Αριθμητική βελτιστοποίηση υβριδικού δομικού συστήματος ανεμογεννήτριας πολύ μεγάλου ύψους
Creators: name: Σταμούλης, Βασίλειος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Υβριδικός πύργος
Βελτιστοποίηση
Προεντεταμένο σκυρόδεμα
Hybrid tower
Optimization
Prestressed concrete

description: Η ανάγκη για υψηλότερες ανεμογεννήτριες προκύπτει από το γεγονός ότι σε μεγάλα ύψη επικρατούν μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου και με σημαντικά μικρότερη διακύμανση. Αυτό έχει ως επακόλουθο την παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας. Συνήθως οι πολύ ψηλές ανεμογεννήτριες τοποθετούνται σε πεδινές περιοχές, όπου η ταχύτητα του ανέμου στα χαμηλά υψόμετρα διακρίνεται από έντονη τύρβη (διακύμανση) και μικρότερες τιμές. Στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια βελτιστοποίησης ενός υβριδικού πύργου ανεμογεννήτριας ύψους 250m, οποίος αποτελείται από ένα τμήμα σκυροδέματος και από ένα τμήμα από χαλύβδινο σωληνωτό πύργο. Η βελτιστοποίηση που έγινε αφορά κυρίως τις διαστάσεις του πύργου, δηλαδή την εύρεση ενός δομικού συστήματος με τις μικρότερες διαστάσεις που να ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένες απαιτήσεις σχεδιασμού. Ειδικότερα οι προϋποθέσεις που τέθηκαν για την αποδοχή κάθε μοντέλου υβριδικού πύργου ήταν οι εξής δύο: α) ο πύργος να συμπεριφέρεται ελαστικά ακόμη και μετά την επιβολή ισχυρών φορτίσεων, λόγω της σπουδαιότητάς του και β) οι μετακινήσεις του να κυμαίνονται μέσα σε επιτρεπτά όρια. Συγκεκριμένα σε κάθε μοντέλο υβριδικού πύργου επιβλήθηκαν: α) φορτία σίφουνα Κατηγορίας F4, όπου πρόκειται για έναν πολύ ισχυρό άνεμο με μέγιστη ταχύτητα ανέμου ίση με 510 km/h, β) φορτία ενός πιο μέτριας έντασης ανέμου, με μέγιστη ταχύτητα ίση με 320 km/h και γ) σεισμικά φορτία με βάση το φάσμα σχεδιασμού του κανονισμού ΕΝ1998. Κατά την διαδικασία της βελτιστοποίησης διαπιστώθηκε ότι μόνο με τη χρήση Ο/Σ, προκειμένου η κατασκευή να αναπτύσσει ελαστική συμπεριφορά ακόμη και μετά την επιβολή ισχυρών φορτίσεων, «οδηγούμαστε» σε πολύ μεγάλες διαστάσεις πύργου, κάτι που δε συμφέρει από άποψη κόστους. Για το λόγο αυτό έγινε χρήση προεντεταμένου σκυροδέματος. Με βάση τα παραπάνω, στην παρούσα εργασία εξετάστηκαν δύο διαφορετικά δομικά συστήματα (μοντέλα) υβριδικού πύργου ανεμογεννήτριας. Το 1ο Μοντέλο έχει σχεδιαστεί να αντέχει σε πολύ ισχυρούς ανέμους και σε σεισμό, ενώ το 2ο Μοντέλο έχει σχεδιαστεί να αντέχει σε άνεμο μικρότερης έντασης από ότι του πρώτου μοντέλου. Η διαφορά στη γεωμετρία μεταξύ των δύο μοντέλων έγκειται μόνο στο πάχος των διατομών τους. Ενδεικτικά αναφέρονται οι κοινές διαστάσεις και για τα δύο μοντέλα, οι οποίες είναι οι εξής: α) στο τμήμα από προεντεταμένο σκυρόδεμα η εξωτερική διάμετρος στη βάση του (z=0m) είναι ίση με 32m και στη κορυφή του ίδιου τμήματος (z=150m) η διάσταση αυτή ισούται με 26m, β) στο τμήμα του πύργου από χάλυβα στη βάση του (z=150m) η εξωτερική διάμετρος ισούται με 25m ενώ στην κορυφή του (z=250m) είναι ίση με 24m αντίστοιχα. Η εξωτερική διάμετρος του πύργου μεταβάλλεται γραμμικά καθ’ ύψος, αποδίδοντας στον πύργο τη μορφή ενός κόλουρου κώνου. Τέλος, ο σχεδιασμός του τμήματος του πύργου από προενταμένο σκυρόδεμα και για τα δύο μοντέλα έγινε με γνώμονα να περιοριστούν οι εφελκυστικές τάσεις κάτω από την εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος και αντίστοιχα οι θλιπτικές τάσεις να μην υπερβαίνουν την θλιπτική του αντοχή. Παράλληλα στο τμήμα του πύργου από χάλυβα ελέγχθηκαν οι τάσεις Von Mises και προέκυψε ότι κυμαίνονται κάτω από την αντίστοιχη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση και για τα δύο μοντέλα. Επίσης οι μέγιστες μετακινήσεις και για τα μοντέλα κυμαίνονται μέσα σε επιτρεπτά όρια.
description: The need for higher wind turbines results from the fact that at high altitudes higher wind speed are present with significantly less turbulence. This results in the production of a larger amount of energy. Usually, very high wind turbines are located in lowland areas, where wind speed at low altitudes are distinguished by high turbulence and lower value. In the present work an attempt was made to optimize a 250 m high hybrid wind turbine tower, which is composed of a concrete section and a steel pipe section. Specifically the aim of this procedure was to find a smaller size structural system that meets specific design requirements. Particularly, the acceptance criteria of each hybrid tower model were the following two: (a) the tower should behave elastically even after imposing heavy loads, due to its importance and (b) its displacements to be within permissible limits. Specifically we examine the behavior of every test hybrid tower model for the following loads: (a) F4 tornado loads, which is a very strong wind with a maximum wind speed of 510 km/h, (b) loads of a wind with more moderate intensity than the previous, with a top speed of 320 km/h and (c) seismic loads based on the design spectrum of EN1998. During the optimization process, it was found that using only reinforced concrete, in order for the structure to develop elastic behavior even after heavy loads, this choice yields in a tower with very large dimensions, which is not cost-effective. For this reason, we used prestressed concrete. Based on the above, in this work two different hybrid wind turbine structural systems (models) were examined. The 1st Model is designed to withstand very strong winds and earthquakes, while the 2nd Model is designed to withstand wind with more moderate intensity than first’s model. The geometry of these models differs only in the thickness of the cross-sections. Indicatively, the common dimensions for both models are as follows: (a) in the section of prestressed concrete tower the outer diameter at the base of the tower (z = 0m) is 32m and at the top of the same section (z = 150m) is 26m, b) in the steel section of the tower at its base (z = 150m) the outer diameter is 25m while at the top (z = 250m) it is 24m respectively. The outer diameter of the tower varies linearly per height, giving the tower the shape of a truncated cone. Finally, the aim of the design of the section of the tower from prestressed concrete for both models was to limit the tensile stresses below the tensile strength of the concrete and also the compressive stresses to not exceed its compressive strength. At the same time we checked the Von Mises stresses in the steel section of the tower and appeared to be below the corresponding maximum allowable stress for both models. Also the maximum displacements for both models were within the permissible limits.