Δράσεις σχεδιασμού σταθερής εξέδρας βάσης βαρύτητας σύμφωνα με τους κανονισμούς του Νορβηγικού Νηογνώμονα DNV για την έδραση υπεράκτιας ανεμογεννήτριας

Abstract

Σε μία περίοδο ανεξέλεγκτης κατανάλωσης ενέργειας, οι ανεμογεννήτριες διαδραματίζουν το δικό τους σημαντικό ρόλο, καθώς η αιολική ενέργεια αποτελεί αναπόσπαστο μέλος της ευρύτερης οικογένειας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η φαινομενικά απλή τους λειτουργία, ωστόσο, έρχεται σε πλήρη αντίθεση με την περίπλοκη φύση των φαινομένων τα οποία συντελούνται από την πρώτη επαφή της μάζας του αέρα με το μηχανισμό των περιστρεφόμενων πτερυγίων μιας τέτοιας κατασκευής. Ακριβώς αυτό το γεγονός δυσχεραίνει σε μεγάλο βαθμό την προσομοίωση των συνθηκών υπό τις οποίες μια ανεμογεννήτρια καλείται, τόσο να παράγει ωφέλιμο έργο, όσο και να ανταπεξέλθει με ασφάλεια σε κάθε είδους φορτίσεις. Μία υπεράκτια ανεμογεννήτρια καταπονείται από πληθώρα δράσεων. Αυτές διακρίνονται σε μόνιμες δράσεις, μεταβλητές δράσεις, περιβαλλοντικές δράσεις, τυχηματικές δράσεις, επιβαλλόμενες παραμορφώσεις και προένταση. Στις μόνιμες δράσεις περιλαμβάνονται το ίδιο βάρος της κατασκευής στήριξης, το βάρος του έρματος πλήρωσης, τα βάρη του πύργου και της ανεμογεννήτριας, το βάρος της θαλάσσιας βλάστησης καθώς και η υδροστατική πίεση που ασκεί το θαλασσινό νερό στο βυθισμένο τμήμα της κατασκευής. Στις περιβαλλοντικές δράσεις περιλαμβάνονται τα φορτία από τον άνεμο (θεωρώντας την έλικα της ανεμογεννήτριας ακίνητη), οι υδροδυναμικές πιέσεις που οφείλονται στην επίδραση θαλάσσιων κυματισμών και ρευμάτων, τα φορτία πάγου, τα φορτία χιονιού, οι θερμοκρασιακές μεταβολές και οι σεισμικές δράσεις (για κατασκευές που θεμελιώνονται στον πυθμένα της θάλασσας). Στις μεταβλητές δράσεις ανήκουν τα βάρη των ανθρώπων που απαρτίζουν το συνεργείο επιθεώρησης-επισκευής-συντήρησης της ανεμογεννήτριας και τα αεροδυναμικά φορτία που επάγονται σε αυτήν από την περιστροφή της έλικας όταν βρίσκεται σε κατάσταση λειτουργίας. Στις τυχηματικές δράσεις ανήκει η πρόσκρουση πλοίου στην κατασκευή στήριξης της ανεμογεννήτριας. Στις επιβαλλόμενες παραμορφώσεις περιλαμβάνονται ο ερπυσμός και η συστολή ξήρανσης του σκυροδέματος. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η παρουσίαση της διαδικασίας σχεδιασμού της κατασκευής στήριξης μιας υπεράκτιας ανεμογεννήτριας βάσης βαρύτητας σύμφωνα με τους κανονισμούς του Νορβηγικού Νηογνώμονα Det Norske Veritas. Αρχικά παρουσιάζονται οι αρχές σχεδιασμού μιας κατασκευής οι οποίες καθορίζουν τις προδιαγραφές που πρέπει να πληροί η εξεταζόμενη κατασκευή. Έτσι τίθενται οι ελάχιστες απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούνται προκειμένου να επιτευχθεί το επιδιωκόμενο επίπεδο ασφάλειας. Ο σχεδιασμός της κατασκευής βασίζεται στην ικανοποίηση των κριτηρίων ορισμένων οριακών καταστάσεων. Αν δεν ικανοποιούνται αυτά τα κριτήρια τότε η κατασκευή δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις σχεδιασμού και ο σχεδιασμός θεωρείται ανεπιτυχής. Υπάρχουν οι εξής κατηγορίες οριακών καταστάσεων: οι οριακές καταστάσεις αστοχίας, οι οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας, οι οριακές καταστάσεις κόπωσης και οι τυχηματικές οριακές καταστάσεις. Ο κανονισμός επιβάλλει την χρήση συντελεστών ασφαλείας τόσο στις χαρακτηριστικές τιμές των μεγεθών αντοχής των υλικών όσο και στις χαρακτηριστικές τιμές των δράσεων. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτουν οι αντοχές σχεδιασμού και οι δράσεις σχεδιασμού. Οι συντελεστές ασφαλείας στα μεγέθη αντοχής των υλικών χρησιμοποιούνται για να ληφθούν υπόψη αβεβαιότητες στον πειραματικό προσδιορισμό των μηχανικών μεγεθών των υλικών που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά αντοχής τους. Στις χαρακτηριστικές τιμές των δράσεων εφαρμόζονται συντελεστές ασφάλειας έτσι ώστε να θεωρηθούν οι αβεβαιότητες που προκύπτουν από την προσομοίωση των δράσεων στο μοντέλο της κατασκευής. Έτσι λοιπόν αντιμετωπίζονται αβεβαιότητες που οφείλονται τόσο στην προσομοίωση της κατασκευής όσο και στην προσομοίωση των δράσεων.

In a period of unbridled energy, wind turbines play their own important role, as well as wind energy is an integral part of the wider family of renewable energy. Their seemingly simple function, however, is in stark contrast to the complex nature of the phenomena which occur from the first contact of the air mass to the mechanism of the rotating blades of such a construction. Just this fact makes it very difficult to simulate the conditions under which a wind turbine is called both to produce power, and to withstand any kind of loads with safety. An offshore wind turbine is stressed by various actions. These are divided into permanent actions, variable actions, environmental actions, accidental actions, imposed deformations and pretension. On permanent actions are the same weight of the support structure, the weight of the ballast filling, the weights of the tower and the turbine, the weight of marine growth and the hydrostatic pressure of the seawater at the submerged part of the structure. The environmental actions include loads from wind (assuming the turbine propeller stationary), the hydrodynamic pressures due to the influence of sea waves and currents, the ice loads, snow loads, temperature changes and seismic actions (for structures based on the seabed). The variable actions include the weights of people who make up the crew inspection-repair-maintenance and the wind turbine aerodynamic loads induced in it by the rotation of the propeller when in functional mode. On accidental actions belong loads from explosions and collisions of trespassing vessels at support structure of the wind turbine. Imposed deformations include creep and shrinkage of concrete. The purpose of this thesis is to present the design process of the support structure of an offshore gravity-based wind turbine according to the Norwegian Shipping Det Norske Veritas standards. Initially are presented the design principles of a construction which determine the standards that must be met by the reporting structure. This sets the minimum requirements that must be met in order to achieve the desired level of security. The design of the structure is based on the fulfillment of certain limit states criteria. If these criteria are not met then the structure does not comply with the design requirements and design is considered unsuccessful. There are the following limit states categories: the ultimate limit states, the serviceability limit states, the fatigue limit states and the accidental limit states. The standard requires the use of safety factors both characteristic values of sizes material strength and the characteristic values of actions. Subsequently, the design resistances and design actions are obtained. The safety factors applied in the resistance of materials are used to capture uncertainties in the experimental determination of materials’ mechanical properties which determine their strength characteristics. On the characteristic values of actions are applied safety factors so as to regard the uncertainties arising from the simulation of actions in the structural model. So uncertainties due both to simulation of the structure and simulation of actions are considered.