Analiza posadowienia turbin wiatrowych Adam Zaremba, Daniel Dalak Menard Polska sp. z o.o. Złożoność konstrukcji turbin wiatrowych oraz jej praca w warunkach obciążeń cyklicznych wymaga przeprowadzenia odpowiednich obliczeń, które wymuszają przyjęcie poprawnego modelu geotechnicznego podłoża gruntowego z odpowiednio dobranymi parametrami gruntów. Parametry opisujące właściwości mechaniczne oraz odkształceniowe gruntu, przyjęte do analizy posadowienia, powinny w sposób realny odwzorowywać zachowanie się podłoża gruntowego podczas zmiennego obciążenia konstrukcją. Oszacowanie nośności podłoża metodami analitycznymi, opartymi na zasadach teorii równowagi granicznej, w większości przypadków nie sprawia trudności, natomiast analiza przemieszczeń konstrukcji wymaga wykorzystania zaawansowanych metod. Podstawowe rozwiązania szacowania przemieszczeń budowli opierają się na metodzie odkształceń jednowymiarowych lub na metodzie odkształceń trójwymiarowych w półprzestrzeni sprężystej zgodnie z [1, 2, 3]. Niestety, metody te w dosyć uproszczony sposób charakteryzują odkształcalność ośrodka gruntowego. Rzadziej wykorzystywane propozycje szacowania osiadania konstrukcji posadowionej na gruncie oparte są na teorii Boussinesqa, Janbu, Buismanna i Ladda, i in. W niniejszym artykule przedstawiono metodologię rozwiązywania zagadnienia posadowienia turbiny wiatrowej od wstępnej analizy dla posadowienia bezpośredniego do szczegółowego modelowania wzmocnienia podłoża. Badania podłoża gruntowego Zgodnie z rozporządzeniem [4, 4. 1 Pkt 3b i 3c] oraz [5] turbiny wiatrowe można opisać, jako nietypowe obiekty budowlane niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników lub których Rys. 1. Schemat zmiany naprężeń pod fundamentem turbiny wiatrowej Analiza zagadnień geotechnicznych jest procesem złożonym, wymagającym uwzględnienia geometrii konstrukcji, zmienności przekazywanych oddziaływań w czasie, etapowania procesu budowlanego oraz wieloaspektowego zachowania ośrodka gruntowego. Odpowiednio zaprojektowane wzmocnienie podłoża gwarantuje bezpieczne i ekonomiczne rozwiązanie problemu posadowienia elektrowni wiatrowych projekty budowlane zawierają nieznajdujące podstaw w przepisach nowe niesprawdzone w krajowej praktyce rozwiązania techniczne. Obiekty tak scharakteryzowane zaliczane są do trzeciej kategorii geotechnicznej, co narzuca wykonanie szczegółowych badań geotechnicznych, dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz projektu geotechnicznego zgodnie z [2, 4]. W rozporządzeniu [4] został przedstawiony ogólny zakres badań, jakie należy wykonywać podczas projektowania posadowień np. turbin wiatrowych. Zaleca się przeprowadzać badania polowe do głębokości około 1,5 średnicy fundamentu. Przykładowe badania podłoża gruntowego, jakie należy wykonać w celu odpowiedniego zaprojektowania posadowienia turbiny wiatrowej, to: 1 2 odwierty; 1 3 sondowania, pozwalające określić parametry wytrzymałości oraz sztywności gruntu w stanie in-situ np.: sondowania CPTU, sondowania DMT, badania z wykorzystaniem presjometru Menard, sondowania sondą dynamiczną (dla gruntów niespoistych), sondowania sondą krzyżakową do określenia niedrenowanej wytrzymałości na ścinanie w warunkach in-situ; badania in-situ do określenia sztywności gruntów w zakresie małych odkształceń: sondowania SCPTU, sondowania SDMT; pobór próbek NNS do badań laboratoryjnych. Na podstawie badań polowych oraz laboratoryjnych powinny zostać wyznaczone następujące parametry, potrzebne do poprawnego zaprojektowania posadowienia konstrukcji: rodzaj gruntu z podziałem na warstwy litologiczne; maksymalny poziom zwierciadła wód gruntowych; parametry wiodące uzyskane z sondowań, np. q c ; efektywne parametry wytrzymałościowe gruntu; parametry wytrzymałościowe gruntu w warunkach bez drenażu; parametry odkształceniowe gruntów: moduł odkształcenia gruntu E dla zakresu odkształceń (10-2 > >10-3 ), 46 październik - grudzień 4 / 2015 [53]
geoinżynieria drogi mosty tunele moduł ścinania gruntu G dla zakresu odkształceń (10-2 > > 10-3 ), współczynnik Poissona dla sytuacji krótkotrwałej i długotrwałej, moduł odkształcenia gruntu E max dla zakresu odkształceń (10-5 > >10-6 ), moduł ścinania gruntu G max dla zakresu odkształceń (10-5 > >10-6 ). W tab. 1 przedstawiono przykład dokumentacji podłoża gruntowego. Należy zwrócić uwagę, że ilość oraz jakość badań na przedstawionej farmie wiatrowej była odpowiednia, ponieważ dla każdej turbiny wykonano sondowania CPTU oraz dla kilku wybranych lokalizacji sondowania SCPTU. Niestety interpretacja wyników zaprezentowanych w tab. 1 z wprowadzonymi parametrami gruntów pozostawia wiele do życzenia. W szczególności należy zwrócić uwagę na wstawienie do tabeli z parametrami geotechnicznymi dwóch wartości edometrycznych modułów ściśliwości dla tej samej warstwy, które różnią się od siebie o ponad 200%. Pomimo wykorzystania nowych metod badań polowych, parametry określono na podstawie stopnia plastyczności I L z normy PB-81/B-03020, które nie korelują się z testami polowymi. Niestety, w dużej mierze na etapie projektu budowlanego rodzaj posadowienia wyznacza konstruktor, który niekoniecznie musi posiadać dużą wiedzę geotechniczną, a nie jest respektowane rozporządzenie [4], które wymusza włączenie do procesu budowlanego uprawnionego geotechnika, który przygotuje opinię geotechniczną czy projekt geotechniczny. Przeprowadzona analiza osiadania turbiny dla wartości modułu w warstwie IIIC1 (rys. 2), określonej na podstawie stopnia plastyczności I L, wykazała niewielkie przekroczenie stanu granicznego użytkowania (SGU) o 10%, natomiast dla modułów wyznaczonych z badań CPTU i DMT SGU został on przekroczony o 75%. W przypadku posadowienia nietypowych konstrukcji budowlanych należy odchodzić od wyznaczania parametrów gruntów za pomocą normy PB-81/B-03020 i wyznaczania ich na podstawie stopnia zagęszczenia i plastyczności, gdyż mogą one prowadzić do błędów projektowych. Obecnie na polskim rynku jest bardzo wiele firm dysponujących sondami CPTU i DMT oraz laboratoriami geotechnicznymi, dlatego wykonanie takich badań nie stanowi problemu. Należy pamiętać, że za badania gruntu o niskiej jakości i tak trzeba będzie zapłacić, ponieważ mają one bezpośrednie przełożenie na wartość zaprojektowanego posadowienia fundamentu, jak i jego konstrukcję. Mniejszym złem jest sytuacja, gdy konsekwencją słabego rozpoznania jest przewymiarowanie konstrukcji. Gorzej jest jednak wówczas, kiedy fundament jest niedoszacowany i powstaje zagrożenie katastrofą budowlaną. Na rys. 2 przedstawiono porównanie wyników badania DMT, CPT oraz modułu z normy PB-81/B-03020. Pomiary z badania DMT potwierdziły wielkości oszacowane na podstawie sondowania sondą statyczną. Badania pokazały również kolejną wadę przyjmowania parametrów na podstawie I L. Mianowicie warstwa IIIC1, przedstawiona na przekroju, ma miąższość około 8 m. Opisanie tej warstwy jednym parametrem I L skutkuje przyjęciem jednej wartości modułu dla całej warstwy, co nie do końca jest prawdą przedstawia to wykres z badania DMT. Tab. 1. Parametry gruntów z przykładowej dokumentacji Rys. 2 Przekrój geologiczny oraz moduł odkształcenia wyznaczony z badania DMT i CPTU Zakres projektu geotechnicznego posadowienia fundamentu turbiny wiatrowej Ze względu na charakter konstrukcji oraz trzecią kategorię geotechniczną wymagane jest przygotowanie projektu geotechnicznego zgodnie z [4] oraz wytycznymi producenta turbiny. Kształt oraz wielkość fundamentu określa projektant konstrukcji na podstawie analizy statycznej. Wymiarującym kryterium [9] jest brak odrywania fundamentu dla obciążeń charakterystycznych od oddziaływań DLC QP (quasi-permanent loads combination). Niniejszy warunek należy spełnić przy posadowieniu bezpośrednim. W przypadku posadowienia głębokiego trzeba zapewnić dla tej kombinacji brak sił wyciągających w palach. Wytyczne [7] oraz normy [2, 6 i 11] określają zakres dopuszczalnego odrywania dla pozostałych kombinacji. Konieczne jest też uwzględnienie wszystkich oddziaływań destabilizujących (np. wypór wody) oraz odpowiednich współczynników obliczeniowych. Należy podkreślić rangę sprawdzania warunku dynamicznej sztywności obrotowej fundamentu. Analiza ta ma na celu wykluczenie nakładania się na siebie drgań przekazywanych z turbiny oraz częstotliwości drgań własnych stopy fundamentowej w ten sposób sprawdzany jest warunek rezonansu. Niespełnienie tego kryterium prowadzi do diametralnego wzrostu przemieszczeń, czego konsekwencją może być zniszczenie konstrukcji. październik - grudzień 4 / 2015 [53] 47
Metoda analizy A B C Wady Mało dokładna Ograniczona możliwość analiz Wymaga uproszczeń w modelu gruntu Pracochłonna i czasochłonna Wymaga drogiego i skomplikowanego w obsłudze oprogramowania Wymaga specjalistycznych badań gruntowych Tab. 2. Charakterystyka podejść obliczeniowych Zalety Bazuje na standardowych parametrach gruntowych Szybka i łatwa metoda Nie wymaga specjalistycznego sprzętu Pewna metoda sprawdzenia pierwszego stanu granicznego Mała dokładność w analizie przemieszczeń Dokładność wystarczająca do standardowych analiz Oprogramowanie ogólnie dostępne Wymagane standardowe parametry gruntowe Dobra dokładność w analizie przemieszczeń Bardzo dokładna Możliwość modelowania skomplikowanych układów grunt wzmocnienie podłoża i warunków brzegowych Bardzo dobra dokładność w analizie przemieszczeń Sposób prowadzenia analizy posadowienia fundamentu W zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, posiadanych badań podłoża gruntowego, dostępności specjalistycznego oprogramowania oraz wiedzy można wyróżnić trzy metody prowadzenia analizy posadowienia fundamentów turbin wiatrowych: A. wzory empiryczne; B. standardowe programy inżynierskie, dające możliwość analizy konstrukcji, charakteryzujące grunt jak podłoże sprężyste; C. metoda elementów skończonych specjalistyczne oprogramowanie służące do szczegółowej analizy oddziaływań konstrukcja grunt w przestrzeni 2D i 3D. Analiza typu A dla fundamentu posadowionego bezpośredniego Sprawdzenie nośności podłoża należy wykonać zgodnie z obowiązującymi normami lub własną metodyką, uwzględniając redukcję nośności ze względu na obciążenia cykliczne. Wartość współczynnika redukcyjnego można przyjąć na podstawie normy PN 80/B-03040 [6] lub wg literatury fachowej. Posiłkując się Eurokodem 7 [2], ze względu na zmienny charakter obciążeń dla gruntów spoistych, nośność graniczną oblicza się dla warunków bez odpływu z zależności: R k 2 c u bc sc ic q, (1) A' A efektywne obliczeniowe pole powierzchni fundamentu, c u wytrzymałość gruntu na ścinanie bez odpływu, q naprężenie od nadkładu lub obciążenia w poziomie podstawy fundamentu. Dla gruntów niespoistych przeprowadzamy analizę z rozproszeniem nadwyżki ciśnienia wody w porach (warunek z odpływem) [2]: R k c' N c bc s c ic q' N q bq sq i q 0,5 ' B' N b s i, (2) A' A efektywne obliczeniowe pole powierzchni fundamentu, c spójność efektywna gruntu, q naprężenie od nadkładu lub obciążenia w poziomie podstawy fundamentu, obliczeniowy efektywny ciężar objętościowy gruntu (do głębokości B). Ze względu na to, że warunek pierwszego stanu granicznego w większości sytuacji nie jest warunkiem wymiarującym, do jego estymacji można wykorzystać podstawowe programy obliczeniowe, używane do obliczeń standardowych fundamentów. W momencie niewystarczającej nośności podłoża gruntowego nie jest konieczna analiza przemieszczeń fundamentu na podłożu niewzmocnionym. Kolejnym krokiem w metodzie A jest analiza warunku dopuszczalnych osiadań różnicowych fundamentu. W większości przypadków kryteria przechyłki, jakie musi spełnić fundament, określane są przez producenta turbiny, natomiast zakres odrywania powinno się przyjmować wg obowiązujących wytycznych krajowych i praktyk inżynierskich. Należy tu podkreślić, że analiza przemieszczeń metodą A dla fundamentów turbin wiatrowych obciążonych mimośrodowo daje niedokładne wyniki. Producenci turbin w większości przypadków podają dopuszczalne osiadania różnicowe równe S < 3,0 mm/m. Ze względu na nierównomierny rozkład obciążeń wymiarowanie osiadań różnicowych metodą analityczną może być niedokładne. Jednakże do tego celu można się posłużyć zależnością [1]: 2 1 0 Q e0 tg, (3) 3 E0 r kąt przechyłki fundamentu, współczynnik zależny od zagłębienia stopy/fundamentu w podłożu, e 0 mimośród obciążeń, Q wypadkowa sił pionowych, 0 współczynnik Poissona gruntu, r promień fundamentu, E moduł odkształcenia gruntu rodzimego. Krytycznym warunkiem przemieszczeń konstrukcji są różnice osiadania. Warunek osiadań maksymalnych jest elementem, który nie jest wymiarujący przy projektowaniu tego typu konstrukcji. Sprawdzenie parametrów dynamicznych podłoża gruntowego ze względu na oddziaływania dynamiczne/cykliczne konstrukcji można wykonać na dwa sposoby. W pierwszym określamy minimalną sztywność dynamiczną fundamentu na podstawie kąta obrotu fundamentu wyznaczonego z analizy przemieszczeń: M obl knm C, dyn, (4) rad C,dyn wymagana sztywność dynamiczna fundamentu, kąt obrotu fundamentu, M obl moment przekazywany na fundament z konstrukcji. Drugą metodą oznaczenia sztywności dynamicznej dla fundamentu okrągłego jest zależność [11] dla podłoża jednorodnego: 3 8* Go * r k, dyn, (5) 3* (1 ) 48 październik - grudzień 4 / 2015 [53]
geoinżynieria drogi mosty tunele Rys. 3 4. Obciążenia transmitowane na wzmocnienie podłoża w technologii kolumn CMC [13] dla różnych wariantów obciążeń. Jak widać, wzrost momentu zginającego powoduje, że duża część wzmocnienia znajduje się poza strefą naprężeń ściskających. Na tej podstawie uzyskujemy maksymalne obciążenia na pojedynczą kolumnę. Wartości te są potrzebne do określenia minimalnej długości kolumny. W przypadku, gdy SGN jest spełniony dla fundamentu posadowionego bezpośrednio, nie jest wymagane wyznaczanie nośności pojedynczej kolumny. Nośność zewnętrzną oraz długość kolumn należy wyznaczyć zgodnie z obowiązującymi normami i wytycznymi. Na rys. 4 przedstawiono wyniki obliczeń podatności kolumn CMC. Wzmocnienie podłoża w technologiach podatnych (np. kolumny SC lub DSM) można analizować jak fundament posadowiony na jednorodnym podłożu o uśrednionych parametrach. r promień fundamentu, pomierzony współczynnik Poissona gruntu, G o dyn minimalny dynamiczny moduł ścinania gruntu na podstawie badań. Dla metody A jest to zdecydowanie lepsze rozwiązanie ze względu na eliminację nieprecyzyjnych obliczeń osiadań różnicowych, ale wymagane są badania SDMT lub SCPT w celu wyznaczenia modułu G o dyn. Analiza typu A dla fundamentu posadowionego na wzmocnionym podłożu W przypadku, gdy mamy do czynienia z podłożem o niewystarczającej nośności lub zbyt dużej odkształcalności, zaleca się wykonanie wzmocnienia podłoża pod fundamentem. Alternatywą do wzmocnienia podłoża jest wykonanie pali połączonych z fundamentem. Jest to rozwiązanie droższe, ponadto mniej bezpieczne ze względu na cykliczne zmiany obciążeń w palach. W zależności od przyjętej technologii wzmocnienia podłoża gruntowego można wykonać dwa typy analizy. Dla wzmocnienia charakteryzującego się wysoką sztywnością, np. kolumny CMC, optymalna jest analiza fundamentu oparta na sztywnych podporach. W metodzie typu A dla sztywnego podparcia bardzo trudno jest wykonać analizę wspólnej pracy wzmocnienia podłoża oraz gruntu rodzimego. Na rys. 3 przedstawiono wykresy oraz tabelę sił przypadających na kolumny CMC pod fundamentem Analiza typu B Podłoże sprężyste, zwane inaczej podłożem winklerowskim lub podłożem Zimmermanna, opisuje się zależnością [1] s k z, (6) naprężenie przekazywane na podłoże, k z współczynnik sprężystości podłoża mierzony w MPa/m o stałej wartości dla rozważanego podłoża, s osiadanie w bieżącym punkcie. Związek ten oznacza, że odkształcenie podłoża następuje tylko tam, gdzie działa obciążenie. Podłoże takie można rozważać jako układ niezmiernie dużej ilości sprężyn o jednakowym współczynniku sprężystości k z. Analizę typu B zaleca się stosować do szacowania przemieszczeń fundamentów dla prostych i złożonych warunków gruntowych zgodnie z [4]. Aby rzetelnie oszacować współpracę elementów wzmacniających z otaczającym podłożem, należy oszacować podatność gruntu pomiędzy kolumnami. Metod obliczeń podatności podłoża gruntowego jest wiele. W wytycznych [14] podano zależność do szacowania tego parametru na podstawie miąższości warstwy i modułu odkształcenia. Kolejnym sposobem do wyznaczania tego parametru jest przekształcenie wzoru (6) przy wcześniejszym obliczeniu przemieszczeń podłoża analizą typu A dla posadowienia bezpośredniego. Podatność kolumn możemy uzyskać z analizy nośności zgodnie z rys. 4. Obecnie oprogramowanie pozwala modelować podpory punktowe o nieliniowej charakterystyce podatności, niestety nie ma tej funkcji w opisie podatności gruntu pomiędzy podporami. Implementacja podpór o nieliniowej podatności pozwala dokładnie odwzorować przemieszczenia konstrukcji w zależności od sytuacji obliczeniowej. Podobnie jak w metodzie A, w zależności od różnicy sztywności pomiędzy elementem wzmacniającym podłoże gruntowe, stosujemy dwa podejścia modelowania. Dla wzmocnienia technologii np. kolumn CMC, gdzie sztywność ośrodka gruntowego jest znacznie mniejsza od sztywności kolumn, nie zaleca się uśredniania parametrów zmodyfikowanego podłoża. Optymalna jest implementa- październik - grudzień 4 / 2015 [53] 49
Hardening Soil small, Linear Elastic. Metoda ta pozwala nie tylko na dokładne zaimplementowanie geometrii konstrukcji, ale przede wszystkim na zastosowanie modeli gruntowych, które w bardzo dokładny sposób odwzorowują pracę ośrodka gruntowego wraz z elementami wzmacniającymi. Przykładowe zastosowanie analizy współpracy grunt konstrukcja z uwzględnieniem przestrzennej współpracy ww. elementów przedstawiono na rys. 8. Podsumowanie i wnioski Projektowanie posadowień fundamentów turbin wiatrowych jest zagadnieniem skomplikowanym. W związku z nowym rozporządzeniem z dnia 27 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalenia geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych, elektrownie wiatrowe należy zakwalifikować do III kategorii geotechnicznej jako obiekty energetyki. Powoduje to, że projektując posadowienie tego rodzaju obiektów, należy zwrócić uwagę na dane otrzymywane do projektowania, a w szczególności na jakość oraz rodzaj badań ośrodka gruntowego. Ze względu na złożoność zagadnień statycznych i dynamicznych ww. konstrukcji, rolą projektantów oraz środowiska geotechnicznego jest zwracanie uwagi inwestorów na problematykę związaną z badaniami podłoża gruntowego, które stanowią materiał wejściowy projektowania posadowień fundamentów wież wiatrowych. Odpowiednio zaprojektowane wzmocnienie podłoża gwarantuje bezpieczne i ekonomiczne rozwiązanie problemu posadowienia. Rys. 5. Schemat pracy fundamentu zamodelowanego na podłożu sprężystym Rys. 6 Wyniki przemieszczeń fundamentu oraz sił w kolumnach CMC Rys. 7 Strefy zwiększonej sztywności podłoża wzmocnieniem podłoża oraz rozkład odporu gruntu pod fundamentem Rys. 8 Przekrój modelu oraz rezultaty przemieszczeń fundamentu posadowionego na kolumnach DSM cja z zastosowaniem realnych sztywności gruntu i wzmocnienia w celu wyznaczenia koncentracji naprężenia w kolumnach. Na rys. 6 przedstawiono wyniki analizy dla takiej sytuacji. Dla wzmocnienia w technologiach podatnych optymalne jest modelowanie dwóch lub więcej podatności podłoża, w zależności od lokalizacji pod fundamentem. Na rys. 7 przedstawiono rozkład podatności podłoża pod fundamentem oraz mapę odporów gruntu. W metodzie B sprawdzenie warunku sztywności obrotowej wykonuje się na podstawie wzoru (3), sprawdzając, czy oszacowana wartość jest większa od dopuszczalnej. Analiza typu C Analiza typu C polega na wykorzystaniu Metody Elementów Skończonych oraz nowoczesnego oprogramowania komputerowego, umożliwiającego dokładne odwzorowanie pracy konstrukcji w warunkach normalnych. Materiał implementowany w modelu opisywany jest następującymi modelami matematycznymi: Coulomba-Mohra, Literatura [1] Wiłun Z.: Zarys geotechniki, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2005. [2] PN-EN 1997 1 EUROKOD 7, Projektowanie geotechniczne. Część 1: zasady ogólne. [3] Polska Norma PN 83/B 03020, Posadowienie bezpośrednie budowli. [4] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 25 kwietnia 2012 r. ws. ustalania geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych. [5] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. ws. przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko. [6] PN-B-03040: 1980 Fundamenty i konstrukcje wsporcze pod maszyny -- Obliczenia i projektowanie. [7] Working group on Wind Turbine Foundations, Recommendations for the design, calculation, installation and inspection of wind-turbine foundations, July 5, 2011. [8] International Standard IEC 61400-1. [9] Zaremba A.: Modyfikacja podłoża gruntowego w świetle posadowienia turbin wiatrowych. [10] PN-EN 1997 2: Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne Część 2: Rozpoznanie i badanie pod-łoża gruntowego. [11] Zaremba A., Modyfikacja podłoża gruntowego na potrzeby posadowienia turbin wiatrowych projektowanie, Seminarium IBDiM i PZWFS, Warszawa, 6 marca 2014, WZMACNIA- NIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW 2014. [12] Guideline for the Certification of Wind Turbines. 2nd Edition. Det Norske Veritas, Copenhagen (Wind.Turbine.Certification@dnv.com) and Wind Energy Department, Risø National Laboratory (Certification@risoe.dk) 2002. [13] Materiały wewnętrzne firmy MENARD Polska. [14] EBGEO 2010. 50 październik - grudzień 4 / 2015 [53]
geoinżynieria drogi mosty tunele październik - grudzień 4 / 2015 [53] 51