Στατική και Δυναμική Απόκριση Κοίλων Κυλινδρικών Φρεάτων υπό Συνδυασμένη Τρισδιάστατη Φόρτιση

Γεωργίου, Ειρήνη; Georgiou, Eirini

dc.contributor.author	Γεωργίου, Ειρήνη	el
dc.contributor.author	Georgiou, Eirini	en
dc.date.accessioned	2015-02-04T12:43:07Z
dc.date.available	2015-02-04T12:43:07Z
dc.date.issued	2015-02-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40215
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.6238
dc.rights	Default License
dc.subject	Αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής	el
dc.subject	Soil-structure interaction	en
dc.subject	Κοίλο κυλινδρικό φρέαρ	el
dc.subject	Ανεμογεννήτριες	el
dc.subject	Θεμελιώσεις	el
dc.subject	Στρέψη	el
dc.subject	Wind turbines	en
dc.subject	Suction caisson	en
dc.subject	Torsion	en
dc.subject	Skirted foundation	en
dc.title	Στατική και Δυναμική Απόκριση Κοίλων Κυλινδρικών Φρεάτων υπό Συνδυασμένη Τρισδιάστατη Φόρτιση	el
dc.title	Static and Dynamic Analysis of Suction Caissons uder Combined 3D Loading	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Offshore structures--foundations	en
heal.classification	Αλληλεπίδραση Εδάφους-Κατασκευής	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh97005349
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-11-10
heal.abstract	Τις τελευταίες δεκαετίες η προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Α.Π.Ε) αποτελεί σημαντική προτεραιότητα των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Συγκεκριμένα, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσει οδηγίες στα κράτη-μέλη μέχρι το 2020 τουλάχιστον το 20% της ενέργειάς τους να προέρχεται από Α.Π.Ε. Ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η εγκατάσταση μίας θαλάσσιας ανεμογεννήτριας (Α/Γ) είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον έργο μεγάλων απαιτήσεων και για τον γεωτεχνικό μελετητή: η θεμελίωση υποβάλλεται, καθόλη την διάρκεια ζωής του έργου, σε πολύ υψηλές ροπές (κυρίως εξαιτίας της δράσης του ανέμου) υπό σχετικώς χαμηλό κατακόρυφο φόρτιο. Η πλέον δημοφιλής μέθοδος θεμελίωσης είναι η υιοθέτηση δύσκαμπτων μονοπασσάλων πολύ μεγάλης διαμέτρου και μήκους που υπερβαίνει τα 20 m. Αναπόφευκτα, όσο τα βάθη θεμελίωσης αυξάνουν και όσο οι εδαφικές συνθήκες γίνονται πιο δυσμενείς, το κόστος κατασκευής και εγκατάστασης τέτοιων γιγάντιων θεμελιώσεων αυξάνει εκθετικά και πολλές φορές γίνεται κρίσιμο, αν όχι απογορευτικό, για την απόδοση της επένδυσης. Μια εναλλακτική λύση θεμελίωσης, που στηρίζει την επιτυχία της στον περιορισμό του κόστους εγκατάστασης, είναι τα κοίλα κυλινδρικά φρέατα, γνωστά στην διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο «suction caissons». Το σημαντικότερό τους πλεονέκτημα είναι η ευκολία στην έμπηξη, η οποία επιτυγχάνεται μέσω άντλησης του νερού που εμπεριέχεται εντός του κοίλου φρέατος και την ανάπτυξη υποπίεσης η οποία ‘έλκει’ το θεμέλιο στην τελική του θέση. Έως πρόσφατα για τον σχεδιασμό των θεμελιώσεων για τις ανεμογεννήτριες στη θάλασσα χρησιμοποιούνταν οι κώδικες της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου. Κάτι τέτοιο βέβαια οδηγεί σε ανεπαρκείς λύσεις, αφού οι οριζόντιες δυνάμεις λόγω του ανέμου και των κυμάτων ξεπερνούν το κατακόρυφο φορτίο λόγω του ιδίου βάρους κατά τουλάχιστον 60%, δημιουργώντας σημαντικές εκκεντρότητες. Επιπλέον, η πλειονότητα των εργασιών για κοίλες φρεατοθεμελιώσεις περιορίζεται στην μελέτη της απόκρισης σε ένα επίπεδο φόρτισης θεωρώντας συνθήκες πλήρους επαφής μεταξύ του φρέατος και του περιβάλλοντος και εμπεριεχομένου εδάφους, ενώ περιορισμένη παραμένει και η διερεύνηση της απόκρισης υπό ανακυκλική φόρτιση. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η πλήρης διερεύνηση της απόκρισης τέτοιου είδους θεμελιώσεων στον τρισδιάστατο χώρο φόρτισης, με την εισαγωγή του στρεπτικού φορτίου και της δεύτερης οριζόντιας συνιστώσας, προκειμένου να αποδοθεί με ρεαλιστικότερο τρόπο το σύνθετο περιβάλλον φόρτισης, το οποίο περιλαμβάνει έξι βαθμούς ελευθερίας κίνησης. Προς τούτο, διενεργήθηκαν τρισδιάστατες μη γραμμικές αριθμητικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων του πλήρους συστήματος εδάφους-φρέατος-ανεμογεννήτριας, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην προσομοίωση των συνθηκών επαφής εδάφους-φρέατος. Το τελευταίο διότι η επίδραση της αναρρόφησης ενώ είναι υπαρκτή στον αρχικό χρόνο λειτουργίας, μετά από πολλούς κύκλους δύναται να έχει απομειωθεί και να υπάρχει ροή στο εσωτερικό της θεμελίωσης, με αποτέλεσμα να χάνεται η εφελκυστική αντοχή της θεμελίωσης και να υπάρχει η πιθανότητα ολίσθησης ή και ανασηκώματος. Η εργασία επικεντρώνεται σε τρεις κυρίως θεματικές ενότητες: 1. στην φέρουσα ικανότητα, 2. στην επίδραση της δεύτερης οριζόντιας συνιστώσας φόρτισης στην δυσκαμψία του συστήματος και 3. στην απόκριση του συστήματος υπό ανακυκλική και σεισμική φόρτιση δύο διευθύνσεων. Φέρουσα Ικανότητα: Η υιοθέτηση από την πλειονότητα των εργασιών του σημείου αναφοράς των εντατικών μεγεθών στο επίπεδο έμπηξης της θεμελίωσης αποδείχθηκε ανακριβής. Η πλαστικοποίηση του εμπεριεχομένου στο φρέαρ εδάφους οδηγεί όχι μόνον σε διαφορετικούς μηχανισμούς αστοχίας και οριακές αντοχές, αλλά και σε σε σημαντική υπερεκτίμηση της δυσκαμψίας του συστήματος, τόσο υπό ιδεατές όσο και υπό ατελείς συνθήκες επαφής εδάφους-θεμελίου. Ως εκ τούτου, αποκλίνοντας από ότι συνηθίζεται για τις κανονικώς εγκιβωτισμένες θεμελιώσεις, στην περίπτωση των κοίλων φρεατοθεμελιώσεων προτείνεται να λαμβάνεται ως σημείο αναφοράς των εντατικών μεγεθών το μέσον της άνω επιφάνειάς τους. Συγχρόνως, παρήχθησαν τα διαγράμματα αλληλεπίδρασης υπό την ταυτόχρονη δράση του στρεπτικού φορτίου για όλους τους συνδυασμούς φόρτισης. Σύμφωνα με αυτά, η αγνόηση του στρεπτικού φορτίου οδηγεί σε μη συντηρητικό σχεδιασμό. Οριζόντια Φόρτιση σε Δύο Διευθύνσεις: Η αλληλουχία των δύο οριζόντιων συνιστωσών συνεπάγεται μείωση της δυσκαμψίας του συστήματος, η οποία δύναται να φτάσει έως και το 50%. Σε τέτοιες, λοιπόν, κατασκευές, όπου δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στο πεδίο των μικρών μετακινήσεων (και στροφών) η απλοποίηση του προβλήματος σε τρεις συνεπίπεδες φορτίσεις οδηγεί σε υπερεκτιμημένη πρόβλεψη της συμπεριφοράς. Ανακυκλική και Σεισμική Φόρτιση: Διερευνήθηκε μία τυπική ανεμογεννήτρια ισχύος 5MW θεμελιωμένη σε κοίλα φρέατα ποικίλων διαστάσεων και υποβαλλόμενη σε διάφορα σενάρια φόρτισης. Αποδείχθηκε ότι η μεταβολή της κατεύθυνσης των φορτίων του ανέμου και των κυματισμών μειώνει σημαντικώς την προκύπτουσα στροφή στην θεμελίωση, ιδιαιτέρως όταν εισάγονται ατελείς συνθήκες επαφής εδάφους-φρέατος. Η μείωση αυτή καθιστά την συνήθη θεώρηση των φορτίων προς μία κατεύθυνση ένα αρκετά συντηρητικό σενάριο σχεδιασμού. Αναλογιζόμενοι, ωστόσο, ότι η μεταβολή της φοράς φόρτισης δύναται να συμβεί πολλές φορές κατά την διάρκεια ζωής της ανεμογεννήτριας, το σενάριο μία σταθερής φοράς μπορεί να οδηγήσει σε αρκετά αντιοικονομικό σχεδιασμό. Το τελευταίο τμήμα της μελέτης αφορά στην επίδραση χαρακτηριστικών σεισμικών περιστατικών στις θαλάσσιες ανεμογεννήτριες, καθώς έχει ειπωθεί ότι λόγω της πολύ μεγάλης λυγηρότητάς τους παραμένουν ανεπηρέαστες. Έτσι, διερευνάται η απόκριση του συστήματος στο σεισμό του Kobe (1995) και της Κεφαλονιάς (2014), που είναι δυσμενή περιστατικά με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Παρατηρείται ότι λόγω της υπάρχουσας φόρτισης από τον άνεμο και τα κύματα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση το σεισμικό περιστατικό είναι ικανό να δημιουργήσει πολύ μεγάλες παραμένουσες στροφές και να καταστήσει την ανεμογεννήτρια μη λειτουργική πολύ νωρίτερα απ'το τέλος του χρόνου ζωής της. Επίσης, η διέγερση στην κορυφή της μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρομηχανολογικές δυσλειτουργίες αλλά και να συντονίσει τις λεπίδες και έτσι να οδηγήσει σε περαιτέρω προβλήματα. Τέλος, η σεισμική εξαίτιση σε δύο διευθύνσεις οδηγεί σε ελάχιστα αυξημένα μετακινησιακά μεγέθη.	el
heal.abstract	Over the past few decades the development of Renewable Energy Sources (R.E.S.) has become an important priority for the countries of the European Union (E.U.). Specifically, the E.U. has proclaimed that member-states should produce at least of 20% of their energy via R.E.S. Design, construction and installation of an offshore wind turbine becomes an extremely interesting subject of high requirements for a geotechnical engineer. In medium depth waters, the monopile option dominates the industry. Typical dimensions for single monopile foundations consist of a diameter of at least 4m and a length more than 20m. Inevitably, as the foundation depths increase and as the soil conditions become more adverse, the cost of construction and installation of such gigantic foundations increases exponentially and often becomes critical, if not unfamiliar, for the return of investment. An alternative to the monopile support, which is currently researched, is the suction caisson. The suction caissons or skirted foundations resemble an “upturned bucket” and their main advantage is the ease of installation, where by pumping the water between the soil and skirts differential water pressures cause the foundation to drive itself to its final position. In addition, it is considered that the suction developed during installation remains through its operation lifetime and gives the foundation tensile capacity. Until recently, design of offshore wind turbines foundations was based on the offshore oil industry design codes. This has proven inadequate, mainly owing to the ratio of horizontal to vertical forces on the structures being much greater for the turbines, reaching values of over 60% and creating large load eccentricities. Furthermore, most studies on the suction caisson foundations on clay, especially used for offshore wind turbine, have investigate their response under in-plane loading as well as assumed a full contact between the foundation and the soil. Much more limited is the investigation of their response under cyclic loading. In this thesis the performance of suction caissons under the effects of combined 3D loading is studied, in order to a more realistic specification of the. complex loading regime. Apart from the consideration of full contact between the soil and skirts, sliding and subsequent detachment is also investigated. To this end, it consists of three main sections: 1. the bearing capacity of suction caissons under combined 3D loading, 2. the effect of bi-directional horizontal loading to the stiffness of the soil-foundation system and 3. the response of the full soil-foundation-wind turbine system under cyclic and seismic loading The analyses were conducted for a clayey soil under undrained loading conditions, for a uniform undrained shear strength profile. Bearing Capacity: Based on the above, a full 3D analysis of the foundation is conducted for the assumption that full contact between the soil and foundation is retained until failure. In addition, interfaces between the soil and skirts that permit sliding and detachment are also implemented and their effect to the reduction in bearing capacity is investigated. Firstly, the assumption that the loads are transferred to the surface at the base of the skirts cannot be held true and it is suggested that the load reference point be normally taken at the foundation lid. The interaction of the torsional load with the commonly employed loads is presented in the form of failure envelopes and the failure mechanisms that form when the system reaches its capacity are also examined. Bi-directional horizontal loading: The effect of the bi-directional loading hasn’t received enough attention in the international literature. However, it has proved that the sequence of the horizontal loading may lead to a significant reduction of the system’s stiffness, especially as far as interfaces are concerned. Cyclic and Seismic Response: Offshore wind turbines are subjected to several millions of loading cycles during their lifetime. The effect of the large number of cycles to the response of the system hasn't been investigated thoroughly enough. Therefore, the full system is examined for a typical turbine class - 5 MW - under monotonic and cyclic loading of few and many cycles. The reversal of the load direction implies less accumulated rotation, rendering the conventional design conservative, but uneconomical. The final part of the thesis investigates the effect of characteristic seismic events to offshore wind turbines, since it has been mentioned that due to their high slenderness wind turbines are almost immune to seismic excitation. Therefore, the response of the system to the Kobe (1995) and Cephalonia (2014) earthquakes, two of the most devastating recorded events in history, is examined. It is observed that due to the existent wind and wave loading in a single direction the seismic motion is capable of causing a severe increase in the rotation of the foundation and render the wind turbine inoperable much earlier than its lifetime period. Furthermore, the excitation at the tower head may cause dysfunctions in the nacelle or cause the rotor blades to resonate and lead to further operational problems. Finally, the effect of bi-directional seismic excitation is considered negligible, leading to slightly larger rotations at the foundation lid.	en
heal.advisorName	Γκαζέτας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γκαζέτας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Σαπουντζάκης, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής. Εργαστήριο Εδαφομηχανικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	258 σ.
heal.fullTextAvailability	true