Przeprowadzone w mikroskali kompleksowe pomiary dla fundamentu jednopalowego z płytą oporową dały bardzo pozytywne wyniki. Ekstrapolacja ich potwierdza przydatność tego rozwiązania dla morskich elektrowni wiatrowych dużej mocy.


Rys.1. Fundament
jednopalowy z płytą
oporową.


Rys.2. Zestaw pomiarów
płyty oporowej.


Rys.3. Zestaw do pomiarów
pala i do pomiarów:
pal + płyta oporowa

Obecnie przedsiębiorstwa wiertnicze za pomocą posiadanego sprzętu mogą wykonywać odwierty o średnicy do 5 m dla fundamentu jednopalowego. Takie odwierty można stosować dla elektrowni o mocy nie większej niż 3,6 MW przy głębokości wody do 10 m.
Dla większych głębokości wody należałoby skonstruować nowe urządzenia wiertnicze, ale zamiast tego zdecydowano się na rozwiązanie typu ?tripod? lub ?quadropod? z wierceniem po kilka pali o mniejszej średnicy na jeden fundament. Koszt takiego fundamentu wynosi około 40% kosztu całej inwestycji, podczas gdy fundament jednopalowy jest znacznie tańszy i kosztuje około 25% kosztów.
Problem jest bardzo poważny, ponieważ większość terenów przewidzianych do instalowania morskich elektrowni wiatrowych ma głębokość od 10 do 30 m.
Nowatorskie rozwiązanie fundamentu
Nowatorski fundament jednopalowy z płytą oporową nie stawia ograniczeń związanych z głębokością wody i wszystko na to wskazuje, że będzie on znacznie tańszy od fundamentów obecnie instalowanych.
Na rys. 1 przedstawiono fundament jednopalowy z płytą oporową w przekroju poprzecznym.
Sposób montażu fundamentu dla dużej elektrowni wiatrowej będzie następujący: najpierw płyta oporowa 2 z ostrymi krawędziami u spodu 3 zostaje umiejscowiona na dnie morskim.
Następnie pal rurowy 1 wprowadza się do gruntu w środku otworu w płycie oporowej na żądaną głębokość.
W końcu w szczelinę 4 pomiędzy palem i płytą wsypuje się żwir lub inny twardy i sypki materiał 5.
Współdziałanie poszczególnych elementów fundamentu polega na tym, że siła parcia wiatru na wirnik turbiny wiatrowej wywołuje równoważne siły reakcji działające na fundament. Jedną część sił reakcji stanowią siły tnące w gruncie wokół pala fundamentowego, drugą część sił reakcji stanowią siły tarcia występujące na styku powierzchni gruntu ze spodnią częścią płyty oporowej. Wielkość siły tarcia jest zależna od ciężaru płyty oporowej i od chropowatości jej spodniej części.
Na te siły tarcia korzystny wpływ ma duża masa właściwa materiału, z którego jest zbudowana płyta, ponieważ ciężar płyty oporowej zatopionej w wodzie jest mniejszy od jej ciężaru w powietrzu o ciężar wypartej wody.
Warstwa żwiru lub innego twardego materiału wsypanego w szczelinę pomiędzy pal i wewnętrzną powierzchnię płyty oporowej ma za zadanie przeniesienie siły poziomej z pala na płytę oporową, podczas gdy sama płyta może swobodnie osiadać i wywierać odpowiedni nacisk na powierzchnię gruntu.
Kompleksowe pomiary
W celu zbadania rzeczywistego współdziałania poszczególnych elementów fundamentu przeprowadzono kompleksowe pomiary na modelu wykonanym w mikroskali 1:100.
Pomiary przeprowadzone zostały w następującym zakresie:

• pomiary dla płyty oporowej,
• pomiary dla pala fundamentowego,
• pomiary dla całego fundamentu (pal + płyta oporowa).

Pomiary dla płyty oporowej przeprowadzono na zestawie pokazanym na rys. 2. Płyta oporowa jest zanurzona w wodzie, a podłożem gruntowym jest piasek. W wyniku stopniowego zwiększania obciążenia siłą poziomą uzyskano wartość graniczną, przy której płyta pozostaje nieruchoma. Na tej podstawie obliczono statyczny współczynnik tarcia dla płyty oporowej.
Pomiary dla pala fundamentowego przeprowadzono na zestawie pokazanym na rys. 3. Pal o średnicy 5 cm został zagłębiony 40 cm w podłożu piaszczystym, głębokość wody wynosiła 16 cm, a siła pozioma została przyłożona na wysokości 105 cm nad poziomem wody. Wymiary te zwiększone 100 razy odpowiadają w przybliżeniu gabarytom dużych morskich elektrowni wiatrowych. W wyniku stopniowego zwiększania obciążenia siłą poziomą uzyskano wartość graniczną, przy której pal pozostaje nieruchomy.
Pomiary dla całego fundamentu (pal + płyta oporowa) przeprowadzono na tym samym zestawie. I znów w wyniku stopniowego zwiększania obciążenia siłą poziomą uzyskano wartość graniczną, przy której cały fundament pozostaje nieruchomy.
Przeprowadzając ekstrapolację wyników z przelicznikiem wymiarowym ?100? stwierdzono, że siły i momenty występujące w dużych elektrowniach wiatrowych są około 5 razy większe, lecz nie ma to żadnego znaczenia, jeśli chodzi o interpretację wyników pomiarów.
Wyniki uzyskane z pomiarów
Teoretycznie siły reakcji pochodzące od nacisku płyty oporowej na grunt działają zupełnie niezależnie od sił reakcji pochodzących od sił tnących w gruncie wokół pala oporowego. Wobec tego siła pozioma przyłożona do pala przy pomiarach dla całego fundamentu (pal + płyta oporowa) powinna stanowić sumę sił reakcji zmierzonych osobno dla płyty oporowej i dla pala. Wyniki przeprowadzonych pomiarów dokładnie to potwierdziły.
Jeśli przyjmiemy siłę reakcji dla całego fundamentu za 100% to:

• na płytę oporową przypada (dane z pomiarów) ? 43%,
• na pal (dane z pomiarów) ? 57%.

Jeśli z kolei zaprojektujemy płytę oporową przy założeniu, że siła reakcji od płyty równa się maksymalnej sile poziomej od parcia wiatru na wirnik turbiny wiatrowej, to siła reakcji na pal będzie stanowiła rezerwę, która wyrażona jako współczynnik bezpieczeństwa przyjmie wartość kb = 2,3.
Fundamenty z płytą oporową
dla dużych elektrowni wiatrowych
Wstępne wyniki obliczeń dla fundamentów z płytą oporową dla dużych elektrowni wiatrowych przedstawiono w tab. 1.
Podsumowanie
Przeprowadzone pomiary dały bardzo klarowne wyniki. Stwierdzono ponad wszelką wątpliwość, że siły reakcji od płyty oporowej i od pala działają zupełnie niezależnie od siebie, a przy założeniu, że całą siłę poziomą od wirnika turbiny wiatrowej przenosi płyta oporowa, siły reakcji na pal będą stanowiły rezerwę, traktowaną jako współczynnik bezpieczeństwa.
Przyjęty naddatek do masy płyty oporowej w wysokości 30% stanowi dodatkowe zabezpieczenie na wypadek wprowadzenia korekty do zmierzonego współczynnika statycznego tarcia.
Maksymalny moment gnący w palu występuje na powierzchni płyty, w przeciwieństwie do pali tradycyjnych, w których maksymalny moment gnący występuje około 6-7 metrów pod powierzchnią gruntu, do tego trzeba jeszcze doliczyć 10 metrów na wymywanie piasku przez fale. Powoduje to, że moment gnący w palu nowatorskiego fundamentu jest o około 15% mniejszy, z drugiej strony korzystniejszy rozkład sił pozwala na znaczne skrócenie zagłębienia pala w gruncie.
Wyniki przeprowadzonych pomiarów są na tyle zachęcające, że bez zbytniego ryzyka można od razu przystąpić do prac nad zainstalowaniem innowacyjnego fundamentu dla konkretnej elektrowni wiatrowej. Można przy tej okazji równolegle przeprowadzić pomiary dla modelu fundamentu w skali 1:10 w zakresie opisanym w niniejszym artykule.
Dla firmy, która podejmie ten temat, autor może zapewnić pomoc w zakresie projektowania i nadzoru autorskiego.

Zbyszko Jaroszewicz
EKO-PRO