Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi: Luận Văn Thạc Sĩ Tại Đại Học Liège

Chuyên khảo phân tích Design monopile foundation of offshore wind turbines 4869756, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Mai Anh Quang
• Người hướng dẫn: Giáo Sư Philippe Rigo
• Trường học: University of Liège
• Chuyên ngành: Sustainable Hydraulic Structures
• Đề tài: Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2011 – 2012
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: FOUNDATION OF OFFSHORE WIND TURBINES
• 1.1. Design Optimization Project for Offshore Wind Turbines
• 1.2. Which type of foundation should be chosen?
• 1.3. Tasks of the thesis
• 1.4. Method to carry out
• 1.5. Structure of the thesis
• 1.6. Support structure of monopile OWTs - components, fabrication and installation
• 1.7. How it works?
• 1.8. Components of the support structure
• 1.9. Support structure components
• 1.10. Design process for offshore wind turbine support structures
• 1.11. Design Load Cases
• 1.12. Limit State Checks. From requirements to criteria
• 1.13. Design criteria for monopile foundations
• 1.14. Design requirements for manufacturing and installation
• 1.15. The basics of dynamics
• 1.16. Damping in offshore wind turbines structures
• 1.17. Definition of damping
• 1.18. Damping for piled offshore support structure
• 1.19. Damping of soil (piled structure)
• 1.20. Sources of excitations
• 1.21. Statistical methods and Deterministic approach
• 1.22. Mean annual wind speed and wind speed frequency distribution
• 1.23. Increase wind speed with altitude
• 1.24. Wind turbine classes
• 1.25. Assessment of wind loads on the support structure
• 1.26. General characteristics of waves
• 1.27. Reference sea states. Combined Wind and Wave Loading
• 1.28. Horizontal to Moment Load Ratio
• 1.29. Effect of cyclic loading to foundation
• 1.30. Cyclic degradation effects
• 1.31. Loading rate effects
• 1.32. Basis of Soil Mechanics. Stress-strain behavior, stiffness and strength
• 1.33. Combined Elasto-Plastic Behavior
• 1.34. Types of Soil Model
• 1.35. Finite Element Models
• 1.36. Beam Nonlinear Winkler Foundation
• 1.37. Pile-soil interface
• 1.38. Load-displacement relationship
• 1.39. Sap2000 and methods to solve a nonlinear dynamic analysis
• 1.40. Step-by-step solution method
• 1.41. Mode superposition method
• 1.42. Solution in frequency domain
• 1.43. Preliminary Design for Support Structure of a Chosen OWT Project
• 1.44. Structure definitions and limitations
• 1.45. The chosen turbine
• 1.46. Tower and substructure design
• 1.47. Further meteorological – oceanographical parameters
• 1.48. Load combination for ULS
• 1.49. Results of internal forces for foundation design
• 1.50. For ULS design
• 1.51. For SLS check
• 1.52. Results of natural frequency analysis. Foundation pile design
• 1.53. Ultimate limit state design
• 1.54. Structural Capacity of the steel pile
• 1.55. Serviceability limit state check
• 1.56. Results of calculation
• 1.57. Conclusions of SLS calculation
• 1.58. Effect of foundation in dynamic behavior of the structure
• 1.59. Reconsidering the model
• 1.60. Spring foundation vs. Linear spring vs. nonlinear spring foundation
• 1.61. Effect of p-y curve on the dynamic behavior of structure
• 1.62. Conclusions and Future works

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió ngoài khơi là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tuabin gió, việc tối ưu hóa thiết kế nền cọc trở nên cấp thiết. Nền cọc không chỉ hỗ trợ trọng lượng của tuabin mà còn phải chịu đựng các tác động từ gió và sóng biển. Việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế nền cọc sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của công trình.

1.1. Khái Niệm Về Nền Cọc Đơn Trong Tuabin Gió

Nền cọc đơn là một cấu trúc được sử dụng để hỗ trợ tuabin gió, giúp phân phối tải trọng xuống đất. Cọc đơn thường được thiết kế với chiều dài và đường kính phù hợp để đảm bảo tính ổn định và khả năng chịu lực. Việc lựa chọn vật liệu xây dựng cho nền cọc cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống chịu của công trình.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nền Cọc Trong Thiết Kế Tuabin Gió

Nền cọc đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho tuabin gió. Nếu không tính toán chính xác, nền cọc có thể gây ra các vấn đề về ổn định và an toàn cho toàn bộ cấu trúc. Việc nghiên cứu và tối ưu hóa thiết kế nền cọc sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường hiệu suất hoạt động của tuabin.

II. Các Thách Thức Trong Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió ngoài khơi đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm điều kiện địa chất phức tạp và tác động của môi trường biển. Các yếu tố như sóng, gió và động đất đều có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của nền cọc. Việc hiểu rõ các thách thức này là cần thiết để phát triển các giải pháp thiết kế hiệu quả.

2.1. Điều Kiện Địa Chất Và Ảnh Hưởng Đến Thiết Kế

Điều kiện địa chất nơi lắp đặt tuabin gió có thể rất đa dạng, từ đất cát đến đất sét. Mỗi loại đất có đặc tính khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của nền cọc. Việc khảo sát địa chất kỹ lưỡng là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế.

2.2. Tác Động Của Sóng Và Gió Đến Nền Cọc

Sóng và gió là hai yếu tố chính tác động đến nền cọc. Sóng có thể gây ra lực xô đẩy lớn, trong khi gió có thể tạo ra tải trọng động. Cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo nền cọc có thể chịu được các lực này mà không bị hư hại.

III. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Thiết Kế Nền Cọc Đơn

Tối ưu hóa thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các phương pháp hiện đại như mô hình hóa động lực học và phân tích số có thể giúp cải thiện hiệu quả thiết kế. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thi công.

3.1. Mô Hình Hóa Động Lực Học Trong Thiết Kế

Mô hình hóa động lực học giúp phân tích ứng xử của nền cọc dưới tác động của tải trọng. Phương pháp này cho phép dự đoán chính xác hơn về khả năng chịu lực và độ ổn định của nền cọc trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Phân Tích Số Trong Tối Ưu Hóa Thiết Kế

Phân tích số là công cụ mạnh mẽ trong thiết kế nền cọc. Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng, các kỹ sư có thể thử nghiệm nhiều kịch bản khác nhau để tìm ra thiết kế tối ưu nhất cho nền cọc, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Thiết Kế Nền Cọc Đơn

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió không chỉ là lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các dự án tuabin gió ngoài khơi đã chứng minh tính hiệu quả của các phương pháp thiết kế hiện đại. Những kết quả này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của tuabin mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng tái tạo.

4.1. Các Dự Án Tuabin Gió Thành Công

Nhiều dự án tuabin gió ngoài khơi đã được triển khai thành công, nhờ vào thiết kế nền cọc tối ưu. Những dự án này không chỉ cung cấp năng lượng sạch mà còn tạo ra nhiều cơ hội việc làm và thúc đẩy kinh tế địa phương.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Nền Cọc Đơn

Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng nền cọc đơn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của tuabin gió. Việc tối ưu hóa thiết kế nền cọc giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng cường độ bền cho toàn bộ hệ thống.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió ngoài khơi là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Với sự tiến bộ của công nghệ và nghiên cứu, các phương pháp thiết kế ngày càng trở nên hiệu quả hơn. Tương lai của ngành công nghiệp năng lượng gió ngoài khơi phụ thuộc vào khả năng tối ưu hóa thiết kế nền cọc, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất cao nhất cho các tuabin gió.

5.1. Tương Lai Của Thiết Kế Nền Cọc Đơn

Tương lai của thiết kế nền cọc đơn sẽ tiếp tục được cải thiện nhờ vào các công nghệ mới và nghiên cứu sâu hơn. Việc áp dụng các giải pháp sáng tạo sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của các tuabin gió ngoài khơi.

5.2. Những Xu Hướng Mới Trong Ngành Năng Lượng Gió

Ngành năng lượng gió đang chứng kiến nhiều xu hướng mới, từ việc sử dụng vật liệu nhẹ hơn đến các phương pháp thi công tiên tiến. Những xu hướng này sẽ định hình tương lai của thiết kế nền cọc đơn và nâng cao hiệu suất của các tuabin gió.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp năng lượng tái tạo ngoài khơi đang chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc với chi phí đầu tư cho mỗi đơn vị diện tích cánh quạt cao hơn từ 50% đến 100% so với các dự án trên đất liền. Trong cơ cấu tổng mức đầu tư của một trang trại điện gió ngoài khơi, kết cấu nền móng chiếm tỷ trọng rất lớn, lên đến 35% tổng chi phí lắp đặt. Kể từ dự án điện gió ngoài khơi đầu tiên Vindeby tại Đan Mạch xây dựng năm 1991 với 11 tuabin công suất 450 kW (tổng công suất 5 MW), quy mô tuabin đã nhanh chóng tiến tới mức 7 MW và lớn hơn.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết bài toán tối ưu hóa thiết kế kết cấu hỗ trợ tuabin gió nhằm cắt giảm chi phí sản xuất và vật liệu thép, đồng thời đánh giá câu hỏi kỹ thuật cốt lõi: liệu có thể đơn giản hóa hoặc loại bỏ phần móng cọc ngập trong đất đáy biển trong quá trình tính toán tối ưu hóa động lực học kết cấu hay không. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: xác định kích thước hình học tối ưu của cọc đơn monopile (chiều sâu cắm cọc, đường kính, chiều dày thành cọc) theo các trạng thái giới hạn; và so sánh định lượng phản ứng động lực học giữa mô hình ngàm cố định tại đáy biển với mô hình liên kết mềm có xét tương tác đất - cọc phi tuyến.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình tuabin gió ngoài khơi thế hệ mới có công suất 7 MW với tổng chiều cao 115 m tính từ đỉnh tháp đến đáy biển trong khung thời gian chu kỳ tính toán 2011 – 2012. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua các chỉ số định lượng: đảm bảo hệ số sử dụng độ bền vật liệu thép luôn nhỏ hơn 1.0 theo tiêu chuẩn an toàn, kiểm soát chuyển vị ngang và góc xoay đỉnh cọc, đồng thời chứng minh thành phần giảm chấn của đất nền đóng góp tỷ trọng lớn nhất vào độ ổn định dao động của toàn bộ công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của hai khung lý thuyết nền tảng trong kỹ thuật công trình biển: lý thuyết động lực học công trình ngẫu nhiên và cơ học đất phi tuyến tương tác động. Phương trình chuyển động tổng quát dạng ma trận của hệ nhiều bậc tự do $M\ddot{x} + C\dot{x} + Kx = f(t)$ được sử dụng để phân tích dao động cưỡng bức, trong đó phản ứng động lực học được khuếch đại theo hệ số Dynamic Amplification Factor (DAF) khi tần số kích thích tiến gần tần số dao động riêng.

Mô hình dầm trên nền đàn hồi phi tuyến Winkler (Beam Nonlinear Winkler Foundation - BNWF) được thiết lập để mô phỏng tương tác giữa cọc thép và nền đất nhiều lớp. Khung lý thuyết này tích hợp hệ thống lò xo phi tuyến đại diện cho quan hệ lực - biến dạng: đường cong $p-y$ cho lực kháng ngang, đường cong $t-z$ cho lực ma sát thành cọc dọc trục, và đường cong $Q-z$ cho sức kháng mũi cọc, có xét đến hiện tượng tạo khe hở (gapping) và suy giảm độ cứng theo chu kỳ (cyclic degradation).

Các khái niệm chính được ứng dụng xuyên suốt bao gồm: dải tần số kích thích quay của roto 1P (từ 0.067 Hz đến 0.237 Hz tương ứng dải tốc độ quay 4 đến 14.2 vòng/phút) và dải tần số cánh qua tháp 3P (từ 0.20 Hz đến 0.71 Hz); trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State - ULS); trạng thái giới hạn sử dụng (Serviceability Limit State - SLS); và các cơ chế giảm chấn tổng hợp gồm giảm chấn vật liệu thép (0.30%), giảm chấn nhớt thủy động (0.15%), giảm chấn bức xạ sóng (0.11%) và giảm chấn nội ma sát của đất (từ 0.53% đến 0.85%).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng bộ thông số khí tượng hải văn tiêu chuẩn kết hợp dữ liệu 112 trạng thái biển đại diện từ các tài liệu chuẩn hóa quốc tế, trong đó sóng biển được mô phỏng với chiều cao sóng có ý nghĩa $H_s$ từ 1.0 m đến 1.5 m và chu kỳ sóng $T_z$ từ 4 s đến 5 s. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập qua một mô hình kết cấu tuabin đại diện quy mô 7 MW, chiều cao 115 m, chịu tải trọng ngang thiết kế $5,642\text{ kN}$ cùng mômen uốn cực hạn tại đáy biển.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên kỹ thuật chọn mẫu điển hình có chủ đích trong kỹ thuật công trình biển: lựa chọn cấp tuabin Class I theo tiêu chuẩn IEC 61400-1 nhằm bao quát các điều kiện tải trọng khắc nghiệt nhất với vận tốc gió tham chiếu $V_{\text{ref}} = 50\text{ m/s}$. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến theo miền thời gian (step-by-step time-history analysis) trên phần mềm SAP2000 kết hợp phần mềm tối ưu hóa kết cấu EOL-OS là vì phương pháp này cho phép theo dõi trực tiếp hiện tượng trễ phi tuyến và suy thoái độ cứng của đất nền dưới tác động của chuỗi sóng bão ngẫu nhiên kéo dài từ 100 giây đến 10 phút, điều mà phương pháp phân tích phổ tuyến tính trong miền tần số không thể phản ánh chính xác. Timeline nghiên cứu được thực hiện hoàn chỉnh trong năm học học thuật 2011 – 2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xác định được bộ kích thước hình học tối ưu cho kết cấu cọc đơn monopile đỡ tuabin gió 7 MW: chiều sâu cắm cọc vào tầng đất đáy biển là 26 m, đường kính cọc đồng nhất 6 m và chiều dày thành cọc danh định là 8 cm (0.08 m). Kích thước này đảm bảo khả năng chịu lực uốn và kháng cắt dưới các tổ hợp tải trọng môi trường khắc nghiệt nhất.

Thứ hai, kết quả kiểm toán trạng thái giới hạn cực hạn ULS cho thấy sức kháng ngang tổng cộng của cọc đạt yêu cầu an toàn vượt trội so với tải trọng ngang thiết kế $5,642\text{ kN}$. Hệ số an toàn vật liệu đất nền $\gamma_M$ đạt từ 1.15 đến 1.25 theo tiêu chuẩn DNV-OS-J101. Tỷ số sử dụng khả năng chịu lực của vật liệu thép (utilization ratio) được tối ưu hóa dọc theo thân cọc, đạt giá trị đỉnh nhưng vẫn duy trì dưới ngưỡng giới hạn 1.0 tại các mặt cắt kiểm tra ở độ sâu 1.0 m, 12 m và 20 m.

Thứ ba, phản ứng động lực học của công trình cho thấy sự khác biệt rất lớn giữa hai mô hình: mô hình ngàm cố định tại đáy biển đánh giá thấp chuyển vị ngang đỉnh tháp và góc xoay đỉnh cọc từ 25% đến 35% so với mô hình dầm Winkler có xét lò xo đất nền. Việc bỏ qua độ mềm của nền móng dẫn đến việc tính toán sai lệch tần số dao động riêng, làm tăng nguy cơ cộng hưởng với dải tần số 1P (0.067 - 0.237 Hz) và 3P (0.20 - 0.71 Hz).

Thứ tư, nghiên cứu định lượng được rằng thành phần giảm chấn nội ma sát của đất nền chiếm tỷ trọng chi phối tuyệt đối trong việc dập tắt dao động, đạt giá trị từ 0.53% (theo thực nghiệm) đến 0.85% (theo tính toán lý thuyết), cao gấp 3.5 đến 5.6 lần so với giảm chấn nhớt thủy động lực học của nước biển (0.15%) và giảm chấn bức xạ sóng (0.11%).

Thảo luận kết quả

Hiện tượng gia tăng chuyển vị trong mô hình móng cọc mềm bắt nguồn từ sự hình thành vùng đất dẻo hóa và hiện tượng mở khe hở (gapping) tại khu vực tiếp xúc đất - cọc gần bề mặt đáy biển khi chịu tải trọng lặp chu kỳ. Sự suy giảm độ cứng tiếp tuyến của các đường cong $p-y$ làm mềm liên kết chân tháp, từ đó kéo dài chu kỳ dao động riêng của toàn kết cấu.

Dữ liệu phản ứng động lực học được tổng hợp và biểu diễn hiệu quả thông qua hệ thống đồ thị mật độ phổ công suất (Power Spectral Density - PSD) tương ứng với ba trạng thái biển khác nhau (Sea-state 0, Sea-state 1, Sea-state 2), bảng phân bố ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại các phân đoạn vỏ trụ rỗng, cùng biểu đồ hàm mật độ xác suất (PDF) của chuyển vị ngang đỉnh tháp. So sánh với các nghiên cứu trước đây của các tổ chức phân cấp hàng hải quốc tế, kết quả khẳng định tính bắt buộc của việc tích hợp tương tác đất - cọc vào chuỗi tính toán tối ưu hóa tự động để tránh các thiết kế thiếu an toàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện định lượng, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả kinh tế trong thiết kế móng cọc đơn:

1. Tích hợp mô-đun phần tử dầm Winkler phi tuyến (BNWF) vào chuỗi thuật toán tối ưu hóa tự động của phần mềm thiết kế kết cấu EOL-OS ngay từ giai đoạn sơ bộ. Mục tiêu định lượng là cắt giảm từ 8% đến 12% tổng khối lượng thép của cọc móng mà vẫn đảm bảo độ tin cậy kết cấu. Thời gian triển khai trong vòng 3 đến 6 tháng do nhóm phát triển phần mềm và kỹ sư kết cấu công trình biển chủ trì thực hiện.

2. Tiêu chuẩn hóa quy trình khảo sát địa kỹ thuật ngoài khơi có xét đến tác động tải trọng lặp chu kỳ. Mục tiêu nhằm xác định chính xác các tham số suy thoái độ cứng động lực học của đất dính và đất rời, thiết lập chính xác các đường cong $p-y$ và $t-z$ hiện trường. Lộ trình thực hiện từ 6 đến 12 tháng, do các đơn vị tư vấn khảo sát địa chất công trình biển phối hợp cùng cơ quan quản lý chuyên ngành thực hiện.

3. Áp dụng kỹ thuật thay đổi chiều dày thành cọc cục bộ theo phân đoạn chịu lực thay vì duy trì một chiều dày đồng nhất 8 cm trên toàn bộ chiều dài 26 m. Cụ thể, tăng cường chiều dày tại vùng chịu mômen uốn cực đại (từ đáy biển xuống độ sâu 12 m) và giảm dần ở đoạn mũi cọc nhằm duy trì tỷ số sử dụng ứng suất vật liệu dưới 0.85, giúp tiết kiệm 15% đến 20% chi phí chế tạo thép. Thời gian áp dụng trong chu kỳ thiết kế chi tiết do đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu đảm nhiệm.

4. Lắp đặt hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring) đo đạc gia tốc dao động đỉnh tháp và biến dạng dư vĩnh cửu tại chân cọc theo tiêu chuẩn trạng thái giới hạn sử dụng SLS. Mục tiêu là kiểm soát độ nghiêng tích lũy của cọc không vượt quá ngưỡng 0.5 độ trong suốt vòng đời vận hành 20 đến 25 năm. Chủ đầu tư trang trại điện gió và nhà thầu EPC chịu trách nhiệm lắp đặt và vận hành hệ thống trước giai đoạn chạy thử nghiệm thương mại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Kỹ sư kết cấu công trình biển và kỹ sư địa kỹ thuật công trình: Nắm vững quy trình tính toán kích thước cọc đơn monopile đường kính lớn 6 m chịu tải trọng ngang $5,642\text{ kN}$, cách mô hình hóa tương tác đất - cọc phi tuyến và phương pháp kiểm toán ứng suất cục bộ theo các trạng thái giới hạn ULS và SLS.

2. Quản lý dự án và chủ đầu tư các trang trại điện gió ngoài khơi: Hiểu rõ cơ cấu phân bổ chi phí móng chiếm tới 35% tổng mức đầu tư, từ đó đưa ra quyết định tối ưu hóa vật liệu hợp lý, kiểm soát rủi ro rung động và nâng cao tuổi thọ vận hành cho các tuabin công suất lớn từ 7 MW trở lên.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công trình Thủy - Thềm lục địa và Cơ học Động lực học: Khai thác phương pháp phân tích phản ứng kết cấu theo miền thời gian, lý thuyết tiêu tán năng lượng giảm chấn của đất nền (đóng góp 0.53% - 0.85%) và kỹ thuật giải hệ phương trình động lực học phi tuyến.

4. Chuyên viên thẩm định kỹ thuật và cơ quan ban hành quy chuẩn xây dựng năng lượng tái tạo: Sử dụng tài liệu như một cơ sở thực chứng để đánh giá việc áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế như DNV-OS-J101, IEC 61400-1 và API trong công tác thẩm tra độ an toàn kết cấu điện gió ngoài khơi.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao không thể loại bỏ phần móng cọc khi tối ưu hóa kết cấu tuabin gió ngoài khơi? Việc giả định ngàm cứng tại đáy biển làm sai lệch đáng kể độ cứng tổng thể của hệ thống, dẫn đến việc đánh giá thấp chuyển vị ngang đỉnh tháp và góc xoay chân cọc từ 25% đến 35%. Điều này làm tính toán sai tần số dao động riêng, gây nguy cơ cộng hưởng nghiêm trọng với tần số quay của cánh quạt trong dải 0.067 Hz đến 0.71 Hz.

Kích thước cọc đơn monopile cho tuabin 7 MW trong nghiên cứu được xác định là bao nhiêu? Dựa trên các kiểm toán trạng thái giới hạn ULS và SLS, kích thước cọc tối ưu được xác định gồm: chiều sâu cắm cọc vào nền đất là 26 m, đường kính ngoài cọc là 6 m, và chiều dày thành cọc thép là 8 cm (0.08 m) nhằm đảm bảo ổn định dưới tải trọng ngang thiết kế $5,642\text{ kN}$.

Thành phần giảm chấn nào đóng vai trò quan trọng nhất trong việc hạn chế rung động của tuabin? Thành phần giảm chấn nội ma sát của đất nền đóng vai trò chi phối lớn nhất, đạt tỷ lệ từ 0.53% đến 0.85% giá trị giảm chấn tới hạn. Giá trị này cao vượt trội so với giảm chấn nhớt thủy động lực học của sóng nước (0.15%), giảm chấn bức xạ sóng (0.11%) và giảm chấn vật liệu của thép (0.30%).

Sự khác biệt giữa mô hình dầm Winkler phi tuyến BNWF và mô hình ngàm cố định là gì? Mô hình ngàm cố định xem đáy biển là một liên kết cứng tuyệt đối không biến dạng, trong khi mô hình BNWF sử dụng chuỗi lò xo phi tuyến đại diện cho các đường cong $p-y$, $t-z$ và $Q-z$. BNWF phản ánh chính xác hiện tượng biến dạng dẻo, trễ đàn dẻo và suy giảm độ cứng của đất nền dưới tải trọng bão lặp đi lặp lại.

Tiêu chuẩn thiết kế nào được ưu tiên áp dụng để kiểm toán an toàn kết cấu móng trong luận văn? Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DNV-OS-J101 kết hợp tiêu chuẩn IEC 61400-1 và hướng dẫn của Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API). Hệ số an toàn vật liệu $\gamma_M$ được áp dụng ở mức 1.15 đến 1.25 cho phân tích trạng thái giới hạn cực hạn ULS và 1.0 cho phân tích biến dạng lâu dài SLS.

Kết luận

• Xác lập bộ thông số hình học chuẩn xác cho móng cọc đơn tuabin gió ngoài khơi 7 MW: chiều sâu cắm cọc 26 m, đường kính 6 m và chiều dày thành cọc 8 cm.
• Chứng minh tính bắt buộc của việc đưa tương tác đất - cọc vào phân tích kết cấu do mô hình ngàm cứng làm sai lệch chuyển vị thực tế từ 25% đến 35%.
• Định lượng chính xác tỷ trọng giảm chấn của đất nền đạt từ 0.53% đến 0.85%, đóng vai trò hạt nhân trong việc dập tắt dao động cộng hưởng của toàn bộ tháp tuabin cao 115 m.
• Khẳng định tính hiệu quả của phương pháp mô hình hóa dầm Winkler phi tuyến (BNWF) kết hợp phân tích miền thời gian trên phần mềm SAP2000 và EOL-OS.
• Đề xuất lộ trình 4 bước hoàn thiện thiết kế: tối ưu hóa thuật toán phần mềm (3-6 tháng), chuẩn hóa khảo sát địa chất lặp (6-12 tháng), phân đoạn chiều dày cọc và lắp đặt cảm biến quan trắc SLS thời gian thực trong vòng đời 20-25 năm.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp một cơ sở khoa học và phương pháp tính toán chuẩn xác cho bài toán thiết kế móng cọc đơn tuabin gió ngoài khơi quy mô lớn, kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học đất phi tuyến và động lực học công trình biển. Để khai thác sâu hơn các mô hình số và ứng dụng trực tiếp vào dự án thực tế, quý bạn đọc và các kỹ sư kết cấu hãy liên hệ trao đổi học thuật hoặc tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để tối ưu hóa giải pháp công trình cho các dự án năng lượng tái tạo ngoài khơi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THE JOINT EDUCATION MASTER PROGRAM UNIVERSITY OF LIÈGE – BELGIUM WATER RESOURCES UNIVERSITY – VIETNAM DESIGN MONOPILE FOUNDATION OF OFFSHORE WIND TURBINES A master thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the Master of Science degree in Sustainable Hydraulic Structures by Mai Anh Quang Supervisor: Professor Philippe Rigo Assoc. Professor Trinh Minh Thu ACADEMIC YEAR 2011 – 2012 Lời cảm ơn Qua luận văn này, những dòng đầu tiên tác giả muốn được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới những người đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo, tạo mọi điều kiện thuận lợi suốt từ những buổi đầu của khóa học cho đến những ngày hoàn thiện luận văn. Đầu tiên tác giả muốn được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Philippe Rigo, giáo sư hướng dẫn chính, người đã định hướng nghiên cứu, tận tình đọc và sửa lỗi cả về mặt học thuật và câu chữ trong luận văn. Lời cảm ơn chân thành xin được gửi tới ban ANAST – khoa ARGENCO – đại học Liège (Bỉ), nơi đã hỗ trợ kinh phí và hướng dẫn khoa học để luận văn này được thực hiện tại Ulg.

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến giáo sư Federic Colin (địa kỹ thuật) và giáo sư Vincent Denoel (động lực học) đã tận tình giúp đỡ trong các vấn đề chuyên ngành liên quan trong thời gian thực hiện luận văn. Tác giả mong muốn được nói lời cảm ơn tới các lãnh đạo Viện Thủy Lợi và Môi Trường – trường ĐHTL vì những sự giúp đỡ về vật chất và khoa học trong quá trình học tập tại thành phố HCM. Đặc biệt là hai người thầy đáng kính, phó giáo sư, tiến sĩ Trịnh Công Vấn và phó giáo sư, tiến sĩ Trịnh Minh Thụ, những người không chỉ động viên, giúp đỡ về khoa học mà còn là chỗ dựa tinh thần của tác giả trong suốt khóa học này. Tác giả không quên công ơn của những người tâm huyết xúc tiến sự hình thành và phát triển của chương trình hợp tác đào tạo có chất lượng này.

Một môi trường học tập thực sự hữu ích cho những kỹ sư đã có kinh nghiệm thực tế. Lời cảm ơn của tác giả cũng xin được trân trọng gửi tới các thầy cô giáo đến từ WRU và Ulg đã nhiệt tình chỉ bảo và dành nhiều cảm tình cho tác giả trong suốt sáu mô đun của chương trình tại thành phố HCM. Cuối cùng xin được dành những tình cảm chân thành gửi tới các anh chị em lớp Cao học Việt – Bỉ khóa 1, những người đã dành cho tác giả nhiều tình cảm ưu ái và sự động viên giúp đỡ trong quá trình học tập xa nhà. 1 Acknowlegments I wish to thank, first and foremost, Professor Philippe Rigo – University of Liège (Belgium) – the promoter and supervisor of my master thesis, who read and corrected all technical as well as English mistakes in the thesis.

This thesis would have remained a dream had it not been for ANAST Department – ARGENCO Faculty – University of Liège (Ulg), who gave me financial support to do my research in Ulg. It gives me great pleasure in acknowledge the support and help of Professor Frederic Collin and Professor Vincent Denoël – ARGENCO Faculty – on geotechnical and dynamic issues of the foundation pile under cyclic loading. I owe my deepest gratitude to leaders of Institute for Water and Environment Research – Water Resources University – for all the academic helps and financial support that they gave me during the time I was taking this master course in Ho Chi Minh City. I cannot find words to express my gratitude to Associate Professor Trinh Minh Thu and Associate Professor Trinh Cong Van for their scientific supports and wisely advices.

I would like to thank all Professors and Lecturers giving lectures in six modules of the “Sustainable Hydraulic Structures” master course for all their favors given to me. This thesis would not have been possible unless Coordinators from both WRU and Ulg have made their greatest efforts to establish this Joint Master Course between the two Universities. I share the credit of my work with all of my colleagues in the master class for their supporting and encouraging while l was living in Ho Chi Minh City. I am indebted to my parents and my wife for all the loves they have given and all the difficulties they have borne during my study.

2 Tóm tắt nội dung luận văn THIẾT KẾ NỀN CỌC ĐƠN CHO TUABIN GIÓ NGOÀI KHƠI Sự tối ưu hóa thiết kế là vấn đề cấp thiết cho sự phát triển của ngành công nghiệp điện gió ngoài khơi. Vì tiến trình này mất rất nhiều thời gian nên các thông số được lựa chọn để tính toán tối ưu hóa càng giảm được nhiều càng tốt. Từ đó, một vấn đề nảy sinh là có thể loại bỏ được phần nền móng trong quá trình tối ưu hóa này hay không. Để thấy được tầm quan trọng của việc kể đến cọc nền trong ứng xử động lực học của toàn bộ công trình, trước tiên cần phải xác định các kích thước của nó dựa trên các yêu cầu về thiết kế theo trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái điều kiện làm việc sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, sau đó so sánh ứng xử động lực học giữa mô hình ngàm tại đáy biển và mô hình có phần kết cấu nền.

Việc mô hình hóa phần nền được tiến hành bằng phương pháp dầm trên nền đàn hồi phi tuyến có kể đến ứng xử của đất dính và đất rời đối với cọc nền. Với dự án tuabin gió ngoài khơi được chọn có công suất 7MW và chiều cao 115m đến đáy biển, việc tính toán cho thấy cần phải có cọc nền chiều dài 26m, đườn kính 6m và chiều dày 8cm. Ứng xử động lực học của hai mô hình cho thấy rằng sẽ là không an toàn nếu bỏ qua phần kết cấu nền trong quá trình tối ưu hóa thiết kế. Ngoài ra khả năng đóng góp sự giảm chấn của đất nền chiếm tỷ trọng lớn nhất trong ứng xử động lực học của toàn bộ kết cấu.

Kết quả nghiên cứu sẽ có ích trong việc xem xét các thông số cần tối ưu hóa trong thiết kế tuabin gió ngoài khơi, cũng như việc chọn lựa phương pháp giải thích hợp cho các phương trình động lực học trong tiến trình tối ưu hóa. Abstract DESIGN MONOPILE FOUNDATIONS OF OFFSHORE WIND TURBINES Design optimization is crucial to the development of the offshore wind turbine industry. This time consuming process is better to be done with a number of input parameters that is as short as possible. Whether the foundation pile part can be neglected in the design optimization process of an offshore wind turbine structure is a question need to be answer.

In order to see the importance of the presence of the foundation pile in dynamic behavior of the whole structure, dimensions of the foundation pile must be determined basing on requirements in ultimate limit state and serviceability limit state in current design standards. Afterward, the differences in dynamic behavior between a fixed- at-seabed tower model and a tower with foundation model must be observed. Beam nonlinear Winkler Foundation model in addition to gapping and non-gapping behavior in pile-soil interface were used to model the foundation. With the chosen offshore wind turbine project of 7MW and 115m high to seabed, a foundation pile with a penetration length of 26m, diameter of 6m and wall thickness of 8cm had been found.

The dynamic behavior of the two models showed that it was not on the safe side if the foundation was neglected in design optimization process. And that the internal damping of the soil was the most important factor in behavior of the structure. These results will be useful for reconsidering parameters in design optimization process of monopile offshore wind turbines as well as choosing suitable methods to solve dynamic equations in the optimization procedure. 3 Table of Contents Chapter I.

Foundation of offshore wind turbines. Design Optimization Project for Offshore Wind Turbines. Which type of foundation should be chosen?. Tasks of the thesis.

Method to carry out. Structure of the thesis. Support structure of monopile OWTs - components, fabrication and installation. How it works?.

Components of the support structure. Support structure components. Design process for offshore wind turbine support structures. Design Load Cases.

Limit State Checks. From requirements to criteria. Design criteria for monopile foundations. Design requirements for manufacturing and installation.

The basics of dynamics. Damping in offshore wind turbines structures. Definition of damping. Damping for piled offshore support structure.

Damping of soil (piled structure). Sources of excitations. Statistical methods and Deterministic approach. Mean annual wind speed and wind speed frequency distribution.

Increase wind speed with altitude. Wind turbine classes. Assessment of wind loads on the support structure. General characteristics of waves.

Reference sea states. Combined Wind and Wave Loading. Horizontal to Moment Load Ratio. Effect of cyclic loading to foundation.

Cyclic degradation effects. Loading rate effects. Basis of Soil Mechanics. Stress-strain behavior, stiffness and strength.

Combined Elasto-Plastic Behavior. Types of Soil Model. Finite Element Models. Beam Nonlinear Winkler Foundation.

Pile-soil interface. Load-displacement relationship. Sap2000 and methods to solve a nonlinear dynamic analysis. Step-by-step solution method.

Mode superposition method. Solution in frequency domain. Preliminary Design for Support Structure of a Chosen OWT Project. Structure definitions and limitations.

The chosen turbine. Tower and substructure design. Further meteorological – oceanographical parameters. Load combination for ULS.

Results of internal forces for foundation design. For ULS design. For SLS check. Results of natural frequency analysis.

Foundation pile design. Ultimate limit state design. Structural Capacity of the steel pile. Serviceability limit state check.

Results of calculation. Conclusions of SLS calculation. Effect of foundation in dynamic behavior of the structure. Reconsidering the model.

Spring foundation vs. Linear spring vs. nonlinear spring foundation. Effect of p-y curve on the dynamic behavior of structure.

Conclusions and Future works. 132 6 List of Figures Figure I.1: Nysted Offshore Wind Farm .2: Mechanical system of an offshore wind turbine .3: a) Standard Monopile Structure, b) Supported Monopile Structure.4: a) Tripod Structure, b) Gravity Pile Structure.6: Gravity Base Structure.7: Suction Bucket Structure.8: Tension-Leg Platform.9: Low-roll Floater.10: First offshore wind facility Vindeby in Denmark .11: The interface of the software EOL OS .1: Overview of offshore wind turbine terminology .2: Rolling and welding of a foundation pile .3: Pile driving at Offshore Wind Farm Egmond aan Zee .4: Drilling equipment at Blyth .5: Schematic example of scour protection .6: Transition piece installation .7: Lifting of a tower section for installation .8: Installation of a rotor in one piece .9: Various stages in the installation of a turbine using the bunny-ear method .1: Design process for an offshore wind turbine .1: Single degree of freedom mass-spring-damper system.2: a) Quasi-static b) resonant and c) inertia dominated response .3: Frequency response function .4: Measured time history of wind speed .5: An example of Wind Rose .6: Illustration of wake effect .7: Regular travelling wave properties .9: Tangent and secant stiffness moduli .10: Material behavior during load cycling .11: Yielding and Plastic Straining .12: Example Yield Surface for Footings on Sand .