Açık deniz rüzgar türbin temellerinin sismik yükler altında tasarımı
Design of offshore wind turbine foundations under seismic loadings
- Tez No: 1004638
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER SEZER, DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN EMRE DEMİRCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Deprem Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Civil Engineering, Earthquake Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, tek kazık (monopile) temelli açık deniz rüzgar türbinlerinin sismik etkiler altındaki davranışı doğrusal olmayan zemin–yapı etkileşimi dikkate alınarak sahaya özel deprem tehlikesiyle birlikte irdelenmiş ve ön tasarım aşamasında kullanılabilecek basitleştirilmiş tek serbestlik dereceli spektral yöntem geliştirilmiştir. Açık deniz rüzgar türbinleri ve bunların monopile temelleri rüzgar ve dalga gibi çevresel etkiler altında yüksek dinamik yüklemeye maruz kalan sistemlerdir. Sismik olarak etkin bölgelerde ise temel sistemi yalnızca çevresel etkilere değil, yer hareketinin zemin profili boyunca yayılımı nedeniyle gelişen kinematik etkiler ve üst yapının atalet kuvvetlerinin sebep olduğu eylemsizlik etkilerine de maruz kalmaktadır. Dolayısıyla tüm bu etkileri güvenle karşılamak zorundadır. Bu çerçevede, Türkiye kıyılarında planlanabilecek projelerde karşılaşılması muhtemel zemin çeşitliliğinin ve bölgesel sismik şartların tasarıma yansıtılmasına katkı sağlamak hedeflenmiştir. Çalışma, farklı zemin profilleri ve deniz koşullarını temsil eden Aliağa, Dilovası ve Tarsus sahalarında, aynı üstyapı varsayımı altında, temel geometrisindeki ve zemin koşullarındaki değişimin iç kuvvetler ve yerdeğiştirmeler bakımından etkisini inceleyerek tasarım üzerindeki rolünü bütüncül olarak ortaya koymayı amaçlamıştır. Çalışmada önce her saha için olasılıksal sismik tehlike analizi yapılarak üniform tehlike spektrumları elde edilmiş, ardından bu spektrumlarla uyumlu olacak şekilde seçilen kuvvetli yer hareketi kayıtları spektral uyuşumla yeniden düzenlenmiştir. Nümerik model, literatürdeki santrifüj verileriyle doğrulanmış; üstyapı, kule ve rotor–nacelle birleşiminin dinamik etkilerini temsil edecek şekilde mühendislik açısından tutarlı bir idealizasyonla tanımlanmıştır. Zemin-yapı etkileşiminin ayrıntılı biçimde temsil edilebilmesi için öncelikle zeminin sürekli ortam yaklaşımıyla modellendiği sonlu eleman temelli bir modelleme kullanılmıştır. Tabakalanma, birim şekil değişimine bağlı rijitlik değişimi, plastikleşme ve arayüz davranışı zaman tanım alanında izlenmiştir. Buna paralel olarak, mühendislik uygulamalarında yaygın olan yay tabanlı alt-yapı yaklaşımıyla da dinamik analizler gerçekleştirilmiş; zemin etkisi yanal, şaft ve uç davranışını temsil eden bağıntılarla sisteme aktarılmıştır. Her iki yaklaşım için monopile temel başındaki iç kuvvetlerin zamanla değişimleri ve yerdeğiştirmeler elde edilmiştir. Elde edilen bulgular, yer hareketlerinin süre ve frekans içeriğindeki değişkenliğin aynı saha ve aynı sistem için bile belirgin farklılıklara yol açtığını göstermiştir. Karşılaştırmalar, yay tabanlı yaklaşımın bazı durumlarda kesme taleplerine daha muhafazakâr şekilde yaklaşabildiğini, sonlu eleman yaklaşımının ise doğrusal olmayan zemin yapı etkileşimi altında moment taleplerini ve yerel zemin tepkisini daha gerçekçi yakaladığını ortaya koymuştur. Bu bulgular doğrultusunda, detaylı doğrulama ve nihai tasarım çalışmalarında sonlu eleman analizlerinin; hızlı mühendislik çalışmalarında ve alternatif karşılaştırmalarda ise yay tabanlı yaklaşımın daha uygun olduğu değerlendirilmiştir. Ayrıca detaylı analiz sonuçlarından türetilen“Basitleştirilmiş Tek Serbestlik Dereceli Spektral Yöntem”ile sahaya özel spektral değerlerin etkin kütle ve eşdeğer kütle merkezi kavramlarıyla birleştirilmesi sonucunda, monopile başındaki maksimum deprem kesme kuvveti ve maksimum eğilme momentinin ön tasarım için hızlı biçimde tahmin edilebilen bir yöntem olduğu sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte yöntemin ayrıntılı doğrusal olmayan davranışları doğrudan temsil etmediği dikkate alınarak, nihai tasarımın mutlaka ayrıntılı zaman tanım alanı analizleriyle desteklenmesi gerektiği vurgulanmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the seismic response of monopile-supported offshore wind turbines is investigated by considering nonlinear soil–structure interaction together with site-specific seismic hazard, and a simplified single-degree-of-freedom spectral method that can be used at the preliminary design stage is developed. Offshore wind turbines and their monopile foundations are systems subjected to intense dynamic loading under environmental actions such as wind and waves. In seismically active regions, the foundation system is exposed not only to environmental actions but also to kinematic effects arising from the propagation of ground motion through the soil profile and inertial effects induced by the superstructure's inertia forces; therefore, it must safely withstand all these effects. Within this framework, the study aims to contribute to incorporating the soil variability and regional seismic conditions likely to be encountered in projects planned along the coasts of Türkiye into the design process. To this end, the role of variations in foundation geometry and soil conditions on internal forces and displacements is investigated in an integrated manner for the Aliağa, Dilovası, and Tarsus sites, which represent different soil profiles and sea conditions, under similar superstructural features. In this regard, initially, probabilistic seismic hazard analyses were performed for each site to obtain uniform hazard spectra, and then selected strong-motion records were modified via spectral matching to be compatible with these spectra. The numerical model was validated against centrifuge test data reported in the literature; the superstructural aspects were identified through an engineering-consistent idealization to represent the dynamic effects of the tower and the rotor–nacelle assembly. To represent soil–structure interaction in detail, a finite-element-based modeling approach was adopted in which the soil was modeled using a continuum approach. Stratification, strain-dependent stiffness variation, plasticity, and interface behavior were tracked in the time domain. In parallel, dynamic analyses were also conducted using a spring-based substructure approach commonly used in engineering practice, in which soil effects were transferred to the system through relationships representing lateral, shaft, and tip behaviors. For both approaches, the time histories of internal forces and displacements at the monopile head were obtained. The findings indicate that variability in the duration and frequency content of ground motions can lead to pronounced differences even for the same site and the same system. Comparisons show that the spring-based approach can, in some cases, predict shear demands more conservatively, whereas the finite-element approach captures bending-moment demands and local soil response more realistically under nonlinear soil–structure interaction. Accordingly, finite-element analyses were considered to be more convenient for detailed validation studies and final design, while the spring-based approach was deemed more suitable for rapid engineering studies and alternative comparisons. In addition, by combining site-specific spectral values with the concepts of effective mass and an equivalent center of mass, the“Simplified Single-Degree-of-Freedom Spectral Method”derived from detailed analysis results was concluded to provide a rapid preliminary estimation of the maximum earthquake-induced shear force and maximum bending moment at the monopile head. Nevertheless, since detailed nonlinear behaviors cannot be obtained by this approach, it is emphasized that final design must be supported by detailed time-domain analyses.
Benzer Tezler
- Dolgu zeminlere oturan kıyı yapısı temellerinin tasarımında yeni yöntemlerin incelenmesi
Investigation of new methods in the foundation design of coastal structures placed on embankments
RIZA EVREN KILCI
Doktora
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- Numerical analysis of monopile foundations for offshore wind turbines
Açık deniz rüzgar türbinleri için tek kazıklı temellerin sayısal analizi
MARYAM MASSAH FARD
Doktora
İngilizce
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYFER ERKEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT ERKMEN
- Ağırlık tipi açık deniz rüzgâr türbini temellerinin sismik davranışının incelenmesi
Investigation of the seismic behavior of gravity-based offshore wind turbine foundations
ÖZLEM YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN EMRE DEMİRCİ
DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZHAN TOĞAY
- Açık deniz rüzgar türbin temeli uygulamalarında kullanılan çelik profil kazıkların dinamik davranışının sonlu farklar metodu ile modellenmesi
Modeling the dynamic behavior of monopiles used in offshore wind turbines using finite difference method
FAIZAN SHAFI BHAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiMersin Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR LÜTFİ ERTUĞRUL
- Design of an offshore wind farm off kharg island shores
Kharg adası açıklarında bir açık deniz rüzgar çiftliği tasarımı
BEHZAD PEYDAEI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR BEJİ