Tuulivoimaloiden gravitaatioperustusten suunnittelu

Abstract

Suomen tuulivoimakapasiteetin kasvu on muun maailman tavoin osana ilmastonmuutoksen torjuntaa jyrkässä nousussa. Tuulivoimaloiden aktiivinen rakentaminen ja voimaloiden koon kasvun alati kiihtyvä tahti kasvattavat samalla tarvetta tuulivoimaloiden perustusten suunnittelulle. Tästä huolimatta Suomessa ei ole laadittu suunnittelua selkeyttävää ja yhtenäistävää ohjeistusta. Tämän diplomityön tavoitteena onkin luoda kokonaiskuva maatuulivoimaloiden gravitaatioperustusten suunnittelusta ja siihen liittyvistä erityispiirteistä. Työssä laaditaan pääasiassa kirjallisuuskatsauksena, esimerkki- ja vertailulaskelmia tukena käyttäen, selvitys tuulivoimaloiden gravitaatioperustusten suunnittelusta ja rakenteellisesta toiminnasta, keskittyen niiden erityispiirteisiin. Tuulivoimalan gravitaatioperustuksen toiminta perustuu suureen pohjapinta-alaan ja massaan. Suuren kokonsa vuoksi gravitaatioperustuksen betonin ja raudoituksen määrä pyritään optimoimaan, minkä vuoksi sille on kehitetty useita eri rakenneratkaisuja, mutta tyypillinen gravitaatioperustus on pyöreä ja reunoja kohti oheneva massiivinen teräsbetonilaatta. Maanvaraisten gravitaatioperustusten lisäksi tuulivoimaloita perustetaan paaluille sekä kallioankkuroituina. Perustusta kuormittavat peruslaatan ja sen yläpuolisen maan paino, yläpuolisilta rakenteilta tulevat kuormat sekä mahdollinen noste. Tuulivoimalan perustukseen kohdistuu hyvin merkittäviä dynaamisia ja väsyttäviä kuormia. Suuren kaatavan momentin vuoksi kuormat ovat myös voimakkaasti epäkeskisiä. Perustukseen yläpuolisilta rakenteilta kohdistuvat kuormat ja kuormitustapaukset määritetään IEC-standardien mukaan turbiinivalmistajan toimesta. Varsinainen perustusten suunnittelu tehdään kuitenkin Suomessa tavallisesti eurokoodi-standardien mukaan, mikä pakottaa käyttämään eri standardeja yhdessä. Tähän yhteiskäyttöön liittyy epäselvyyksiä etenkin murtorajatilan kuormille käytettävien osavarmuuslukujen sekä käyttörajatilan kuormien osalta, sillä standardit eroavat näiltä osin toisistaan merkittävästi taustoiltaan ja lähtökohdiltaan. Suunnittelustandardien lisäksi tuulivoimaloiden perustusten suunnittelua ohjaavat suuresti turbiinivalmistajan esittämät vaatimukset ja ohjeet, sekä geoteknisten tutkimusten perusteella määritettävät maaperäolosuhteet ja maaparametrien arvot. Nostevoimalla on hyvin merkittävä vaikutus kuormien epäkeskisyyteen, mikä vaikuttaa edelleen suuresti perustuksen toimintaan. Kuormien dynaamisuuden vuoksi myös perustuksen kokonaisjäykkyys on merkittävässä roolissa perustuksen toimintaa tarkasteltaessa. Nosteen lisäksi peruslaatan rakenteellinen jäykkyys ja sen alapuolisen maan jäykkyys sekä etenkin näiden jäykkyyksien välinen suhde maan ja peruslaatan välisessä yhteistoiminnassa vaikuttavat suuresti peruslaatan pohjan maakontaktiin ja pohjapainejakaumaan sekä edelleen rakenteeseen syntyviin sisäisiin rasituksiin. Tuulivoimalan gravitaatioperustuksen suunnittelu voidaan jakaa geotekniseen suunnitteluun ja rakennetekniseen suunnitteluun. Geoteknisessä suunnittelussa varmistetaan peruslaatan pohjan riittävä maakontakti sekä stabiliteetti kaatumista vastaan ja mitoitetaan perustus kantokestävyyden, liukumiskestävyyden ja painumatarkastelujen suhteen. Lisäksi geoteknisen suunnittelun yhteydessä varmistetaan perustuksen riittävä kokonaisjäykkyys. Geoteknisen suunnittelun tuloksena saadaan määritettyä perustuksen mitat. Rakennetekninen suunnittelu sisältää peruslaatan taivutuskestävyyden, leikkauskestävyyden, lävistyskestävyyden ja betonin paikallisten puristuskestävyyksien tarkastelun. Näiden tuloksena saadaan selville tarvittavat taivutusraudoitukset ja betonilujuudet, sekä mahdolliset leikkaus-, lävistys- ja halkaisuraudoitukset.

Along with the rest of the world, Finland’s wind power capacity is on a steep rise as a part of preventing the climate change. The active construction of wind turbines and their constant increase in size also increase the demand for wind turbine foundations design. Despite this, no guidelines to clarify and unify the design have been created in Finland. The aim of this thesis is to create an overall picture of the design of gravity foundations for onshore wind turbines and its distinguishing characteristics. In the study, a detailed account of the design of wind turbine gravity foundations and their structural behaviour is given by means of a literature review and example calculations, with the focus being on the distinguishing characteristics. The operation of a wind turbine gravity foundation is based on its large base area and substantial mass. Because of its large size, an attempt is made to optimize the amount of concrete and reinforcing bar steel in a gravity foundation. This has led to the development of various structural solutions for wind turbine gravity foundations, but a typical foundation is a round reinforced concrete slab with its structural height decreasing towards the edges. In addition to ground supported gravity-based foundations, other foundation types for wind turbines include pile foundations and rock anchor foundations. The structural loads of the foundation consist of the weight of the slab and its overlying soil, the loads of the superstructures and the potential buoyant force. The loads on a wind turbine foundation are heavily dynamic and cause fatigue. The loads are also highly eccentric because of a large overturning moment. The loads of the superstructures and the load cases are determined by the turbine manufacturer using the IEC standards, whereas the design of the foundation is generally done according to the Eurocodes. Therefore, joint use of different design standards is required. This causes confusion and ambiguity, especially concerning the ultimate limit state loads’ safety factors and load cases in serviceability limit state, because the standards, in these regards, considerably deviate from one another in terms of their back-grounds and bases. Apart from the design standards, the design of wind turbine foundations is greatly guided by the requirements and specifications of the turbine manufacturer, as well as the soil conditions and soil parameters determined by the soil investigations. The buoyant force also has a big impact on the load eccentricity, which further affects the behaviour of the foundation. Because of the dynamism of the loads, the overall stiffness of the foundation also plays a major role when examining the behaviour of the foundation. Apart from the buoyant force, the stiffness of the structure as well as the stiffness of the underlying soil, and in particular their interaction, greatly affect the foundation slab’s soil contact and distribution of pressure which further affect the internal stresses in the structure. The design of wind turbine gravity foundation can be divided into geotechnical design and structural design. In the geotechnical design, sufficient soil contact and stability against overturning are checked along with the verification of bearing capacity, sliding capacity and settlements. Furthermore, an adequate overall stiffness of the foundation is verified in pursuance of the geotechnical design. As a result of the geotechnical design, adequate dimensions for the foundation are defined. The structural design includes the design for bending, shear and punching as well as the verification of local compressive strengths of concrete. As a result of the structural design, the required concrete grades as well as the required reinforcements for bending and the potentially required reinforcements for shear, punching and splitting can be defined.