Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση καινοτόμων διατομών τύπου sandwich πυλώνων ανεμογεννητριών

Παπαγεωργίου, Νικόλαος

dc.contributor.author	Παπαγεωργίου, Νικόλαος	el
dc.date.accessioned	2021-05-24T05:14:07Z
dc.date.available	2021-05-24T05:14:07Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53491
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21189
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Πείραμα	el
dc.subject	Διατομές τύπου sandwich	el
dc.subject	Πυλώνες ανεμογεννητριών	el
dc.subject	Αριθμητικές παραμετρικές αναλύσεις	el
dc.subject	Αριθμητική προσομοίωση	el
dc.subject	Experiment	en
dc.subject	Sandwich-type cross sections	en
dc.subject	Wind turbine towers	en
dc.subject	Numerical parametic analyses	en
dc.subject	Numerical simulation	en
dc.title	Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση καινοτόμων διατομών τύπου sandwich πυλώνων ανεμογεννητριών	el
dc.title	Experimental and numerical investigation of innovative sandwich-type cross sections for wind turbine towers	en
dc.contributor.department	Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μεταλλικές κατασκευές	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-11-02
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την πειραματική και αριθμητική διερεύνηση διατομών τύπου sandwich για πυλώνες ανεμογεννητριών. Ο νέος αυτός τύπος διατομής για πυλώνες ανεμογεννητριών εξετάζεται προς πιθανή αντικατάσταση των κλασικού τύπου αμιγώς χαλύβδινων διατομών σε περιπτώσεις κατά τις οποίες η μεταφορά και ανέγερσή τους είναι οικονομικά ασύμφορη έως και απρόσιτη, ιδίως όταν πρόκειται για κατασκευή πυλώνων ύψους άνω των 100m, που απαιτούν διάμετρο διατομής βάσης τουλάχιστον 4m για αποφυγή φαινομένων λυγισμού. Το πρόβλημα συνίσταται κυρίως στις δυσπρόσιτες τοποθεσίες εγκατάστασης των ανεμογεννητριών, είτε για επίγειες ανεμογεννήτριες για τις οποίες η μέγιστη διάμετρος μεταφοράς έχει όριο περί τα 4m λόγω οδικών περιορισμών, είτε για υπεράκτιες για τις οποίες τίθεται σημαντικό ζήτημα αυξημένου κόστους μεταφοράς. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ανεμογεννήτριες. Τονίζονται οι λόγοι που επιβάλλουν την ενασχόληση με την αιολική ενέργεια, ως μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, και τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εκμετάλλευσή της. Γίνεται μια ιστορική αναδρομή από την εμφάνιση της πρώτης μορφής εκμετάλλευσής της μέσω των ανεμόμυλων για τοπικές χρήσεις, έως τις σημερινές ογκώδεις ανεμογεννήτριες ισχύος έως και μερικών MW, που συνδέονται στα κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα. Περιγράφονται, επίσης, τα βασικά μέρη τα οποία συνθέτουν μια ανεμογεννήτρια οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα περιστροφής, δίνοντας έμφαση στους πυλώνες ανεμογεννητριών του τύπου οριζοντίου άξονα. Δίνονται οι χαρακτηριστικοί τύποι πυλώνων και τα υλικά από τα οποία αποτελούνται, αναλύοντας τις αμιγώς χαλύβδινες διατομές σε επίπεδο διαμόρφωσης, μεταφοράς και ανέγερσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο εισάγεται η έννοια των διατομών τύπου sandwich για πυλώνες ανεμογεννητριών. Παρατίθενται οι λόγοι που οδήγησαν στην αναγκαιότητα της διερεύνησης αυτής της νέας διατομής και η διαφοροποίηση που μπορεί να προσφέρει έναντι του κλασικού τύπου της αμιγώς χαλύβδινης διατομής. Ακολούθως, παρουσιάζεται μια αναλυτική, αριθμητική και πειραματική σύγκριση από τη βιβλιογραφία, μεταξύ κυλινδρικών δοκιμίων διατομής τύπου sandwich και αμιγώς χαλύβδινων διατομών, υπό αξονική καταπόνηση.. Επιπροσθέτως, γίνεται αναφορά σε μια προκαταρκτική μεθοδολογία σχεδιασμού πυλώνων ανεμογεννητριών διατομής τύπου sandwich, η οποία προτάθηκε από ερευνητική ομάδα της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του ΕΜΠ, καθώς και προτάσεων για κατασκευή και ανέγερση πυλώνων τέτοιου τύπου, οι οποίες συντάχθηκαν από την ίδια ερευνητική ομάδα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διερεύνηση της καμπτικής συμπεριφοράς αυτών των διατομών τύπου sandwich, οι οποίες είχαν τσιμεντοειδές κονίαμα ως υλικό πλήρωσης του πυρήνα μεταξύ των χαλύβδινων ελασμάτων, σε πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του ΕΜΠ. Επισημαίνονται οι γεωμετρικές διαστάσεις των δύο δοκιμίων διατομών τύπου sandwich που ελέγχθηκαν, οι οποίες προέκυψαν από την προτεινόμενη μεθοδολογία του 2ου κεφαλαίου, και οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών που επιλέχθηκαν για τα επιμέρους τμήματα της συνολικής πειραματικής διάταξης. Γίνεται αναφορά στον τρόπο κατασκευής των πειραματικών δοκιμίων και στον έλεγχο των μηχανικών ιδιοτήτων των χρησιμοποιούμενων υλικών. Παρουσιάζεται η συνολική πειραματική διάταξη και διαδικασία με το πλαίσιο διάταξης, το πειραματικό δοκίμιο και το έμβολο άσκησης φορτίου. Αναλύεται η συμπεριφορά την οποία επέδειξαν τα πειραματικά δοκίμια και η εμφάνιση του φαινομένου του τοπικού λυγισμού κοντά στη βάση τους. Τέλος, παρατίθενται και σχολιάζονται οι μετρήσεις που προέκυψαν στις θέσεις τοποθέτησης γραμμικών μεταβλητών διαφορικών μετασχηματιστών (LVDT) για έλεγχο των μετακινήσεων και στις θέσεις τοποθέτησηςπαραμορφωσίμετρων (strain gauges) για έλεγχο των παραμορφώσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αριθμητική ανάλυση του πειράματος σε προσομοίωμα που αναπτύχθηκε στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Adina. Περιγράφεται το αριθμητικό προσομοίωμα στο σύνολό του, με αναφορές στη μοντελοποίηση των επιμέρους μελών του πειραματικού δοκιμίου, στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών των μελών, στις συνθήκες στήριξης, στον τρόπο επιβολής φόρτισης, στα στοιχεία επαφής (contact elements) που προσομοίωσαν τη σχέση συνεργασίας μεταξύ του χάλυβα και του κονιάματος στη διατομή τύπου sandwich και στον αλγόριθμο της αριθμητικής επίλυσης. Παρατίθενται τα αποτελέσματα σε όρους δρόμων ισορροπίας και εξέλιξης παραμόρφωσης στις ίδιες θέσεις με αυτές που τοποθετήθηκαν οι αντίστοιχοι καταγραφείς μετακινήσεων και παραμορφώσεων στα πειραματικά δοκίμια, σχολιάζονται και αξιολογούνται ως προς τη σύγκλισή τους με τα αντίστοιχα πειραματικά. Τέλος, δίνονται σχηματικά πληροφορίες για τη συμπεριφορά του δοκιμίου του προσομοιώματος σε τρεις χαρακτηριστικές χρονικές στιγμές στη διάρκεια επιβολής της φόρτισης. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνονται ορισμένες αριθμητικές παραμετρικές αναλύσεις με βάση το προσομοίωμα που δημιουργήθηκε στο 4ο κεφάλαιο. Καταδεικνύεται η ανάγκη αυτών των αναλύσεων, ώστε να διερευνηθεί ο τρόπος λειτουργίας και συμπεριφοράς των καινοτόμων διατομών τύπου sandwich, διαφορετικών ιδιοτήτων και υπό διαφορετικές συνθήκες. Παρατίθενται οι διαφοροποιήσεις σε σχέση με τα γεωμετρικά και τα μηχανικά χαρακτηριστικά των πειραματικών δοκιμίων στο προσομοίωμα αριθμητικής ανάλυσης, που αφορούν το πάχος των χαλύβδινων ελασμάτων, το πάχος του πυρήνα από κονίαμα, την ποιότητα του χάλυβα των ελασμάτων, την ποιότητα του κονιάματος του πυρήνα, καθώς και η αλλαγή στον τρόπο φόρτισης, ώστε να προσεγγίζει στατικά πιο ρεαλιστικές συνθήκες (αξονική καταπόνηση λόγω ιδίου βάρους, ατράκτου και πτερυγίων, τέμνουσα στο άκρο λόγω ανέμου). Πραγματοποιούνται επιπλέον ορισμένες αναλύσεις δίχως πλήρωση στο εσωτερικό του πυρήνα, ώστε να αξιολογηθεί η συνεισφορά του κονιάματος στο οριακό φορτίο και στη δυσκαμψία. Τέλος, παρουσιάζονται σε όρους δρόμων ισορροπίας τα αποτελέσματα που προέκυψαν από κάθε διαφορετική αριθμητική παραμετρική ανάλυση και εξάγονται συμπεράσματα για τις παραμέτρους που διαδραματίζουν το σημαντικότερο ρόλο στη φέρουσα ικανότητα του φορέα διατομής τύπου sandwich.	el
heal.abstract	The present diploma thesis deals with the experimental and numerical investigation of innovative sandwich-type cross sections for wind turbine towers. This new type of cross section is examined as an alternative of the conventional tubular steel tower sections in cases that their transportation and construction are economically inefficient or even prohibitive —namely towers with height of over 100m, which demand tower-base diameters of over 4m, in order to avoid buckling issues. The problem is mainly caused by the usually inaccessible installation locations, either for terrestrial wind turbines for which the maximum transportable diameter is about 4m, because of road limitations, or for offshore wind turbines due to high transportation costs. The first chapter is an introduction to wind turbines. The reasons wind energy is essential, as a renewable energy source, are noted and especially the advantages as a result of its exploitation. A chronology of wind turbines’ evolution is presented, starting from wind mills which were made for local use, till today’s large wind turbines that are capable of producing power in the order of some MW and are connected to the main electrical grids. The basic parts of a horizontal or vertical axis wind turbine are described, especially the tower of the horizontal axis wind turbine. The most common types of towers and the materials they are made of are given, analyzing the steps of manufacturing, transporting and erasing of steel tubular towers. The second chapter is about the concept of the sandwich-type cross section. The reasons which led to the investigation of this innovative cross section are given, along with its difference from the classic type of tubular steel towers. Furthermore, an analytical, numerical and experimental comparison between the sandwich-type and the conventional steel cross section under axial loading is presented, found in literature. Additionally, a reference is made about a preliminary methodology for designing wind turbine towers made of such sandwich-type cross sections and suggestions for the construction of these towers, which were all developed by a research team from School of Civil Engineering of the National Technical University of Athens. In the third chapter the experimental investigation of the flexural behavior of the sandwich-type cross sections, with a cement-mortar core, is presented. The experiment took place in the Laboratory of Steel Structures of the School of Civil Engineering, NTUA. The geometry, which was a result of the methodology described in the 2nd chapter, and the mechanical properties of the two identical, downscaled, sandwich-tower specimens, which were constructed for the bending tests, are given. A reference is made about the manufacturing process of these two specimens and the procedures for checking the mechanical properties of their materials. The implementation of the tests and the whole experimental procedure are presented, including the frame on which the specimens were placed, the cantilever set-up with the pertinent boundary conditions and the lateral quasi-static loading at the free end of the specimens. The flexural behavior and the local-buckling failure mechanism which occurred near the base of the specimen, are analyzed. Lastly, the measures obtained by extensive use of LVDT, strain gauges and optical means are presented and discussed. In the fourth chapter the numerical investigation, comprising a simulation of the experiment and implemented with ADINA finite element software, is presented. The modelling procedure is described, involving the mechanical properties of the materials used for every part of the specimen, the boundary conditions, the type of loading applied, the contact elements simulating the interfaces between the two materials and the algorithm of the numerical solver. The numerical equilibrium paths at every LVDT and strain gauge position are presented, discussed and compared with the experimental ones, in order to evaluate the convergence between them. Lastly, information is given by contour depictions, referring to three characteristic phases of the tests. In the fifth chapter some parametric numerical analyses, based on the model made in the fourth chapter, are carried out. The purpose of these analyses is the understanding of the way that these sandwich-type cross section towers would behave with different properties and under different conditions, beyond the ones selected in the experiment. The different geometrical and mechanical properties simulated are presented, including the variation of thickness of the inner and outer faces, the thickness of the core, the quality of steel used for the inner and outer faces, the quality of the mortar used for the core, as well as different types of loading applied, in order to statically simulate more realistic loading conditions (axial loads due to self-weight, the rotor and the nacelle, lateral quasi-static load at the free end simulating wind pressure). Some analyses are carried out without having a material inside the core of the sandwich-type cross section, in order to check the contribution of the core to the stiffness and the load capacity of the section. Lastly, the results of these parametric numerical analyses are presented in terms of equilibrium paths and comments are made on them, so as to clarify which of the parameters that were changed on these analyses, play a decisive role in the load-capacity of the structure.	en
heal.advisorName	Γαντές, Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Θανόπουλος, Παύλος	el
heal.committeeMemberName	Μπαδογιάννης, Ευστράτιος	el
heal.committeeMemberName	Γαντές, Χαράλαμπος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	140 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true