16312

16312

بررسي رفتار سازه‌هاي فلزي توربين بادي زير بار باد و زلزله

كارشناسي ارشد

سازه

آبان ماه 1394

دكتر سعيدرضا مساح

عمران

چكيده با افزايش گرايش كشورهاي جهان به به¬كارگيري انرژي¬هاي پاك، انرژي باد و توربين¬هاي بادي از اهميت بالايي برخوردار شده¬اند. با پيشرفت فنّاوري و صنعت، نياز روزافزون به ساخت توربين¬هاي با توان بالاتر به چشم مي¬خورد. اين توربين¬ها نسبت به نمونه¬هاي پيشين خود، داراي بلنداي بيشتر و جرم سنگين¬تري هستند. بلندا و لاغري زياد سازه توربين بادي، اين سازه را زير بارگذاري ديناميكي آسيب¬پذير مي¬سازد. بارهاي ديناميكي واردشده به توربين¬هاي بادي، بار باد، بار باد بهره¬برداري (چرخش پره¬ها) و بار لرزه¬اي ناشي از زمين¬لرزه است. بيش¬تر بررسي¬هاي انجام شده در اين زمينه در گستره¬هاي بدون لرزه¬‌خيزي است، ولي ارزيابي لرزه¬اي سازه توربين بادي در گستره¬هاي زلزله‌خيز هم¬چون كشور ايران بايسته است. در اين پژوهش توربين¬هاي بادي با توان گوناگون، زير بارگذاري لرزه¬اي بررسي شده¬اند. توان اين توربين¬ها، 75/0، 1، 5/1، 2، 5/2، 3، 5/3، 5/4، 5، 6، 7 و 10 مگاوات مي¬باشد. براي بارگذاري لرزه¬اي، شتاب¬نگاشت زلزله-هاي شناخته شده در جهان به¬كار گرفته شدند. اين زلزله¬ها با توجه به دوري ايستگاه لرزه¬نگاري تا مركز سطحي زمين¬لرزه به سه دسته: گستره¬ي نزديك ( دوري تا 20 كيلومتر)، گستره¬ي ميانه ( دوري از 20 تا 50 كيلومتر) و گستره¬ي دور (دوري بيش از 50 كيلومتر) گروه¬بندي شد¬ه¬اند. هم¬چنين اين شتاب¬نگاشت¬ها با توجه به گونه¬ي خاك ايستگاه لرزه¬نگاري به 5 گروه دسته¬بندي شده¬اند. اين دسته¬بندي خاك¬ها بر پايه¬ي سرعت موج برشي در خاك انجام شده است. در پژوهش¬هاي پيشين، 2 مؤلفه شتاب سطحي زلزله (مؤلفه¬ي شمال-جنوب و مؤلفه¬ي شرق-غرب) به‌كار رفته است، ولي در اين پژوهش براي دست يافتن به پاسخ¬هاي درست¬تر و موشكافانه¬تر سازه، از 3 مؤلفه¬ي اصلي شتاب زلزله (مؤلفه¬ي شمال-جنوب، مؤلفه¬ي شرق-غرب و مؤلفه¬ي قائم) بهره گرفته ‌شده است. هم¬چنين، اثر هم¬زمان نيروي زلزله و باد بهره¬برداري با به¬كارگيري تحليل ديناميكي تاريخچه زماني انجام شده است. يافته¬هاي اين پژوهش دربرگيرنده¬ي هم-سنجي نيروهاي برشي، محوري، لنگر خمشي و لنگر پيچشي در پاي سازه¬ي توربين بادي است. در پايه¬ي سازه¬ي توربين بادي، بيشينه نيروي برشي و لنگر خمشي بر روي خاك¬هاي سست و بيشينه نيروي محوري بر روي خاك¬هاي سخت پديد آمد. زلزله¬هاي گستره¬ي نزديك به دليل ميرايي كم¬تر انرژي آن¬ها، اثر بيش¬تري روي سازه¬ي توربين بادي دارند. در سازه¬ي توربين بادي با توان بالا، نيروهاي پديد آمده زير بيشينه باد طراحي و هم¬زمان وارد شدن باد بهره¬برداري و زلزله به يكديگر نزديك است و بهتر است براي طراحي سازه¬ي توربين بادي هر دو بارگذاري در نظر گرفته شود. واژه‌هاي كليدي: طراحي سازه¬ي توربين بادي، تحليل ديناميكي تاريخچه زماني، اثر هم¬زمان نيروي زلزله و باد، گستره¬هاي نزديك-ميانه و دور.

1395/10/28

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract Wind an​d solar are two emerging renewable sources of clean energy. Renewable energy is generally defined as energy that comes from resources which are naturally replenished on a human timescale such as sunlight, wind, rain, tides, waves an​d geothermal heat. In this study we will focus on generating energy from wind power. Modern utility-scale wind turbines range from around 600 KW to 5 MW of rated power, although turbines with rated output of 1.5–3 MW have become the most common for commercial use. The power available from the wind is a function of the cube of the wind speed, so as wind speed increases, power output increases up to the maximum output for the particular turbine. Thus, to obtain higher efficiency out of these systems, the tendency for design an​d construction of taller towers becomes more rationale. Therefore, the structural stability of these towers becomes not only a function of their ability to withstand the operational loadings but also to simultaneously resist the lateral forces exerted on these towers such as wind loadings and/or seismic loadings. For this purpose, an​d in order to capture the true response of such towers under the effect of seismic an​d wind loadings, 58 accelerogram records from variety of strong worldwide events are selected for dynamic time history analysis of the towers. The earthquake records are divided into three groups of near-field, mid-field an​d far-field accelerogram records. To enhance the analytical results, the two horizontal earthquake components an​d the vertical component of each record are simultaneously applied to each tower. Due to seismic hazards existing in many parts of the world, the design an​d construction of wind turbine towers in areas of high seismicity requires a thorough investigation. It is important to understand how wind turbines might respond under seismic loads in combination with wind an​d operation loads. Therefore, in this study the structural behavior of wind turbine towers, with generating electric power capacities of 750KW to 10MW, are investigated when subjected to strong earthquake loadings. At the end, important seismic parameters for wind turbine towers will be discussed an​d compared. Various seismic parameters that can affect the structural design of wind turbine towers will be discussed. Different wind loadings that are mandatory an​d are the basis for wind design of towers will be presented an​d the results obtained from the seismic an​d wind loading will be compared. Also, the importance of simultaneous consideration of both seismic an​d wind loads in a single loading combination will be discussed. If was found that near field earthquakes, have more adverse effect on such structures since only a fraction of earthquake energy will be dissipated through damping an​d the remaining will enter into the structures. In turbines with higher power outputs, the generated forces under maximum design wind load are almost equal to those obtained under the combination of maximum operation wind an​d earthquake loadings. Therefore, it is better to consider both loadings in design procedure. Keywords: the structural design of wind turbine, time-history analysis, the effect of seismic an​d wind loadings, near field- mid field an​d far field.