套管式風力發電機塔柱結構易損性分析

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謝秉諺(Ping-Yen Hsieh) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

套管式風力發電機塔柱結構易損性分析
(Fragility Analysis of a Jacket type Wind Turbine)

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摘要(中)

本研究旨在探討離岸風力發電機在地震激震下的風險評估，以提供相關單位
在設計、建造和營運離岸風力發電機時的參考依據。台灣位於環太平洋地震帶，地震頻繁發生，因此對於台灣的地震風險進行研究和評估具有重要意義。文章中也記錄了模型建置的過程，從零件、材料、組裝到離散化網格分割。
本論文針對了離岸風機結構進行了綜合性的地震風險研究，包含地震資料的蒐集、結構模態分析、靜力側推分析、損害評估方法等。整理了多個地震事件的地震資料，計算其加速度反應譜，並選擇具代表性的地震事件作為分析模型的外力輸入。透過結構模態分析，計算出了離岸風機結構模型的自然頻率和模態型式，以助於後續瞭解其動態特性。接著進行了損害評估，獲得了離岸風機在受地震荷載下的位移、應力、應變等參數，以評估離岸風機在地震情境下可能會出現的損害程度。研究結果顯示，透過建立易損性曲線，能夠評估離岸風機在不同地震強度下的損害機率。
研究結果將會為離岸風力發電機的設計和建造提供重要參考，以確保其在地震情境下的安全運行。此外，這項研究也有助於業界和政策制定者更容易了解風力發電機在地震風險下的表現，並制定相應的安全規範和標準。

摘要(英)

This study aims to explore the risk assessment of offshore wind turbines under seismic excitations, providing reference guidelines for relevant entities in the design,construction, and operation of offshore wind turbines. Taiwan is located in the Pacific Ring of Fire, prone to frequent seismic activities, making the study and assessment of earthquake risks in Taiwan highly significant. The article also documents the process of model development, including component selection, material properties, assembly, and discretization of the computational grid.

This paper presents a comprehensive seismic risk study of offshore wind turbine structures, including data collection, structural modal analysis, static pushover analysis, and damage assessment methods. The author gathered seismic data from multiple earthquake events and calculated their acceleration response spectra. Representative seismic events were selected as input forces for the analysis model. Through structural modal analysis, the natural frequencies and mode shapes of the offshore wind turbine structure model were computed to better understand its dynamic characteristics. Subsequently, damage assessment was conducted to obtain displacement, stress, and strain parameters of the offshore wind turbine under seismic loading, evaluating the potential damage levels in seismic scenarios. The research findings demonstrate that by
establishing fragility curves, one can assess the
probability of damage for offshore wind turbines under different seismic intensities.

The research findings will provide valuable insights for the design and construction of offshore wind turbines to ensure their safe operation under seismic conditions.Additionally, this study contributes to better understanding the performance of wind turbines under seismic risk for industry professionals and policymakers, enabling the development of appropriate safety regulations and standards.

關鍵字(中)

★ 離岸風力發電機
★ 地震風險分析
★ 易損性曲線
★ 非線性動力分析

關鍵字(英)

★ Offshore wind turbine
★ Seismic risk analysis
★ Fragility curve
★ Nonlinear dynamic analysis

論文目次

CONTENTS
中文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
1 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 論文內容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 國外離岸風機相關研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 國內離岸風機相關研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 中華民國離岸風力發電機現況 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 風力發電實際情況 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 風力發電在不同季節之產能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 研究方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 ABAQUS介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.1 零件 Part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 材料性質 Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3 模型組裝 Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.4 分析步驟 Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.5 交互作用 Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
v
3.1.6 負載 Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.7 網格 Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.8 工作 Job . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.9 可視化 Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 非線性靜力分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 耐震評估流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 容量震譜 (Capacity Spectrum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 非線性動力分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 易損性曲線理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.1 統計分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 案例分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 研究模型建立 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 NREL 5MW 參考風機介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.2 零件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.3 材料性質 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4 交互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 模態分析（Modal Analysis） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 非線性靜力分析（Pushover Analysis） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 容量曲線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 韌性容量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.3 側推破壞點 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4 非線性動力分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.1 地震歷時選取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.2 地震反應譜 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
vi
4.4.3 地震反應譜正規化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.4 地震歷時擷取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.5 損害等級 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.6 動力分析結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.7 易損性曲線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 結論與建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2 建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

參考文獻

參考文獻
【1】Fabian Vorpahl , Wojciech Popko. (2013 , July) . Description of a basic model of the ”UpWind reference jacket” for code comparison in the OC4 project under IEA Wind Annex XXX.
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【3】Rahul Leslie , A P Naveen. (2017 , January) . A Study on Pushover Analysis using Capacity Spectrum Method based on Eurocode 8
【4】Julia Kohns , Lothar Stempniewski and Alexander Stark. (2022) . Fragility Functions for Reinforced Concrete Structures Based on Multiscale Approach for Earthquake Damage Criteria.
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【6】國家地震工程研究中心，鄧崇任、蔡原祥、翁元滔、邱世彬、柴駿甫 (2017 ,November). 台灣離岸風力機支撐結構設計準則研擬對策
【7】國家地震工程研究中心，葉輔沛、葉勇凱、曾至堅 (2007 , December). 建築物耐震詳細評估方法之研究（一）
【8】國家地震工程研究中心，葉勇凱、周德光 (2016 , November). 以土木 404-100設計例探討非線性靜力與動力分析
【9】黃劭雋 (2018 , June). 利用側推分析建立風力發電機塔柱易損性曲線，國立中央大學，碩士論文
【10】郭大源 (2019 , June). 利用多帶分析建立風機地震易損性曲線，國立中央大學，碩士論文
【11】蔡秉中 (2021 , August). 套筒式離岸風機下部結構之疲勞損傷分析，國立台北科技大學，碩士論文
【12】卓育丞 (2021 , July). 離岸風機塔架之疲勞和極限分析與設計，國立成功大學，碩士論文

指導教授

蔣偉寧(Wei-Ling Chiang)

審核日期

2023-7-18

推文