بخشی از مقاله
خلاصه
تجدیدناپذیر بودن سوختهاي فسیلی و تأثیر آلودگیهاي ناشی از آنها بر محیطزیست، علاقهي کشورها به استفاده از انرژيهاي پاك و تجدیدپذیر، از جمله انرژي باد را افزایش داده است. از توربینهاي بادي براي تبدیل انرژي باد به الکتریسیته استفادهمیشود و این سازهها نیز همانند هر سازهي دیگري براي نصب به شالوده نیاز دارند. در تحلیل و طراحی شالوده توجه به ماهیت دینامیکی سازهي توربینهاي بادي و اثرات ارتعاشی ناشی از آن بر خاك زیر شالوده، ضروري است.
با توجه به رفتار غیرخطی خاك و پیچیدگیهاي ناشی از تحلیل دینامیکی، استفاده از روشهاي عددي در تحلیل و طراحی شالودهي توربینهاي بادي اجتنابناپذیر به نظر میرسد. در این پژوهش شالودهي یک توربین بادي 100 کیلوواتی و خاك پیرامون آن به کمک نرمافزار FLAC3D مدلسازي و رفتار خاك تحت بارهاي چرخهاي بررسی شده است. در پایان، مقادیر نشست و تنشهاي ایجاد شده در خاك مورد بررسی قرار گرفتهاند.
1. مقدمه
با توجه به مسائل زیستمحیطی و راهبردهاي صرفهجویانه در بهرهبرداري از منابع انرژي، استفاده از انرژي باد در مقایسه با سایر صورتهاي انرژي به دلیل کاهش هزینههاي تولید برق، اشتغالزایی و عدم آلودگی محیط زیست در کشورهاي پیشرفته و بسیاري از کشورهاي دیگر،توانسته در میان منابع تجدیدپذیر به عنوان یک منبع جدید تأمین برق در سطح جهان مطرح شود.
امروزه علاوه بر استفاده از توربینهاي بادي واقع در خشکی، استفاده از توربینهاي بادي فراساحلی نیز با توجه به سطح بادخیزي گسترده در دریاها توسعه یافته است. از آنجا کهسازهي توربین بادي هم مانند هر سازهي دیگري براي استقرار بر روي زمین به شالوده نیاز دارد، پژوهشگران انواع مختلفی از شالودهها را بسته به شرایط پروژه مانند لایهبندي خاك، نوع و ترکیب بارهاي وارد شده، عملکرد سازهاي، روش نصب و اقتصادي بودن طرح پیشنهاد میکنند.توربینهاي بادي داراي بارگذاري پیچیدهاي هستند و در عمر مفید 20 سالهي خود بارها و لنگرهایی را در هر سه جهت مختصاتی تحمل میکنند. این نیروها از وزن توربین بادي، نیروي باد وارد بر بدنهي برج و نیروي ناشی از چرخش پرهها - و نیروي موج در توربینهاي بادي فراساحلی - سرچشمه میگیرند.
آییننامههاي مختلفی از جمله آییننامهي کمیتهي بینالمللی برق و الکترونیک - IEC - 1، آییننامهي DNV - مخصوص توربینهاي بادي فراساحلی - ، آییننامهي DNV/Risø و آییننامهي 2GL براي طراحی، نصب و بهرهبرداري توربینهاي بادي وجود دارند که میتوان بارهاي وارد بر توربینهاي بادي را از آنها استخراج نمود. در سال 2011، انجمن مهندسین عمران آمریکا - ASCE - 3 با همکاري مؤسسهي انرژي بادي آمریکا4 - AWEA - یک توصیهنامهي اجرایی را براي طراحی سازههاي نگهدارندهي توربینهاي بادي واقع در خشکی5 ارائه کردند.
براي تحلیل شالوده توربینهاي بادي میتوان از تحلیل دینامیکی، تحلیل خستگی، تحلیل با در نظر گرفتن اندرکنش خاك-سازه و یا ترکیبی از این روشها بهره جست. در پژوهشهاي انجام شده به دلیل پیچیدگیهاي موجود در روشهاي تحلیلی موجود، عموماٌ از شبیهسازي عددي استفاده میشود و از میان روشهاي عددي، تاکنون استفاده از روش اجزاي محدود از اقبال بیشتري برخوردار بوده است.
Svensson یک مطالعهي موردي را بر روي یک شالوده منفرد دایرهاي که بر روي نوع خاصی از خاكهاي دانهاي قرارگرفته است، انجام داده است.[1] وي با استفاده از نرم افزار PLAXIS 2D و مدلسازي پی با در نظر گرفتن لنگرهاي اعمالی فقط در یک جهت وشبیهسازي آن با یک زوج نیرو، به بررسی مقادیر نشست پرداخته و سعی کرده است تا راه حلی براي تحلیل و طراحی شالوده توربینهاي بادي ارائه دهد . از آنجا که از سهم نیروهاي اعمال نشده در این پژوهش نمیتوان چشمپوشی کرد، به نظر میرسد پاسخهاي به دست آمده قابل اطمینان نباشند.
در پژوهش دیگري که Harte et al. انجام دادهاند، تحلیل دینامیکی توربینهاي بادي واقع در خشکی که روي شالودهي منفرد قرار گرفتهاند، با در نظر گرفتن اندرکنش خاك و سازه صورت پذیرفته است.[2] در این پژوهش توربین بادي به صورت یک سازهي چند درجه آزادي و شالوده نیز به صورت یک شالودهي وزنی صلب با دو درجه آزادي مدل شده است.
در این مدل حرکت شالوده با استفاده از توابع پیچیدهي امپدانس1 و مدل مخروطی2 به خاك اطرافش وابسته شده است. سپس با استفاده از توابع انتفال3 تغییرمکان سیستم توربین بادي به دست آمده و فرکانسهاي مودال سیستم مرکب توربین -شالوده تخمین زده شده است..Harte et al براي نشان دادن تأثیر اندرکنش خاك و سازه بر روي پاسخ مدل چند درجه آزادي توربین بادي، دو مثال عددي را ارائه کردهاند.
این تحلیل براي دو نوع لایهبندي و مقادیر مختلف سختی خاك انجام شده است. روابط محاسبهي میرایی و سختی خاك از آییننامهي طراحی DNV/Risø به دست آمدهاند تا بتوان از آنها به عنوان معیاري براي اعتبارسنجی ضرایب به دست آمده از مدل مخروطی بهره جست. مشخصات مدل بر اساس توربین بادي 1/5 مگاواتی آزمایشگاه ملی انرژيهاي تجدیدپذیر آمریکا - NREL - 4 انتخاب شده است.
در مقالهي پیش رو شالوده منفرد یک توربین بادي 100 کیلوواتی یک بار به صورت دایرهاي و بار دیگر به صورت مربعی به همراه خاك پیرامون آن شبیهسازي و نتایج به دست آمده از هر مرحله مقایسه شده است. به این منظور از نرمافزار ژئوتکنیکی FLAC3D استفاده شده است که محاسبات را بر پایهي روش عددي اختلاف محدود انجام میدهد. تحلیل انجام شده شامل اعمال تاریخچه نیروهاي دینامیکی بر شالوده است که به صورت سینوسی فرض شده است.
2. مدلسازي در نرمافزار FLAC3D
2.1. مدل رفتاري و مشخصات خاك و شالوده
در تحلیلهاي انجام شده به کمک نرم افزار FLAC3D، از مدل رفتاري کشسان براي خاك و شالوده استفاده شده است. پارامترهاي مورد نیاز در این حالت، مدول کشسانی - E - و نسبت پواسون - υ - هستند که در نرمافزار FLAC3D مدول برشی - G - و مدول بالک - K - جایگزین مدول کشسانی و نسبت پواسون میشوند.خاك اطراف شالوده شامل یک لایه همگن خاك ماسهاي خشک است. جدول 1 مشخصات خاك و بتن مورد استفاده براي شالوده را نشان میدهد.
2.2. هندسه مدل
وجود نیروهاي محوري و برشی و لنگرهاي خمشی و پیچشی به صورت همزمان بر روي شالودهي توربینهاي بادي، تحلیل سهبعدي کامل آنها را اجتنابناپذیر میکند. اولین گام در انجام این تحلیل، تعیین ابعاد مدل و زونهاي تشکیل دهندهي آن است.در پژوهش حاضر براي بررسی تأثیر شکل سطح مقطع شالوده در مقدار نشست شالوده و تنشهاي ایجاد شده در خاك زیر آن، ابتدا یک شالودهي دایرهاي به قطر چهار متر و عمق 80 سانتیمتر و در گام بعد یک شالوده مربعی به ضلع چهار متر و عمق 80 سانتیمتر به کمک نرمافزارFLAC3D تحلیل شدهاند.
براي پرهیز از تحت تأثیر قرار گرفتن مدل از مرزها و با توجه به ابعاد شالودههاي مدلسازي شده، طول و عرض و ارتفاع محیط خاکی حدود 5 برابر ضلع یا قطر شالوده در نظر گرفته شده است. به این ترتیب و با توجه به یکسان بودن قطر شالوده دایرهاي و ضلع شالوده مربعی، خاك به صورت مکعبی با طول و عرض20 و ارتفاع 21 متر مدل شده است. براي ساختن مدل شالوده دایرهاي وشالوده مربعی به ترتیب از زون استوانهاي شعاعی و زون آجري که به صورت شکلهاي ابتدایی در نرمافزار FLAC3D وجود دارند، استفاده شده است.
در رابطهي بالا، G مدول برشی خاك و ρ جرم مخصوص خاك است. موج ورودي یک بار سینوسی با فرکانس 3هرتز فرض شده است.اکنون میتوان با داشتن سرعت موج برشی و فرکانس بارگذاري، حداکثر بعد هر زون را محاسبه نمود که این مقدار برابر با 12 متر به دست میآید. به عبارت دیگر این رابطه براي این نوع خاص بارگذاري و خاکی با این سرعت موج برشی تعیین کننده نیست. به همین دلیل و براي داشتن دقت مناسب در پاسخها، حداکثر بعد هر زون در هر دو مدل حدود 3 متر در نظر گرفته شده است.
