مطالعه عددی پی لبه‌دار توربین‌های بادی واقع در ماسه تحت بارگذاری دینامیکی جانبی

نوع: Type: پایان نامه

مقطع: Segment: کارشناسی ارشد

عنوان: Title: مطالعه عددی پی لبه‌دار توربین‌های بادی واقع در ماسه تحت بارگذاری دینامیکی جانبی

ارائه دهنده: Provider: فائزه مقصودی فر - رشته عمران

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر مسعود مکارچیان

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر وحیدرضا اوحدی، دکتر عباس قدیمی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 18، 24 اسفند 1400

مکان ارائه: Place of presentation: اتاق شماره 2 مجازی

چکیده: Abstract: در دو دهه اخیر، با توجه به مشکلات آلودگی‌های زیست‌محیطی، گسترش تمرکز بر مسئله تغییرات اقلیمی و همچنین کاهش ذخایر سوخت‏های فسیلی، بسیاری از کشورهای جهان ازجمله ایران به دنبال جایگزینی منابع انرژی تجدید‌پذیر، مانند انرژی خورشیدی با استفاده از پنل‌های خورشیدی و یا انرژی حاصل از نیروی باد با استفاده از توربین‌های بادی هستند. در‌بین این انرژی های نو، انرژی باد با ایجاد محیط رقابتی با توانسته سهم بسزایی را از آن خود کند. صنعت توربین‌های بادی جای رشد بیش از این را داشته و علاوه بر پیشرفت صنعت و کاهش آلودگی هوا، می‌تواند سالانه میلیون‌ها شغل ایجاد کند؛ اما بحث طراحی سازه و پی این توربین‌ها از مسائل بحث‌برانگیز این صنعت است. پی توربین‌های بادی که یکی از چند عامل اصلی در حفظ پایداری سازه در طول عمر 20 ساله آن‌ها است بخش قابل توجهی، در حدود 30 درصد از هزینه کل پروژه را شامل می شود. در دو دهه اخیر با گسترش صنعت توربین بادی، نحوه طراحی و اجرای پی این سازه حساس و گران قیمت از مباحث جالب توجه برای محققان حوزه مهندسی پی و ژئوتکنیک شده است. هرکدام از پی‌های توربین‌های بادی ساحلی و فراساحلی، مزایا و محدودیت‌های خاصی دارند که بر اساس پارامترهای مختلفی مانند شرایط باد، عمق آب (توربین‌های بادی فراساحلی)، شرایط ژئوتکنیکی بستر و اندازه توربین‌ها در پروژه‌های مزرعه‌های بادی ساحلی و فراساحلی انتخاب شوند. بارهای محیطی بزرگ‌تر و شرایط ژئوتکنیکی متنوع‌تر در کنار اهمیت اثر هزینه‌های احداث پی بر اقتصاد پروژه، لزوم انجام تحقیقات و نوآوری‌های متنوع در حوزه طراحی و اجرای پی این نوع از سازه‌ها را به اثبات می‌رساند. اسـتفاده از پی‌های لبه‌دار در سازه‌های فراسـاحلی و نیـز در سازه‌های نزدیـک سـاحل ماننـد توربین‌های بـادی به‌صورت روزافـزون در حـال گـسترش اسـت. در پی‌های لبه‌دار، به‌عنوان پی ثابت برای زیر‌سازه‌های بزرگ فراساحلی یا انکر برای سازه‌های شناور و راه حلی برای کاهش هزینه های پروژه های مزارع توربین بادی فراساخلی همراه با توجه به مفاهیم پایایی و حفظ محیط زیست به دنیای مهندسی معرفی شده اند. این نسل از پی ها با کاهش فولاد مصرفی و پایداری معادل شمع های منفر می تواند جایگزینی اقتصادی برای احداث مزارع بادی در آب های تا عمق 40 متر باشند و همچنین به‌عنوان نسل جدیدی از پی های توربین های بادی خشکی معرفی شوند. در این پژوهش با مطالعه عددی پی های لبه‌دار به‌عنوان پی توربین های بادی فراساحلی و خشکی سعی شده است گامی در راستای نیل به این هدف بر داشته شود. در این پژوهش مطالعات تحلیلی و عددی، برر روی رفتار پی لبه‌دار به‌عنوان پی سازه واقعی توربین های بادی مناسب فراساحل و خشکی انجام شده است. رفتار این پی تحت مقادیر واقعی بارگذاری و با استفاه از آیین نامه های DNV،IEC و EN 61400-1 و P 94-500 انجام شد. برای موقعیت فراساحلی با استفاده از روش محاسبه معکوس پارامترهای خاک و مدل‌های رفتاری خاک برای خاک‌ ماسه‌ای نیمه‌متراکم و متراکم از دو مطالعه میدانی پژوهش‌های هولزبی و همکاران (2005)، هولزبی و برن (2000)، خاک ماسه‌ای منطقه Frederikshavn، دانمارک و منطقه Sandy Haven در ساحل Wales با دانسیته ها نسی به‌ترتیب 90 63 درصد به‌عنوان خاک بستر در نظر گرفته شد. همچنین، برای موقعیت خشکی خاک ماسه‌ای خوب دانه‌بندی شده (SW) با سه دانسیته نسبی 75،50،25 درصد به‌عنوان خاک بستر پی توربین بادی خشکی از مطالعات اوه و همکاران (2018) استخراج شد. در مجموع برای دو موقعیت فراساحلی و خشکی 60 مدل عددی سه بعدی با استفاده از PLAXIS 3D CE نسخه 2021 اجرا و تحلیل شد. با توجه به تقارن هندسه مدل، فقط نیمی از کل سیستم برای تسهیل در روند محاسبات مدل شد. از المان‌های 10 گرهی در دسترس در نرم افزار شبکه‌بندی برای خاک استفاده شد. در این تحلیل ها خاک ماسه ای با پنج نوع دانسیته نسبی و به دو صورت اشباع و غیر اشباع بررسی شد. از دیگر موارد مهم در تحلیل این نوع پی ها که در این پژوهش با دقت کامل به آن پرداخته شد نحوه بارگذاری و محاسبه درست بارهای وارد بر توربین بادی و اثر آن‌ها بر پی این سازه است. در این پژوهش رفتار پی لبه‌دار تحت بار گذاری حالت حدی ULS و SLS ناشی بار باد و موج (در موقعیت فراساحلی) با مقیاس های واقعی و به‌صورت توامان VHM (بار استاتیکی V و بار دینامیکی HM) بررسی و اثر خروج از مرکزیت بارهای افقی در تمامای تحلیل ها بررسی شد. در مطالعه عددی انتخاب نوع مدل رفتاری برای صحیح مدل کردن رفتار خاک بسیار حائز اهمیت است و از آنجایی که خاک یک موجود پویا و زنده است و نه تنها تغییر شکلهای ارتجاعی (الاستیک)، خمیری (پلاستیک) و غیر خطی را نشان میدهد، بلکه کرنش های خمیری (پلاستیک) بر گشت ناپذیر را نیز نشان میدهد و همچنین با توجه به آنکه هدف اصلی این پژوهش بررسی رفتار پی لبه‌دار تحت بار دینامیکی توام با استاتیکی است مدل رفتاری HS-Small که از مدل‌های رفتاری قدرتمند به منظور انجام تحلیلهای این پژوهش استفاده شد. مجموعه نتایج بدست آمده از این مطالعه، عملکرد این نوع پی را در دو موقعیت فراساحلی و خشکی در راستای بهبود ظرفیت بابری و کاهش نشست پی نشان داد. بررسی این نتایج نشان داد که وجود لبههای جانبی با عث افزایش ظرفیت بابری و اصلاح رفتار پی میشوند. تفسیر نتایج ارائه شد برای میزان چرخش پی تحت لنگر واژگونی نشان داد که با افزایش دانسیته نسبی خاک و همچنین نسبت لاغری پی لبه‌دار مقدار چرخش پی کاهش میابد. این بررسی ها نشان داد که با افزایش دانیسته نسبی خاک طول لبه ها کاهش می یابد که همین امر تاثیر بسزایی در کاهش فولاد مصرفی نسبت به شمع های منفرد و به دنبال آن کاهش هزینه های پروژه دارد. این لبه ها در مقایسه با پی سطحی بدون لبه احتمال واژگونی سازه لاغر وحساس توربین بادی را تحت بارهای دینامیکی کاهش می دهند. رفتار پی تحت اثر بار تناوبی به‌صورت قابل توجهی، تحت تأثیر هندسه پی لبه‌دار و خصوصیات خاک است. کلید واژه‌ها: پی لبه‌دار، توربین بادی، فراساحلی، خشکی، مطالعه عددی

فایل: ّFile: