Global stability of rock anchored onshore wind turbine anchored foundations

Abstract

As the size and amount of wind turbines is increasing it is important to find more efficient solutions in designing their foundations. The rock anchored foundations offer reduced costs when compared to other foundation types when applicable. Rock anchored foundations require decent quality rock, favourable directions of discontinuities in rock mass and the rock surface to be close of the ground surface.

In this thesis the global stability of onshore rock anchored foundations was researched. The goal was to determine the overturning point of the wind turbine foundation structure and determine the over design in anchored foundations by analysing the loads they would be able to withstand. The analyses were done using 3DEC which is a 3-dimensional DEM software. It is suited for discontinuous materials such as jointed rock mass. The current design methods were also reviewed in this thesis.

3DEC calculations resulted in some over safety in anchors but it the safety was not as high as believed before. The determination of the overturning point from the 3DEC results was challenging but the overturning point was found to be under the concrete slab in the rock mass. The overturning point was also found to change depending on the load applied.

Tuulivoimaloiden määrä ja koko kasvaa jatkuvasti ja tämä johtaa tehokkaampien perustuksien tarpeeseen. Kallioankkuroinneilla voidaan saavuttaa soveltuvissa olosuhteissa kustannussäästöjä verrattuna muihin perustuksiin, kun kallion laatu on riittävää, rakosuunnat ankkuroinnin kannalta edulliset sekä kallionpinta riittävän lähellä maanpintaa.

Tässä työssä tutkittiin kallioankkuroidun perustuksen yleistasoista vakavuutta ja pyrittiin selvittämään rakenteen kaatumispiste käyttäen 3DEC laskentaa. Samalla pyrittiin selvittämään, kuinka paljon ylimääräistä varmuutta rakenteissa on. 3DEC on kolmiulotteinen DEM laskenta ohjelma, joka soveltuu epäjatkuvien materiaalien, kuten kallion analysointiin. Työssä tutkittiin kallioankkuroitujen perustusten nykyään käytössä olevia suunnittelumenetelmiä.

Laskennan tuloksena saatiin, että perustuksissa on ylimääräistä varmuutta, mutta vähemmän kuin oletettiin. Kaatumispisteen tarkan sijainnin määrittäminen 3DEC tuloksista osoittautui haasteelliseksi, mutta sijainti saatiin haarukoitua perustuksen betonilaatan alapuolelle kalliomassaan. Kaatumispisteestä huomattiin myös, että sen sijainti muuttuu kuorman vaikutuksesta.