Στατική Ανάλυση Και Ανάλυση Κόπωσης Πλωτής Πλατφόρμας Έδρασης Ανεμογεννήτριας - Μασούρας, Στυλιανός (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, 2018)
Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η στατική ανάλυση μιας πλωτής πλατφόρμας πάνω στην οποία εδράζεται η πρότυπη ανεμογεννήτρια DTU 10 MW και ο έλεγχος των συνδέσεων των μελών του φέροντος οργανισμού της πλατφόρμας σε κόπωση. Έχοντας ως δεδομένα τη γεωμετρία της πλατφόρμας και τις διατομές των μελών της, προχωρήσαμε στη στατική ανάλυση της με σκοπό την εύρεση της εντατικής και παραμορφωσιακής κατάστασης της πλατφόρμας. Παράλληλα, μέσω της ανάλυσης της κατασκευής σε κόπωση, ελέγξαμε την επάρκεια των συγκολλητών συνδέσεων της πλατφόρμας έναντι κόπωσης. Η στατική ανάλυση της πλωτής πλατφόρμας καθώς επίσης η ανάλυση της κατασκευής έναντι κόπωσης πραγματοποιήθηκαν με χρήση του προγράμματος Sap 2000 version 19 ενώ η αεροελαστική ανάλυση της ανεμογεννήτριας έγινε με το λογισμικό hGAST. Στο πρώτο κεφάλαιο της μεταπτυχιακής εργασίας, γίνεται ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη της αιολικής ενέργειας και των υπεράκτιων αιολικών πάρκων ενώ παράλληλα παρουσιάζονται στατιστικά στοιχεία που αφορούν τη χρήση της αιολικής ενέργειας. Επίσης, αναλύονται οι διαφορετικοί τύποι των ανεμογεννητριών και περιγράφεται αναλυτικά η δομή των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα. Στο τέλος του κεφαλαίου, γίνεται αναφορά στους διαφορετικούς τύπους φορέων που χρησιμοποιούνται για την έδραση των υπεράκτιων ανεμογεννητριών. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η γεωμετρία της πλωτής πλατφόρμας καθώς επίσης οι διατομές και τα υλικά των μελών της. Στη συνέχεια, περιγράφεται η προσομοίωση των μελών του φέροντος οργανισμού της πλατφόρμας στο πρόγραμμα SAP 2000 v19 με τη χρήση γραμμικών στοιχείων και πεπερασμένων στοιχείων τύπου κελύφους. Τέλος, αναφέρεται ο τρόπος προσομοίωσης των στηρίξεων της πλατφόρμας και της φόρτισης που προέρχεται από το ίδιο βάρος του έρματος, το οποίο τοποθετείται στο εσωτερικό των πυλώνων οπλισμένου σκυροδέματος της πλατφόρμας για τη ρύθμιση της βύθισης της. Στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας, αναφέρονται αρχικά οι τρόποι δημιουργίας των κυματισμών και οι κυριότερες κατηγορίες των τελευταίων. Στη συνέχεια, παρατίθενται οι θεωρίες που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των κυματισμών και τα όρια εφαρμογής τους ενώ γίνεται λεπτομερής παρουσίαση της γραμμικής θεωρίας κυματισμών του Airy (θεωρία Stokes 1ης τάξης). Επίσης, παρουσιάζεται η εξίσωση Morison, η οποία χρησιμοποιείται για την επιβολή υδροδυναμικών δυνάμεων σε κυλινδρικούς πυλώνες. Στο τέλος του κεφαλαίου, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά του κυματισμού που χρησιμοποιήθηκε για τη στατική ανάλυση της πλατφόρμας και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα πεδία ταχυτήτων, επιταχύνσεων και πιέσεων που οφείλονται στο συγκεκριμένο κυματισμό. Στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφονται οι κατηγορίες των υπεράκτιων ανεμογεννητριών και αναφέρονται τα χαρακτηριστικά της πρότυπης ανεμογεννήτριας DTU 10 MW. Ακόμα, περιγράφονται οι φορτίσεις ανέμου και κύματος που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση της ανεμογεννήτριας με το λογισμικό hGAST και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Τα αποτελέσματα αυτά αφορούν τις μέγιστες τιμές των εντατικών μεγεθών στη βάση του πύργου της ανεμογεννήτριας και στη συνέχεια εισάγονται στο πρόγραμμα SAP 2000 v19 για τη στατική ανάλυση της πλωτής πλατφόρμας. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της στατικής και ιδιομορφικής ανάλυσης της πλατφόρμας με το λογισμικό SAP 2000 v19. Πιο συγκεκριμένα, απεικονίζεται η κατανομή των τάσεων στα μέλη και τις συνδέσεις του φέροντος οργανισμού της πλατφόρμας και παρατίθενται οι τιμές των αξονικών δυνάμεων με τις οποίες καταπονούνται τα ραβδωτά στοιχεία της πλατφόρμας. Τέλος, παρουσιάζονται οι ιδιοπερίοδοι ταλάντωσης της πλωτής πλατφόρμας και οι αντίστοιχες ιδιομορφές ταλάντωσης της. Στο έκτο κεφάλαιο, περιγράφεται αρχικά το φαινόμενο της κόπωσης, ο τρόπος εμφάνισης του στα συγκολλητά μέλη των κατασκευών καθώς επίσης και τα στάδια διάδοσης της ρωγμής λόγω κόπωσης. Στη συνέχεια, αναλύεται η μεθοδολογία με βάση την οποία ελέγξαμε τις συνδέσεις των μελών του φέροντος οργανισμού της παλφόρμας σε κόπωση. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που αφορούν τους συντελεστές συσσώρευσης φθοράς σε κόπωση για τις συγκολλητές συνδέσεις της πλωτής πλατφόρμας. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε μετά την ολοκλήρωση της στατικής και ιδιομορφικής ανάλυσης της πλατφόρμας και του ελέγχου των συγκολλητών συνδέσεων των μελών της πλατφόρμας έναντι κόπωσης.