Dimensionering av monopåle för grundläggning av vindkraftverk till havs
Baserat på finita elementanalyser
Vindkraft är en förnyelsebar och utsläppsfri naturresurs. En fortsatt global utbyggnad av land- och havsbaserad vindkraft är att vänta. Fördelar med vindkraft till havs är bättre vindförhållanden och lägre krav på hänsyn till landskapsbild och närboende, vilket medför att vindkraftverken kan byggas större och därmed kan vinden utnyttjas mer effektivt. För havsbaserade vindparker krävs en lösning för grundläggning som är rationell och anpassningsbar. Vid dimensionering av konstruktioner till havs är det viktigt att ta hänsyn till den cykliska belastningen från vind och vågor konstruktionen utsätts för. Traditionellt används rekommendationer utgivna av American Petroleum Institute, API, för dimensionering av konstruktioner till havs. För pålar är rekommendationerna baserade på ett fåtal laboratorie- och fältförsök med pålar som är längre och slankare än konventionella monopålar. Metodens lämplighet för dimensionering av monopålar är därför ifrågasatt. Norges Geotekniska Institut, NGI, har utvecklat en materialmodell för analysering av konstruktioner utsatta för kombinerad cyklisk och statisk belastning. Materialmodellen kallas PDCAM och är ett resultat av flera decenniers forskning inom området. PDCAM beräknar effekterna i jorden av cyklisk belastning, det vill säga ackumulerande portryck, ackumulerande töjningar, reducerad styvhet och reducerad odränerad hållfasthet. Kapaciteten för en monopåle grundlagd i fast lagrad och vattenmättad sand undersöks. Här avses en monopåle med en diameter på 6 meter och ett penetrationsdjup på 25 meter. Beräkningarna utförs med hjälp av PDCAM implementerad i det finita elementprogrammet PLAXIS 3D Foundation. Vidare jämförs resultaten med manuella beräkningar enligt API:s rekommendationer. Beräkningarna avser brottsgränstillstånd.I syfte att validera elementnätet och resultaten samt spara tid kompletteras beräkningarna med enklare beräkningar med materialmodellen Hardening soil. Med materialmodellen PDCAM erhålls en säkerhetsfaktor på minst två för vald monopåle och penetrationsdjup. De horisontala deformationerna vid havsbotten tyder på en ytterligare kapacitet, dock är beräkningarna mycket tidskrävande och bättre precision av resultatet har ej kunnat fastställas inom tidsramen för denna studie. Beräkningarna baserade på API:s rekommendationer ger en definitiv säkerhetsfaktor på 3,2 och analyserna med materialmodellen Hardening soil ger en säkerhetsfaktor på 4,5. Resultaten visar att cyklisk belastning ger en betydande reducering av kapaciteten för monopålen.PDCAM är en mycket avancerad materialmodell och kräver indata som är tids- och resurskrävande att ta fram. Saknas indata för PDCAM ger py-metoden ett bra riktgivande resultat men på grund av metodens brister bör resultaten ej användas som underlag för dimensionering. I syfte att utveckla mer kommersiellt användbara materialmodeller anpassade för cyklisk belastning kan PDCAM fungera som en fundamental beräkningsprocedur att utveckla vidare.