated using Monte Carlo simulation considering the load amplitude, scouring depth, and the uncertainties in soil properties.
Kim, Dong-Joon;Kim, Su-Rin;Choo, Yun-Wook;Kim, Dong-Soo;Lee, Man-Soo
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09a
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pp.825-839
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2010
The global and domestic market for offshore wind farm is expected to grow fast, and the design and installation of substructure and foundation is getting more important. As for the offshore wind farms located in the shallow(depth < 20m) water, the construction and installation of the substructure and foundation makes up about 1/4 ~1/3 of the offshore wind farm construction cost, and the portion is expected to increase because the turbine capacity is increasing from 2 ~ 3MW to 5MW or larger and the water depth of wind farms is also increasing over 30m. As a foundation for offshore wind turbine, the suction caisson foundation is being considered to be a highly competitive alternative to the conventional monopile or gravity based structure, because it has features suitable for the offshore construction such as quick installation, no heavy equipment for penetration and no hammering noise for driving. In order to study the installation behaviour of the suction caisson, laboratory tests were performed with sand. The pore water pressure and displacement were measured to analyze the suction pressure during penetration, the penetration speed and the amount of heaving.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.27
no.5
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pp.281-294
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2015
In order to quantitatively estimate the nonlinear destructive interaction of wave load with wind load, which is very vital for the optimal design of offshore wind energy converter, we carried out a hydraulic model test and wind tunnel test. As a substructure of offshore wind energy converter, we would deploy the monopile, which is popular due to its easiness in construction. Based on the simulation using Monte Carlo simulation using Kaimal spectrum and cross spectrum, the instantaneous maximum wind velocity is adjusted to 10 m/s. And, considering the wave conditions of the Western Sea where a pilot wind farm is planned to be constructed, $H_s=0.1m$, 0.15 m, 0.2 m is carefully chosen. It turns out that the nonlinear destructive interaction between the wind and wave loads acting on the offshore wind energy converter is more clearly visible at rough seas rather than at mild seas, which strongly support our deduction that a Large eddy, a swirling vortex developed near the bumpy water surface in the opposite direction of the wind, is the driving mechanism underlying nonlinear destructive interaction between the wind and wave loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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