Σύγκριση στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς μεταξύ πύργων ανεμογεννητριών από χάλυβα και σύνθετα υλικά

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση και διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός πύργου από σύνθετα υλικά (Graphite/Epoxy) και ενός πύργου από χάλυβα S355 ύψους 50m, με τη χρήση του προγράμματος SOFiSTiK. Πραγματοποιήθηκε ιδιομορφική ανάλυση, έλεγχος αστοχίας του υλικού και ευστάθειας του κάθε φορέα υπό την επίδραση του δυσμενέστερου συνδυασμού φορτίσεων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται αναλυτικά και γραφικά ενώ στο τέλος της εργασίας εξάγονται τα συμπεράσματα της έρευνας. Στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικές πληροφορίες σχετικά με τις ανεμογεννήτριες, τα μέρη από τα οποία αποτελούνται και τους πύργους που τις στηρίζουν. Περιγράφεται η συμπεριφορά των σωληνωτών FRP κατασκευών καθώς και διάφορες προσπάθειες κατασκευής πύργου από σύνθετα υλικά. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά του ανέμου, που αποτελεί την κυρίαρχη φόρτιση στους πύργους ανεμογεννητριών. Στο 3ο κεφάλαιο περιγράφεται η γεωμετρία του φορέα και τα χαρακτηριστικά του. Παρουσιάζεται το υλικό που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για κάθε πύργο της ανεμογεννήτριας, οι ιδιότητές του και ο τρόπος κατασκευής του. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφονται και υπολογίζονται τα φορτία τα οποία ασκούνται απευθείας στον υπό εξέταση πύργο και εκείνα τα οποία μεταφέρονται από τη τουρμπίνα στην κορυφή του πύργου. Ακόμη περιγράφονται τα φορτία σεισμού και τα φορτία κόπωσης. Τέλος, δίνονται συγκεντρωτικά οι τιμές σχεδιασμού αυτών των φορτίων και οι συνδυασμοί των φορτίσεων. Στο 5ο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία της μοντελοποίησης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και η εισαγωγή των δεδομένων στο πρόγραμμα SOFiSTiK. Παρατίθενται αναλυτικά τα βήματα που ακολουθήθηκαν για την εισαγωγή της γεωμετρίας του φορέα, τον καθορισμό του υλικού, την επιβολή των συνοριακών συνθηκών και την εφαρμογή των φορτίων. Στο 6ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της στατικής και ιδιομορφικής ανάλυσης για κάθε φορέα για το δυσμενέστερο συνδυασμό φορτίσεων. Στο 7ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας καθώς και ιδέες για μελλοντική έρευνα.

The main purpose of the present thesis is the modeling and study of the structural behavior of two wind towers 50m high (one made from steel S355 grade and one made from FRP materials – graphite/epoxy) with the aid of SOFiSTiK FE Analysis software. A static and dynamic analysis as well as material failure and stability check at limit state conditions is conducted. The results are presented both analytically and graphically and interesting conclusions are drawn. In Chapter 1, an introduction to the basic concepts of wind turbines, their consisting parts and wind towers is presented. The behavior of FRP tubular structures and an attempt to construct wind towers made from FRP composite materials is described. In Chapter 2, we analyze the main characteristics of the wind loading, which is the dominant load in wind turbine towers. In Chapter 3, the geometry of the structure and its characteristics are presented, as well as material properties and construction methods for each wind tower. In Chapter 4, the loads applied directly to the tower as well as those transferred from the turbine at the top of the tower are analyzed and calculated. Moreover, earthquake and fatigue loads are given. Finally, the aggregated values of the above design loads and combinations of loads are presented. In Chapter 5, the modeling process using the finite element method and the data entry procedure in the program SOFiSTiK is described i.e., the steps to enter geometry and material data for the structure as well as the boundary conditions and the applied loads. In Chapter 6, results from the static and dynamic analysis for the most unfavorable combination of loads are presented for each structure. In Chapter 7, interesting conclusions and ideas for future research are presented.