Αριθμητική Ανάλυση της θεμελίωσης θαλάσσιων ανεμογεννητριών με Μονοπασσάλους

Abstract

Ο σκοπός της εργασίας είναι η αριθμητική ανάλυση και ο σχεδιασμός θεμελιώσεων υπεράκτιων ανεμογεννητριών. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην μελέτη και πλήρη κατανόηση της απόκρισης του μονοπασσάλου υπό στατική και ανακυκλική φόρτιση. Τα τελευταία είκοσι χρόνια ο κλάδος της αιολικής ενέργειας έχει γνωρίσει ιδιαίτερη άνθιση μέσω των υπεράκτιων ανεμογεννητριών. Οι κατασκευές αυτές αποτελούν μια ιδιαίτερη κατηγορία καθώς είναι ένα σύστημα ελαφριά φορτισμένο με εξαιρετικά υψίκορμη ανωδομή που καλείται να αντέξει εκατομμύρια κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης λόγω των συνθηκών του φυσικού τους περιβάλλοντος. Το ερευνητικό ενδιαφέρον της εργασίας αφορά τους εμπηγνυόμενους μονοπασάλλους με λόγους έμπηξης L/D=4, 5, 6, 7. Στο πρώτο στάδιο της εργασίας καταγράφεται η φέρουσα ικανότητα του μονοπασσάλου υπό στατική και συνδυασμένη φόρτιση. Το σύνολο των αναλύσεων έγιναν για ομοιογενές αργιλικό έδαφος υπό αστράγγιστες συνθήκες και με θεώρηση μη-γραμμικοτήτων στην διεπιφάνεια εδάφους-θεμελίου. Ωστόσο, μελετήθηκε συγκριτικά και η επιρροή της ανομοιογένειας του εδάφους και της θεώρησης της πλήρους επαφής μεταξύ εδαφικών στοιχείων και μονοπασσάλου. Στην συνέχεια, αναλύθηκαν και καταγράφηκαν η οριζόντια μετακινησιακή και στροφική δυσκαμψία του μονοπασσάλου, καθώς και η επίδραση της ενδοσιμότητας του εδάφους στην ιδιοπερίοδο της κατασκευής. Ιδιαίτερης σημασίας ήταν η ανάλυση της ανακυκλικής φόρτισης της κατασκευής. Μελετήθηκαν τρεις συνδυασμοί φόρτισης δυνάμεων ανέμου και κυμάτων για τις τρεις πιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις ανεμογεννητριών 2ΜW (μικρή), 3.5 ΜW (μέση), 5 ΜW (μεγάλη ανεμογεννήτρια). Επικεντρωθήκαμε κυρίως στην απόκριση της θεμελίωσης σε όρους ροπής, παραμένουσας στροφής και καθιζήσεων, καθώς και στην απομείωση της στροφικής δυσκαμψίας με την πάροδο των κύκλων. Προτάθηκε στην συνέχεια μια πρόβλεψη της παραμένουσας στροφής ύστερα από εκατομμύρια κύκλους φόρτισης.

The aim of the thesis is the numerical analysis and the design of foundations for offshore wind turbines. More specifically, the diploma thesis is focused on the investigation of the response of the monopile under static and cyclic loading. The last twenty years, wind energy industry has marked a significant boost mainly due to offshore wind turbines. The latter are a special group of structures, as they are very tall and light structures and they are strained with millions (or even billions) cycles of loading and unloading due to the natural conditions. The research was focused on driven plugged monopiles with slenderness ratios L/D=4, 5, 6 and 7. The first part of the thesis is dedicated to the bearing capacity of monopile under static and combined loading. The majority of the analyses were about homogeneous clay under undrained conditions, taking into account the non-linearity of the interface between the soil and the monopile. However, the cases of normally consolidated clay and of full contact between soil and monopile were investigated as well. Moreover, a study was conducted upon the horizontal and rocking stiffness of monopile and the period (T) of the structure, taking into account the soil-structure interaction. Finally, the investigation under cyclic loading was of great research interest. There were fully analyzed three cases of combined wind and wave loading for tree typical offshore wind turbines – 2MW (small), 3.5MW (medium) and 5 MW (large wind turbine). The results were displayed in terms of moment, accumulated rotation and sedimentation. It was also observed rocking stiffness degradation after many cycles. It was proposed a logarithmic estimation of the permanent rotation during wind turbines’ lifetime (20 years).