Dynamic numerical analysis of typical monopile foundations for offshore wind turbine applications
Deniz rüzgar türbini uygulamaları için tipik tek kazıklı temellerin dinamik sayısal analizi
- Tez No: 826426
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR LÜTFİ ERTUĞRUL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Mersin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Küresel ısınmanın temel kaynağı olan karbondioksit emisyonlarının olumsuz etkilerini azaltmak için günümüzde alternatif enerjiye yönelim giderek artmaktadır. Rüzgar enerjisi, güneş enerjisinden sonra ikinci önemli alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Rüzgar potansiyelinin en yüksek olduğu lokasyonlar ise genellikle denizlerdir. Başta Hollanda ve Norveç olmak üzere, Avrupa ülkeleri ve Amerika Birleşik Devletleri rüzgar enerjisini kullanılabilir hale getirmek için yoğun bir çaba içerisindedir. Türkiye, Akdeniz, Karadeniz ve Ege Denizi tarafından çevrelenmekte olup önemli bir rüzgar enerjisi potansiyeline sahiptir. Ancak mevcut rüzgar enerjisi stokunu kullanılabilir hale getirebilmek için ülkemizde yeteri düzeyde çalışma yapılmamaktadır. Açık deniz rüzgar çiftliklerine yatırım yapmak ve yenilenebilir enerji farkındalığını teşvik etmek, açık deniz rüzgar türbinlerinin temeli olarak tek kazıklı yapıların kullanılması yoluyla maliyetleri düşürürken sürdürülebilir bir geleceğe ve daha temiz bir çevreye katkıda bulunabilir. Açık deniz rüzgar çiftlikleri, fosil yakıtlara bağımlılığı azaltarak ve enerji karışımını çeşitlendirerek daha güçlü ve daha tutarlı rüzgar kaynaklarından yararlanabilir. Geniş çaplı tek kazıklı temeller kullanılarak deniz ortamında kurulacak rüzgar çiftlikleri zorlu deniz koşullarına dayanabilmektedir. Bu şekilde tasarlanmış rüzgar türbinleri, Amerika ve Kuzey Avrupa kıyılarında çok büyük bir hızla yer almaya başlamıştır. Yenilenebilir enerji farkındalığının her fırsatta vurgulanması, halkın desteğini ve katılımını sağlamak için çok önemlidir. Türkiye gibi ülkeler rüzgar enerjisini benimseyerek ve üç tarafı denizlerle çevrili Türkiye'nin bu devasa imkanından yararlanarak karbondioksit emisyonlarını azaltabilir, iklim değişikliğiyle mücadele edebilir ve daha sürdürülebilir bir geleceğin yolunu açabilir. Açık deniz rüzgar enerjisi son on yılda, yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak giderek daha önemli hale gelerek tek kazıklı (monopile) temeller, açık deniz rüzgar türbinleri için birincil destek yapıları olarak yaygın şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Büyük çaplı çelik tüp profillerden imal edilen tekil kazıklı temelleri etkili bir şekilde tasarlamak için, yapısal davranışlarını ve çevresindeki zeminle nasıl etkileşime girdiklerini anlamak çok önemlidir. Bu çalışma kapsamında kum zemin profiline gömülmüş 7,5 m çapındaki tüp tekil kazığın kazığın davranışına odaklanılmaktadır. Bu amaçla, tez çalışması kapsamında, sonlu elemanlar analizi (SEA), basitleştirilmiş tasarım prosedürleri ve çoklu regresyon analizi teknikleri kullanılmaktadır. SEA, stres dağılımı ve yük taşıma kapasitesi gibi faktörlerin değerlendirilmesini sağlayarak karmaşık yükler altındaki yapıların simülasyonuna izin vermektedir. Basitleştirilmiş tasarım prosedürleri ise, basitleştirilmiş varsayımlar ve hesaplamalar vasıtasıyla tasarımcılara yol gösterebilecek düzeyde verimli çözümler sunar. Literatürde yer alan mevcut çalışmalardan farklı olarak bu tez çalışması kapsamında, tek kazıklı temelin davranışını çeşitli girdi parametreleriyle ilişkilendiren ampirik denklemler veya modeller geliştirmek için çoklu regresyon analizleri yapılmıştır. Bu yaklaşımlar neticesinde elde edilen veriler birleştirilerek, tekil kazıklı temelin davranışı ve çevredeki toprakla etkileşimi hakkında kapsamlı bir anlayış sağlanması amaçlanmıştır. Elde edilen bulgular açık deniz rüzgar türbin temelleri için tasarım kılavuzlarının geliştirilmesine yardımcı olabilecek niteliktedir. Basitleştirilmiş tasarım prosedürü, tek kazık davranışını değerlendirmek için kullanışlı ve hızlı bir değerlendirme imkanı sunmaktadır. Tez çalışması kapsamında, bu prosedürlerden bir tanesi, Excel yazılımına entegre edilerek, monopile kazıklar için zemin-kazık etkileşimi Winkler yaklaşımıyla irdelenmiştir. Elde edilen bulgular, Abaqus yazılımı sonuçları ile karşılaştırılarak monopile kazığın çeşitli yük koşulları altındaki karmaşık davranışı ele alınmıştır. Elde edilen bulgular istatistiksel olarak değerlendirilmek üzere Statistica yazılımı kullanılarak yapılan çoklu regresyon analizleri ile büyük çaplı tek kazıklı temellerin ön tasarımı için kapalı form formüllerinin türetilmesi sağlanmıştır. Sayısal modelleme amacıyla Abaqus yazılımı kullanılarak 7.5 m çapındaki tüp tekil kazığın kazığın davranışını ve çevredeki toprakla etkileşimini üç boyutlu olarak simüle etmek için sonlu elemanlar modelleme yaklaşımı kullanılmıştır. Sayısal analizler için tekil kazık ve çevreleyen zeminin üç boyutlu bir modeli oluşturulmuştur. Doğru bir simülasyon sağlamak için modelleme işlemi sırasında sınır koşulları ve temas bölgesindeki davranışın gerçekçi şekilde dikkate alınmaya çalışılmıştır. Modelleme sürecinde, tekil kazığın geometrisinin doğru bir şekilde temsil edilmesi, uygun sınır koşullarının seçimi, kazık-zemin etkileşimi ve temas bölgesi davranışının dikkate alınması ve ilgili malzemelerin davranışını temsil edecek uygun eleman tipleri ile malzeme modellerinin seçimi önem arz etmiştir. Simülasyonlar iki adımda gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, başlangıç koşullarını oluşturabilmek için kazık modeline ve zemine yer çekimi etkisi uygulanmıştır. Daha sonra, rüzgar ve dalga kuvvetlerinin tek kazık üzerindeki etkisini simüle etmek için yanal yük ve devrilme momenti uygulanmıştır. Kapsamlı bir veri seti oluşturmak üzere toplam 324 tane simülasyon gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar daha önce bahsedilen çoklu regresyon analizinde kullanılmıştır. Ayrıca, zemin ve yapısal parametre değerlerinin uygun aralıklarını belirlemek için parametrik bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmayla, açık deniz rüzgar çiftliği sahalarının değişken özellikleri dikkate alınarak elde edilen denklemlerin gerçekçi saha koşullarını yansıtabilmesi amaçlanmıştır. Parametrik analizlerde araştırılan değişkenler arasında kazık et kalınlığı, gömülü uzunluk, zeminin içsel sürtünme açısı ve elasitisite modülü yer almaktadır. Bu araştırma, sonlu elemanlar modelleme yaklaşımını kullanarak ve kapsamlı bir parametrik çalışma yürüterek, tek kazıklı temelin yapısal davranışı ve çevredeki toprakla etkileşimi hakkında değerli bilgiler ortaya koymayı amaçlamıştır. Elde edilen bulgular, daha gerçekçi tasarım kılavuzlarının geliştirilmesine katkıda bulunabilir ve açık deniz rüzgar türbini temel tasarımının geliştirilmesine yardımcı olabilir. İçi boş silindirik kazıklar günümüzde yüksek dayanımlı çelik kullanılarak imal edilmektedir. Modelleme çalışmasında da bu malzemenin özellikleri dikkate alınmıştır. Kazığın içinde yer alan zemin ortamının ise kohezyonsuz sıkı kum olduğu düşünülmüştür. Sıkı kumun birim hacim ağırlığı, oedometrik rijitlik parametreleri, Poisson oranı, içsel sürtünme açısı gibi geoteknik özellikleri dikkate alınmıştır. Benzer şekilde, tekil kazık gövdesini oluşturan malzeme için de kütle yoğunluğu, elastisite modülü, Poisson oranı ve kalınlık gibi çelik malzeme özellikleri analizlerde dikkate alınmıştır. Bu tez çalışması, monopile kazık ve çevreleyen zeminin etkileşimini doğru bir şekilde yakalamayı amaçlamaktadır. Sayısal modelleme kısmında, farklı yapısal ve zemin parametrelerinin monopile tekil kazıkların davranışı üzerindeki etkisi, Abaqus yazılımı kullanılarak üç boyutlu sonlu elemanlar analizi vasıtasıyla incelenmiştir. Analizler, çeşitli koşullar altında tek kazığın tepkisine ilişkin öngörü sağlamayı amaçlamıştır. Çalışmanın bulguları, zemin rijitliği, içsel sürtünme açısı ve tekil kazığın yanal yer değiştirmesi ve rotasyonu arasında doğrusal olmayan ve negatif bir ilişki olduğunu göstermiştir. Bu durum, zemin rijitliği ve içsel sürtünme açısı arttıkça, monopile tekil kazığın yanal yer değiştirmesinin ve dönmesinin azaldığını göstermektedir. Bu ilişkiler, tek kazıklı temellerin stabilitesini ve performansını anlamada çok önemlidir. Ayrıca çalışma neticesinde, basitleştirilmiş tasarım prosedürünün Winkler modeli ve elastik çözümle birleştiğinde kazık yer değiştirmesini ve dönüşünü olması gerekenden daha düşük tahmin etmekte olduğunu ortaya çıkmıştır. Buna karşılık, sonlu eleman analizi, tek kazığın davranışını doğru bir şekilde tahmin edebilmektedir. Bu durum, tekil kazığın dinamik yükler altındaki karmaşık davranışını doğru bir şekilde yakalamak için sonlu elemanlar analizi gibi daha karmaşık analiz teknikleri kullanmanın önemini vurgulamaktadır. Çalışmamızda, sonlu elemanlar analizi simülasyonlarından elde edilen sonuçlar üzerinde regresyon analizi yaparak, sıkı kum zemin koşullarında geniş çaplı tek kazıklar için bir ön tasarım aracı olarak hizmet edebilecek regresyon denklemleri türetilmiştir. Bu denklemler, mühendislere ve tasarımcılara tekil kazığın davranışını ve performansını tahmin etmek için pratik bir araç sağlayarak tasarım sürecine yardımcı olacak ve açık deniz rüzgar türbini temellerinin stabilitesini ve güvenilirliğini için oluşturulabilecek standartlara katkıda bulunacaktır. Genel olarak değerlendirildiğinde, elde ettiğimiz bulgular, monopile kazığın davranışını doğru bir şekilde değerlendirmek için gelişmiş sayısal analiz tekniklerini kullanmanın önemini göstermektedir. Elde edilen regresyon denklemleri, sıkı kum zemin koşullarında tek kazıklı temellerin ön tasarımı için değerli bilgiler sunarak etkili ve verimli açık deniz rüzgar enerjisi projelerinin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Bu çalışmada yürütülen analizin doğruluğunu ve uygulanabilirliğini artırmak için, gelecekteki araştırmalar, gerçek saha koşullarındaki boşluk suyu basıncı, çevrimsek yükler altında zeminde direnç kaybı ve yanı sıra rüzgar ve dalga özellikleri hakkında ayrıntılı bilgileri analizlere dahil etmeyi düşünmelidir. Bu ek faktörler, açık deniz ortamlarında tek kazığın davranışını ve performansını doğru bir şekilde değerlendirmede çok önemli bir rol oynar. Ayrıca, açık deniz rüzgar türbinleri dinamik yükleme koşullarına tabi olduğundan, tekil kazığın çevrimsel yükleme davranışının araştırılması önerilir. Döngüsel yükleme altındaki monopile kazığın tepkisinin irdelenmesi de tasarımları ve uzun vadeli performansları için değerli bilgiler sağlayabilir. Ek olarak, analizi 4m, 5m, 6m ve 8m gibi farklı çaplara sahip tek kazıklı temelleri içerecek şekilde genişletmek, değişen boyutlardaki tek kazığın davranışının daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasına katkıda bulunacaktır. Benzer şekilde, kil ve kum gibi farklı zemin koşullarının dikkate alınması, zemin özelliklerinin silindirik tüp profil tekil kazık performansı üzerindeki etkisine ilişkin fikir verebilecektir. Son olarak, çok değişkenli doğrusal olmayan regresyon analizlerinin uygulanması, tek kazıklı temellerin ön tasarımı için kapalı formüller önererek tasarım sürecini daha da geliştirebilir. Bu formüller, tasarım sürecini basitleştirerek mühendislerin tek kazıklı temellerin davranışını daha verimli bir şekilde tahmin etmelerini sağlar. Bu araştırma alanlarını ele alan gelecekteki çalışmalar, monopile kazık davranışı anlayışını ilerletebilir ve açık deniz rüzgar türbini temelleri için daha doğru ve güvenilir tasarım kılavuzlarının geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Bu tez çalışması, açık deniz rüzgar enerjisi uygulamalarında büyük çaplı tekil kazıklı (monopile) temelin davranışına ilişkin değerli bilgiler sağlamakta ve tasarım önerileri sunmaktadır. Elde edilen regresyon denklemleri, yoğun kum zemin koşullarına gömülü 7.5 m çapındaki tekil kazığın davranışını anlamak için bir ön tasarım aracı olarak hizmet edebilecektir. Çalışmamızda elde edilen bulgular, monopile kazık rotasyonu ve deplasmanları üzerinde önemli bir etkiye sahip olan zemin elastisite modülü ve içsel sürtünme açısı gibi zemin parametrelerinin öneminin altını çizmektedir. Daha yüksek toprak rijitliği, daha düşük yanal yer değiştirme ve dönme ile sonuçlanırken, artan içsel sürtünme açısı, çamur çizgisi seviyesinde (mudline) kazık yer değiştirmesini ve dönüşünü azaltır. Yanal tasarım ağırlıklı olarak deformasyon davranışı tarafından yönetildiğinden, bu araştırmanın odak noktası nihai dirençten ziyade öncelikle deformasyon davranışı olmuştur. Zemin direncini ve akma davranışını doğru bir şekilde tahmin etmede, basitleştirilmiş tasarım prosedürünün sınırlamaları göz önünde bulundurularak sonlu elemanlar analizi ile tamamlanması önerilir. Gelecekteki analizlerde gerçekçi çelik davranışı ve geliştirilmiş zemin modellerinin yanı sıra boşluk basıncının hesaba katılması, silindirik tüp profilden imal edilen tekil kazıklı offshore temellerin tasarımının doğruluğunu ve güvenilirliğini daha da artıracaktır.
Özet (Çeviri)
Offshore wind energy has become an important source of renewable energy in recent years, with large-diameter monopile foundations serving as the primary support structures for offshore wind turbines. The design of these monopiles requires an understanding of their structural behavior and interaction with the surrounding soil. Within this study, a 7.5m diameter monopile embedded in a dense sand soil was analysed using finite element method and the simplified design procedures available in the literature. The effect of structural and soil parameters on the monopile behavior was examined, and results indicated that the stiffness of the soil and internal friction angle have a nonlinear and negative relationship with the monopile's lateral displacement and rotation. The simplified design procedure and elastic solution in combination with the Winkler model underestimated the pile displacement and rotation, while the finite element analysis accurately predicted the behavior of the monopile. Based on the results obtained from the finite element simulations, regression equations that can be used for the initial design of monopiles embedded in dense sand soil conditions were presented. In conclusion, this study provides insight into the behavior of large-diameter monopiles embedded in granular soils which is quite common in offshore wind energy applications and offers recommendations for their design. The regression equations generated within this study can be used as a preliminary design tool for large-diameter monopiles in dense sand soil conditions.
Benzer Tezler
- Kompozit yüksek bir yapının deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan yöntem kullanılarak belirlenmesi
Seismic evaluation of a composite high-rise building based on nonlinear dynamic time history analysis
GÖKHAN ŞENOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
- Mevcut betonarme okul binalarında güçlendirme perdelerinin etkinliğinin doğrusal olmayan dinamik analiz ile irdelenmesi
Investigation of the rc infill wall effectiveness in the rehabilitation of existing rc school buildings employing nonlinear dynamic analyses
ORKUN GÖRGÜLÜ
Doktora
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL
- İstanbul Metrosunda uygulanan derin kazı destek sisteminin bilgisayar modelinin araştırılması
Computer modelling of the deep excavation support system which was applied in istanbul subway construction
SİNE AVŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKİN NASUF
- Soğutucularda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörlerin dinamik ve akustik analizi
Başlık çevirisi yok
HALUK EROL
- Toprak ve kaya dolgu barajların elasto-plastik dinamik davranışı
Başlık çevirisi yok
ZEKİ ÖZCAN
Doktora
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEKAİ CELEP