Analysis of Skirted Foundations for Offshore Wind Turbines

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Α.Π.Ε.) έχει αποτελέσει σπουδαίο αντικείμενο για τον πολιτικό μηχανικό. 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. Ιδιαίτερα σημαντική τα τελευταία χρόνια είναι η ανάπτυξη αιολικών πάρκων και ιδίως στη θάλασσα.

Το κόστος των ανεμογεννητριών στη θάλασσα είναι πολύ μεγάλο (περίπου € 1.8 - 2 εκατομμύρια / MW) και η θεμελίωσή τους αποτελεί έως και το 35% του κόστους αυτού. Το μέγεθος αυτό οφείλεται κυρίως στη δυσκολία εγκατάστασης των θεμελιώσεων, που κατά βάση είναι μονοπάσσαλοι μήκους τουλάχιστον 20 m και η έμπηξή τους απαιτεί χρήση πολύ ακριβών μηχανημάτων.

Μια εναλλακτική λύση στους μονοπασσάλους που βρίσκεται σε ερευνητικό κυρίως επίπεδο είναι τα κοίλα φρέατα. Η μορφή των θεμελιώσεων αυτών μοιάζει με "αναποδογυρισμένο κουβά" και το σημαντικότερό τους πλεονέκτημα είναι ότι η εγκατάστασή τους γίνεται μέσω άντλησης του νερού μεταξύ του εδάφους και των ελασμάτων, με τη διαφορά εσωτερικής και εξωτερικής πίεσης να οδηγεί το θεμέλιο στην τελική του θέση. Ένα επίσης σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι θεωρητικά αυτή η αναρρόφηση παραμένει και κατά τη λειτουργία, προσδίδοντας ικανότητα στο θεμέλιο να παραλάβει εφελκυστικές δυνάμεις.

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. Ακόμα, ο σχεδιασμός θα πρέπει να βασιστεί στη δυναμική απόκριση και σε έλεγχο κατά της αστοχίας από κόπωση παρά σε έλεγχο στην οριακή κατάσταση αστοχίας.

Το αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η ανάλυση των κοίλων φρεάτων ως πιθανές θεμελιώσεις για ανεμογεννήτριες στη θάλασσα. Προς αυτόν τον σκοπό, επικεντρώνεται σε τρεις κυρίως θεματικές ενότητες:

1. την φέρουσα ικανότητα των θεμελιώσεων αυτών υπό συνδυασμένη φόρτιση 2. την δυσκαμψία τους στην ελαστική περιοχή αλλά και υπό καθεστώς μεγάλων παραμορφώσεων 3. την απόκριση του πλήρους συστήματος εδάφους-θεμελίωσης-ανεμογεννήτριας υπό ανακυκλική και σεισμική φόρτιση

Οι αναλύσεις γίνονται για θεμελίωση σε άργιλο υπό αστράγγιστες συνθήκες φόρτισης, με σταθερή αλλά και γραμμικώς αυξανόμενη αστράγγιστη διατμητική αντοχή. Ακόμα, εκτός από συνθήκες πλήρους επαφής της θεμελίωσης με το περιβάλλον και εμπεριέχον έδαφος, μελετάται και η ύπαρξη διεπιφανειών, όπου επιτρέπεται η ολίσθηση ή και αποκόλληση τους από το έδαφος. Αυτό διότι η επίδραση της αναρρόφησης ενώ είναι υπαρκτή στον αρχικό χρόνο λειτουργίας, μετά από πολλούς κύκλους μπορεί 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.

Φέρουσα Ικανότητα

Τα κοίλα κυλινδρικά φρέατα στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν μελετηθεί κυρίως είτε ως επιφανειακές θεμελιώσεις με τις ιδιότητες του εδάφους στο επίπεδο έμπηξης είτε υπό συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης. Η πρώτη θεώρηση αποτυγχάνει να συμπεριλάβει την επίδραση της σύζευξης μεταξύ του οριζόντιου και στροφικού βαθμού ελευθερίας, ενώ η δεύτερη είναι μια απλοποιητική θεώρηση θεμελιολωρίδας και δεν περιλαμβάνει τις θετικές επιδράσεις του τρισδιάστατου χώρου όπως η επιπρόσθετη επιφάνεια των πλευρικών τοιχωμάτων και οι συνθήκες τριαξονικότητας.

Βάσει των παραπάνω, γίνεται πλήρης τρισδιάστατη ανάλυση του θεμελίου με τα πλευρικά ελάσματα και συνθήκες πλήρους επαφής, όπου αξιολογούνται αποτελέσματα και απλοποιητικές μαθηματικές εκφράσεις της βιβλιογραφίας. Ακόμα, γίνεται και θεώρηση των διεπιφανειών και μελετάται η επίδρασή τους στην ενδεχόμενη απομείωση της αντοχής της θεμελίωσης. Επίσης, μελετώνται οι διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας και οι επιπτώσεις που αυτοί έχουν στις απλοποιητικές θεωρήσεις όπως ότι όλη η φόρτιση μεταφέρεται στο επίπεδο έμπηξης.

Δυσκαμψία Συστήματος

Ενώ έχουν διατυπωθεί διάφορες σχέσεις για τις δυσκαμψίες επιφανειακών θεμελιώσεων ή κανονικών φρεάτων, η δυσκαμψία των κοίλων φρεατοθεμελιώσεων δεν έχει λάβει επαρκή προσοχή. Σημαντικό στοιχείο είναι ότι το πάχος των ελασμάτων της θεμελίωσης φυσικά αλλάζει την δυσκαμψία αυτή. Έτσι, διερευνάται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων στην ελαστική δυσκαμψία της θεμελίωσης και εξάγονται απλοποιητικές σχέσεις για τον υπολογισμό της.

Ακόμα, μελετάται η επίδραση της υλικής (αστοχία του εδάφους) και γεωμετρικής (ολίσθηση - αποκόλληση) μη γραμμικότητας στην απομείωση της δυσκαμψίας του συστήματος και παράγονται αντίστοιχα διαγράμματα για τον προσεγγιστικό υπολογισμό της απομείωσης αυτής.

Ανακυκλική και Σεισμική Φόρτιση

Οι ανεμογεννήτριες στη θάλασσα υπάγονται σε εκατομμύρια κύκλων φόρτισης κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Η επίδραση που έχει ο μεγάλος αριθμός κύκλων στην απόκριση του συστήματος δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς. Έτσι, μελετάται το πλήρες σύστημα για 2 τάξεις ανεμογεννητριών - 2 MW και 3.5 MW - σε μονοτονική και ανακυκλική φόρτιση λίγων αλλά και πολλών κύκλων με σκοπό να δειχθεί η επιρροή της φόρτισης προς μία κατεύθυνση στις παραμένουσες στροφές και μετατόπισεις της κορυφής της ανεμογεννήτριας. Ακόμα, γίνεται μια προσπάθεια να δειχθεί από τους πρώτους κύκλους με αρκετή ακρίβεια η επιρροή στις τελικές στροφές στο τέλος της ζωής της ανεμογεννήτριας.

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 του Northridge (1994), 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 ηλετρομηχανολογικές δυσλειτουργίες αλλά και να συντονίσει τις λεπίδες και έτσι να οδηγήσει σε περαιτέρω προβλήματα.

Over the past few decades the development of Renewable Energy Sources (R.E.S.) has become the subject of interest for civil engineers. Specifically, the European Union has proclaimed that member-states should produce at least 20% of their energy via R.E.S. Particularly, the development of wind parks has seen a great increase, especially at the sea.

The cost of offshore wind turbines is by all means not negligibly (approx. € 1.8 - 2 mil. / MW) and their support may comprise up to 35% of that cost. The size of the cost is attributed to the difficulties in the installation of the foundation, which is in most cases a monopile with a length of at least 20 m and their driving requires very expensive machines.

An alternative support to the monopiles 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.

The subject of this thesis is the analysis of skirted foundations as support solutions for offshore wind turbines. To this end, it consists of three main sections:

1. the bearing capacity of suction caissons under combined loading 2. the stiffness of the soil-foundation system in the small-strain (elastic) domain and under a large-displacement regime 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 as well as an increasing undrained shear strength profile. Moreover, apart from the consideration of full contact between the soil and skirts, sliding and subsequent detachment is also investigated.

Bearing Capacity

Skirted foundations in the literature have been examined mainly either as surface footings with the soil strength at the skirt tip level or under plane strain conditions. The former assumption fails to take into account the coupling between the horizontal and rotational degree of freedom and the latter doesn't consider the beneficial effects of the three-dimensional space such as the additional sidewall surface and the triaxial effect.

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. Furthermore, the failure mechanisms that form when the system reaches its capacity are also examined.

System Stiffness

The stiffness of skirted foundations, contrary to other types of foundations, hasn't received enough attention in the international literature. A very important fact is that the skirt thickness and length naturally affect the value of the total system stiffness. Therefore, the effect of different parameters to the elastic stiffness of the soil-foundation system is investigated and simplified expressions are derived for its estimation.

What's more, the effects of material and geometrical nonlinearities in the reduction of the system stiffness are also examined and relative charts for the approximate calculation of this reduction are produced.

Cyclic and Seismic Loading

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 two turbine classes - 2 MW and 3.5 MW - under monotonic and cyclic loading of few and many cycles with the purpose of managing to estimate from the first few cycles the rotation of the wind turbine at the end of its lifetime with satisfactory accuracy.

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 Northridge (1994) 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 problems.