De vigtigste dimensioneringsprincipper for gravitationsfundamenter

Transkript

1 De vigtigste dimensioneringsprincipper for gravitationsfundamenter Dansk Geoteknisk Forening 12. november 2009 Jakob Hausgaard Lyngs, COWI

2 Agenda Særlige udfordringer Overordnede grænsetilfælde og generelle dimensioneringsprincipper Bæreevne Glidning Dynamisk stivhed Differenssætninger Numeriske metoder 2

3 Case: Rødsand 2 - Offshore Wind Farm 3

4 Case - Rødsand 2 - Offshore Wind Farm 4

5 Case - Rødsand 2 - Offshore Wind Farm 5

6 Rødsand 2 90 møller, Siemens 2,3 MW Bygherre: E.ON Sverige med Grontmij-Carl Bro som rådgiver Entreprenør: Aarsleff - Bilfinger Berger JV med COWI som rådgiver Certificering: Det Norske Veritas Fundamentsbredde: 17 m Funderingsniveau: -7,5 m til -12,5 m Ballasteret masse: ~2000 ton 6

7 Fundering i moræneler business as usual? Hovedsageligt moræneler Lille dybde af CPT'er (2.9 ± 2.4 m) og manglende boringer Supplerende undersøgelser Steder med kridt, paleogene aflejringer og smeltevandsaflejringer Design gennemført med kombination af analytiske og numeriske metoder 7

8 Fundamenter til offshore vind Særlige udfordringer Jord-fundament-vindmølle dynamik Laster afhænger af systemets respons Dominerende horisontal last Høj egenlast installeret minimum egenlast undervejs Omkostninger til fundering afgørende for projektets mulighed for udførsel Geotekniske undersøgelser af tilstrækkeligt omfang og kvalitet 8

9 Agenda Særlige udfordringer Overordnede grænsetilfælde og generelle dimensioneringsprincipper Bæreevne Glidning Dynamisk stivhed Differenssætninger Numeriske metoder 9

10 Bæreevneberegning Normgrundlag: DNV-OS-J101, "Design of offshore wind turbine structures" Homogene forhold -> Sædvanlig bæreevneformel Omregning til rektangulært effektivt areal Vridning omregnes til tillæg til horisontalkraft Horisontalkraft indgår som hældningsfaktor e l Robust og efterprøvet, effektivt til generel dimensionering, enkelt at systematisere og tjekke for mange lastkombinationer = bør altid opstilles Utilstrækkelig ved ikke-homogene forhold -> numeriske metoder True Shape 1 b 10

11 Glidning Alle mulige brudflader vurderes Stor afhængighed af udførelse tag entreprenøren med på råd Ujævn moræneoverflade i udgravning 11

12 Dynamisk stivhed Frequency band Frequency band Jord-fundament-vindmølle dynamik Primært fokus på nedreværdi for stivheden (tårnet dikterer i vid udstrækning øvreværdien) Tower Excitation Stivhed påvirker fundamentslasterne, iteration med mølleleverandøren Analytiske eller numeriske løsninger, baseret på elastisk opførsel af jorden Forudsætning: Lineær jord (~OK for moræneler), alternativt iterationer baseret på tøjninger 1p 1p 1p Tower frequency Frequency 12

13 Differenssætninger Typisk krav: grader To bidrag: 1: Differenssætninger som funktion af totale sætninger Bestemmes ud fra erfaringer med målinger på offshore punktfundamenter 2: Differenssætninger som følge af dominerende vindpåvirkning Bestemmes ud fra beregnet langtids-rotationsstivhed og et ækvivalent moment fra den fremherskende vindretning typisk 1/3-1/5 af ULS moment. 13

14 Numeriske metoder Motivation Beregning af lagdelt jord Bestemmelse af deformationer Bestemmelser af 3D-effekter Uafhængighed af bestemmelse af effektivt areal Værktøjer 2D: Plaxis / Abaqus afhængigt af modelleringsteknik 3D: Abaqus (evt. Plaxis 3D Foundation, afhængigt geometri og laster) 14

15 Numeriske metoder Principper Patchtest afprøv ALTID den opstillede model (evt. simplificeret) med et problem hvor løsningen er kendt. Tag højde for elementinddelingens finhed Vælg de rigtige elementer Vær opmærksom på jord-struktur interaktion. Plaxis er ikke i stand til at modellere kontaktproblemer Vær på vagt! Undersøg spændings- og tøjningsfordelingerne. Hvis der sker noget du ikke kan forklare er der ofte noget galt! 15

16 Kontaktmodellering 16

17 2-dimensional modellering (plan tøjning) Ikke-rektangulært fundament: e l e 3D-> 2D: Effektivt areal b True Shape 1 True Shape 2 Rektangulært fundament: Hele fundamentsarealet kan modelleres, hvis der modelleres passende betingelser for interfacet mellem jord og struktur. 17

18 3-dimensional modellering Fordele Mulighed for præcis modellering af fundamentets geometri Mulighed for korrekt modellering af vridning Ingen antagelser om effektivt fundamentsareal Ingen antagelser om plan tøjning = et mere nøjagtigt design Ulemper Større modellerings- og beregningstid Øget kompleksitet -> vanskeligere at fange inputfejl 18

19 Konklusion Design på homogene jordbundsforhold kan gennemføres med forholdsvis enkle modeller Bæreevneformel godt og robust værktøj men har indbyggede antagelser Numeriske modeller er ikke nødvendigvis lykken! Modellen er aldrig bedre end de formuleringer der ligger bag. (Pas på med kontakt/slip problemer i Plaxis!) 19