Στατική και Δυναμική Απόκριση Κοίλων Κυλινδρικών Φρεάτων υπό Συνδυασμένη Τρισδιάστατη Φόρτιση - Γεωργίου, Ειρήνη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής. Εργαστήριο Εδαφομηχανικής, 2014)
Τις τελευταίες δεκαετίες η προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Α.Π.Ε) αποτελεί σημαντική προτεραιότητα των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Συγκεκριμένα, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσει οδηγίες στα κράτη-μέλη μέχρι το 2020 τουλάχιστον το 20% της ενέργειάς τους να προέρχεται από Α.Π.Ε. Ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η εγκατάσταση μίας θαλάσσιας ανεμογεννήτριας (Α/Γ) είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον έργο μεγάλων απαιτήσεων και για τον γεωτεχνικό μελετητή: η θεμελίωση υποβάλλεται, καθόλη την διάρκεια ζωής του έργου, σε πολύ υψηλές ροπές (κυρίως εξαιτίας της δράσης του ανέμου) υπό σχετικώς χαμηλό κατακόρυφο φόρτιο. Η πλέον δημοφιλής μέθοδος θεμελίωσης είναι η υιοθέτηση δύσκαμπτων μονοπασσάλων πολύ μεγάλης διαμέτρου και μήκους που υπερβαίνει τα 20 m. Αναπόφευκτα, όσο τα βάθη θεμελίωσης αυξάνουν και όσο οι εδαφικές συνθήκες γίνονται πιο δυσμενείς, το κόστος κατασκευής και εγκατάστασης τέτοιων γιγάντιων θεμελιώσεων αυξάνει εκθετικά και πολλές φορές γίνεται κρίσιμο, αν όχι απογορευτικό, για την απόδοση της επένδυσης. Μια εναλλακτική λύση θεμελίωσης, που στηρίζει την επιτυχία της στον περιορισμό του κόστους εγκατάστασης, είναι τα κοίλα κυλινδρικά φρέατα, γνωστά στην διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο «suction caissons». Το σημαντικότερό τους πλεονέκτημα είναι η ευκολία στην έμπηξη, η οποία επιτυγχάνεται μέσω άντλησης του νερού που εμπεριέχεται εντός του κοίλου φρέατος και την ανάπτυξη υποπίεσης η οποία ‘έλκει’ το θεμέλιο στην τελική του θέση. Έως πρόσφατα για τον σχεδιασμό των θεμελιώσεων για τις ανεμογεννήτριες στη θάλασσα χρησιμοποιούνταν οι κώδικες της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου. Κάτι τέτοιο βέβαια οδηγεί σε ανεπαρκείς λύσεις, αφού οι οριζόντιες δυνάμεις λόγω του ανέμου και των κυμάτων ξεπερνούν το κατακόρυφο φορτίο λόγω του ιδίου βάρους κατά τουλάχιστον 60%, δημιουργώντας σημαντικές εκκεντρότητες. Επιπλέον, η πλειονότητα των εργασιών για κοίλες φρεατοθεμελιώσεις περιορίζεται στην μελέτη της απόκρισης σε ένα επίπεδο φόρτισης θεωρώντας συνθήκες πλήρους επαφής μεταξύ του φρέατος και του περιβάλλοντος και εμπεριεχομένου εδάφους, ενώ περιορισμένη παραμένει και η διερεύνηση της απόκρισης υπό ανακυκλική φόρτιση. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η πλήρης διερεύνηση της απόκρισης τέτοιου είδους θεμελιώσεων στον τρισδιάστατο χώρο φόρτισης, με την εισαγωγή του στρεπτικού φορτίου και της δεύτερης οριζόντιας συνιστώσας, προκειμένου να αποδοθεί με ρεαλιστικότερο τρόπο το σύνθετο περιβάλλον φόρτισης, το οποίο περιλαμβάνει έξι βαθμούς ελευθερίας κίνησης. Προς τούτο, διενεργήθηκαν τρισδιάστατες μη γραμμικές αριθμητικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων του πλήρους συστήματος εδάφους-φρέατος-ανεμογεννήτριας, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην προσομοίωση των συνθηκών επαφής εδάφους-φρέατος. Το τελευταίο διότι η επίδραση της αναρρόφησης ενώ είναι υπαρκτή στον αρχικό χρόνο λειτουργίας, μετά από πολλούς κύκλους δύναται να έχει απομειωθεί και να υπάρχει ροή στο εσωτερικό της θεμελίωσης, με αποτέλεσμα να χάνεται η εφελκυστική αντοχή της θεμελίωσης και να υπάρχει η πιθανότητα ολίσθησης ή και ανασηκώματος. Η εργασία επικεντρώνεται σε τρεις κυρίως θεματικές ενότητες: 1. στην φέρουσα ικανότητα, 2. στην επίδραση της δεύτερης οριζόντιας συνιστώσας φόρτισης στην δυσκαμψία του συστήματος και 3. στην απόκριση του συστήματος υπό ανακυκλική και σεισμική φόρτιση δύο διευθύνσεων. Φέρουσα Ικανότητα: Η υιοθέτηση από την πλειονότητα των εργασιών του σημείου αναφοράς των εντατικών μεγεθών στο επίπεδο έμπηξης της θεμελίωσης αποδείχθηκε ανακριβής. Η πλαστικοποίηση του εμπεριεχομένου στο φρέαρ εδάφους οδηγεί όχι μόνον σε διαφορετικούς μηχανισμούς αστοχίας και οριακές αντοχές, αλλά και σε σε σημαντική υπερεκτίμηση της δυσκαμψίας του συστήματος, τόσο υπό ιδεατές όσο και υπό ατελείς συνθήκες επαφής εδάφους-θεμελίου. Ως εκ τούτου, αποκλίνοντας από ότι συνηθίζεται για τις κανονικώς εγκιβωτισμένες θεμελιώσεις, στην περίπτωση των κοίλων φρεατοθεμελιώσεων προτείνεται να λαμβάνεται ως σημείο αναφοράς των εντατικών μεγεθών το μέσον της άνω επιφάνειάς τους. Συγχρόνως, παρήχθησαν τα διαγράμματα αλληλεπίδρασης υπό την ταυτόχρονη δράση του στρεπτικού φορτίου για όλους τους συνδυασμούς φόρτισης. Σύμφωνα με αυτά, η αγνόηση του στρεπτικού φορτίου οδηγεί σε μη συντηρητικό σχεδιασμό. Οριζόντια Φόρτιση σε Δύο Διευθύνσεις: Η αλληλουχία των δύο οριζόντιων συνιστωσών συνεπάγεται μείωση της δυσκαμψίας του συστήματος, η οποία δύναται να φτάσει έως και το 50%. Σε τέτοιες, λοιπόν, κατασκευές, όπου δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στο πεδίο των μικρών μετακινήσεων (και στροφών) η απλοποίηση του προβλήματος σε τρεις συνεπίπεδες φορτίσεις οδηγεί σε υπερεκτιμημένη πρόβλεψη της συμπεριφοράς. Ανακυκλική και Σεισμική Φόρτιση: Διερευνήθηκε μία τυπική ανεμογεννήτρια ισχύος 5MW θεμελιωμένη σε κοίλα φρέατα ποικίλων διαστάσεων και υποβαλλόμενη σε διάφορα σενάρια φόρτισης. Αποδείχθηκε ότι η μεταβολή της κατεύθυνσης των φορτίων του ανέμου και των κυματισμών μειώνει σημαντικώς την προκύπτουσα στροφή στην θεμελίωση, ιδιαιτέρως όταν εισάγονται ατελείς συνθήκες επαφής εδάφους-φρέατος. Η μείωση αυτή καθιστά την συνήθη θεώρηση των φορτίων προς μία κατεύθυνση ένα αρκετά συντηρητικό σενάριο σχεδιασμού. Αναλογιζόμενοι, ωστόσο, ότι η μεταβολή της φοράς φόρτισης δύναται να συμβεί πολλές φορές κατά την διάρκεια ζωής της ανεμογεννήτριας, το σενάριο μία σταθερής φοράς μπορεί να οδηγήσει σε αρκετά αντιοικονομικό σχεδιασμό. Το τελευταίο τμήμα της μελέτης αφορά στην επίδραση χαρακτηριστικών σεισμικών περιστατικών στις θαλάσσιες ανεμογεννήτριες, καθώς έχει ειπωθεί ότι λόγω της πολύ μεγάλης λυγηρότητάς τους παραμένουν ανεπηρέαστες. Έτσι, διερευνάται η απόκριση του συστήματος στο σεισμό του Kobe (1995) και της Κεφαλονιάς (2014), που είναι δυσμενή περιστατικά με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Παρατηρείται ότι λόγω της υπάρχουσας φόρτισης από τον άνεμο και τα κύματα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση το σεισμικό περιστατικό είναι ικανό να δημιουργήσει πολύ μεγάλες παραμένουσες στροφές και να καταστήσει την ανεμογεννήτρια μη λειτουργική πολύ νωρίτερα απ'το τέλος του χρόνου ζωής της. Επίσης, η διέγερση στην κορυφή της μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρομηχανολογικές δυσλειτουργίες αλλά και να συντονίσει τις λεπίδες και έτσι να οδηγήσει σε περαιτέρω προβλήματα. Τέλος, η σεισμική εξαίτιση σε δύο διευθύνσεις οδηγεί σε ελάχιστα αυξημένα μετακινησιακά μεγέθη.