A study on the foundations of wind towers

Throughout history humankind was always dependent to all kinds of energy resources. Although taking advantage of any energy source may have its own consequences such as air or water pollution or climate change, etc. To mitigate these detrimental aftereffects utilizing renewable clean energy resources would be a key factor. One of the green energy resources is wind. Employing energy from wind requires wind turbines, that are developed in several types with their own specific mechanisms and pros and cons. A frequently used one is the Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT), although due to its performing mechanism it requires a well-designed foundation, from the civil and/or structural engineering aspects. In this thesis, the effects of wind load on the foundation of HAWT, has been studied by performing analytical analysis and a Finite Element Analysis (FEA). To study this issue, a portion of the typical circular foundation have been taken, that from structural engineering point of view, it would be very similar to a Reinforced Concrete Deep Beam (RCDB). Thus, the objective of our case of study would be to study the RCDB by the Strut-and-Tie Model (STM). Due to the complications of the case of study and to anticipate the real formation of the STM in this thesis, we performed a FEA by Abaqus under the Elastic Limits. This Analysis led us to assume a Simplified STM in our case for the RCDB. Due to mitigate the negative and unwanted effects of the previous hypothesis, we also performed a sensitivity analysis in three Sub-Cases for each of the studied mechanisms. In the case of study for the RCDB, the final acceptable and/or admissible results by analyzing via the Strut-and-Tie Model under the design recommendations of the Euro-Code and ACI-Code (by adopting the characteristic strength values for the concrete and the steel rebars) are similar, and thus they confirm each other although they generally may utilize rather different decreasing coefficients and/or considerations. These admissible results also confirm the outcomes of the real case of study in the laboratory. In other words, the final capacity of the RCDB under evaluations for the case of study should be considered equal to the acceptable and/or admissible results of the Euro-Code and/or ACI-Code. It is recommended to consider the similar class with the least real site characteristics if they might be less than the expected design values. The results of the analytical calculations and the results from the FEA confirm each other in general, however, not precisely. In other words, the total trend of the diffusion and/or formation of the Struts-and-Ties in Abaqus simulator are similar with the analytical one, however, a clearer formation of the of a bottle-shaped stress field in the middle of the inclined strut between the two nodes was expected. Similarly, in the other struts as well. Finally, according to the Euro Code recommendations we performed a splitting failure control. This check might lead us to retrofit our specimen under study with some local extra reinforcements as a remedy to mitigate the negative effects of the local cracks due to the phenomenon of Bottle-Shape formation in the middle of the struts. We found afterwards that in our case of study this kind of failure could occur in the Plain Concrete (PC) specimen. Thus, as a solution the PC specimens could be retrofitted according to the EC into the SR one, otherwise the maximum admissible capacity of our RCDB should be slightly lowered. According to the ACI-Code, however, we would be allowed to have solely PC specimens in the study of RCDBs.

Nel corso della storia l'umanità è sempre stata dipendente da tutti i tipi di risorse energetiche. Anche se trarre vantaggio da qualsiasi fonte di energia può avere le sue conseguenze come l'inquinamento dell'aria o dell'acqua o i cambiamenti climatici, ecc. Per mitigare questi effetti negativi dannosi utilizzando risorse di energia pulita rinnovabile sarebbe un fattore chiave. Una delle risorse energetiche verdi è il vento. L'impiego di energia eolica richiede turbine eoliche, che sono sviluppate in diversi tipi con i loro meccanismi e pro e contro specifici. Una di frequente utilizzo è la turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT), sebbene a causa del suo meccanismo prestazionale richieda una base ben progettata, dal punto di vista dell'ingegneria civile e / o strutturale. In questa tesi, gli effetti del carico del vento sulle fondamenta di HAWT sono stati studiati eseguendo analisi analitiche e un'analisi agli elementi finiti (FEA). Per studiare questo problema, è stata presa una parte della tipica fondazione circolare, che dal punto di vista dell'ingegneria strutturale sarebbe molto simile a una trave di cemento armato rinforzato (RCDB). Pertanto, l'obiettivo del nostro caso di studio sarebbe studiare il RCDB secondo il modello Strut-and-Tie (STM). A causa delle complicazioni del caso di studio e per anticipare la vera formazione della STM in questa tesi, abbiamo eseguito una FEA di Abaqus sotto i limiti elastici. Questa analisi ci ha portato ad assumere un STM semplificato nel nostro caso per l'RCDB. Per mitigare gli effetti negativi e indesiderati dell'ipotesi precedente, abbiamo anche effettuato un'analisi di sensibilità in tre sotto-casi per ciascuno dei meccanismi studiati. Nel caso di studio per il RCDB, i risultati finali accettabili e / o ammissibili analizzando tramite il modello Strut-and-Tie in base alle raccomandazioni di progettazione dell'Euro-codice e dell'ACI-codice (adottando i valori caratteristici di resistenza per il calcestruzzo e le armature in acciaio) sono simili, e quindi si confermano a vicenda sebbene generalmente possano utilizzare coefficienti e / o considerazioni decrescenti piuttosto diversi. Questi risultati ammissibili confermano anche i risultati del caso reale di studio in laboratorio. In altre parole, la capacità finale dell'RCDB oggetto di valutazioni per il caso di studio dovrebbe essere considerata uguale ai risultati accettabili e / o ammissibili dell'Euro-Code e / o ACI-Code. Si consiglia di considerare la classe simile con le caratteristiche del sito meno reali se potrebbero essere inferiori ai valori di progettazione previsti. I risultati dei calcoli analitici e i risultati della FEA si confermano reciprocamente in generale, tuttavia, non in modo preciso. In altre parole, la tendenza totale della diffusione e / o formazione dei simulatori Struts-and-Ties nel simulatore Abaqus è simile a quella analitica, tuttavia, una formazione più chiara di un campo di stress a forma di bottiglia nel mezzo del era previsto un montante inclinato tra i due nodi. Allo stesso modo, anche negli altri montanti. Infine, secondo le raccomandazioni del Codice Euro, abbiamo eseguito un controllo degli errori di scissione. Questo controllo potrebbe portarci a retrofit del nostro campione in studio con alcuni rinforzi extra locali come rimedio per mitigare gli effetti negativi delle crepe locali dovute al fenomeno della formazione di Bottle-Shape nel mezzo dei montanti. Abbiamo scoperto in seguito che nel nostro caso di studio questo tipo di fallimento potrebbe verificarsi nel campione di Concrete Concrete (PC). Pertanto, come soluzione, gli esemplari di PC potrebbero essere adattati secondo l'Euro-codice in quello SR, altrimenti la capacità massima ammissibile del nostro RCDB dovrebbe essere leggermente ridotta. Secondo il codice ACI, tuttavia, potremmo avere solo campioni di PC nello studio degli RCDB.