Ενίσχυση οπών ανθρωποθυρίδων σε χαλύβδινα κελύφη πυλώνων ανεμογεννητριών - Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση

Abstract

Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της αποδοτικότητας διαφόρων τύπων ενίσχυσης οπής ανθρωποθυρίδων χαλύβδινων κυλινδρικών πυλώνων ανεμογεννητριών και ο προσδιορισμός απαιτούμενων διαστάσεων των προτεινόμενων μορφών ενίσχυσης ώστε να επιτυγχάνεται αποδεκτή αντοχή του πυλώνα. Η διερεύνηση του προβλήματος έγινε με πειραματικές και αριθμητικές μεθόδους. Τα πειράματα οδήγησαν σε χρήσιμα συμπεράσματα ως προς την επίδραση της οπής στην αντοχή του κελύφους και την επιρροή της χρησιμοποιούμενης ενίσχυσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν επίσης για τη βαθμονόμηση των αριθμητικών προσομοιωμάτων πεπερασμένων στοιχείων με το εμπορικό πρόγραμμα ABAQUS από την οποία προέκυψε εξαιρετική σύγκλιση μεταξύ πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων σε ότι αφορά τους δρόμους ισορροπίας και μια πολύ καλή ποιοτική σύγκριση σε όρους παραμορφώσεων. Με μη γραμμικές αναλύσεις (GMNIA) βρέθηκε ότι απλές μορφές ενίσχυσης όπως το απλό πλαίσιο και ειδικότερα τα δυο διαμήκη ελάσματα με δακτύλιο είναι οι πλέον ενδεικνυόμενες. Τα βασικά πλεονεκτήματα της δεύτερης μορφής είναι δύο. Πρώτον, με αυτή τη μορφή απαιτείται μικρότερη ποσότητα χάλυβα για την επαναφορά της αντοχής ενός κελύφους με οπή στην αντίστοιχη αντοχή του πλήρους κελύφους. Δεύτερον, με μικρή επιπλέον επαύξηση του εμβαδού της ενίσχυσης, η αστοχία μεταφέρεται εκτός της περιοχής αυτής και πιο συγκεκριμένα πάνω από τον δακτύλιο.

Objective of this Ph.D. thesis is the study of the efficiency of various stiffening types of the manhole cut-out in steel wind turbine tower shells and the determination of the necessary dimensions of the proposed stiffening types so as to achieve an acceptable strength for the tower. For this purpose, the investigation of the problem is performed first experimentally and then numerically. Τhe experiments led to useful conclusions concerning the effect of the manhole to the strength of the shell as well as the effect of the stiffener considered. Τhe experimental results were used to validate the efficiency of the numerical simulation with the ABAQUS finite element software. Αfter calibration of the numerical models, an excellent agreement between experimental and numerical results was achieved in terms of load-displacement curves and a good qualitative comparison in terms of deformations. With nonlinear numerical analyses (GMNIA) it was found that simple stiffening types such as a simple frame and especially two stringers with a ring stiffener are the more efficient ones. The basic advantages of the second stiffening type are two. First, with this stiffening type less amount of steel is necessary in order to restore the strength of a shell with cut-out to that of the corresponding shell without cut-out. Second, with a small increase of the cross-section area of the stiffeners, failure is transferred outside the cut-out region, and more specifically above the ring.