بررسی عددی و مقایسه‌ای رفتار دینامیکی و لرزه‌ای برج‌ توربین‌ بادی به روش اجزای محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران- زلزله، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

4 استادیار، گروه پژوهشی انرژی‌های تجدیدپذیر، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

چکیده

رو آوردن به انرژی‌های پاک امری اجتناب‌ناپذیر است، در این میان انرژی باد یکی از متداول‌ترین و در دسترس‌ترین آنهاست. استفاده از انرژی باد با توجه به مزیت‌های شناخته شده آن نسبت به سایر انرژی‌های تجدیدپذیر، باعث شده فنّاوری ساخت توربین‌های‌ بادی رشد بیشتری پیدا کند و همین امر علت افزایش ظرفیت توربین‌های بادی و تجاری شدن اندازه‎های بزرگ‌تر آن گردیده است. با افزایش ظرفیت توربین‌های بادی، الزاماً اندازه روتور و در نتیجه ارتفاع برج افزایش می‌یابد. عموماً استانداردها ترکیبات بار طراحی را برای تحلیل‌های بار نهایی و بار خستگی مشخص می‌کنند. سرعت 11 متر بر ثانیه سرعتی است که طبق نمودار تولید توان توربین مورد مطالعه، در آن سرعت توربین به توان حداکثر خود می‌رسد، از این‌رو فرض بر این است که توربین در سایتی نصب می‌شود که در اکثر اوقات در این سرعت باد خواهد بود و لذا احتمال وقوع زلزله در این سرعت بیش از سایر حالت‌ها می‌باشد. لذا با توجه به تأکید در نظرگیری نیروی زلزله در مناطق لرزه‌خیز همراه با سایر نیروهای وارد به توربین بادی در نسخه‌های جدید آیین‌نامه‌های مطرح در این زمینه و لرزه‌خیز بودن کشور ایران، تحلیل مقایسه‌ای بار لرزه‌ای با سایر نیروهای وارد به توربین بادی بر اساس استاندارد GL، فصل 4، جدول 4.3.2 برای باد اغتشاشی 11 متر بر ثانیه، در حالت زاویه انحراف صفر برای توربین بادی 2 مگاوات ملی ایران در یک مدل کامل و کاربردی، با مدل‌سازی سازه برج فولادی و پی بتنی و لایه‌های خاک در ساختگاه مورد نظر، از روش عددی المان محدود به‌صورت دینامیکی با استفاده از نرم‌افزار ABAQUS آنالیز و مورد پژوهش قرار گرفته است. با توجه به محل استقرار این توربین بادی، با لایه‌های خاک به عمق 6 متر، حداکثر تغییر مکان نوک برج با در نظرگیری بار لرزه‌ای حدود 7 درصد افزایش داشت، اما افزایش قابل توجه تنش معادل در ارتفاع 50 متری برج، علی‌رغم عمق کم لایه‌های خاک و عدم بزرگ‌نمایی محسوس شتاب زلزله وارد شده از بستر سنگی به سطح زمین، بالغ بر 36 درصد به دست آمد. لذا ضرورت در نظرگیری هم‌زمان نیروی زلزله همراه با نیروهای باد به‌خوبی نتیجه گردید.

کلیدواژه‌ها


Anderson, C. (2020). Wind turbines: Theory and practice. Cambridge University Press.
Austin, S., & Jerath, S. (2017). Effect of soil-foundation-structure interaction on the seismic response of wind turbines. Ain Shams Engineering Journal, 8(3), 323-331.
BHRC. (2005). Iranian Code of Practice for Seismic Resistant Design of Buildings, Standard no. 2800-05 (Third edition), Iran (in Persian). Building and Housing Research Center.
Díaz, O., & Suárez, L. (2014). Seismic analysis of wind turbines. Earthquake Spectra, 30(2), 743-765.
Esmaeili, V., Mohtashami, E., Salehi-Ahmadabad, M., & Shooshtari, A. (2016). A comparison between equivalent static and time-history approaches in seismic analysis of wind turbines. 9th National Congress on Civil Engineering. Mashhad, Iran.
Gatmiri, B. (1996). Guide to the Analysis of Soil-Structure Dynamic Interaction and Its Effects on the Dynamic Response Of The Structure, Iran (in Persian).
Gesualdo, A., Guadagnuolo, M., & Penta, F. (2018). Dynamic shear behaviour of truss towers for wind turbines. International Conference on Mathematical Modelling in Physical Sciences, 1141. Moscow, Russian Federation. doi:10.1088/1742-6596/1141/1/ 012078.
Ghaemmaghami, A., Mercan, O., & Kianoush, R. (2016). Seismic soil-structure interaction analysis of wind turbines in frequency domain: Seismic soil-structure interaction analysis of wind turbines. Wind Energy, 125-142.
Harte, M., Basu, B., & Nielsen, S. (2012). Dynamic analysis of wind turbines including soil-structure interaction. Engineering Structures, 45, 509-518. doi:https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2012.06.041
Huo, T., Tong, L., & Zhang, Y. (2018). Dynamic response analysis of wind turbine tubular towers under long-period ground motions with the consideration of soil-structure interaction. Advanced Steel Construction, 227-250.
Katsanos, E., Thöns, S., & Georgakis, C.T. (2016). Wind turbines and seismic hazard: a state-of-the-art review. Wind Energy, 19(11), 2113-2133. doi: https:/ /doi.org/10.1002/we.1968
Li, W., Huang, J., & Du, Y. (2019). Dynamic response analysis of wind turbines under long-period ground motions. In Y. W. Zhou, Data Mining in Structural Dynamic Analysis, 65-84. Singapore: Springer.
Ming Yang Smart Energy (n.d.). Retrieved from http://www.myse.com.cn.
Prowell, I. (2011). An experimental and Numerical Study of Wind Turbine Seismic Behavior. San Diego: University of California.
Sermet, F., Ensar Yigit, M., Ergun, S., & Hokelekli,    E. (2020). Dynamic analysis of different type of wind turbine towers under wind. Journal of Structural Engineering & Applied Mechanics, 3(3), 204-215.
Shah, H. J., & Desai, A.K. (2022). Comparison of monopole and hybrid wind turbine tower response for seismic loading under operational conditions. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 10(7), 2557-2575.
Smith, V., & Mahmoud, H. (2016). Multihazard assessment of wind turbine towers under simultaneous application of wind, operation, and seismic loads. Journal of Performance of Constructed Facilities, 30(6).
STS CO. (2011). Soil Mechanics Report, Iran (in Persian).
Wiser, R., Millstein, D., Bolinger, M., Jeong, S., & Mills, A. (2021). The hidden value of large-rotor,      tall-tower wind turbines in the United States.           Wind Engineering, 45(4), 857-871. doi: 10.1177/ 0309524X20933949
Witcher, D. (2005). Seismic analysis of wind turbines in the time domain. Wind Energy: An International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology, 8(1), 81-91.
Wolf, J.P., & Deeks, A.J. (2004). Foundation vibration analysis: A strength of materials approach. Elsevier.
Yuan, C., Chen, J., Li, J., & Xu, Q. (2017). Fragility analysis of large-scale wind turbines under the combination of seismic and aerodynamic loads. Renewable Energy, 117, 1122-1134.
Zhao, X., & Maisser, P. (2006). Seismic response analysis of wind turbine towers including soil-structure interaction. Journal of Multi-body Dynamics, 220(1), 53-61.
Zhu, C., & Li, Y. (2018). Reliability analysis of wind turbines. Stability Control & Reliable Performance of Wind Turbines, 169-186.