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Numerical investigation of soil-structure interaction for onshore wind turbines grounded on a layered soil



VerantwortlichkeitsangabeFrancesca Taddei

ImpressumAachen : RWTH Aachen, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik 2015

UmfangXIV, 135 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-946090-00-7

ReiheSchriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen ; 2015,02


Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-017868
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465678/files/465678.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465678/files/465678.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurbau, Umwelttechnik (frei) ; soil-structure interaction (frei) ; onshore wind turbine (frei) ; layered soil (frei) ; finite element method (frei) ; boundary element method (frei) ; lumped parameter model (frei) ; FAST (frei) ; ANSYS (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Ziel dieser Thesis ist es, die Effekte der Boden-Bauwerk Interaktion (BBI) in der dynamischen Antwort von Onshore-Windenergie-Anlagen, gegründet auf geschichtetem Boden, zu modellieren und zu evaluieren. Das zunehmende Aufstellen von Windenergie-Anlagen führt sicherlich zu einer schnellen Expansion in Gebiete, in denen die Bodenbeschaffenheiten komplex und das seismische Risiko hoch sind. Allerdings besteht dort eine Wissenslücke über ungünstige Einflüsse infolge der Interaktion der Windturbine, deren Gründung mit dem darunter liegenden, geschichteten Boden. Obwohl aktuelle Normen Anleitungen zur Berücksichtigung von BBI-Effekten beinhalten, werden diese oft vernachlässigt. Immer wenn der Boden berücksichtigt wird, wird dieser üblicherweise als homogener Halbraum idealisiert, wobei der signifikante Einfluss der Bodenschichtung vernachlässigt wird. In dieser Arbeit werden sowohl genaue als auch vereinfachte Verfahren zur BBI-Analyse betrachtet. Beim genauen Verfahren kommt ein gekoppeltes Modell aus der Finiten Elemente Methode (FEM) und der Randelementemethode (REM) zum Einsatz. Als vereinfachte Alternative werden Lumped Parameter Modelle (LPM) des Fundament-Bodensystems implementiert. Mithilfe von Benchmark-Beispielen werden wichtige Aspekte der Boden-Bauwerkmodellierung hervorgehoben. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit des vereinfachten Ansatzes nachgewiesen. Das vorgestellte Modell besteht aus einer 3-Blatt-Windturbine, die auf einem geschichteten Boden gegründet ist, welcher als homogener Halbraum mit einer horizontalen Deckschicht idealisiert wird. Die numerische Untersuchung teilt sich in zwei Abschnitte auf. Im ersten Teil wird die dynamische Antwort des Boden-Bauwerksystems im Frequenzbereich mit einem genauen FEM/REM-Koppelmodell berechnet. Nach einer Voruntersuchung des Fundament-Bodensystems wurde der Fokus der Arbeit auf die Betrachtung des gesamten Turbinen-Bodenverbundes verschoben. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die BBI wird systematisch bestimmt, und es werden Größenordnungen für diese Parameter angegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die BBI-Effekte in der transienten Antwort einer 5MW-Turbine unter aerodynamischer und seismischer Belastung. Anlehnend an internationale Normen werden drei Szenarien betrachtet: Leerlauf, Normalbetrieb und Notabschaltung der Anlage. Zur Darstellung der seismischen Anregung werden registrierte Starkbebenereignisse als Belastung ausgewählt, die modifiziert werden, um den Einfluss der horizontalen Deckschicht zu berücksichtigen. Mehrere Simulationen werden durchgeführt um den Einfluss der BBI auf die inneren Kräfte und Verschiebungen der Windturbinenstruktur zu ermitteln. Das abschließende Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Referenz für Praktiker, Entwickler und Forscher, bezüglich der BBI-Effekte im geschichteten Boden zu erstellen. Dies soll ein tiefer gehendes Verständnis dieser Phänomene in seismisch aktiven Gebieten fördern, um so einen Beitrag zu einer verlässlicheren Leistungsbewertung und Kostenabschätzung zu liefern.

The present thesis aims to model and evaluate Soil Structure Interaction (SSI) issues for the dynamic response of onshore wind turbines grounded on a layered soil. The recent growth of wind energy installations has certainly provoked a rapid expansion into regions where the soil conditions may be complex and the seismic risk high. However, there is a lack of knowledge about unfavorable effects due to the interaction between the wind turbine, its foundation and the underlying layered soil. Although recent norms provide guidance for the consideration of SSI effects, these are often neglected, as their modeling is not straightforward. Whenever the soil is taken into account, in fact, it is usually idealized as a homogeneous half space, thus neglecting significant effects due to stratification. In this work, both rigorous and simplified investigation methods for SSI analyses are considered. The coupling between the finite elementmethod (FEM) and the boundary element method (BEM) has been chosen among the rigorous approaches, whereas lumped parameter models (LPM) for the foundation-soil system have been implemented as a simplified alternative. Through benchmarkexamples, important aspects of the soil-structure modeling are highlighted. Moreover, the suitability of the simplified approach has been proved by means of comparisons with the FEM/BEM coupling. The proposed models involve a 3-blade wind turbinegrounded on a layered half space, which has been idealized as a horizontal layer overa homogeneous half space. The numerical investigation is divided into two parts. In the first part, the dynamic response of the structure-soil system is analyzed in frequency domain with the accurate FEM/BEM coupling. A preliminary assessment of the foundation-soil system has been carried out; the focus has subsequently shifted to the whole turbine-soil assemblage. The effects of different parameters have been systematically evaluated, in order to provide a range of values for which the SSI has tobe accounted for. The second part focuses on the transient response of a 5-MW reference turbine subjected to aerodynamic and seismic loads, considering SSI effects. In accordance with international standards, three scenarios have been considered: idling conditions, normal operational state and emergency shutdown. For the seismic excitation, recorded strong motions have been selected for the control motion, which have been modified in order to account for the presence of the horizontal layer. Several simulations have been carried out in order to assess the influence of the SSI on the internal forces and displacements of the wind turbine structure; results are shown and discussed. The final purpose of this study is to provide a reference for practitioners, designers and researchers about SSI effects for layered soils, which helps to gain a deeper understanding of this phenomenon in seismic areas, thus contributing to more reliable performance assessments and costs estimations.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book

Format
online, print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT018628066

Interne Identnummern
RWTH-2015-01786
Datensatz-ID: 465678

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Document types > Books > Books
Faculty of Civil Engineering (Fac.3)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
311810

 Record created 2015-04-18, last modified 2023-10-27