Σχεδιασμός πύργων ανεμογεννητριών από σύνθετα υλικά

Abstract

The main objective of the present dissertation is the investigation of the structural behavior along with an approach to the design of wind turbine towers made of GFRP. In order to achieve this goal, the following procedures were executed: a) Experimental investigation of the mechanical properties of a GFRP material. b) Comparison between experimental results and results obtained using the mechanics of composite materials. c) Experimental investigation for the static behavior of tapered poles made of GFRP. d) Calibration of a FEA model so as to conduct analyses. e) Parametric analyses regarding the geometry of GFRP towers and the stacking sequence of the composite material. f) Design of the tower (ultimate limit state). g) Analyses and design of an equivalent steel tower. h) Comparison between GFRP and steel tower and extrapolation of conclusions.The achievement of the above objectives was realized in three stages. First, a thorough study of the relative literature took place. Analyses in several types of towers, especially in those with tapered shape, were conducted. Afterwards, experiments were carried out in two phases. Initially, coupons made of GFRP were tested in tension so as to obtain the mechanical properties of the material. In the next phase, GFRP tapered poles were subjected to lateral loading and conclusions regarding the type of the failure and the static response of the specimens were derived. Subsequently, the calibration of a FEA model was also achieved. In the third stage, parametric analyses and the design of a tapered tower made of the experimental material followed. The tower supported a wind turbine of 30kW nominal power meant to be constructed in Canada. Finally, the design of an equivalent tower made of steel was realized.Some of the main conclusions of the dissertation are summarized as follows: 1) Mechanics of composite materials offer reliable results for the GFRP properties. 2) Tapered poles made of GFRP can respond sufficiently when they are subjected to lateral loading. 3) There are numerous factors that cause uncertainties regarding the behavior of the GFRP materials. 4) The influence of the geometry of a GFRP tapered tower is very crucial. The geometrical characteristics affect the tower mass and the critical tip deflection. 5) An increase in the number of layers consist of fibers with longitudinal direction leads to the reduction of the critical tip deflection. The necessity of the implementation of circumferential layers, in order to avoid local failures, is proved. The orientation of the longitudinal layers should be as near as possible to the length of the tower. 6) The comparison between the towers made of steel and GFRP respectively led to the conclusion that composite materials can be an excellent alternative for the design of such structures.

Βασικός στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της δομοστατικής συμπεριφοράς καθώς και μια προσέγγιση στο σχεδιασμό πύργων κολουροκωνικής μορφής, από υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές, που φέρουν ανεμογεννήτριες. Για την ικανοποίηση αυτού του στόχου εκτελέστηκαν τα εξής: α) Πειραματική διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων υαλοϊνοπλισμένου πολυμερούς β) Σύγκριση πειραματικών αποτελεσμάτων με αποτελέσματα θεωρητικών τύπων της Μηχανικής των σύνθετων υλικών, γ) Πειραματική διερεύνηση της στατικής απόκρισης στύλων κολουροκωνικής μορφής, από GFRP δ) Βαθμονόμηση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων για την διεξαγωγή αναλύσεων, ε) Παραμετρικές αναλύσεις αναφορικά με την γεωμετρία πύργων από GFRP αλλά και με την αλληλουχία διαστρωμάτωσης του σύνθετου υλικού του φορέα στ) Σχεδιασμός στην Ο.Κ.Α, ζ) Αναλύσεις για τον προσδιορισμό αντίστοιχου φορέα από χάλυβα, η) Σύγκριση των πύργων από τα ανταγωνιστικά υλικά και εξαγωγή συμπερασμάτων. Η επίτευξη των ανωτέρω στόχων της διατριβής πραγματοποιήθηκε σε τρία στάδια. Στο πρώτο έγινε διερεύνηση και μελέτη της βιβλιογραφίας καθώς και διεξαγωγή αναλύσεων σε διάφορους τύπους πύργων με έμφαση σε αυτούς με κολουροκωνική μορφή. Στο δεύτερο στάδιο εκτελέστηκαν πειράματα σε δύο φάσεις. Αρχικά έγιναν πειράματα εφελκυσμού σε δοκίμια από υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές για τον προσδιορισμό μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Στη συνέχεια στύλοι κολουροκωνικής μορφής από υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές υπεβλήθησαν σε εγκάρσια φόρτιση ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα αναφορικά με την μορφή αστοχίας και την συμπεριφορά των φορέων αλλά και να γίνει βαθμονόμηση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος ακολούθησαν παραμετρικές αναλύσεις και σχεδιασμός πύργου κολουροκωνικής μορφής, από το υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές των πειραμάτων, που φέρει ανεμογεννήτρια 30kW και πρόκειται να κατασκευαστεί στον Καναδά. Έγινε ακόμα σχεδιασμός αντιστοίχου φορέα από χάλυβα. Μερικά από τα βασικά συμπεράσματα της διατριβής μπορούν να συνοψισθούν στα εξής: 1) Οι θεωρητικοί τύποι της μηχανικής των σύνθετων υλικών δίνουν πολύ αξιόπιστα αποτελέσματα για τις μηχανικές τους ιδιότητες. 2) Στύλοι κολουροκωνικής μορφής που υπόκεινται σε εγκάρσια φόρτιση μπορούν να ανταπεξέλθουν ικανοποιητικά όταν το υλικό κατασκευής τους είναι υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές. 3) Η ανισοτροπία, οι άπειροι συνδυασμοί αλληλουχίας διαστρωμάτωσης και λόγου όγκου ινών των υαλοϊνοπλισμένων πολυμερών είναι παράγοντες που προκαλούν αβεβαιότητες όσο αφορά την συμπεριφορά αυτών των υλικών σε αντίθεση με τα συμβατικά υλικά. 4) H επιρροή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών ενός πύργου κολουροκωνικής μορφής από υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές είναι σημαντική τόσο στο βάρος του φορέα όσο και στην κρίσιμη μετατόπιση στην κορυφή του. 5) Αποδεικνύεται ότι η αύξηση του ποσοστού στρώσεων με διαμήκη διεύθυνση ινών στη διαστρωμάτωση του υλικού οδηγεί στη μείωση της κρίσιμης μετατόπισης στη κορυφή του πύργου. Αποδεικνύεται επίσης ότι είναι απαραίτητη και η ύπαρξη στρώσεων με περιμετρική διεύθυνσή ινών γιατί διαφορετικά εμφανίζονται τοπικές αστοχίες. Η κατεύθυνση των ινών των διαμήκων στρώσεων πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο κοντινή σε αυτή του ύψους του πύργου. 6) Η συγκριτική διερεύνηση αντίστοιχου φορέα από χάλυβα οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το υαλοϊνοπλισμένο πολυμερές μπορεί να αποτελέσει ένα ευθέως ανταγωνιστικό υλικό για την κατασκευή πύργων ανεμογεννητριών.