Tuulivoimalan gravitaatioperustuksen parametrinen optimointi

Abstract

Tässä opinnäytetyössä käsitellään maanvaraan perustettavien tuulivoimaperustusten mitoittamista ja niiden rakenteiden optimointi mahdollisuuksia algoritmi avusteisesti. Suunnittelu ja optimointi toteutetaan Eurokoodin ja kansainvälisen sähköteknisen komission suunnitteluohjeiden mukaan. Opinnäytetyössä ei ole tarkoitus luoda valmista laskentapohjaa perustuksen optimoinnille, vaan selvittää perusteet laskentapohjan toteutukselle.

Tuulivoimalan gravitaatioperustus rakennetaan pohjamaan päälle tehtävän maantäytön varaan. Gravitaatioperustukset ovat rakenteeltaan massiivisia betonirakenteita, joiden suuri vakauttava pystykuormitus kumoaa voimalalta tulevien kaatavien voimien vaikutuksen. Gravitaatioperustuksessa on oleellista, että perustukselle tulevat kuormat voidaan siirtää hallitusti maaperälle siten, että maaperän kantavuutta ja stabiliteettia ei ylitetä. Opinnäytetyössä ei tutkita maaperän parametreja tai kantavuuksia, vaan opinnäytetyössä käsitellään ainoastaan betonisen perustuksen mitoitusta ja optimointia.

Tuulivoimalasta perustukselle tulevista kuormista aiheutuu perustukselle pääasiassa kaatavia voimia, jotka muodostavat perustukseen veto- ja puristuskuormia. Kuormat hallitaan yleisesti perustuksen kokoa kasvattamalla ja betonissa olevan harjateräksen määrää kasvattamalla. Perustuksen suunnittelussa on mahdollista vaikuttaa betoni- ja teräsmateriaalien menekkiin muokkaamalla perustuksen poikkileikkauksen dimensioita. Paksuntamalla perustusta saadaan usein vähennettyä tarvittavan teräksen määrää, mutta samalla tämä lisää betonin menekkiä. Perustuksen liiallinen paksuntaminen ja halkaisijan pienentäminen johtavat jossain vaiheessa siihen, että maaperän kantavuus ylitetään ja perustus ei ole enää stabiili.

Tuulivoimala kokee käyttöikänsä aikana useita erilaisia kuormitussyklejä, jotka aiheuttavat väsymistä perustuksen rakenteissa. Tuulivoimaperustuksen mitoituksessa on edellä mainitusta syystä tarkasteltava myös rakenteiden väsymiskestävyys.

Optimoinnilla pyritään hakemaan mahdollisimman kustannustehokas perustuksen poikkileikkaus siten, että mitoitukseen liittyvät ohjeistukset täyttyvät. Mahdollisuuksien mukaan optimoinnin vertailuperusteeksi voidaan myös asettaa muita oletuksia kuin kustannus, kuten esimerkiksi materiaalien ilmastovaikutukset.

This thesis considers the dimensioning and optimization of gravity based onshore wind turbine foundations. Design and optimization are conducted according to the design guidelines of the Eurocode and the International Electrotechnical Commission.

The gravity foundations of wind turbines are built on top of the subsoil. Gravity foundations are massive concrete structures whose large stabilizing vertical load cancels the effect of the overturning forces from the power plant. In a gravity foundation, it is essential that the loads on the foundation can be transferred to the soil in a controlled manner, so that the soil's bearing capacity and stability is not exceeded. The thesis does not examine soil parameters or soil bearing capacities, only the dimensioning and optimization of the concrete foundation is presented in the thesis.

The governing load from the wind turbine to the foundation mainly consist of the overturning moment of turbine. Due to the high overturning moment, there is formed tensile and compressive loads on the foundation. Loads are generally controlled by increasing the size of the foundation and increasing the amount of steel in the concrete. In the design of the foundation, it is possible to influence the quantity of concrete and steel materials by changing the cross-sectional dimensions of the foundation. Thickening the foundation often reduces the required amount of steel, but this increases the costs of concreting. Excessive thickening of the foundation and reduction of the diameter lead at some point to the fact that the bearing capacity of the soil is exceeded, and the foundation is no longer stable.

Wind turbines experience several different load cycles during their lifetime, which cause fatigue in the foundation structures. In the designing of the wind turbine foundations, the fatigue resistance of the structures must be considered due to the cyclic loads from tower.

The aim of the optimization is to find the most cost-effective cross-section of the foundation, so that the guidelines related to dimensioning are achieved. The optimization can be also made for other parameter, for example the climate effects of materials.