Dynamic Properties of Offshore Wind Turbine Foundations

Stigende oliepriser og energiefterspørgsel sammenholdt med en generel forståelse af fossile brændslers negative indvirkning på klimaet nødvendiggør udviklingen af nye bæredygtige energiløsninger. Til trods for at offshore-vindenergi har potentiale til at producere pålidelig vedvarende energi, er der bred konsensus om, at den genererede elektricitet er omkostningstung sammenlignet med konventionelle energikilder. Som følge heraf er vægten af vindmøllen og fundamentet forsøgt minimeret, hvilket resulterer i en fleksibel struktur, som agerer dynamisk – selv ved lave lastfrekvenser. Varierende cykliske laster fra bølger og vind samt harmoniske lavfrekvente lastpåvirkninger fra vingerne stiller store krav til udmattelsesdesignet af vindmøllen, og en god forståelse af den strukturelle opførsel gennem vindmøllens levetid er derfor påkrævet.

Studier inden for jordskælvsteori viser, at det dynamiske konstruktionsrespons i høj grad er påvirket af impedansen af jord–fundament–interaktionen. Desværre er de hysteretiske og geometriske dissipationseffekter i jorden svære at medtage for tidsdomæneanalyser af offshore vindmøller. En præcis vurdering af udmattelsesgrænsetilstanden betyder simuleringer af flere tusinde lasttilfælde, hvilket kræver en simpel beregningseffektiv model, som har få frihedsgrader, men stadig er i stand til at medtage de vigtigste effekter af vindmøllens respons. Dette klares ofte ved hjælp af sekventielle eller fuldkoblede aero-hydro-elastiske simuleringer, hvor jord–struktur–interaktionen inkorporeres via princippet om en ækvivalent indspændingsdybde eller ved brug af en Winkler model med statiske fjedre langs fundamentet, og jorddæmpning modelleres som modaldæmpning. Ingen af modellerne tager dog hensyn til den dynamiske stivhed grundet tilstedeværelsen af inertikræfter, ligesom en veldefineret beskrivelse af dissipationseffekterne i jorden er forsømt. Dette danner grundlag for nærværende afhandling, som undersøger jord–struktur–interaktionens indvirkning på havbaserede vindmøllers modale og dynamiske vibrationskarakteristikker, og som desuden præsenterer en ny beregningseffektiv aerohydro-elastisk model af vindmøllesystemet, som tager bølgeudstrålingen og materialedæmpningen i jorden med i regning.

Offshore-vindmøllers modale egenskaber i form af egenfrekvenser og tilhørende dæmpningsforhold er undersøgt ved hjælp af fuldskalaforsøg og simple numeriske kvasistatiske simuleringer. Analyserne viser udpræget tidsvarierende modalegenskaber, som, underbygget af numeriske beregninger, forudsættes at være forårsaget af sedimenttransport af havbunden. Desuden indikerer “rotor-stop”-forsøg og forsøg med baggrundsvibrationer samme dæmpningsniveau relateret til den lavestdæmpede laterale egensvingningsform. Dette skyldes, at et “rotor-stop”-forsøg forårsager kraftig hysteretisk jorddæmpning og lav aerodynamisk dæmpning, mens det modsatte gør sig gældende for en havbaseret vindmølle i normal produktion.

Den dynamiske jord–struktur–interaktion kan bestemmes rigoristisk baseret på tredimensionelle elastodynamiske løsninger. Fra et beregningsmæssigt synspunkt er disse metoder dog særdeles tidskrævende og uegnet for koblede vindmøllesimuleringer. Med udgangspunkt heri gøres der i denne afhandling brug af lumped-parameter-modeller med frekvensuafhængige reelle koefficienter. Modellerne er med succes implementeret i aeroelastiske beregningsprogrammer. Semianalytiske løsninger for bestemmelse af gravitationsfundamenter og monopæles impedans er anvendt, hvilket sikrer en hurtig og effektiv kalibrering af lumped-parameter-modellen. Anvendelse af den fuldkoblede aero-hydro-elastiske fremgangsmåde med lineariserede deterministiske og stokastiske jordmodeller viser, at havbaserede vindmøllers modale egenskaber og laterale udmattelseslaster er stærkt påvirket af interaktionen mellem fundamentet og den omkringliggende jord.