Tuulivoimalan kallioankkuroitujen perustusten parametrinen suunnittelu

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-07-18

Department

Major/Subject

Structural Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Building Technology

Language

fi

Pages

67

Series

Abstract

The rapid development of wind power and the construction of increasingly larger turbines require more efficient and cost-effective design methods, particularly for foundations. Since wind turbine foundations are large-scale structures and a single wind farm can host dozens of turbines, the cost impact of foundation materials can be highly significant. This study investigates how parametric design and optimization can be used to improve the material efficiency of wind turbine foundations while staying within the Finnish design guidelines for geotechnical and structural design of rock anchors. The primary objective of this thesis is to develop a parametric design tool aimed at improving the cost-efficiency of such foundations, particularly during the tendering phase. The tool is designed to automatically determine the optimal number of anchors and the required volume of concrete based on predefined input parameters, thereby eliminating the need for time-consuming manual iterations. The study employed the Response Surface and Design of Experiment methodologies as the optimization framework. The foundation geometry was modelled parametrically, and the load cases were implemented through scripting. Finite element analysis was performed for the foundation. The resulting response data was analyzed using an optimization algorithm that identifies three optimal design solutions, each satisfying a defined set of constraints and performance criteria. These optimal configurations were subsequently evaluated and compared against one another to assess performance and cost-effectiveness. The study found that the tool suggests cost-effective solutions and improves the overall stability and load-bearing capacity of the foundation. The algorithm prioritizes safety over material costs. The reliability of the results was confirmed by comparing various outcomes to ensure the general functionality of the model. This approach can significantly streamline the design process, particularly during the tendering phase when time and resources are limited.

Tuulivoiman nopea kehitys ja yhä suurempien voimaloiden rakentaminen edellyttävät entistä tehokkaampia ja taloudellisempia suunnittelumenetelmiä erityisesti perustusten osalta. Yhdessä tuulivoimapuistossa voi olla kymmeniä voimaloita, jolloin yksittäisen perustuksen optimointi voi johtaa huomattaviin kustannussäästöihin. Työssä tutkitaan, kuinka parametrisen suunnittelun ja optimointimenetelmien avulla voidaan tehostaa tuulivoimalan kallioankkuroidun perustuksen materiaalin käyttöä noudattaen Suomessa vallitsevia geoteknisiä ja rakenteellisia määräyksiä. Tämän diplomityön keskeinen tavoite on kehittää parametrinen työkalu lisäämään kallioankkureiden avulla perustettavien anturoiden kustannustehokkuutta erityisesti suunnittelun tarjousvaiheessa. Työkalulla määritetään lähtötietojen avulla ankkureiden ja betonin optimaalinen määrän ilman manuaalista iterointia. Tutkimus toteutettiin käyttäen vastepintaoptimointimetodia sekä koemenetelmää. Perustuksen geometria mallinnettiin parametrisesti ja kuormien kohdistus automatisoitiin hyödyntäen skriptausta. Laskenta suoritettiin elementtimenetelmällä. Tulokset analysoitiin optimointialgoritmilla, joka valikoi rajoitteiden ja vaatimusten mukaisesti kolme optimaalista ratkaisua. Optimointialgoritmin tuloksia verrattiin keskenään rakenteen toimivuuden ja kustannustehokkuuden arvioimiseksi. Tutkimuksessa havaittiin, että työkalu ehdottaa kustannustehokkaita ratkaisuja parantaen perustuksen vakautta sekä kantokykyä. Algoritmi suosii perustuksen vakautta materiaalien kustannuksella. Tuloksille saatiin vahvistus vertaamalla eri tuloksia keskenään, jotta voitiin varmistaa mallin yleinen toimivuus. Tämä lähestymistapa tehostaisi suunnitteluprosessia erityisesti tarjousvaiheessa, kun aika ja resurssit ovat rajallisia.

Description

Supervisor

Niiranen, Jarkko

Thesis advisor

Jauhiainen, Jyrki

Keywords

tuulivoimala, kallioankkuri, parametrinen, optimointi, ANSYS, vastepinta, elementtimenetelmä, wind turbine, optimization, parametric, response surface

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508186229

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG