Μεταλλικές κατασκευές

Η επερχόμενη έλλειψη ορυκτών καυσίμων σε συνδυασμό με τις υπάρχουσες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως αυτές έχουν διαμορφωθεί εξαιτίας των παραδοσιακών μεθόδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, έχουν οδηγήσει σε μια διαρκώς αυξανόμενη απαίτηση για πιο βιώσιμη παραγωγή ενέργειας. Τις τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί σε παγκόσμιο επίπεδο, ένα ενδιαφέρον για «πράσινη» ενέργεια, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας ως μιας από τις πιο ελπιδοφόρες μεθόδους παραγωγής ενέργειας. Οι σύγχρονες ενεργειακές ανάγκες σε συνδυασμό με την εξέλιξη της τεχνολογίας καθιστούν απαραίτητη την εξέλιξη των μεθόδων σχεδιασμού και αποτίμησης της δομικής συμπεριφοράς και αξιοπιστίας των πύργων ανεμογεννητριών. Προς αυτή τη κατεύθυνση, η βελτίωση του σχεδιασμού των λεπτομερειών δόμησης των πύργων ανεμογεννητριών έχει ως αποτέλεσμα την κατασκευή πιο αποτελεσματικών, ανθεκτικών και οικονομικών πύργων ανεμογεννητριών επιτρέποντας την ευρύτερη εφαρμογή τους και κατ’ επέκταση τη γενικότερη ανάπτυξη του τομέα της εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας. Απώτερος στόχος της βιομηχανίας παραγωγής αιολικών μηχανών είναι η εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού που βρίσκεται σε μεγαλύτερες αποστάσεις από την επιφάνεια της γης, συνεπώς οι κοίλοι κυλινδρικοί χαλύβδινοι πύργοι ανεμογεννητριών με μειούμενη καθ’ ύψος διάμετρο αποτελούν τη συνιστώμενη λύση για κατασκευή ψηλότερων πύργων καθώς δύνανται να μεταφέρουν μεγαλύτερα καμπτικά φορτία. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη βελτίωση της δομικής συμπεριφοράς των χαλύβδινων κοίλων κυλινδρικών πύργων ανεμογεννητριών μέσω της εισαγωγής ενισχύσεων εσωτερικά του κελύφους. Μέσω της ανάλυσης που διενεργείται, διερευνάται η συνεισφορά των ενισχυτικών δακτυλίων καθώς και των κατακόρυφων ενισχύσεων στη συνολική απόκριση του φορέα. Οι ενισχυτικοί δακτύλιοι τοποθετούνται καθ’ ύψος του πύργου με στόχο τον περιορισμό των φαινομένων του τοπικού λυγισμού, αυξάνοντας παράλληλα την αντοχή των χαλύβδινων πύργων ανεμογεννητριών σε λυγισμό και επιτυγχάνοντας δομική συμπεριφορά που προσομοιώνει τη συμπεριφορά δοκού. Επιπρόσθετα των ενισχυτικών δακτυλίων, διερευνάται και η συνεισφορά των κατακόρυφων ενισχύσεων στον περιορισμό της κυματοειδούς παραμόρφωσης μικρού μήκους κύματος λόγω της δράσης καμπτικών φορτίων. Για την ακριβή περιγραφή και πρόβλεψη της συμπεριφοράς των πύργων ανεμογεννητριών με την προσθήκη εσωτερικών ενισχύσεων, εφαρμόζεται η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων. Η αποτελεσματικότητα της τοποθέτησης των εσωτερικών ενισχύσεων καθώς και η επιρροή του αριθμού τους στη συνολική απόκριση του πύργου, αξιολογείται με τη διενέργεια παραμετρικών αναλύσεων.Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, οι χαλύβδινοι κοίλοι κυλινδρικοί πύργοι είναι η επικρατέστερη μορφολογία πύργων ανεμογεννητριών. Για την κατασκευή των κελυφωτών αυτών πύργων απαιτούνται κατακόρυφες συγκολλήσεις ώστε να μετατραπούν οι χαλύβδινες πλάκες σε κλειστούς δακτυλίους και στη συνέχεια περιφερειακές συγκολλήσεις ώστε να ενωθούν οι διαδοχικοί δακτύλιοι μεταξύ τους μορφώνοντας ένα ενιαίο τμήμα του πύργου. Και οι περιφερειακές αυτές συγκολλήσεις μεταξύ διαδοχικών δακτυλίων καθώς και οι συγκολλήσεις μεταξύ του κελύφους και των φλαντζών των συνδέσεων, έχουν αποδειχθεί ευαίσθητες έναντι φορτίων κόπωσης, καθώς πολύ συχνά απαντώνται ρωγμές λόγω κόπωσης σε πύργους ανεμογεννητριών που είναι σε λειτουργία. Επιπρόσθετα, ο συνήθης τρόπος αγκύρωσης του πύργου στη θεμελίωση γίνεται με τη χρήση προεντεταμένων κοχλιών που συνδέουν τη φλάντζα βάσης του πύργου με μια φλάντζα που εγκιβωτίζεται στο σκυρόδεμα. Η μόρφωση αυτή της θεμελίωσης είναι επίσης επιρρεπής σε βλάβη λόγω κόπωσης, καθώς έχουν παρατηρηθεί καταρρεύσεις ολόκληρων πύργων εξαιτίας του φαινομένου.Η διατριβή αυτή στοχεύει στην ανάλυση των αστοχιών λόγω κόπωσης που εμφανίζονται σε πύργους ανεμογεννητριών και εντρίβει στο σχεδιασμό των συγκολλητών και κοχλιωτών συνδέσεων των πύργων έναντι κόπωσης με τη χρήση της μεθόδου συσσώρευσης βλάβης. Ως τρόπος αποτίμησης της συμπεριφοράς των συνδέσεων πύργων ανεμογεννητριών έναντι φορτίων κόπωσης επιλέγεται η σύγκριση δύο πύργων ίδιου ύψους και διαφορετικού πάχους κελύφους. Για τη σύγκριση των δύο πύργων γίνεται χρήση αριθμητικών μεθόδων ανάλυσης καθώς και αναλυτικών μεθόδων της βιβλιογραφίας. Η αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιείται στην παρούσα διατριβή περιλαμβάνει τη χρήση τεχνητών χρονοϊστοριών του National Renewable Energy Laboratory (NREL, 2015) για τον υπολογισμό των φορτίων κόπωσης, ενώ η βιβλιογραφική μέθοδος χρησιμοποιεί αναλυτικές σχέσεις υπολογισμού των φορτίων κόπωσης που προδιαγράφονται στους αντίστοιχους κανονισμούς. Στις αναλύσεις και των δύο μεθόδων, τοπάχοςτουκελύφουςαποδεικνύεταικρίσιμοςπαράγονταςγιατονυπολογισμό της ζωής σε κόπωση της κατασκευής στις περιπτώσεις συγκολλητών συνδέσεων, ενώ παράλληλα το μέγεθος των κοχλιών αποδεικνύεται κρίσιμος παράγοντας στις κοχλιωτές συνδέσεις. Η μελλοντική πρόκληση στο σχεδιασμό πύργων ανεμογεννητριών είναι η οικονομική κατασκευή με ταυτόχρονη επαρκή διάρκεια ζωής σε κόπωση. Χρήσιμα συμπεράσματα ως προς την ακρίβεια των μεθόδων υπολογισμού όσο και προς τη σχέση της διάρκειας ζωής σε κόπωση με την ποσότητα του υλικού κατασκευής, προκύπτουν από τη σύγκριση της ζωής σε κόπωση τόσο των συγκολλητών όσο και των κοχλιωτών συνδέσεων.