Modyfikacja podłoża gruntowego w świetle posadowienia turbin wiatrowych (cz. I Wstęp Dywersyfikacja źródeł pozyskiwania energii elektrycznej jest problemem większości krajów rozwiniętych. Dąży się do redukcji wykorzystania energii wytwarzanej z paliw kopalnych na rzecz źródeł odnawialnych lub alternatywnie elektrowni atomowych. Spowodowane jest to ciągłym wzrostem kosztów energii produkowanej w tradycyjny sposób. Pomimo dużych nakładów finansowych na rozwój technologii eksploatacji surowców kopalnych, koszty wydobycia nadal rosną, a ilość dostępnych złóż maleje. Z badań wynika, że przy założeniu wydobycia na dzisiejszym poziomie zasoby paliw kopalnych wystarczą na 40 80 lat. Oznacza to, że już w tym stuleciu będziemy zmuszeni do wytwarzania energii w inny sposób niż dotychczas [1]. Ponadto w procesie produkcji emitowane są niebezpieczne związki, takie jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenek azotu, popioły lotne oraz wiele innych szkodliwych substancji trafiających do atmosfery, przyczyniających się do jej degradacji. Przykładowo największa w Polsce elektrownia węglowa w Kozienicach emituje do atmosfery następujące ilości niebezpiecznych związków [2]: cząstki stałe: około 7 ton rocznie, SO 2 : około 7 ton rocznie, tlenki azotu: około 137 ton rocznie. Jedną z alternatyw dla paliw kopalnych jest energetyka atomowa. Niestety pomimo wielu ekspertyz wykazujących, że pozyskiwana w tej Adam Zaremba Menard Polska sp. z o.o. Projektowanie fundamentów turbin wiatrowych pod względem konstrukcyjnym i geotechnicznym nie należy do prostych analiz. Ważne jest, aby na każdym etapie tego procesu osoby decydujące o zakresie badań geotechnicznych, wielkości konstrukcji oraz sposobie posadowienia były świadome konsekwencji swoich działań. W trakcie fazy doboru gabarytów fundamentów turbin wiatrowych wskazana jest współpraca projektanta konstrukcji z projektantem geotechnikiem technologii energia jest czysta nie jest ona akceptowana społecznie. Na rys. 1 przedstawiono, z jakim poparciem spotykają się poszczególne sposoby pozyskiwania energii w społeczeństwie Unii Europejskiej. Kraje rozwinięte odchodzą od dotychczasowych sposobów pozyskiwania energii na rzecz źródeł odnawialnych. Spowodowane jest to wzrostem świadomości społecznej dotyczącej ochrony środowiska oraz znaczącym postępem technicznym w tej dziedzinie. Według Europejskiej Agencji Środowiska (EEA [4] w 2011 r. aż 71,3% funduszy przeznaczonych na nowe źródła energii zostało zainwestowanych w energię odnawialną. Znaczenie energetyki wiatrowej w Polsce i na świecie Spośród wielu źródeł pozyskiwania energii odnawialnej to energetyka wiatrowa jest najbardziej eksploatowana, zarówno na świecie, jak i w Polsce [3]. Rys. 2 przedstawia strukturę odnawialnych źródeł energii w naszym kraju w 2010 r. Energia wiatrowa jest uważana za jedną z najczystszych, ponieważ podczas fazy eksploatacji turbin nie ma emisji czynników zanieczyszczających do atmosfery. Dodatkowym dowodem na szybki rozwój energetyki wiatrowej w Polsce są już istniejące lub budowane fabryki podzespołów, łopat i wież turbin wiatrowych. Na terenie stoczni gdańskiej oraz w Szczecinie produkowane są wieże wiatrowe, a w miejscowości Żory-Warszowice powstała fabryka łopat wiatrowych. Zakłada się, że w 2020 r. w Polsce około 20% energii będzie pozyskiwane z odnawialnych źródeł, gdzie w 2010 r. w ten sposób wytwarzano około 6% [6]. Rys. 3 przedstawia dotychczasową Rys. 1. Poparcie społeczne w krajach Unii Europejskiej dla różnych sposobów pozyskiwania energii [3] Rys. 2. Moc w MW pozyskiwana z odnawialnych źródeł energii w Polsce w 2010 r. [4] 60 październik - grudzień 4 / 2013 [45]
Geoinżynieria oraz prognozowaną wielkość energii pozyskiwanej z wiatru w Polsce, rys. 4 przedstawia ilości energii wytwarzanej z elektrowni wiatrowych na świecie. Według badań [7] Polska zajmuje 10. miejsce na świecie pod względem atrakcyjności inwestycji w sektorze energetyki wiatrowej. Jest to bardzo wysokie miejsce zważywszy na powierzchnię naszego kraju oraz państwa, które nas wyprzedzają (tab. 1. 3. 4. Parametry turbin wiatrowych Elektrownie wiatrowe przekształcają energię wiatru na energię mechaniczną, a w końcowym procesie na elektryczną. Dąży się do jak najwyższej sprawności tego typu urządzeń, jednakże standardowa efektywność konwersji mieści się w przedziale 30-40%. Obecnie najbardziej rozwinięte technologicznie i dostępne są elektrownie wiatrowe dużych mocy o poziomej osi obrotu z wirnikiem łopatowym (z dwoma lub trzema łopatami. Celem nadrzędnym konstruktorów i producentów turbin wiatrowych jest zwiększenie efektywności konwersji i mocy turbin wiatrowych. Na przełomie ostatnich lat można zaobserwować intensywne zmiany w wielkości turbin wiatrowych i technologii wytwarzania. Rys. 5 przedstawia rozwój turbin wiatrowych pod względem rozmiarów i mocy. Optymalizacja parametrów łopat w celu zwiększenia wydajności pracy turbiny jest częstym tematem poruszanym w literaturze zagranicznej oraz krajowej [8, 9, 10]. Elektrownia wiatrowa zbudowana jest z wieży i gondoli, która składa się z wirnika i układu pomiarowego (schemat turbiny przedstawia rys. 6. Wirnik to łopaty połączone piastą. Łopaty poruszane są przez wiatr i przekazują moc do piasty, która jest połączona z wałem napędowym, zwiększającym prędkość osi. Wieże dla turbin dużych mocy wykonane są w postaci stalowej lub żelbetowej rury (rzadziej kratownicy. Rozwiązanie w postaci masztu, utrzymywanego w poziomie za pomocą lin, jest stosowane tylko w małych turbinach (służących na przykład do ładowania baterii akumulatorów. Wieże elektrowni wiatrowych o dużych mocach 1 3,6 MW są wykonane w większości przypadków z rur stalowych o średnicy 4 11 m, które są dostarczane w częściach na miejsce budowy. Wieże mają stożkowy kształt ze średnicą rosnącą ku podstawie zapewnia to dużą wytrzymałość oraz oszczędność materiału. Współczesne łopaty wirników to głównie konstrukcje kompozytowe na bazie żywic epoksydowych wzmocnionych włóknami szklanymi, węglowymi lub aramidowymi. Łopaty siłowni wiatrowych osiągają rozmiary kilkudziesięciu metrów. Oznacza to poważne problemy techniczne i logistyczne przy organizowaniu ich transportu na miejsce montażu elektrowni. Dąży się do zwiększenia długości łopat w celu zwiększenia mocy elektrowni; tab. 2 przedstawia zestawienie powszechnie stosowanych długości łopat. Zastosowanie lekkich materiałów do produkcji turbin wiatrowych powoduje specyficzny układ obciążeń przekazywanych na fundament. Moment zginający w utwierdzeniu wspornika, jakim jest pylon, jest 20 40 razy większy od siły pionowej (ciężar konstrukcji. Stateczność konstrukcji turbi- Pozycja w rankingu Kraj Punktacja 1 Chiny 76 2 Niemcy 70 3 Stany Zjednoczone 67 4 Wielka Brytania 66 5 Indie 64 6 Kanada 61 7 Włochy 58 8 Francja 58 9 Szwecja 54 10 Polska 52 11 Irlandia 52 12 Rumunia 52 Tab. 1. Ranking atrakcyjności rynków energetyki wiatrowej [7] Producent Model Moc znamionowa Długość łopaty Enercon E-112 4,5 MW 56 m GE Wind Energy GE 3.6 3,6 MW 52 m Vestas V90 3,0 MW 45 m Nordex AG N90 2,3 MW 40 m DeWind D8 2,0 MW 40 m REpower Systems AG MM70 2,0 MW 35 m Tab. 2. Najczęściej stosowane obecnie łopaty [14] Rys. 3. Moc w MW elektrowni wiatrowych zainstalowanych i prognozowanych w Polsce w okresie 2001 2020 [6] Rys. 4. Moc w GW pozyskiwana z elektrowni wiatrowych na świecie w latach 1996 2012 [23] październik - grudzień 4 / 2013 [45] 61
5. 6a. 6b. 7. ny wiatrowej oraz poprawną transmisję obciażeń na podłoże gruntowe musi zapewnić odpowiednio zaprojektowan stopa (płyta fundamentowa. Wymiarowanie konstrukcji fundamentu przeprowadza się standardowo dla dwóch ekstremalnych wariantów obliczeniowych: w fazie normalnego użytkowania LC1 oraz w warunkach ekstremalnych (abnormal LC3. Dodatkowo zaleca się sprawdzić zachowanie konstrukcji dla następujących sytuacji obliczeniowych [15, 16, 17]: normalna produkcja energii, uruchomienie, produkcja energii oraz wystąpienie błędu, sytuacja wyjątkowa, normalne wyłączenie, wyłączenie awaryjne, bieg jałowy, stan bezruchu, stan bezruchu plus anomalia. Dobór wielkości, kształtu oraz poziomu posadowienia ma olbrzymi wpływ na koszt i efektywność pracy fundamentu. Dodatkową niedogodnością jest brak norm, wytycznych, a nawet publikacji krajowych poruszających zagadnienie projektowania turbin wiatrowych. Ze względu na układ sił oddziałujących na fundament jego Rys. 5. Zmiany parametrów turbin wiatrowych na przełomie ostatnich kilku dekad [11] Rys. 6. Schemat budowy turbiny wiatrowej oraz zdjęcie elektrowni o mocy 6 MW i średnicy wirnika 154 m [12] Rys. 7. Schemat obciążeń oraz przemieszczeń fundamentu turbiny wiatrowej gabaryt musi zapewnić spełnienie warunków stanów granicznych. W odróżnieniu od klasycznych konstrukcji, gdzie krytycznymi warunkami do określenia wymiarów fundamentu są osiadania całkowite i nośność graniczna podłoża, w przypadku turbiny wiatrowej fundament wymiaruje się na dopuszczalne osiadanie różnicowe, sztywność obrotową fundamentu, dopuszczalne wielkości jego odrywania oraz na obrót. W większości przypadków kryteria przechyłki, jakie musi spełnić posadowienie, określane są przez producenta turbiny, natomiast zakres odrywania powinno się przyjmować wg obowiązujących wytycznych krajowych i praktyk inżynierskich. Producenci turbin w większości przypadków podają dopuszczalne osiadania różnicowe równe S<3,0 mm/m. Polska norma PN-81 B-0320 [18] określała dopuszczalny zakres odrywania jako połowę odległości pomiędzy prostą przechodzącą równolegle do osi obojętnej przecinającej środek ciężkości fundamentu a skrajnym punktem podstawy przeciwległym do punktu, w którym występuje q max (rys. 8. Dla fundamentów prostokątnych C 0,25B dla e B 0 i e L = 0. Zależności te powinny być spełnione przy uwzględnieniu wszystkich obciążeń obliczeniowych. W Eurokodzie 7 [19] jest zalecenie o zachowaniu szczególnych środków ostrożności w przypadku, gdy mimośród przekracza 1/3B dla fundamentów kwadratowych i 0,6R dla fundamentów kołowych, takich jak dokładniejsza analiza obliczeniowych wartości obciążeń oraz uwzględnienie podczas projektowania odchyłek wykonawczych. Ze względu na to, że Eurokod 7 [19] zaleca zachowanie szczególnej ostrożności w powyższych wypadkach, ale nie narzuca granicznej wartości mimośrodu, większość państw stosuje starsze normy i wytyczne krajowe. Francja, Szwecja i Portugalia dopuszczają odrywanie na poziomie 50% powierzchni fundamentu przy mimośrodzie obciążeń e max < R, natomiast Dania [15] oraz Niemcy [16] określają e max < 0,6R. Podczas analizy posadowienia projektant konstrukcji powinien sprawdzić czy mimośród wypadkowych obciążeń, a co za tym 62 październik - grudzień 4 / 2013 [45]
Geoinżynieria Rys. 8. Schemat szacowania maksymalnej wartości odrywania wg PN-81/B-03020 [18] Rys. 9. Schemat fundamentów z zaznaczoną efektywną strefą naprężeń bez i z uwzględnieniem wyporu wody na poziomie terenu Rys. 10. Schematy fundamentów o kształtach: okrągły, kwadratowy i oktagonalny 8. idzie, zakres odrywania fundamentu, mieści się w zakresie dopuszczalnym. Podczas wyznaczania wielkości mimośrodu należy wziąć pod uwagę oddziaływanie przekazywane z konstrukcji turbiny, ciężar fundamentu, ciężar gruntu zalegającego na fundamencie oraz bardzo ważny czynnik negatywnie wpływający na statykę konstrukcji wypór wody. Pominięcie wyporu wody podczas analizy fundamentu może doprowadzić do utraty stateczności turbiny. Rys. 9 przedstawia efektywne strefy naprężeń pod fundamentem kołowym o średnicy 20 m posadowionym na głębokości 2,75 m.p.p.t. w sytuacji, gdy poziom zwierciadła wody znajduje się poniżej poziomu posadowienia brak wyporu (9a oraz gdy poziom wód gruntowych stabilizuje się równo z terenem, np. w wyniku tymczasowego podtopienia, zalania terenu (9b. Zauważyć należy, że w przypadku uwzględnienia wyporu efektywna strefa naprężeń zmniejszyła się o około 40%, a mimośród obciążeń przekroczył wartość dopuszczalną e max < 0,6R. Konsekwencją takiego zdarzenia może być utrata stateczności konstrukcji. Podczas doboru parametrów fundamentów konstruktor ma za zadanie przeanalizować następujące warianty stanów granicznych nośności zewnętrznej konstrukcji przy zastosowaniu normowych współczynników bezpieczeństwa [15, 16, 17]: e f < e dop warunek wielkości mimośrodu e f mimośród wyznaczony na podstawie obciążeń e dop dopuszczalny mimośród, zależny od wielkości fundamentu T H < R t warunek na przesuw fundamentu T H siła pozioma działająca na fundament R t pozioma siła utrzymująca fundament M W < M u warunek na obrót fundamentu M w moment wywracający fundament M u moment utrzymujący fundament Nie ma szczegółowych wytycznych określających kształt fundamentu turbiny wiatrowej. Podczas wykonywania projektów geotechnicznych można spotkać się z fundamentami na planie kwadratu, koła, ośmioboku, a nawet pierścienia. Z uwagi na wykorzystanie materiału i uzyskanie optymalnych parametrów statycznych najkorzystniej jest wykonać fundament w kształcie pierścienia, niestety jest on problematyczny w zaprojektowaniu i czasochłonny w wykonawstwie. Optymalne parametry projektowo-wykonawcze fundamentu uzyskuje się przy zastosowaniu fundamentu na planie ośmioboku (rys. 10. Dobrą praktyką jest przeprowadzenie przez projektanta geotechnicznego analizy określającej wymagane parametry fundamentu oraz sposób modyfikacji właściwości słabonośnego podłoża. Na podstawie wieloletniego doświadczenia, uzyskanego na rynku polskim i zagranicznym, okazuje się, że w przypadku posadowienia tego typu obiektów na słabym podłożu najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest wykonanie wzmocnienia gruntu w technologii odpowiedniej dla danych warunków. Alternatywą są pale lub zwiększenie wymiarów fundamentu w celu redukcji naprężeń, ale obie te czynności generują wzrost kosztów inwestycji. Projektowanie geotechniczne Niestety brakuje norm lub wytycznych w języku polskim, które w sposób szczegółowy poruszają zagadnienie projektowania posadowienia fundamentów pod turbiny wiatrowe. Posiłkując się literaturą zagraniczną znaleźć można różne wartości zakresu dopuszczalnej przechyłki fundamentu, wielkości mimośrodu obciążeń oraz współczynników obliczeniowych. Na projektancie spoczywa odpowiedzialność za właściwy dobór metodologii obliczeń, współczynników bezpieczeństwa oraz parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych podłoża gruntowego. W projekcie geotechnicznym należy sprawdzić następujące warunki stanów granicznych nośności i użytkowalności podłoża 9. 10. październik - grudzień 4 / 2013 [45] 63
Rys. 11. Wykres zależności modułu ścinania od odkształcenia postaciowego [22]. gruntowego [15, 16, 17]: S < S dop warunek dopuszczalnych osiadań różnicowych fundamentu, S wyznaczona przechyłka fundamentu, S dop przechyłka dopuszczalna określana przez producenta turbiny; q min > max warunek granicznej nośność podłoża, q min nośność rodzimego podłoża gruntowego lub poddanego modyfikacji w celu spełnienia nierówności, max maksymalne naprężenia krawędziowe; s max < s dop warunek osiadań maksymalnych, s max maksymalne osiadania konstrukcji, s dop osiadania dopuszczalne; k.i > k dop.i sprawdzenie parametrów dynamicznych podłoża gruntowego ze względu na oddziaływania dynamiczne/cykliczne konstrukcji (dynamicznej i statycznej sztywności obrotowej fundamentu, k.stat statyczna sztywność obrotowa podłoża gruntowego, k dop.stst graniczna statyczna sztywność obrotowa podłoża gruntowego określona przez producenta turbiny, k.dyn dynamiczna sztywność obrotowa podłoża gruntowego, k.dop.dyn graniczna dynamiczna sztywność obrotowa podłoża gruntowego określona przez producenta turbiny. Sprawdzenie powyższych zależności przysparza wiele problemów, szczególnie w przypadku, gdy parametry uzyskane z badań podłoża są nieadekwatne do zakresu analizy. Powszechne jest dysponowanie przez projektanta jedynie jednym lub dwoma odwiertami dla każdej turbiny wiatrowej oraz wyznaczanie parametrów gruntów metodą B wg PN-81/B-03020 [18]. Nie dość, że ilość uzyskanych w ten sposób charakterystyk podłoża jest niewystarczająca do rzetelnego zaprojektowania fundamentu turbiny, to wartości paramentów mogą odbiegać od stanu rzeczywistego. Projektant geotechniczny jest zmuszony do korzystania z kolejnych empirycznych wzorów do określenia wymaganych parametrów. Otrzymane w ten sposób wielkości mogą być dalekie od prawdy. Następstwem tych wyliczeń jest wykonywanie wzmocnienia podłoża lub palowania w miejscach, gdzie konstrukcja może być posadowiona bezpośrednio na gruncie rodzimym. Dlatego należy zwrócić uwagę na fakt, że oszczędności na etapie dokumentacji geologicznej czy geologiczno-inżynierskiej mogą przyczynić się do wzrostu kosztów posadowienia fundamentów w efekcie końcowym. Podczas projektowania posadowienia turbin wiatrowych należy rozważyć dodatkowe problemy geotechniczne w postaci analizy zachowania się podłoża gruntowego w odpowiedzi na dynamiczne/cykliczne oddziaływanie konstrukcji. Grunt w zakresie małych odkształceń jest definiowany za pomocą modułu ścinania G 0 (G max oraz modułu odkształcenia E 0 (E max. Powyższe parametry otrzymuje się na podstawie specjalistycznych badań polowych (sondy SCPTu, SDMT oraz laboratoryjnych (aparat trójosiowego ściskania, kolumna rezonansowa. O ile standardowe stany graniczne nie powinny sprawiać problemu, o tyle analiza sztywności dynamicznych nie jest tak oczywistym zagadnieniem w sytuacji braku parametrów dynamicznych podłoża gruntowego. W przypadku braku dynamicznych badań gruntu do wyznaczenia wymaganych wielkości można posiłkować się korelacjami. Na podstawie minimalnej sztywności obrotowej fundamentu poprzez przekształcenie zależności empirycznych można wyznaczyć minimalny dynamiczny moduł odkształcenia podłoża, dla jakiego zostanie spełniony warunek sztywności obrotowej [16]. E s, dyn k, dyn G k omin, dyn 3 8* Go * r 3*(1 k, dyn 3*(1 3 8* r 3 1 (1 * (1 * * * 3 2 4 r 1 2 gdzie: r promień fundamentu uśredniony współczynnik Poissona gruntu G o dyn minimalny dynamiczny moduł ścinania gruntu, G o sta minimalny statyczny moduł ścinania gruntu, E o dyn minimalny dynamiczny moduł odkształcenia gruntu, minimalny statyczny moduł odkształcenia gruntu. E o stat Na podstawie powyższych wyliczeń można stwierdzić czy grunt rodzimy ma odpowiednie parametry do spełnienia warunku sztywności dynamicznej podłoża. Wzrost świadomości inwestorów na temat problemów geotechnicznych wpływa na konieczność wykonania dokładnych badań gruntowych, zarówno in situ, jak i laboratoryjnych. Jednym z coraz częściej stosowanych badań gruntu jest sondowanie sondą SCPT. Wykonywane jest standardową sondą CPT wyposażoną w dwa geofony znajdujące się w odległości 1 m od siebie oraz urządzenia do generacji fali sejsmicznej w gruncie. Wykonane badanie dostarcza standardowe parametry oraz prędkość rozchodzenia się fali sejsmicznej w gruncie, na podstawie której oszacować można moduł ścinania gruntu G 0. Moduł odkształcenia (E 0 obliczany jest ze wzoru [21]: E 0 = 2 V s 2 (1 + Natomiast moduł ścinania (G 0 G 0 = V s 2 gdzie: współczynnik Poissona V s prędkość fali poprzecznej w gruncie gęstość objętościowa gruntu Metody wgłębnej modyfikacji podłoża gruntowego 64 październik - grudzień 4 / 2013 [45]
Geoinżynieria 12. 13. 14. 15. Rys. 12. Technologia kolumn żwirowych SC [13] Rys. 13. Technologia kolumn podatnych MSC [13] Rys. 14. Technologia kolumn DSM [13] Rys. 15. Technologia kolumn betonowych CMC [13] Problem posadowienia fundamentów turbin wiatrowych pojawia się w momencie, gdy grunt rodzimy charakteryzuje się niewystarczającymi parametrami odkształceniowymi lub wytrzymałościowymi, które pozwoliłyby spełnić wymagane kryteria stanów granicznych. Optymalnym rozwiązaniem jest modyfikacja podłoża gruntowego w taki sposób, żeby zaprojektowane wzmocnienie i grunt rodzimy tworzyły kompozyt o parametrach spełniających wymagania stanów granicznych. W zależności od nośności podłoża projektant geotechniczny powinien w jak największym stopniu wykorzystać grunt rodzimy. Dla gruntów o stosunkowo dużej nośności, gdy wytężenie podłoża kształtuje się w przedziale 100 125%, najkorzystniejszym sposobem wzmocnienia są kolumny żwirowe. Technologia kolumn żwirowych SC dobrze sprawdza się w gruntach spoistych w stanie plastycznym i miękkoplastycznym (w pyłach, pyłach piaszczystych, glinach, gruntach niejednorodnych oraz w gruntach niespoistych. Stosowanie technologii w młodych gruntach organicznych może wiązać się z ryzykiem rozmycia bądź wyboczenia kolumn, w związku z tym należy dobrać odpowiednią mieszankę, np. kruszywa i cementu. Zastosowanie kolumn wibrowymiany prowadzi do globalnej poprawy parametrów gruntu, czego wynikiem jest znaczna redukcja osiadań całkowitych i różnicowych. Nie dość, że w rodzimy grunt wprowadzany jest bardzo dobry materiał, to podczas wykonywania wibracje poprawiają parametry gruntu rodzimego. Zaleca się aktywne projektowanie kolumn żwirowych na podstawie poletek próbnych na budowie w skali 1:1. Kolumny wykonuje się za pomocą specjalnie zaprojektowanego wibratora wgłębnego, zamontowanego na jednostce sprzętowej (rys. 12. W zależności od głębokości kolumn jednostką sprzętową może być koparka o zasięgu wzmocnienia do 7 m.p.p.t, palownica (zasięg maksymalny do 20 m.p.p.t. lub dźwig gąsienicowy maksymalne wykonane kolumny o długości 40 m.p.p.t. Do formowania kolumn SC należy wykorzystywać różnoziarniste kruszywo naturalne, tj. żwir, pospółkę lub kruszywo łamane, dla którego zawartość frakcji pylastej jest mniejsza niż 5%. Alternatywą dla kolumn żwirowych w sytuacji potrzeby płytkiego wzmocnienia gruntu do około 7 m poniżej poziomu posadowienia mogą być kolumny MSC (Menard Susceptible Columns. MSC należą do grupy technologii przemieszczeniowych, co oznacza, że w trakcie formowania trzonu kolumny grunt nie jest wydobywany na powierzchnię, ale przemieszczany w kierunku poziomym do osi otworu. Do ich wykonania najczęściej stosuje się specjalnie dostosowaną stalową rurę o średnicy 25 40 cm, która w miejscu złącza z jednostką sprzętową jest połączona z narzędziem generującym wibracje pionowe. Po uzyskaniu żądanej głębokości następuje podciąganie narzędzia do góry przy jednoczesnym pompowaniu odpowiednio dobranego iniektu. Proces wykonywania kolumny nie powoduje praktycznie żadnych uszkodzeń powierzchni terenu, a generowane w płaszczyźnie pionowej wibracje o małej częstotliwości nie wpływają na konstrukcje budynków, nawet gdy prace wykonywane są w ścisłej zabudowie. Technologia MSC ma bardzo szerokie i uzasadnione ekonomicznie zastosowanie w przypadku występowania warstw gruntów organicznych (tj. torfów, namułów, gytii oraz gruntów spoistych o stopniu plastyczności I L >0,6 o miąższości do 6 m. Poprzez wykonanie wielu kolumn pod fundamentem uzyskuje się kompozyt gruntu i kolumn współpracujących, jak jednolita struktura o zwiększonej nośności. Jeżeli grunt rodzimy ma przejmować większość obciążeń ważne jest, żeby stosowany iniekt charakteryzował się odpowiednią sztywnością. Niewielkie wymiary jednostki sprzętowej do kolumn MSC powodują, że technologia ta może być stosowana w miejscach niedostępnych dla większości palownic. W przypadku, gdy grunty rodzime są w stanie przejąć do 50% obciążeń oraz ich miąższość nie pozwala zastosować kolumn SC październik - grudzień 4 / 2013 [45] 65
i MSC, odpowiednią technologią są kolumny DSM (Deep Soil Mixing. Idea DSM oparta jest na koncepcji poprawienia właściwości wytrzymałościowych gruntów poprzez wymieszanie ich z medium wiążącym (np. zaczynem cementowym, cementowo- -popiołowym, bentonitowym. Powstający w ten sposób tzw. cemento-grunt charakteryzuje się znacznie wyższymi parametrami mechanicznymi i odkształceniowymi niż otaczający grunt. Cały proces od momentu pogrążania mieszadła do zakończenia formowania kolumny wspomagany jest wypływem zaczynu cementowego przez dysze znajdujące się na końcu żerdzi wiertniczej (rys. 14. Faza formowania kolumny następuje po osiągnięciu projektowanej głębokości i najczęściej przebiega w kilku etapach, w których mieszadło podciągane i pogrążane zapewnia równomierne wymieszanie zaczynu z gruntem oraz utworzenie kolumny o jednorodnej strukturze. Wszędzie tam, gdzie występują grunty pylaste i piaszczyste, zastosowanie tej technologii staje się szczególnie korzystne. Najczęściej stosowana średnica kolumn 0,6 1,20 m zapewnia pogrążenie mieszadła na maksymalną głębokość do około 20 m. Duża średnica zapewnia przejęcie większości obciążeń, a mała sztywność powoduje ujednolicenie osiadań. Kolumny DSM dedykowane są dla gruntów jednolitych o dużych miąższościach, gdy zależy nam na redukcji głębokości wzmocnienia. Wysokie nośności kolumny DSM, które formowane są w gruntach niespoistych, charakteryzują się wysokimi wartościami nośności (wytrzymałości cemento-gruntu do 6 MPa. Jedna z metod najczęściej wykorzystywanych oraz najbardziej uniwersalna to kolumny CMC (Controlled Modulus Columns. Dzięki możliwości stosowania iniektu o projektowanej sztywności średnic (zakres 25 60 cm i miąższości (do 30 m metoda ta znajduje zastosowanie we wszystkich warunkach gruntowych. Specjalnie zaprojektowany świder przemieszczeniowy, zainstalowany na maszynie wyposażonej w głowicę o dużym momencie obrotowym i statycznym nacisku pionowym, przemieszcza grunt w kierunku poziomym do osi otworu (rys. 15. Po przemieszczaniu gruntu poza obręb kolumny wykonywana jest pod ciśnieniem iniekcja mieszanki. Iniekt dobrany jest w specjalny sposób, pozwalający na osiągnięcie z góry ustalonego stosunku sztywności kolumny do otaczającego ją gruntu. Technologia sprawdza się w m.in. luźnych piaskach, miękkoplastycznych glinach, gruntach organicznych (torf, namuł, gytia o wilgotnościach powyżej 100% oraz w gruntach pochodzenia antropogenicznego (nasypy niekontrolowane, zwałowiska. W bardzo słabych gruntach jako medium stosuje się standardowe mieszanki betonowe, a kolumny opiera się na warstwie gruntów nieściśliwych w taki sposób kolumny transmitują do 100% obciążeń. Taka sytuacja jest spotykana jedynie w gruntach organicznych lub nieskonsolidowanych gruntach antropogenicznych. Zastosowanie technologii przemieszczeniowej ma dwie zasadnicze zalety: pierwsza to wyższe nośności kolumny (do 40% w porównaniu z palami tej samej średnicy, zaś drugą jest dogęszczenie gruntu pomiędzy kolumnami zwiększające jego nośność. Podsumowanie Projektowanie fundamentów turbin wiatrowych pod względem konstrukcyjnym i geotechnicznym nie należy do prostych analiz. Ważne jest, aby na każdym etapie tego procesu osoby decydujące o zakresie badań geotechnicznych, wielkości konstrukcji oraz sposobie posadowienia były świadome konsekwencji swoich działań. W trakcie fazy doboru gabarytów fundamentów turbin wiatrowych wskazana jest współpraca projektanta konstrukcji z projektantem geotechnikiem. Obliczenie dynamicznych parametrów sztywności fundamentu elektrowni wiatrowej wymaga szerokiej analizy parametrów podłoża gruntowego. Dlatego konieczne są adekwatne badania podłoża, na podstawie których można uzyskać dynamiczne właściwości gruntu. Dokładna ocena warunków gruntowych pozwala na ścisłe określenie konieczności wzmocnienia podłoża, co prowadzi do znacznych oszczędności. Projektant geotechniczny powinien posiadać dużą wiedzę na temat zachowania się gruntu wraz ze współpracującym fundamentem. Podczas przygotowywania projektu wzmocnienia podłoża należy dążyć do optymalnego wykorzystania gruntu rodzimego. Literatura [1] Mokrzycki E., Ney R., Siemek J.: Światowe zasoby surowców energetycznych wnioski dla Polski, Rynek Energii nr 6/2008. [2] Raport dotyczacy czynników emisji Elektrowni Kozienice za 2011 r. [3] Strona internetowa www.uratujwiatraki.pl [4] Raport Europejskiej Agencji Środowiska (EEA, 2011 r. [5] Strona internetowa Urzędu Regulacji Energetyki www.ure.gov.pl [6] Wiśniewski G., Dziamski P., Michałowska-Knap K., Oniszk- -Popławska A., Regulski P., Wizja rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do 2020 r. Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa 2009. [7] Badania firmy Ernst & Young z lutego 2011. [8] Jureczko M.: Wielokryterialna optymalizacja dyskretno-ciągła łopat turbiny wiatrowej. Modelowanie Inżynierskie Gliwice 2003. [9] Jureczko M.: Optymalizacja właściwości dynamicznych łopat elektrowni wiatrowych. Acta mechanica et automatica, vol. 2 no.1 (2008. [10] Mężyk A., Jureczko M. Optymalizacja wielokryterialna łopat elektrowni wiatrowej ze względu na minimalizację drgań. [11] Flaga A.: Inżynieria wiatrowa. Podstawy i zastosowania. Warszawa 2008. [12] International Wind Turbine Fundation Design 2012. Exemplified by a 6,0 MW. [13] Materiały wewnętrzne firmy Menard Polska. [14] Strona internetowa www.elektrownie.tanio.net [15] Guidelines to strengthen the ground for the turbines. [16] Guideline for the Certification of Wind Turbines. Edition 2010. [17] International Standard IEC 61400-1. [18] Polska Norma PN 83/B 03020 Posadowienie bezpośrednie budowli. [19] PN-EN 1997 1 EUROKOD 7 Projektowanie geotechniczne. Część 1: zasady ogólne. [20] DIN 1054:2005-1: Baugrund Sicherheitsnachweise im Erdund Grundbau. [21] Sas w., Gabryś K., Szymański A.: Laboratoryjne oznaczenie prędkości fali podłużnej i poprzecznej w gruncie. Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Geoinżynierii, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. [22] Atkinson J.H., Non-linear soil stiffness In routine designe., Geotechnique, vol 50, No. 5,200, 487-508. [23] Raport Światowej Organizacji Energii Wiatrowej (WWEA z 2012 r. 66 październik - grudzień 4 / 2013 [45]