Solutii de fundare pentru generatoarele eoliene

Fundatiile generatoarelor eoliene de curent electric constau, in principal, dintr-un bloc masiv din beton, cu dimensiunile, in plan, de circa 15,0 m – 20,0 m. Acest bloc masiv din beton are rolul de a asigura stabi­litatea structurii metalice solicitata la momente de incovoiere foarte mari, precum si o presiune de contact cu terenul de fundare in limitele capacitatii portante a acestuia.

Varianta de fundare supusa analizei consta in realizarea unor piloti (micropiloti) sub talpa fundatiei. Stabilirea numarului de piloti, precum si dispunerea acestora sub talpa fundatiei, constituie obiectul acestui articol. Pilotii de sub talpa fundatiei suporta reactiunea terenului de fundare, intensitatea acesteia depinzand de numarul si dimensiunile pilotilor. Totodata, pilotii pot prelua solicitari de smulgere importante, ceea ce poate duce la reducerea dimensiunilor in plan ale fundatiei, cu consecinte importante in ceea ce priveste consumurile de beton si otel beton.

Calculul sistemelor de fundare cu dimensiuni mari in plan, prin consi­derarea variatiei liniare a presiunilor de contact dintre talpa fundatiei si terenul de fundare, poate duce la rezultate eronate, atat in ceea ce priveste distributia presiunilor transmise terenului de fundare, cat si distributia eforturilor in elementele de infrastructura. In aceste conditii, prin utilizarea unor metode de calcul mai laborioase, se pot obtine rezultate conforme cu realitatea, care pot asigura economii importante in ceea ce priveste proiectarea unor asemenea tipuri de sisteme de fundare.

Una dintre metode este metoda Winkler. Aceasta presupune prezenta unor reazeme discrete sub talpa radierului, care permit modelarea unei comportari elastice a terenului de fundare.

Caracteristicile de deformabilitate ale terenului de fundare se introduc in calcul sub forma unei constante elastice, respectiv a coeficientului de pat, notat in literatura de specialitate cu k_s. Stabilirea valorii acestui coeficient de pat, respectiv a valorii constantei elastice utilizate in metoda Winkler, constituie o problema complexa. Valorile coeficientului de pat – k_s – depind de neomogenitatea si flexibilitatea sistemului de fundare, precum si de dimensiunile, in plan, ale fundatiei.

Conceptul de reazem elastic a fost introdus de Winkler in anul 1867. In aceasta metoda, radierul este discretizat intr-un numar de grinzi cu rezistenta la incovoiere si torsiune (fig. 1). Rezistenta la torsiune, caracterizata de modulul de forfecare G, este folosita pentru a lua in considerare voalarea placii. In terminologia elementelor finite, meto­da foloseste elemente neconforme, deoarece compatibilitatea intre defor­matiile elementelor este asigurata numai in noduri.

Karl Terzaghi a propus o metoda de estimare a valorii constantei elastice. Metoda propusa, denumita curent metoda coeficientului de reactie, s-a raspandit, fiind folosita, pe larg, la proiectarea sistemelor de fundare tip radier.

Coeficientul de reactie (coeficientul de pat) a fost definit ca fiind presiunea transmisa terenului de fundare, p(x) impartita la tasarea aferenta a terenului, d(x), adica:

Distributia presiunii de contact nu este, insa, liniara nici chiar in cazul in care radierul este solicitat la o presiune constanta. Alura variatiei presiunii de contact depinde de natura terenului. In cazul pamanturilor coe­zive, valorile maxime sunt inregistrate pe conturul radierului, iar la pamanturile necoezive, valorile maxime sunt inregistrate in zona centrala. Alura distributiei presiunilor de contact depinde, de asemenea, in foarte mare masura si de flexibilitatea sistemului de fundare.

Aceste aspecte au fost luate in considerare de catre Vesic, cel care a propus pentru calculul coeficientului de reactie urmatoarea formula:

in care s-au luat in considerare mo­dulul de deformatie liniara a terenului (E_s), latimea radierului (B), forma fundatiei, prin coeficientul de forma (I_p) si coeficientul de deformabilitate al terenului (n_s).

In cazul unor fundatii extinse in plan orizontal, atunci cand avem infor­matii privind neomogenitatea terenului de fundare, se recomanda, chiar, introducerea in calcul a unor valori diferite ale coeficientului de reactie pe diverse zone ale radierului.

FUNDATII PENTRU GENERATOARE EOLIENE DE CURENT ELECTRIC

Prezentam in continuare o analiza a unui sistem de fundare pentru ge­neratoarele eoliene de curent electric.

Generatoarele eoli­ene de curent electric sunt alcatuite dintr-o structura metalica tubulara cu o inaltime mare, 80,00 m … 100,00 m, care transmite la nivelul fundatiei mo­mente de incovoiere foarte mari. In aceasta situatie, fundatiile structurilor constau dintr-un bloc masiv din beton armat care are, in principal, rolul de a constitui o masa suficient de mare pentru a compensa efectul solicitarilor excentrice provenite din suprastructura.

Dimensiunile, in plan, ale acestor fundatii de forma patrata sau octogonala sunt de ordinul de marime 15,00 m … 20,00 m. Chiar si in aceste conditii, rezulta din calcul ca talpa fundatiei este solicitata numai partial pentru anumite ipoteze de incarcare.

O alta problema majora la calculul de proiectare a acestor sisteme de fundare il constituie solicitarea ciclica, repetitiva la care este supusa fundatia, respectiv terenul de fundare.

In calculul la oboseala, se considera ca trecerea fiecarei pale in dreptul turnului reprezinta un ciclu de incarcare. In aceste conditii, solicitarea partiala a terenului de sub talpa fundatiei, acceptata in cazul combinatiilor din gruparea speciala, conform NP 112-04 (>80%), nu se mai poate aplica din cauza caracterului permanent al solicitarii ciclice a fundatiei.

CALCULUL DE DIMENSIONARE-VERIFICARE AL FUNDATIEI

Aceasta problema a fost analiza­ta prin calcul utilizand metoda Winkler. Solutia de fundare propusa consta din realizarea unui numar de piloti (8 sau 16 bucati) dispusi perimetral, care au rolul de a asigura o redistribuire a presiunilor de contact dintre talpa fundatiei si teren. Prezenta pilotilor sub talpa fundatiei constituie concentratori de eforturi, care pot duce la o modificare substantiala a modului de distributie a presiunilor pe talpa fundatiei.

In functie de dimensiunile pilotilor – lungime, respectiv diametru – acestia au capacitati portante diferite. Cu cat dimensiunile sunt mai mari, cu atat capacitatea lor portanta creste si, in consecinta, vor prelua o parte mai semnificativa din incarcarea transmisa terenului. Rezulta o reducere a presiunilor de contact dintre talpa fundatiei si teren.

Aspectul cel mai favorabil al aces­tui fenomen il constituie posibilitatea preluarii unor eforturi de intindere dintre talpa fundatiei si terenul de fundare, fapt care modifica atat cantitativ cat si calitativ distributia presiunilor de contact dintre talpa fun­datiei si terenul de fundare.

Fundatia analizata este de forma octogonala, avand o latime de 16,00 m. In figura 2 se prezinta deplasarea pe directia verticala pentru o fundatie cu un numar de 8 piloti, dispusi fiecare in dreptul centrului unei laturi a fundatiei.

Distributia presiunii – reactiune este proportionala cu valorile deplasarilor rezultate din calcul, conform princi­piului enuntat de Winkler (ecuatia 1).

Valorile rezultantelor solicitarilor din fiecare reazem elastic sunt pre­zentate in figura 3.

Analiza s-a efectuat in mai multe etape, pentru rigiditati care au fost marite consecutiv in nodurile in care s-au considerat amplasati pilotii. Aceste rigiditati corespund unor piloti cu o capacitate portanta cres­catoare, capacitate care se poate obtine prin marirea dimensiunilor sectiunii transversale si a lungimii pilotilor.

Calculul s-a efectuat in cinci etape consecutive, prin modificarea rigiditatii reazemelor (coeficientului de reactie) corespunzatoare punctelor in care s-au considerat pilotii.

In tabelul 1 sunt prezentate valo­rile solicitarilor rezultate din calcul pentru cel mai solicitat reazem elastic, corespunzator talpii fundatiei, respectiv valorile reactiunii maxime pe pilotul cel mai solicitat.

Din datele prezentate rezulta o reducere a presiunii maxime pe teren de ordinul a 25% si o capacitate portanta maxima necesara, pentru un pilot, de cca. 1.000 kN. Astfel, s-a obtinut o solicitare la compresiune pe intreaga suprafata a talpii fundatiei.

CONCLUZII

Prin solutia de fundare propusa s-a eliminat posibilitatea desprinderii talpii fundatiei de terenul de fundare astfel incat intreaga suprafata a talpii fundatiei poate fi considerata activa. Numarul de piloti si modul de distributie al acestora in teren, precum si dimensiunile lor, se vor putea stabili numai printr-o analiza detaliata, care sa tina seama si de caracteristicile geotehnice ale fiecarui amplasament in parte.

Prezenta pilotilor sub talpa funda­tiei asigura si o reducere substan­tia­la a volumului de beton si arma­tura necesare executarii fundatiilor.

BIBLIOGRAFIE

1. Bowles J. E., Foundation Analysis and Design, Ed. McGraw-Hill International Editions, Civil Engineering Series, Fifth Editions (1997);

2. Stanciu A., Lungu L, Fundatii, Editura Tehnica, Bucuresti (2006);

3. Normativ pentru proiectarea structurilor de fundare directa NP112-04 (2004).

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 91 – aprilie 2013, pag. 48

Autori:
conf. dr. ing. Ioan Petru Boldurean, conf. dr. ing. Ion Bogdan,
as. dr. ing. Alexandra Ciopec, dr. ing. Valentin Ighian – Universitatea  „Politehnica“ Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Cai de Comunicatie Terestre, Fundatii si Cadastru