Nowatorski fundament

Nowatorski fundament jedno-palowy z płytą oporową ma zastosowanie dla dużych morskich elektrowni wiatrowych i posiada tymczasową ochronę patentową (patent EP 1988219 A1).

Aktualny stan techniki.

Obecnie przedsiębiorstwa wiertnicze za pomocą posiadanego sprzętu mogą wykonywać odwierty o średnicy do 5 m dla fundamentu jedno-palowego.
Takie odwierty można stosować dla elektrowni o mocy nie większej niż 3,6 MW przy głębokości wody do 15 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.
Problem jest bardzo poważny, ponieważ większość terenów przewidzianych do instalowania morskich elektrowni wiatrowych ma głębokość od 15 do 40 m.

Nowatorskie rozwiązanie fundamentu

Na rys. 1 przedstawiono fundament jedno-palowy z płytą oporową w przekroju osiowym.
Fundament jedno-palowy, zagłębiony w dnie morza i przeznaczony do umieszczenia na nim elektrowni wiatrowej zawiera pal fundamentowy 1 i otaczającą go płytę oporową 2 która spoczywa swobodnie na dnie morza. Pomiędzy powierzchnią zewnętrzną pala fundamentowego 1 i powierzchnią wewnętrzną płyty oporowej 2 jest szczelina 4, w którą został wsypany żwir lub inny twardy materiał 5.
Płyta oporowa posiada u spodu krawędzie 3, usytuowane na obwodzie zewnętrznym i wewnętrznym płyty, o ostrzu skierowanym w dół.
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, siły tnące zależą od charakterystyki wytrzymałościowej gruntu.

Kompleksowe pomiary

W celu zbadania rzeczywistego współdziałania poszczególnych elementów fundamentu zostały przeprowadzone kompleksowe pomiary na modelu wykonanym w mikroskali 1:100 w następującym zakresie:

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

Wyniki uzyskane z pomiarów

W wyniku przeprowadzonych badań i pomiarów w mikroskali na fundamencie jedno-palowym z płytą oporową obliczono:

maksymalny statyczny współczynnik tarcia dla płyty oporowej usytuowanej na piaszczystym podłożu,
maksymalne naprężenie w gruncie piaszczystym na różnych głębokościach.

Zweryfikowano również założenie teoretyczne, że siła reakcji wywołanej tarciem płyty oporowej o podłoże piaszczyste i promieniowe siły reakcji gruntu wokół pala fundamentowego działają niezależnie od siebie i nawzajem się uzupełniają.

Wyniki przeprowadzonych pomiarów przedstawione na rys. 2. potwierdzają prawdziwość tego założenia.

Statyczny współczynnik tarcia nie zależy, jak wiadomo, od wielkości obiektu, a wytrzymałość gruntu na promieniowe siły reakcji zmienia się wraz z głębokością. Na głębokości 10 m jest około sto razy większa niż na głębokości 10 cm.

Wypływa z tego pierwszy ważny wniosek, że korzystając z wyników przeprowadzonych badań i pomiarów można obliczać i projektować fundamenty jedno-palowe z płytą oporową dla dużych morskich elektrowni wiatrowych o mocy kilku megawatów.

Nasuwa się drugi ważny wniosek, który wynika ze znanego faktu, że głębokość zanurzenia płyty oporowej w wodzie nie ma wpływu na wielkość poziomej siły reakcji. W związku z tym przy zastosowaniu nowatorskiego fundamentu jedno-palowego z płytą oporową dla elektrowni wiatrowej o dużej mocy głębokość wody w miejscu jej posadowienia wynosząca 30 lub 40 metrów nie stanowi problemu.

Charakterystyki nowatorskiego fundamentu

Wyniki przeprowadzonej analizy nowatorskiego rozwiązania fundamentu jedno-palowego z płytą oporową zostały przedstawione na rys. 3, rys. 4 i rys. 5.

Rys. 3 przedstawia wykresy sił poziomych w palu fundamentowym d = 5m w funkcji wysokości. W nowatorskim rozwiązaniu pozioma siła parcia wiatru przyjmuje wartość zerową na powierzchni gruntu bo jest tu zrównoważona przez reakcję pochodzącą od płyty oporowej. Poniżej tego punktu kierunek działania sił zmienia się na przeciwny i tu następuje pełne wykorzystanie dopuszczalnych naprężeń od sił poziomych w gruncie, dzięki czemu fundament jest krótszy.

Rys. 4 przedstawia wykresy momentów w palu fundamentowym d = 5m w funkcji wysokości. W nowatorskim rozwiązaniu maksymalny moment występuje na powierzchni gruntu.

Rys. 5 przedstawia zagłębienie pala fundamentowego d = 5m w gruncie w funkcji wysokości dla tradycyjnego i nowatorskiego fundamentu.

W tradycyjnym rozwiązaniu pal fundamentowy musi być odpowiednio głęboko posadowiony ze względu na następujące okoliczności:

obniżony punkt stały - o około 6 -7 m
rezerwa na podmywanie gruntu - około 2 x dpala, czyli około 10 m
rezerwa na zwiększony moment od siły parcia wiatru - około 15% odcinka pala zagłębionego w gruncie.

W nowatorskim rozwiązaniu okoliczności te nie występują i dlatego odcinek pala zagłębionego w gruncie może być znacznie krótszy.

Przeprowadzenie testów sprawdzających

rys. 6 przedstawia propozycję testowania fundamentu jedno-palowego z płytą oporową przewidzianego dla elektrowni wiatrowej dużej mocy.

Najpierw jest testowana sama płyta oporowa 4, która zostaje osadzona na dnie morskim w miejscu docelowym, w którym będzie zmontowana elektrownia wiatrowa. Płyta oporowa zostaje obciążona maksymalną siłą poziomą, którą przyjęto przy obliczaniu konstrukcji wieży i fundamentu. Jeśli test wypadnie pomyślnie płyta oporowa pozostanie nieruchoma w miejscu posadowienia.
Następnie wprowadza się pal fundamentowy 3 na żądaną głębokość w pusty środek płyty 4 i szczelinę wokół pala zasypuje się żwirem.
Kolejno montuje się wieżę 5 na fundamencie.
W końcu jest testowany kompletny fundament jedno-palowy z płytą oporową i zamontowaną wieżą.
Do testowania zostaje wykorzystana istniejąca elektrownia wiatrowa. Na wierzchołku wieży 2 jest przymocowana lina 6, która przechodzi przez zblocze 7, przymocowane do wierzchołka wieży 5 i jest nawijana na wciągarkę 9, zamocowaną na barce 8. Do fundamentu 1 jest przymocowany inny koniec liny 6, która ma zabudowany dynamometr służący do pomiaru siły, a lina łączy się dalej z korpusem wciągarki 9.
Jeśli test wypadnie pomyślnie płyta oporowa pozostanie nieruchoma w miejscu posadowienia a wieża nie wykaże ukosowania.

Praktycznie nie ma możliwości wystąpienia w warunkach eksploatacyjnych większych sił niż te, które występowały przy testowaniu.
Nasuwa się jeszcze trzeci ważny wniosek, że pozytywny wynik z przeprowadzonych testów daje 100% gwarancji, że nowatorski fundament jedno-palowy z płytą oporową będzie pracował prawidłowo.

Zakres oferowanych usług

Z realizacją morskiej pojedynczej elektrowni wiatrowej dużej mocy lub farmy wiatrowej wiąże się konieczność wykonania szeregu opracowań, które pozwolą na podjęcie ostatecznej decyzji o realizacji inwestycji.
W czasie realizacji inwestycji, przy instalowaniu nowatorskiego fundamentu, potrzebne będzie zapewnienie nadzoru autorskiego.
Oferowany zakres usług to:

wykonanie projektu fundamentu jedno-palowego z płytą oporową dla określonych warunków i w uzgodnionym zakresie,
wykonanie projektu konstrukcyjnego płyty oporowej w uzgodnionym zakresie,
opracowanie programu testowania płyty i całego fundamentu,
pełnienie nadzoru autorskiego w uzgodnionym zakresie,
udzielenie licencji na eksploatację obiektu zawierającego fundament objęty tymczasową ochroną patentową - zgłoszenie nr/patent nr: 07460000.9/ EP 1988219 A1.