Reliability-Based Design of Wind Turbine Foundations: Geotechnical Site Assessment

Med industrialiseringens start i det 18. århundrede begyndte en dramatisk forøgelse af carbondioxid-emission forårsaget af afbrænding af fossile brændstoffer. Carbondioxids varmefangende karakter forårsager global opvarmning, hvilket resulterer i stor bekymring for klimaforandring såvel som øget efterspørgsel på mere pålidelig, prisbillig og ren vedvarende energi. Vindmøller er blevet populære blandt de andre vedvarende energigeneratorer ved både at have teknisk og økonomisk ydeevne og ved at tilbyde konkurrencedygtige produktionspriser sammenlignet med andre vedvarende energikilder. Derfor er det en vigtig grøn-energiteknologi, der kan tilendebringe afhængigheden af fossile brændstoffer. Omkostningerne ved fundamenter til havvindmøller ligger typisk omkring 20-30% af det totale budget for vindmøller. Af denne årsag vil et optimeret design af fundamenterne forbedre omkostningseffektiviteten ved at matche et passende pålidelighedsniveau.

Det overordnede mål for denne ph.d.-afhandling er at facilitere et billigt fundamentdesign for fremtidens havbaserede vindmølleparker ved at fokusere på den geotekniske bedømmelse af området. Først er en række veletablerede teknikker til klassifikation af jord baseret på CPT (cone penetration test) data undersøgt for en lokalitet i Nordjylland. Formålet er at estimere de iboende usikkerheder i klassifikationsmetoderne. En sammenligning blev lavet med laboratorietestresultater på prøver, der er taget fra boringer ved stedet, for herigennem at kunne identificere og verificere den bedste metode for lokaliteten.

Desuden er adskillige seismiske CPT-forsøg blevet udført i sand og ler til estimering af aflejringernes forskydningsmodul ved lavt tøjningsniveau. Denne modul er en vigtig parameter i analysen og designet af fundamenter, og typen af aflejringer på lokaliteten blev estimeret på baggrund af denne værdi. Ydermere blev forskydningsmoduler fundet ud fra de seismiske test sammenlignet med modulerne estimeret ud fra CPT data ved anvendelse af forskellige empiriske relationer.

Den sidste del af afhandlingen omhandler bedømmelsen af de stedslige korrelationslængder af CPT-data i et sandlag. Resultaterne fra to forskellige steder i det nordlige Danmark indikerede en ret kraftig anisotropi med betydelig kortere korrelationslængder i den vertikale retning som et resultat af aflejringsprocessen. Den normaliserede spidsmodstand giver et bedre mål for de stedslige variation sammenlignet med den normaliserede friktionsratio. I geoteknisk analyse og design vil den udførende part ideelt set gerne kende jordens egenskaber så mange steder som muligt, men opnåelse af et sådant kendskab kan være urealistisk og bekosteligt. Derfor er udviklingen af statistiske metoder til fastlæggelse af disse parametre af stor interesse. Denne forskning benytter en stokastisk-felt-model til at behandle usikkerheder i jordens egenskaber grundet stedslig variation ved at analysere CPT data fra en sandforekomst i det nordlige Danmark. Brug af Kriging, en avanceret interpolationsmetode, har givet det bedste estimat af egenskaberne mellem observationspunkterne i det stokastiske felt, og indflydelsen på resultaterne af den stedslige korrelationslængde blev undersøgt. Resultaterne viser, at en større korrelationslængde reducerer fejlen på estimatet og resulterer i mere variation af de estimerede værdier mellem de interpolationspunkter.