Fundaties windturbines Vlissingen5201330FundatieswindturbinesVlissingen1Grote momenten en dynamischebelastingen vormen flinke uitdagingFundaties windturbines Vlissingen 52013 31122,51,823Op het industrieterrein Vlissingen-Oost, nabij de kerncentralevan Borssele en vlakbij de Kaloothaven, staan twee windturbi-nes met een vermogen van 6,2 MW. De fundaties van dezewindmolens hebben een diameter van 23 m en zijn in hetmidden maximaal circa 4,3 m dik. Een gedeelte van 2,5 m vanhet fundament bevindt zich onder het maaiveld. Het funda-ment wordt gedragen door 63 grondverdringende, in de grondgevormde palen met een lengte van 24 m. Reden voor hettoepassen van deze palen is, naast de grote trekcapaciteit, eennabijgelegen natuurgebied waar heien vanwege het geluid nietis toegestaan.Om de horizontale belastingen op te nemen, zijn de palen in debuitenste ring om en om schoor ingebracht (fig. 2).OptimalisatieHet terrein waar de beide windturbines zijn gebouwd, is hetgrootste steenkolenopslagterrein van de regio. Na het gereed-komen van de turbines moest het terrein weer beschikbaar zijnvoor opslag van deze kolen (foto 3). Bergen met steenkolen totsoms wel 20 m hoog moeten willekeurig op het terrein kunnenworden gelegd, dus ook op het fundament. De bovenzijde vanhet fundament mocht om deze reden niet boven het maaivelduitkomen, met uitzondering van de opstorting ten behoeve vande ankerring.Vanwege de invloed van de haven is de grondwaterstand onge-veer gelijk aan het peil in de Westerschelde. Bij vloed is ditongeveer NAP +2 m. Bij een maaiveldhoogte van NAP +5 mwas er dus nog 3 m over om `in den droge' te kunnen bouwen.Om het ontwerp economisch zo interessant mogelijk te maken,zijn uitgebreide studies gedaan. Dit was nodig om afwegingente kunnen maken tussen het toepassen van een bouwput metspanningsbemaling of een `dunner' fundament met een groterediameter. Het aantal en de lengte van de palen was hierbij ooksteeds een variabele.Naast de dikte en de diameter van het fundament is ook dehoeveelheid wapening bepalend voor de economische haal-baarheid. Bij wapeningshoeveelheden van 126 kg/m3is het demoeite waard om het optimum tussen dikte, diameter en wape-ningshoeveelheden te vinden. Bij staafdiameters ?32 en ?40 ishet wel of niet toepassen van dwarskrachtwapening in grotemate bepalend voor de kosten. Het streven is de constructie zote ontwerpen, dat dwarskrachtwapening niet noodzakelijk is.Om de diepte van de bouwput te beperken, is ervoor gekozentoch dwarskrachtwapening toe te passen.Windmolens zijn niet meer weg te denken uit hetNederlandse landschap. Door de steeds toenemendevraag naar duurzaam opgewekte energie zullen er dekomende jaren nog vele turbines worden bijgebouwd.Terwijl vijftien jaar geleden een capaciteit van 0,5 MWbijzonder was, zijn turbines met een vermogen van6 MW of groter tegenwoordig geen uitzonderingmeer. Bij een ashoogte van 120 m en een rotordiame-ter van 130 m werken er enorme krachten op hetfundament. Grote momenten en dynamische belas-tingen maken het voor de constructeur een uitdagingom een voldoende stijf en stabiel fundament teontwerpen. Zeker als tegelijkertijd het totaal vanfunderingspalen, beton en wapening zo veel mogelijkmoet worden geoptimaliseerd.ing. Math? Koch pMse RcKoch Adviesgroep,Ingenieurs & Architecten1 Bij een ashoogte van 120 m en een rotordiameter van 130 m werken er enor-me krachten op het fundament2 Doorsnede betonfundatie (zonder wapening) met schoorpalen2Fundaties windturbines Vlissingen520133233 Bergen met steenkolen tot soms wel 20 mhoog liggen willekeurig op het terrein( )m;d 4 4279 3280,5 10 814 kN/mDbuDin32 Dbuq = =( )( )RskF,fat S,equs;fatN*y N*y( ) iyy610 en 9; mm nmM iMN*N* == =De operationele belastingen zijn de belastingen die optredenwanneer de windmolen draait. De rekenwaarden van debelastingen op het fundament zijn in dit geval veel lager danin de situatie van de extreme belastingen, maar in verbandmet de maximaal toelaatbare vervormingen is als eis gestelddat er in dit geval geen trekkrachten in de palen zijn toege-staan.Bij dit project is naast de hiervoor genoemde belastingenook nog rekening gehouden met een terreinbelasting van150 kN/m2en een verkeersbelasting waarbij uitgegaan is vantwee aslasten van 200 kN.De maximaal optredende paalbelastingen zijn uiteindelijk2847 kN (druk) op de buitenste palenrij bij extreme belastin-gen. De maximaal optredende trekkracht is 621 kN in het gevalvan de extreme belastingen.Bij dikten groter dan 2,5 m zou een bouwkuip noodzakelijkzijn vanwege de hoge grondwaterstand. Onder het fundamentmoet immers ten minste 50 cm droog zand aanwezig zijn,zodat het goed kan worden verdicht. Bij een dikte van 4,0 mblijkt dwarskrachtwapening niet meer noodzakelijk. Vandaardat de hoeveelheid wapening in verhouding sterk afneemt(tabel 1, fig. 4 en 5).BelastingenDe krachten op de fundatie uit de windmolen zijn onder meervoor de volgende twee gevallen beschouwd (fig. 6):? extreme belastingen;? operationele belastingen.De extreme belastingen treden op tijdens extreme windbelastingwaarbij de windmolen wordt stilgezet. Deze krachten zijnmaatgevend voor de berekening van de fundatie in de uiterstegrenstoestand. De rekenwaarde voor de horizontaalkracht ishier 2710 kN en voor de verticale kracht 10 766 kN. Hetmoment ter plaatse van de verbinding tussen de mast en hetfundament is 279 328 kNm. Deze krachten resulteren in eenbelasting (trek en druk) onder de voetplaat (breedte is 0,5 m)van de windmolen van:Fundaties windturbines Vlissingen 52013 33124,51,815122,51,8234 Doorsnede met damwand met kleine diameter en dikkere plaat5 Doorsnede met talud en grote diameterbu in32 Dbu( )( )RskF,fat S,equs;fatN*y N*y( ) iyy610 en 9; mm nmM iMN*N* == =Hieruit volgt voor My= 84 793 kNm. Het schade-equivalentS,equdat volgt uit de berekening is dan 137 N/mm2, dusakkoord.De krachtsverdeling in de funderingsplaat ten gevolge van hetschade-equivalent moment, in combinatie met het eigengewicht van de windmolen, het eigen gewicht van de funderingen de terreinbelasting, is berekend met behulp van de eindige-elementenmethode (Scia Engineer).Het maximale moment onder de plaat treedt op ter plaatse vande ankerring. Dit moment is 5315 kNm/m1. Hiertoe is radialeonderwapening aangebracht; 120 stuks gebundelde staven ?32.Voor de toetsing van de vermoeiing van beton zijn de maxi-male en de minimale dynamische belasting maatgevend. Uitde berekeningen van de turbineconstructie volgt, dat demaximaal optredende dynamische belasting in dit geval isVermoeiingVermoeiing van zowel de wapening als het beton moest wordengecontroleerd. De fundatie is getoetst op vermoeiing conformEurocode 2 aan de hand van de volgende formule:( )m;d 4 4279 3280,5 10 814 kN/mDbuDin32 Dbuq = =( )( )RskF,fat S,equs;fatN*y N*y( ) iyy610 en 9; mm nmM iMN*N* == =Met:Rsk(N*) spanningsbereik bij N* wisselingen van de vantoepassing zijnde S-N-curve. Bij deze turbine isde waarde hiervoor 162,5 N/mm2bij N* = 106wisselingenS,equ(N*) schade-equivalent spanningsbereik voor verschil-lende typen wapening, rekening houdend met hetaantal belastingswisselingen N*F,fatveiligheidsfactor, vastgesteld op 1,0s;fatmateriaalfactor, in dit geval gelijk aan 1,0Om het schade-equivalent spanningsbereik (S,equ(N*)) tekunnen berekenen, is eerst het schade-equivalent momentMy(N*) bepaald. Met de parameters uit de Eurocode is Myberekend uit de belastingsspectra van de windturbine. Voordeze 6,2 MW turbine geldt dan:Tabel 1 Vereenvoudigde vergelijkingstabel hoeveelhedendikte diameter aantal palen m3beton kgwapeningkg/m3bouwkuip2,0 26 60 1265 150 518 119 niet nodig2,5 23 63 1242 154 137 126 niet nodig3,0 20 69 1145 148 912 130 wel nodig3,5 18 72 1094 149 829 137 wel nodig4,0 16 76 1007 120 870 120 wel nodig4,5 15 81 998 116 791 117 wel nodig45Fundaties windturbines Vlissingen5201334HVM6 Krachten die werken op de fundatie7 Ten behoeve van de koppeling van de turbi-nemast aan het fundament zijn door dewindmolenleverancier speciale ankerkooienontwikkelddat er, vanwege deze dwarskrachtwapening en ook de krimp-wapening in het midden van het fundament, niet veel werk-ruimte aanwezig zou zijn om de staven aan te brengen. Vooralrichting het midden van het fundament waar de staafafstandenvan de radiale wapening beperkt zijn. Het in detail uittekenenvan de wapening, eventueel in 3D, was dan ook een must.De afstand tussen de ankers van de ankerkooi bepalen detussenafstand van de radiale onder- en bovenwapening. Terplaatse van de dwarskrachtwapening direct aan de binnenzijdevan de ankerkooi is de wapening in zes lagen aangebracht.Door de minimale tussenafstanden, de buigstralen van destaven en de laslengten, was dit noodzakelijk.De hoogte van de haarspelden in het midden van het funda-My= 236 860 kNm. De minimaal optredende dynamischebelasting is My= 82 224 kNm.De krachtsverdeling in de funderingsplaat ten gevolge vande maximale en de minimale vermoeiingsbelastingen, incombinatie met het eigen gewicht van de fundering en deterreinbelasting, is ook berekend met behulp van de eindige-elementenmethode.De betonspanningen worden uiteindelijk getoetst conform deEurocode. De betondrukspanningen zijn maximaal boven in defundatie, ter plaatse van de ankerring. Het moment is hier9488 kNm. Dit geeft een drukspanning in het beton van4,03 N/mm2. Het minimale moment onder in de plaat geeft eenspanning van 0,38 N/mm2. Gekozen is om een hogere beton-kwaliteit toe te passen: C45/55.AnkerkooiTen behoeve van de koppeling van de turbinemast aan hetfundament zijn door de windmolenleverancier speciale anker-kooien ontwikkeld (foto 7 en 8). Deze moesten met een nauw-keurigheid van enkele tienden van millimeters worden gesteld.Vooral tijdens het storten van het beton moest de ankerkooigoed zijn gezekerd. Dit gebeurde met een stalen ondersteu-ningsconstructie die in het fundament is achtergebleven.De werkvloer onder deze ankerkooi is gewapend en gefundeerdop dezelfde palen die in de gebruiksfase de totale belasting vande turbine opnemen. Deze gewapende werkvloer is nodig omhet gewicht van de ankerkooi te kunnen dragen en ervoor tezorgen dat er geen zakkingen van de kooi plaatsvinden.Ontwerp wapeningAangezien de dikte van de betonplaat beperkt is in verband metde hoge grondwaterstand, was dwarskrachtwapening hiernoodzakelijk. In figuur 9 is een doorsnede te zien waaruit blijkt678 Ankerkooi met omliggende wapening9 Principe wapeningFundaties windturbines Vlissingen 52013 35hartwindturbinetuur 52 ?C bleek te zijn. Het resultaat was een scheurvrije turbi-nefundatie. Het bovenste deel van het fundament, de opstor-ting rondom de ankerring, is ook beschouwd. De spanningendoor temperatuurontwikkeling bleken gering te zijn. Wel is destekwapening berekend alsof er geen aanhechting zou zijn terplaatse van de stortnaad.Tot slotBij het ontwerpen van een fundatie voor een kleinschaligbetonwerk als een windmolenfundatie zijn veel aspecten vanhet constructeursvak terug te vinden. Standaardiseren is hierbijin zekere mate mogelijk. Het blijft echter noodzakelijk om perlocatie en per type windturbine te onderzoeken wat het meestpraktische ontwerp van een fundament is. ment zijn ongeveer 4 m hoog. Dit zijn gebundelde staven ?40en ?25. Duidelijk is te zien dat, bij het aanbrengen en stellenvan deze staven, de volgorde van aanbrengen van de wapeningerg belangrijk is.UitvoeringHet fundament is in twee keer gestort. Naast het beperken vande temperatuurontwikkeling heeft ook het stortgewicht hierbijeen rol gespeeld. Hierover moet in een vroeg stadium wordennagedacht. Deze criteria bepalen welke methode de meestgunstige is. De uiteindelijke vorm van het fundament wordtmede hierdoor bepaald.Het onderste deel van het fundatieblok is 2,5 m dik. Vooraf zijninschattingen gemaakt hoe de temperatuur zich na de stort zouontwikkelen en op basis van die gegevens is de hoeveelheidbenodigde krimpwapening bepaald.De maximale temperatuur in het fundatieblok bleek na metin-gen de inschatting niet ver te ontlopen. Ingeschat was eentemperatuur van 55 ?C terwijl de gemeten maximale tempera-89