Rüzgar enerjisi türbinleri yüzeysel temellerinin geoteknik tasarımı
Geotechnical design of shallow foundation for windenergy turbines
Yazar: YILDIRIM BAYAZIT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Rüzgar türbini yapıları, bir rotora etkiyen aerodinamik kuvvetler vasıtasıyla rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek için tasarlanmıştır. Mekanik enerji daha sonra elektrik enerjisi üretmek için bir jeneratörü harekete geçirmek için kullanılır.
Rüzgar türbinleri genellikle proje yerinde bir türbin temeli, kule ve kanat ve diğer bileşenleri monte edilerek inşa edilir. Temeller, türbin yükleri, sismik ve geoteknik durum göz önünde bulundurularak ulusal ve uluslararası standartlar çercevesinde tasarlanmaktadır. Rüzgar türbini temeli ömrü boyunca, türbin ve kulenin zati ağırlığından kaynaklı yüke, dinamik rüzgar yüküne, sismik yüklere ve işletmeden kaynaklı yüklere maruz kalır. Temelin uygunsuz tasarım ve inşaatı sonucunda, temel sisteminin tamamen çökmesi veya farklı oturmalar nedeniyle turbinin işletme dışı kalacağı, dahası yapısal bozulmalar ortaya çıkarak devrileceği bilinmektedir. Burada temel tasarımında öncelikli adım temel tipinin türbinin yapılacağı yere, gelecek yüklere, kullanılacak yapı malzemelerinin maliyetine, iklimsel ve teknik olarak yapılabilirliğine, yatırımcının iş programına uygun olarak belirlenmesidir. 
Bu çalışmanın amacı, yukarıda bahsedilen temel tipinin belirlenmesi adımından sonraki uygun temel tipinin geoteknik tasarımı ile ilgili bilgi vermektir. Ülkemizde sıklıkla tercih edilen ağırlık tipi yüzeysel türbin temellerinden bahsedilecektir. 
Rüzgar enerjisi endüstrisindeki mevcut eğilim, rüzgar türbinlerinin sahadaki her bir konum için optimize etmek değil, üretim maliyetlerini düşük tutmak için bir dizi standart rüzgar türbini üretmektir. Bununla birlikte, bir rüzgar çiftliği boyunca büyük ölçüde değişebilen belirli saha koşullarına göre temel tasarımının yapılması gerekmektedir. Temelin, özellikle çevresel koşullar altında, kendisine aktarılan tüm olası yüklere dayanabilmesi çok önemlidir. Diğer yapılardan farklı olarak turbin temeline gelen yükler bir makine temeli gibi düşünülebilir. Temelin görevi kule ve mesnet yapıları (ankraj vb.) ile iletilen yükleri zemin/kaya alt tabakalarına güvenli bir şekilde ileterek arayüz sağlamasıdır. Güvenli ve verimli bir tasarım sağlamak için bu arayüzün ve mevcut yük aktarım mekanizmalarının kapsamlı bir şekilde anlaşılması, yüklerin ne şartlarda oluştuğu bilinmelidir. 
Öncelikle temel tasarımında bir girdi olan mühendislik parametrelerin elde edilmesi için yapılması gereken arazi çalışmaları ve labaratuvar deneylerinden bahsedilerek, bu çalışmalara destekleyici olacak olan jeofizik yöntemlere değinilecektir.
Literatür taramasında dairesel geometrili yüzeysel ağırlık tipi turbin temeli özelinde geoteknik tasarımı hakkında bilgiler verilmiştir. Farklı yönetmelik ve turbin firmalarının şartnameleri incelenmiş geoteknik tasarım bu bilgiler ışığında açıklanmıştır.
Çalışmada üç farklı sıkılıktaki (gevşek, orta sıkı, sıkı) kum zemine oturan turbin temelinin davranışı incelenmiştir. Yükler için yapılan 3.5 MW'lık turbinlerin yaklaşık yükleri kullanılmıştır. Bu yükler, çeşitli türbin imalatçılarının kurulu bu güçteki türbinlerinin temele etkiyen yüklerinin ortalamaları alınarak hesaplanmıştır. 
Hesabın ilk aşamasında geri analiz yapılarak gevşek kuma oturan bir turbin temeli çalışılmıştır. Türbin üretici firmalarının turbinin verimli ve gerektiği gibi çalışması için ihtiyacı olan stabilite gereksinimlerini sağlayacak zemin mühendislik parametreleri bulunmaya çalışılmıştır. Burada başlangıç için kum öngörülmüş, literatürden kum zemin için tanımlanan poisson oranı secilerek bu rijitliği sağlayacak E ve G değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan E değeri literatürde gevşek kum olarak tanımlanmaktadır. Bu mühendislik parametreleri ile temelin taşıma güçü ve oturma kontrolleri yapılmıştır. Hesabın ikinci aşamasında farklı sıkılıktaki kumlar için (orta sıkı ve sıkı) taşıma gücü, rijitlik ve oturma hesapları yapılmıştır. 
Yük sınıfları, olağan dışı yükler (normal ve aşırı), işletme yükleri ve yorulma yükleri şeklindedir. Yapılan analize göre farklı yük ve yükleme kombinasyonları kullanılmıştır. Taşıma güçü kontrollerinde son limit durumu yük katsayıları olağan dışı yükler ile kullanılmıştır. Deformasyonların kontrolünde kullanılabilirlik limit durumu yük katsayıları olağan dışı yükler ile kullanılmıştır. Dönme rijitliklerinin kontrolünde ise kullanılabilirlik limit durumu yük katsayıları işletme yükleri ile kullanılmıştır.
Zemin gerilmesi dağılımı taşıma gücü hesabında, temel tabanında elde edilen düşey kuvvetlerin bileşkesi etrafında simetrik, diktörtgen şeklinde  bir plastik bölge olduğu düşünülmektedir. Dönme rijitlikleri ve deformasyonların kontrollerinde ise zemin gerilmesinin elastik bir dağılımı olduğu kabul  edilir. Hesaplarda temel tabanındaki basınç dağılımda boşluk bulunmaması ve boşluk bulunması bakımından incelenmiştir.
Taşıma güçü hesapları literatürdeki uygun formüller seçilerek ve tez kapsamında yazılan bir excel program ile yapılmış ve EK A'da paylaşılmıştır. Yapılan hesaplar GE05 programı yüzeysel temel modülü ile benzer uluslararası standartlar referans seçilerek kontrol edilmştir. Dönme rijitlikleri kontrollerinde farklı zemin ardalanması ve temelin zemindeki seviyesi ile ilgili olarak literatürde verilen formüller ile rijitlik hesapları yapılmıştır. Deformasyonların kontrollerinde ise granüler zemine oturan dairsel temel için tanımlanan formüller kullanılmıştır. Yapılan hesaplar sonlu elemanlar programı yardımıyla numerik analiz yapılarak karşılaştırılmıştır. 
Günümüzde geoteknik problemlerin çözümünde sıklıkla başvurulan sonlu elemanlar programı PLAXIS 2D ile numerik analiz gerçekleştirilmiştir. Rüzgar enerjisi turbini temel  tasarımında düzlem şekil değiştirme prensibine dayanan modelleme yöntemi kullanılmıştır. Çalışmada zemin ve geri dolgu için elasto-plastik bir çözüm sunan Mohr-Coulomb modeli tercih edilmiştir.

Analitik yöntem ve numerik analiz sonucu bulunan değerler birbiriyle kıyaslanmış ve aralarında yapı maliyetini etkileyecek bir fark bulunmadığı tespit edilmiştir. Beklendiği gibi numerik analiz ile  bulunan oturma sonuçlarının analitik yöntem ile bulunan sonuçlardan daha küçük olduğu gözlemlenmiştir. Bunun tersi olarak da gevşek kum ve orta sıkı kumdaki dönme miktarları her iki yöntemde de aynı çıkmakla beraber sıkı kumda analitik yöntemle bulunan dönme miktarı daha düşük çıkmaktadır. Ancak bu farkın yapılan çeşitli mühendislik kabullerdinen ileri geldiği düşünülmektedir.
Tezin bir diğer çıktısı ise üç farklı kum zemin özellikleri için sistem dönme rijitliği bakımından yeterli olmasına rağmen oturma miktarı olarak gevşek kum herhangibir iyileştirme yapmadan kurulacak bir türbinin işletmesi bakımından güvenli gözükmemektedir. Kum zemin için yapılacak ön tasarımda taşıma gücü ve dönme rijitliklerinden önce oturmanın kontrol edilmesi tavsiye edilmektedir.

Abstract:
Wind turbine structures are designed to convert the kinetic energy of the wind into mechanical energy through aerodynamic forces acting on a rotor. Mechanical energy is used to activate a generator to generate electrical energy. 
Wind turbines are generally constructed by assembling a turbine foundation, a tower, wings and other components on a project site. Turbine foundations are designed based on national and international standards by taking turbine loads, seismic and geotechnical conditions into consideration. During its lifetime, the wind turbine foundation is exposed to dead load of turbine and the tower, dynamic wind load, seismic loads and loads, that occurs due to operational activities. 
It is known that, due to its improper design and construction, the foundation of a turbine could completely collapse or partialy settle which may hinder operation of the turbine, or indeed the turbine could tilt over due to structural deformations. The first step of the foundation design is the determination of the foundation type with the consideration of geographical location of the turbine, estimated loads, cost of the construction materials to be used, climate conditions, technical constructability, and alloted project schedule by the investor. 
This study aims to discuss geotechnical design of the selected foundation type. This thesis covers only the shallow type turbine foundations, which is widely used in Turkey. 
The current trend in the wind power industry is not to optimize wind turbines for each location in the field, but to produce a set of standard wind turbines to keep production costs low. However, in the mean time, it is needed to design the foundation according to the certain field conditions which can vary significantly throughout a wind farm. It is crucial that the foundation be able to resist all possible loads, especially under harsh environmental conditions. Different from other structures, turbines can be considered as a machine foundation. The foundation acts as an interface which conveys the loads transmitted by the tower and support structures (anchors, etc.) to the ground / rock substrates. In order to ensure a safe and efficient design, this interface and existing load transfer mechanisms should be comprehensively understood as well as the conditions under which the loads occur should be known.
In this study, firstly, field studies and laboratory experiments will be explained which are needed to obtain engineering parameters as inputs for the foundation design. Geophysical methods that will support these studies will also be mentioned. 
This study reviews the current literature and gives highlights about the design of geotechnical design of circular geometry surface turbine. In addition, different regulations and the specifications of turbine companies are examined and geotechnical design is explained in acccordance. 
In this study, the behavior of the turbine foundation sitting on three different sand grounds having different densities (loose, medium dense, dense), was investigated. Approximate loads of turbines of 3.5 MW were used for loads. These loads are calculated by taking the averages of the loads of turbines of various turbine manufacturers. 
In the first stage, a turbine foundation on a loose sand was studied by conducting a back-analysis. Ground engineering parameters needed by turbines manufacturers were explored which provide the stability requirements that turbine needs to work efficiently and properly. For this purpose, sand we used its elasticity modulus (E), and shear modulus (G) values were calculated, which are needed for rigidity, by selecting the poisson ratio defined for sand from literature. The calculated E value is defined as loose sand in the literature. These engineering parameters were used to control bearing capacity and settlement limits of the foundation. In the second stage, the bearing capacity, rigidity and settlement calculations were made for sands having different densities (medium dense and dense).
Loads are classified as unusual loads (normal and extreme), operating loads and fatigue loads. Based on analyses conducted, different load and loading combinations were used. During the control of the bearing capacity, the maximum limit for load coefficients was used with unusual loads. In the control of the deformations, usability limit for load coefficients was used with unusual loads. Finally, in the control of rotational rigidity, the usability limits for load coefficients was used with operating loads.
In the calculation of bearing capacity, it is accepted that gorund stress distribution is a symmetrical, rectangular plastic region at the foundation base. In the control of rotational rigidity and deformations, an elastic distribution of the ground stress is assumed. In the calculations, the pressure in the foundation base was considered with spaces and no spaces in the pressure distribution. 
Bearing capacity calculations were made by selecting the appropriate formulas in the literature and by an excel program written in the scope of this thesis and were shared in the appendix. The calculations were checked by taking similar international standards as reference as well as with the use of "Spread Footing" module of the GE05 program. Stiffness calculations were performed by using the formulas given in the literature about the different ground conditons and the level of the foundation on the ground. In the control of the deformations, the formulas defined for the circular foundation on granular sand, were used. The calculations were made by using numerical analysis.
Numerical analysis has been carried out with the finite element program PLAXIS 2D, which is frequently used in the solution of geotechnical problems. In the foundation design of wind energy turbines, the modeling method based on the principle of changing the plane is used. In the study, Mohr-Coulomb model was selected which offers an elasto-plastic solution for foundation and backfill.
The results of analytical method and numerical analysis were compared with each other and it is found that there was no difference between them that affects cost of the foundation structure. As was expected, it was observed that the results obtained by numerical analysis were smaller than the results found with analytical methods. Conversely, the amount of rotations in the loose sand and medium dense sand is the same in both methods, but the amount of rotation with the analytical method in the dense sand is lower. However, this difference is thought to be caused by taking different engineering assumptions in two methods. 
Another finding of the thesis is that although the system is sufficient in terms of rotational rigidity for three different sand soil properties, the loose sand does not seem safe for the operation of a turbine without any improvement. It is recommended that, during the preliminary design of foundations, those that would have sand, settlements should be checked prior to the bearing capacity and rotational rigidity.