Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회논문집)

Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회)
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Study on Behavior Characteristics of L-Type Flange Bolt Connection for Supporting Structures of Wind Turbines

풍력터빈 지지구조물 L형 플랜지 볼트 접합부의 거동 특성에 관한 연구

  • Jung, Dae-Jin (Department of Ocean Civil Engineering, Mokpo Maritime University) ;
  • Hong, Kwan-Young (Department of Structural Design, ADVACT Co., Ltd.) ;
  • Choi, Ik-Chang (Department of Ocean Civil Engineering, Mokpo Maritime University)
  • 정대진 (목포해양대학교 해양건설공학과) ;
  • 홍관영 ((주)에드벡트) ;
  • 최익창 (목포해양대학교 해양건설공학과)
  • Received : 2021.06.29
  • Accepted : 2021.09.13
  • Published : 2021.10.31
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Abstract

In this study, we investigated the behavior characteristics of the L-type flange bolt connection, which is used to connect upper and lower flanges having L-type ring sections, by bolts. This connection is mainly used in domestic wind turbine structures, wherein it is a vital component as any imperfection could cause the collapse of the entire structural system. Therefore, understanding the behavior characteristics of the L-type flange bolt connection is imperative. In this study, the connection's response to external force was simulated using finite element (FE) analysis and the FE model was idealized to behave as a single L-type bolt flange. The variation in the bolt tension and the L-type flange stress were analyzed to understand the behavior characteristics of the connection. Moreover, the bolt-load function models proposed by Petersen, Schmidt/Neuper and VDI 2230, theoretically expressing a relation between bolt tension and external force, were compared to evaluate the suitability of the FE analysis and analyze the significant behavior characteristics of the connection. Furthermore, the changes in the bolt-load curve due to the variations in the partial dimensions of the L-type flange bolt connection were analyzed.

본 논문에서는 풍력터빈과 하부구조물을 연결하는 L형 플랜지 볼트 접합부의 거동 특성에 대한 연구를 수행하였다. L형 플랜지 볼트 접합부는 링(Ring) 형태의 L형 단면 플랜지가 볼트에 의해 상하 체결되는 방식으로서 국내 풍력터빈에서 주로 적용되고 있는 연결방식이다. 특히 풍력타워 구조물은 이들 연결부의 손상이 전체 구조시스템의 붕괴로 이어질 수 있으므로 중요한 구조 요소 중 하나이다. 따라서 L형 플랜지 볼트 접합부에 대한 정확한 거동 특성의 이해가 필요하다. 본 연구에서는 FE 해석을 통하여 L형 플랜지에 작용하는 외력과 볼트장력의 관계, 그리고 L형 플랜지의 응력분포 변화를 외력 작용 단계별로 분석하였다. 여기서 FE 해석모델은 실제 링 형태의 L형 플랜지를 단일볼트의 L형 플랜지로 이상화하였다. 또한 볼트장력과 작용외력의 관계를 이론적으로 제안한 Petersen, Schmidt와 Neuper 그리고 VDI 2230의 볼트-외력 곡선모델에서 언급되는 접합부의 거동 불연속점과 FE 해석결과를 비교함으로써 FE 해석조건의 적절성을 검증하고, 각 볼트-외력 곡선모델의 특징과 L형 플랜지 볼트 접합부 거동 특성을 분석하였다. 그리고 L형 플랜지 단면 제원을 일부 변화시켜 볼트-외력 곡선의 변화를 분석하였다.

Keywords

Acknowledgement

본 과제(결과물)은 2020년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학협력기반 지역혁신사업의 연구결과 입니다.

References

  1. Faulhaber, A., Thomala, W. (1987) Erlauterungen zur Richtlinie VDI 2230 Blatt 1 (1986): Dernichtlineare Berechnungsansatz, VDI-Z - Zeitschrift des vereins Deutscher Ingenieure, 129(9), pp.79~84.
  2. IEC 61400-6 (2020) Wind Energy Generation Systems - Part 6 : Tower and Foundation Design Requirements, International Electrotechnical Commission, pp.81~87.
  3. Petersen, C. (1988) Stahlbau- Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten, Vieweg-Verlag, Braunschweig, Germany.
  4. Schmidt, H., Neuper, M. (1997) Zum elastostatischen Tragverhalten exzentrisch gezogener L-Stosse mit vorgespannten Schrauben, Der Stahlbau, 66(3), pp.163~168.
  5. VDI Guideline 2230 - Part I (2003) Systematic Calculation of High Duty Bolted Joints - Joints with One Cylindrical Bolt VDI-Handbuch Konstruktion, Beuth Verlag GmbH, Berlin, pp.14~92.