نیروی باد فراساحلی، یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر، قابل اطمینان و رو به رشد در دنیا می­باشد. یکی از محدودیت­ های اساسی استفاده از توربین ­های بادی فراساحلی، هزینه بسیار زیاد ساخت پی این سازه ­ها می­باشد که مستلزم شمع کوبی های عمیق و پرهزینه است. یک راه حل کم ­هزینه و قابل اعتماد برای رفع این مشکل، استفاده از باکت­ های (Bucket) مکشی به­ عنوان جایگزین پی­ های رایج است که علاوه بر هزینه کم ساختار ساده­ای نیز دارند. هدف مقاله حاضر بررسی پی از نوع باکت با روش اجزاء محدود سه ­بعدی می­باشد که در توربین ­های بادی فراساحلی مورداستفاده قرار می­گیرد. ظرفیت باربری و گشتاور واژگونی باکت­ هایی با ابعاد مختلف و تحت بارگذاری استاتیکی در ارتفاعات مختلف که در خاک ماسه ­ای متراکم و نیمه ­متراکم کارگذاری گردیده ­اند موردبررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می­دهد که ابعاد پی، تراکم خاک و ارتفاع بارگذاری مهم­ترین عواملی هستند که جابه­ جایی و چرخش سازه را تحت تأثیر قرار می­دهند. به طوری­که با دو برابر شدن طول پایه باکت، ظرفیت باربری افقی و گشتاور واژگونی 5/2 برابر افزایش می­یابد. به ­علاوه این ظرفیت­ ها با جایگذاری باکت در بستر متراکم نسبت به بستر با تراکم متوسط 50% بیشتر می­شود. همچنین، سختی اولیه با افزایش ابعاد باکت افزایش یافته و با کاهش ارتفاع اعمال بار کاهش می­ یابد. به­ منظور ارائه نتایج عملی، منحنی­ های نرمال ظرفیت بار افقی و گشتاور واژگونی ارائه شده­ اند.

هدف از این پژوهش ارائه روشی دقیق­ تر و کاربردی­ تر از روش­ های استاتیکی و طیفی، جهت ارزیابی پاسخ سکوهای توربین بادی، تحت بارگذاری تاریخچه زمانی توامان موج و باد می­ باشد و با افزایش شدت بارگذاری در گام های متوالی، سکو تا مرحله خرابی پیش رفته و عملکرد سکو تحت بارگذاری های مختلف امواج مورد ارزیابی قرار می­ گیرد. در این تحقیق از آنالیز باد – موج افزایشی استفاده شده است، که مشابه روش IDA در زلزله است، در خاتمه مشاهده می شود پاسخ های سازه تحت بارگذاری های مختلف امواج اختلاف بسیار کمی خواهند داشت، امواج نامنظم کوتاه مدت در این تحقیق به صورت موج نو مقید شده می­ باشد، که جایگزین بسیار مناسبی برای امواج نامنظم با تاریخچه زمانی طولانی مدت می­ باشد، همچنین بار باد نیز به صورت وابسته به دیتاهای موج، به سازه وارد می­ شود، کلیه مدل سازی ها و روابط اندرکنشی موج و سازه و نیروی باد در نرم افزار opensees انجام شده است.

نیروی تراست، یکی از مهمترین نیروهای دینامیکی است که در تمام دوره کارکرد توربین بادی بر آن وارد می شود. روش معمول جهت تعیین پاسخ نیروی تراست، استفاده از روش اجزاء محدود است. روش اجزاء محدود اگرچه از دقت بالایی برخوردار است اما بسته به مدل سازی فونداسیون و مدل سازی تغییرات نیروی محوری در برج توربین باد، می تواند حجم محاسبات را به شکل قابل توجهی افزایش دهد. در این مقاله برای کاهش حجم محاسبات و افزایش سرعت تحلیل، بجای استفاده از روش اجزاء محدود، از روش ماتریس انتقال استفاده شده است. برای این منظور، فونداسیون توربین باد با استفاده از مدل DS، مدل سازی شده و روابط مورد نیاز جهت تعیین پاسخ نیروی تراست استخراج گردید. سپس در چندین مطالعه موردی به بررسی موارد موثر در نیروی تراست از جمله تغییرات ضریب مکش، تغییرات سرعت باد و تغییرات جرم ناسل پرداخته شده و نتایج حاصل از روش ماتریس انتقال با نتایج حاصل از روش اجزاء محدود، روش دینامیک سیستم های چند عضوی (MBD)، روش تحلیلی و داده های تجربی مورد مقایسه قرا گرفته است که علیرغم هزینه محاسباتی اندک، توافق خوبی را با نتایج فوق نشان می دهد. مطالعه انجام شده نشان می دهد که در ارتعاشات ناشی از نیروی تراست، برج توربین باد در فرکانس هایی برابر با نصف فرکانس طبیعی به تشدید می رسد. بنابراین در طراحی برج توربین باد، علاوه بر فرکانس های طبیعی، باید پاسخ برج توربین باد در فرکانس های 0.5´wn نیز مورد مطالعه قرار گیرد.

توربین های بادی فراساحلی یکی از روش هایی است که استفاده از منابع تجدیدپذیر مانند باد را به منظور تولید انرژی میسر می کند و در سال های اخیر در حال توسعه است. فونداسیون آن ها به علت حضور این سازه در شرایط خاص آب و هوایی و مکانی یکی از مهم ترین بخش های این سیستم ها است به طوری که بخش قابل ملاحظه ای از هزینه ساخت و اجرای یک توربین بادی را دربرمی گیرد. فونداسیون این سازه ها بر اساس عمق آب، فاصله از ساحل و غیره انتخاب می شود که یکی از آن ها پی وزنی است. این پی بر اساس وزن بالای خود پایداری سازه را در شرایط مختلف بارگذاری فراهم می کند. یکی از معیارهای مهم در طراحی این فونداسیون ها بررسی آن ها در مناطق دریایی و لرزه خیز، تحت بارگذاری زلزله است. همچنین وقوع روانگرایی در خاک ماسه ای نسبتا سست ناشی از بارگذاری سریع زلزله باید ارزیابی شود. در تحقیق حاضر به مطالعه عددی پی های وزنی توربین بادی فراساحلی به همراه سازه آن در خاک ماسه ای به صورت سه بعدی با نرم افزار Opensees پرداخته شده است. مطالعات پارامتریک به منظور بررسی ابعاد و عمق مدفون شدگی پی روی پاسخ خاک در فاصله نزدیک و دور از پی وزنی و همچنین بر روی عملکرد پی وزنی و سازه (نشست و دوران پی، جابجایی افقی سازه) انجام شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش ابعاد پی باعث کاهش نشست و دوران پی شده اما حداکثر مقدار ru (نسبت فشار آب حفره ای اضافی به تنش موثر اولیه) در خاک افزایش یافته است و شتاب تغییری نمی کند. افزایش عمق مدفون شدگی پی باعث کاهش نشست و دوران آن شد.

در این تحقیق پاسخ لرزه ای توربین های بادی فراساحلی با استفاده از روش عددی بررسی شده است. جهت در نظر گرفتن شرایط اشباع بودن خاک از نرم افزار اپن سیز استفاده شده که به واسطه وجود مدل رفتاری های مخصوص خاک از جمله مدل رفتاری PDMY و المان های هم بسته جامد-سیال، توانایی خوبی در شبیه سازی روند تغییرات فشار آب حفره ای دارد. پس از صحت سنجی مدل عددی، تاثیر عواملی هم چون سایر بارهای محیطی (بار باد و بار موج) و نیز ماکزیمم شتاب زلزله اعمالی (PGA) بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که در تحلیل لرزه ای توربین های بادی فراساحلی باید اندرکنش بارهای محیطی را در نظر گرفت و نمی توان به سادگی از اصل بر هم نهی استفاده کرد. هم چنین مشخص شد که رابطه بین ماکزیمم شتاب زلزله ورودی و پاسخ برج توربین به صورت غیر خطی است و از طرف دیگر با افزایش شتاب زلزله ورودی تاثیر اندرکنش خاک و شمع روی نسبت ru بیشتر می شود.

صنعت بادی فراساحلی به عنوان یک راهکار مؤثر به منظور مقابله با تغییرات آب و هوایی ناشی از گرمایش زمین به سرعت در سرتاسر جهان در حال رشد و توسعه است. یکی از اجزای اساسی این صنعت، توربین های بادی هستند که با تبدیل انرژی حاصل از باد در فراساحل به برق، در تأمین انرژی پایدار و پاک، نقش بسیار مهمی دارند. امروزه، شالوده های نوین مانند صندوقه های مکشی نقش بسیار برجسته ای در کاهش هزینه ها و مدت زمان نصب توربین های بادی فراساحلی ایفا می کنند. در این مقاله، به تحلیل ظرفیت باربری شالوده های صندوقه ای به کار رفته در توربین های بادی فراساحلی واقع در ماسه تحت بارگذاری های ترکیبی و متعاقبا،ً توسعه پوش های گسیختگی برای آن ها پرداخته می شود. برای این منظور، رویکرد عددی جدیدی به نام "روش آزمون جاروبی اصلاح شده" برای توسعه پوش های گسیختگی استفاده می شود. این روش تاکنون کم تر در خاک های ماسه ای به کار گرفته شده است. پوش های گسیختگی با استفاده از روش اجزای محدود صریح سه بعدی و مدل رفتاری کشسانی-مومسانی با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و شالوده صندوقه ای استخراج می شوند. سپس، اثر ابعاد و نسبت های عمق مدفون مختلف شالوده های صندوقه ای بر پوش های گسیختگی بررسی می شوند. بر این اساس، با افزایش نسبت عمق مدفون از 5/0 به 1و متعاقباً به 2، ظرفیت باربری افقی بی بعد شده به ترتیب 8/1 و 7/2 برابر و به طور مشابه، برای ظرفیت باربری دورانی بی بعد شده نیز این مقادیر به ترتیب 2 و 1/3 برابر شده اند. در مرحله بعدی، روابط تحلیلی برای توسعه پوش های گسیختگی ارائه می شوند که می توانند ظرفیت باربری شالوده های صندوقه ای مکشی را با دقت مناسب در فضای بارگذاری های ترکیبی پیش بینی نمایند. در انتها، به منظور افزایش کارایی و اثربخشی روابط تحلیلی ارائه شده در مسائل مهندسی و کاربردهای عملی، عبارات جبری ساده شده ای برای کمی سازی پارامترهای روابط تحلیلی بر حسب نسبت عمق مدفون شالوده صندوقه ای (از 5/0 تا 2) پیشنهاد می شوند.