Numerical investigation of soil-structure interaction for onshore wind turbines grounded on a layered soil

Taddei, Francesca; Klinkel, Sven (Thesis advisor); Harte, Reinhard (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen 2015,02
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIV, 135 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Ziel dieser Thesis ist es, die Effekte der Boden-Bauwerk Interaktion (BBI) in der dynamischen Antwort von Onshore-Windenergie-Anlagen, gegründet auf geschichtetem Boden, zu modellieren und zu evaluieren. Das zunehmende Aufstellen von Windenergie-Anlagen führt sicherlich zu einer schnellen Expansion in Gebiete, in denen die Bodenbeschaffenheiten komplex und das seismische Risiko hoch sind. Allerdings besteht dort eine Wissenslücke über ungünstige Einflüsse infolge der Interaktion der Windturbine, deren Gründung mit dem darunter liegenden, geschichteten Boden. Obwohl aktuelle Normen Anleitungen zur Berücksichtigung von BBI-Effekten beinhalten, werden diese oft vernachlässigt. Immer wenn der Boden berücksichtigt wird, wird dieser üblicherweise als homogener Halbraum idealisiert, wobei der signifikante Einfluss der Bodenschichtung vernachlässigt wird. In dieser Arbeit werden sowohl genaue als auch vereinfachte Verfahren zur BBI-Analyse betrachtet. Beim genauen Verfahren kommt ein gekoppeltes Modell aus der Finiten Elemente Methode (FEM) und der Randelementemethode (REM) zum Einsatz. Als vereinfachte Alternative werden Lumped Parameter Modelle (LPM) des Fundament-Bodensystems implementiert. Mithilfe von Benchmark-Beispielen werden wichtige Aspekte der Boden-Bauwerkmodellierung hervorgehoben. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit des vereinfachten Ansatzes nachgewiesen. Das vorgestellte Modell besteht aus einer 3-Blatt-Windturbine, die auf einem geschichteten Boden gegründet ist, welcher als homogener Halbraum mit einer horizontalen Deckschicht idealisiert wird. Die numerische Untersuchung teilt sich in zwei Abschnitte auf. Im ersten Teil wird die dynamische Antwort des Boden-Bauwerksystems im Frequenzbereich mit einem genauen FEM/REM-Koppelmodell berechnet. Nach einer Voruntersuchung des Fundament-Bodensystems wurde der Fokus der Arbeit auf die Betrachtung des gesamten Turbinen-Bodenverbundes verschoben. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die BBI wird systematisch bestimmt, und es werden Größenordnungen für diese Parameter angegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die BBI-Effekte in der transienten Antwort einer 5MW-Turbine unter aerodynamischer und seismischer Belastung. Anlehnend an internationale Normen werden drei Szenarien betrachtet: Leerlauf, Normalbetrieb und Notabschaltung der Anlage. Zur Darstellung der seismischen Anregung werden registrierte Starkbebenereignisse als Belastung ausgewählt, die modifiziert werden, um den Einfluss der horizontalen Deckschicht zu berücksichtigen. Mehrere Simulationen werden durchgeführt um den Einfluss der BBI auf die inneren Kräfte und Verschiebungen der Windturbinenstruktur zu ermitteln. Das abschließende Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Referenz für Praktiker, Entwickler und Forscher, bezüglich der BBI-Effekte im geschichteten Boden zu erstellen. Dies soll ein tiefer gehendes Verständnis dieser Phänomene in seismisch aktiven Gebieten fördern, um so einen Beitrag zu einer verlässlicheren Leistungsbewertung und Kostenabschätzung zu liefern.

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