Dynamic Behaviour of Suction Caissons

Offshore vindenergi er en lovende energiressource i den nærmeste fremtid, og bliver hurtigt konkurrencedygtig med andre energiproducerende teknologier. Den fortsatte forbedring af vindmølleteknologien har betydet, at vindmøllerne er vokset enormt i både størrelse og ydelse indenfor de sidste 25 år. For at reducere omkostningerne er vægten vindmøllekomponenterne minimeret, hvilket betyder at vindmøllekonstruktionen bliver mere fleksibel, og dermed mere følsom overfor dynamiske påvirkninger. På grund af, at den første resonansfrekvens for en moderne offshore vindmølle ligger tæt op af omløbsfrekvenserne for rotorsystemet, er det yderst vigtigt at være i stand til at evaluere møllens resonansfrekvenser præcist i takt med at vindmøllerne bliver større. For at opnå et pålideligt respons af vindmøllekonstruktionen under anvendelsestilstande er det nødvendigt at tage højde for mulige dynamiske effekter, forårsaget af jord-struktur interaktionen. Målet med denne afhandling er at undersøge den dynamiske jord-struktur interaktion af fundamenter til offshore vindmøller, med den hensigt, at de dynamiske egenskaber af fundamenterne kan inkluderes i et sammensat konstruktion-fundament system. Arbejdet har været fokuseret på en bestemt fundamentstype; sugebøttefundamentet.

Den frekvensafhængige stivhed (impedans) af sugebøttefundamentet er blevet undersøgt ved hjælp af en tredimensionel koblet element/randelementmetode model, hvor jorden er simplificeret som et lineært viskoelastisk materiale. Den dynamiske stivhed af sugebøttefundamentet er udtrykt ved dimensionsløse frekvensuafhængige koefficienter, svarende til hver af de forskellige frihedsgrader for et tredimensionelt fundament. Sammenligninger med kendte analytiske og numeriske løsninger indikerer, at den statiske og dynamiske opførsel af fundamentet forudsiges nøjagtigt ved hjælp af den anvendte model. Analyserne er blevet udført for forskellige kombinationer af skørtelængde, stivhed af jord og Poisson's forhold af jorden. Efterfølgende er højfrekvens-impedansen bestemt med henblik på anvendelse i forbindelse med lumped-parameter modeller af vindmøllefundamenter.

Kravene til realtidsberegninger i kommercielle lastberegningsprogrammer til vindmøller stemmer ikke overens med brugen af f.eks. koblede element/randelementmetode modeller, hvor fundamentsstivheden er evalueret i frekvensdomænet. På grund af dette er den dynamiske stivhed (impedans) for hver frihedsgrad formuleret ved hjælp af lumpedparameter modeller med frekvensuafhængige koefficienter, anvendelige for implementering i standard elementmetodeformuleringer. Lumped-parameter modellerne er anvendt til at simulere jord-struktur interaktionen i forbindelse med en elementmetodeformulering af en Vestas V90 3.0 MW offshore vindmølle med et sugebøttefundament. Simuleringerne af jord-struktur interaktionen ved hjælp af lumped-parameter model approksimationen af impedansen viser at konceptet er anvendelig i forbindelse med applikationer, hvor anvendelsestilstanden af en vindmølle skal analyseres.

En eksperimentel modalanalyse er blevet udført med det formål at estimere resonansfrekvenserne af en eksisterende Vestas V90 3.0 MW offshore vindmølle. I forbindelse med den eksperimentelle modalanalyse af vindmøllen bruges "Output-only modal identifikation", som anvendes når de modale egenskaber identificeres udelukkende ud fra det målte respons. De eksperimentelle modalanalyser har vist, at metoden er et anvendeligt redskab til at estimere responsen af en vindmølle.