Download PDF

Grzegorz Sobieski, Adam Zaremba, Dominika Stankiewicz, Daniel Dalak

Projektowanie posadowienia turbin wiatrowych jest jednym z trudniejszych zadań inżynierskich, a w sytuacji występowania trudnych warunków gruntowych wymaga ścisłej współpracy projektanta fundamentu i projektanta geotechnika. Podstawowym celem wykonania posadowienia jest bezawaryjność konstrukcji. Jedynie odpowiednio zaprojektowany fundament i wzmocnienie podłoża gwarantują bezpieczne i ekonomiczne funkcjonowanie elektrowni wiatrowej.

 Jeszcze nigdy pytanie o optymalizację fundamentów pod turbiny wiatrowe nie było tak aktualne, jak dziś, w przeddzień wprowadzenia nowego systemu wsparcia odnawialnych źródeł energii (OZE) – systemu aukcyjnego. Inwestorzy, przystępując do aukcji, mają tym większe szanse na jej wygranie, im projekt ich farmy wiatrowej jest lepiej przygotowany, przemyślany i zaplanowany. Spodziewana duża konkurencja w pakiecie źródeł o mocy powyżej 1 MW energii obliguje inwestorów do szukania oszczędności w wystawianej do aukcji inwestycji. Największą redukcję kosztów można uzyskać na etapie realizacji, w którym to jednym z bardziej znaczących wydatków jest szeroko rozumiany fundament. Optymalizacja posadowienia wieży pod turbinę wiatrową przede wszystkim powinna być wykonana z rozsądkiem w oparciu o wiedzę i doświadczenie, gdyż celem podstawowym musi być bezawaryjność konstrukcji. Nie jest dobrze, jeśli marketingowa presja zdobywania zleceń prowadzi do przekraczania granic bezpieczeństwa. Projektowanie posadowienia turbin wiatrowych jest jednym z trudniejszych zadań inżynierskich. Mimo że pierwsze turbiny wiatrowe były budowane w Polsce już pod koniec lat 90. XX w., do dnia dzisiejszego nie opracowano polskich wytycznych lub norm zajmujących się szczegółowo zagadnieniami związanymi z ich posadowieniem, co wydaje się zaskakujące w kontekście szybkiego rozwoju tej gałęzi budownictwa energetycznego [rys. 1]. Krajowy projektant jest zobligowany do stosowania trudno dostępnej literatury zagranicznej. Warto podkreślić, że popularna norma PN-83/B-03020 i parametry geotechniczne w niej podane nie powinny być w żadnym wypadku stosowane w projektowaniu tego typu konstrukcji. Innym problemem jest złożoność oddziaływań przekazywanych przez fundament na podłoże gruntowe. Oprócz oddziaływań statycznych, występują także oddziaływania cykliczne i dynamiczne związane z pracą elektrowni wiatrowej.

Badania podłoża gruntowego

Zgodnie z rozporządzeniem [7, § 4. 1 Pkt 3b i 3c] oraz [8] turbiny wiatrowe można opisać jako „nietypowe obiekty budowlane niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników” lub których „projekty budowlane zawierają nieznajdujące podstaw w przepisach nowe, niesprawdzone w krajowej praktyce rozwiązania techniczne”. W związku z tym oraz zgodnie z nowym rozporządzeniem z dnia 27 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalenia geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych, elektrownie wiatrowe należy zakwalifi kować do III kategorii geotechnicznej jako „obiekty energetyki”. Pod obiekty tak scharakteryzowane trzeba wykonać szczegółowe badania geotechniczne, dokumentację geologiczno-inżynierską oraz projekt geotechniczny zgodnie z [6, 7]. W rozporządzeniu [7] został przedstawiony ogólny zakres badań, jakie należy wykonywać podczas projektowania posadowień, np. turbin wiatrowych. Zaleca się przeprowadzać badania polowe do głębokości równej około 1,5 D średnicy fundamentu, przy czym najczęściej przyjmuje się wiercenia o głębokości około 25 m. Ważne jest, aby na etapie programowania badań podłoża osoby decydujące o ich zakresie oraz sposobie posadowienia zdawały sobie sprawę ze złożoności zagadnień współpracy konstrukcji z ośrodkiem gruntowym. Na podstawie badań polowych oraz laboratoryjnych powinny zostać wyznaczone poniższe parametry geotechniczne, potrzebne do poprawnego zaprojektowania posadowienia konstrukcji:
– rodzaj gruntu z podziałem na warstwy litologiczne,
– maksymalny poziom zwierciadła wód gruntowych,
– parametry opisujące właściwości fi zyczne,
– efektywne parametry wytrzymałościowe gruntu,
– wytrzymałość na ścinanie gruntu w warunkach bez drenażu,
– moduły odkształcenia gruntu statyczne i dynamiczne,
– współczynnik Poissona dla warunków z „odpływem” i „bez odpływu”.
Dobrą praktyką jest, aby nie ograniczać się do jednego miarodajnego badania, szczególnie jeśli chodzi o parametry dynamiczne podłoża. Z praktyki wynika, że rezultaty badań mogą odbiegać od siebie znacząco, dając niespójny obraz rzeczywistego stanu gruntów. Deweloperzy i inwestorzy farm wiatrowych, zlecając badania podłoża na etapie projektu budowlanego, mają na ten cel często ograniczony budżet. Różnica kosztowa pomiędzy szczegółowymi a podstawowymi badaniami gruntu to prawdopodobnie zaledwie promil w skali całej inwestycji. Projekt, który będzie efektem dobrych badań, może przynieść nawet kilka do kilkunastu procent oszczędności w końcowym rozrachunku. Dodatkowo należy pamiętać, że za niskiej jakości badania podłoża i tak trzeba będzie zapłacić. Oszczędności na etapie dokumentacji geotechnicznej czy geologiczno-inżynierskiej mogą przyczynić się do wzrostu kosztów posadowienia fundamentów w efekcie końcowym lub spowodują konieczność ponowienia badań na etapie wykonawstwa. Parametry nieadekwatne do stanu rzeczywistego powodują projektowanie wzmocnienia podłoża lub palowania w miejscach niewymagających tego typu rozwiązań.

Projektowanie fundamentów pod turbiny wiatrowe

Według ICE 61400-1 żywotność turbiny wiatrowej wynosi 20 lat. W tym okresie mogą wystąpić następujące warianty pracy konstrukcji: montaż, demontaż, uruchomienie, produkcja energii, wiatr ekstremalny (występowanie około pięć razy na 231 mln cykli), awaria i inne. Na podstawie tych wariantów wyznaczane są oddziaływania przekazywane na podłoże gruntowe w postaci siły pionowej Fz, siły poziomej Fxy oraz momentów: skręcającego Mr oraz wywracającego Mxy. Wyróżnia się trzy główne przypadki obliczeniowe:
– wiatr ekstremalny (50-letni);
– obciążenia awaryjne, nietypowa praca, defekt lub zniszczenie turbiny;
– lift-off, przypadek braku oderwania fundamentu często określany jako „quasi permanent”.
Wszystkie z tych trzech przypadków w odpowiednich kombinacjach obliczeniowych mogą być wymiarujące i wpływać na wielkość fundamentu, jego zbrojenie oraz sposób posadowienia. Dodatkowo istotny wpływ na ilość i kształt zbrojenia mają obciążenia zmęczeniowe. W tym miejscu warto nadmienić, że w fundamentach palowych dla przypadku lift-off nie jest dopuszczalne występowanie zjawiska sił wyciągających w palach (wytyczne producentów turbin). Dla tego warunku weryfikuje się również dynamiczną sztywność obrotową. Analiza ta ma na celu wykluczenie możliwości powstania rezonansu. Projektant geotechniczny powinien posiadać dużą wiedzę na temat zachowania się gruntu wraz ze współpracującym fundamentem. To od niego w znacznym stopniu zależy ewentualny koszt wzmocnienia podłoża gruntowego lub palowania. Poprawna analiza geotechniczna jest kluczowa w projektowaniu i optymalizacji posadowień pod turbiny wiatrowe. Z powodu niestandardowej pracy tych konstrukcji, poddanej zmiennym, cyklicznie występującym obciążeniom dynamicznym, interpretacja warunków gruntowych różni się od standardowej analizy. Oprócz sprawdzeń granicznych naprężeń, osiadań różnicowych, warunku na poślizg i przesuw należy pamiętać o weryfikacji takich warunków, jak maksymalna powierzchnia oderwania (w tym również brak oderwania) oraz minimalna dynamiczna sztywność na obrót i przesuw. Oprócz aspektu dynamicznego niezwykle ważnym parametrem wpływającym na projektowanie jest występowanie wyporowej wody gruntowej lub jej brak. Fundamenty poddane wyporowi mogą różnić się od siebie pod względem kubatury nawet o około 30% [rys. 3]. Biorąc pod uwagę, jak istotny ma to wpływ na koszty inwestycji, zaleca się w każdym wypadku dokładne zbadanie sytuacji wodnej, np. przy pomocy piezometrów. Można dodatkowo odwołać się do archiwalnych badań na danym terenie. Zmienność sytuacji wodnej w okresie 20-letnim może okazać się dość duża. Pomocna w tym kontekście jest również analiza sytuacyjno-wysokościowa danego terenu inwestycji oraz rozpoznanie ewentualnych cieków wodnych lub ryzyka akumulacji wody. W miarę możliwości problem wyporu wody można zniwelować poprzez wyniesienie fundamentu. Oczywiście w takim przypadku trzeba wziąć pod uwagę szereg uwarunkowań, takich jak decyzja środowiskowa, miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego, decyzja Lotnictwa Cywilnego i Wojskowego oraz wytyczne producenta turbiny. Należy sobie zdawać sprawę z faktu, że obciążenia wiatrowe podawane przez dostawcę turbiny odnoszą się do konkretnej wysokości i jej zmiana poprzez wyniesienie fundamentu może wpływać na wartość tychże obciążeń.