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研究生:余姵萱
研究生(外文):YU, PEI-HSUAN
論文名稱:單樁式離岸風力機支撐結構考量基樁-土壤互制效應之動力分析研究
論文名稱(外文):Soil-Structure Modeling and Dynamic Analysis of Monopile Offshore Wind Turbine
指導教授:宋裕祺宋裕祺引用關係
指導教授(外文):SUNG, YU-CHI
口試委員:宋裕祺尹世洵洪曉慧
口試委員(外文):SUNGYIN, SHIH-HSUNHUNG, HSIAO-HUI
口試日期:2021-06-03
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:土木工程系土木與防災碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:124
中文關鍵詞:單樁式離岸風力機基樁-土壤互制效應基樁-土壤阻抗函數ANSYS
外文關鍵詞:monopole foundation offshore wind turbineSoil-Structure InteractionSoil Impedance FunctionFinite Element AnalysisANSYS
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以往進行結構動力分析時,常假設結構物周遭土壤為剛性地盤,以固接(Fixed )方式設定邊界條件,忽略土壤質量與勁度對結構之影響。然而,考量基樁-土壤互制效應將降低結構自然頻率,若風力機自然頻率接近外力或輪轂轉動頻率,將使風力機產生共振現象而造成嚴重毀害。此外,近斷層地震力具有速度脈衝、極大振幅與永久位移等特性,無論使用極限設計法(LRFD,Load and Resistance Factor Design)或容許應力設計法(WSD,Working Stress Design)進行風力機結構設計,是否得以滿足本土近斷層地震特性,仍具有研究空間和探討價值。有鑑於此,本研究將探討單樁式離岸風力機支撐結構考量基樁-土壤互制效應下,對於近斷層地震之動力分析分法與結果。
本論文執行過程主要係以三個部分進行研究,第一部分利用有限元素軟體將土壤與基礎之間互制行為參數化,據此模擬基樁-土壤阻抗函數理論,測試數種土壤尺寸與基礎直徑之關係,並將分析結果與參考文獻進行比對,藉此決定有限元素軟體土壤尺寸,同時驗證單層土壤頻率相依之動態特性,並據以延伸模擬不同深度土層特性。第二部分將蒐集臺灣離岸風場經由現地鑽探試驗與室內土壤力學試驗歸納之土壤參數,透過合理的簡化方式,模擬數值分析模型中之土壤性質。第三部分利用有限元素分析軟體,建立一套基樁-土壤互制之分析方式,模擬不同基樁長度之基樁-土壤互制行為,並進行整體單樁式離岸風力機支撐結構之模態與瞬態分析,希冀透過自然振動頻率、塔頂相對位移、樁頭累積旋轉角及等效應力等之結構行為比對,判斷風力機之安全性與穩定性。本研究所提基樁-土壤互制效應分析方法與流程,祈能對於本土化單樁式離岸風力機支撐結構發展有所助益。

In conventional guidelines for dynamic structural design, the structure foundation is regarded as fixed-base, without considering the effect of soil-structure interaction (SSI). However, such practice cannot reflect the structure’s real behaviors, but often leads to over- or under-estimated structural responses.
The offshore wind turbine (OWT) is sensitive to vibration induced by rotor rotation and wave motion. When an OWT’s structural frequency is in close proximity to the rotor frequencies and wave frequencies, resonance can occur and cause catastrophic damages to the OWT.
To address the above-mentioned issues, this thesis focuses on a dynamic study of a monopile-supported OWT in Taiwan water. The study involved first using commercial software ANSYS to determine the half-sphere soil volume as well as to derive soil stiffness and damping matrices from a reference soil-foundation impedance function. And then, the NREL 5MW turbine was developed as a finite element model in ANSYS, in which the SSI effect in terms of soil stiffness and damping coefficients were integrated.
Based on the developed model, modal analyses and seismic analyses, involving a near-fault earthquake, were executed. Five combinations of the foundation embedment depth and the total foundation length were discussed to shed light on these two factors that affect the structural dynamics of the SSI-integrated monopile OWT system.

摘要 i
ABSTRACT iii
致謝 v
目錄 vii
表目錄 xi
圖目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 組織與架構 3
1.4 引用標準 5
1.5 用語及定義 5
1.5.1 名詞解釋 5
1.5.2符號說明 6
第二章 文獻回顧 7
2.1 亞太地區離岸風力發電發展 7
2.1.1 臺灣 8
2.1.2 中國 13
2.1.3 南韓 14
2.1.4 日本 15
2.1.5 越南 16
2.2 離岸風力機支撐結構之基礎型式 17
2.3 離岸風力機基礎設計規範 20
2.3.1場址地工調查 20
2.3.2土壤-結構互制 21
2.3.3地盤分類標準 21
2.4 基樁-土壤互制 22
2.4.1 基樁-土壤互制問題 23
2.4.2 波傳理論 24
2.4.3 基樁-土壤互制分析方式 26
2.4.4 基礎-土壤阻抗函數 31
2.4.5 數值分析案例 33
2.5 小節 36
第三章 基樁-土壤阻抗函數 37
3.1 基樁-土壤阻抗函數理論 37
3.2 基樁-土壤阻抗函數應用 40
3.3 基樁-土壤阻抗函數數值模擬 42
3.4 小節 44
第四章 研究方法 45
4.1 有限元素分析軟體架構概述 45
4.1.1 前處理階段(Preprocessor) 46
4.1.2 求解階段(Solution) 48
4.1.3 後處理階段(General Postprocessor) 49
4.2 元素類型 49
4.2.1 SOLID186實體元素說明 50
4.2.2 SOLID185實體元素說明 51
4.2.3 Contact與Target元素 52
4.2.4 CONTA174接觸元素說明 53
4.2.5 TARGE170接觸元素說明 54
4.3 莫爾·庫倫破壞準則 55
4.4 動力歷時分析 57
4.4.1 直接積分法(Direct Integration method) 57
4.4.2 振態疊加法(Modal Superposition method) 60
4.5 非線性分析 60
4.6 臺灣離岸風電場址資料蒐集 63
4.6.1彰濱地區土壤參數 63
4.6.2 簡化土壤參數 66
4.7 小節 69
第五章 案例分析與成果探討 71
5.1 模型介紹 72
5.1.1單樁式離岸風力機尺寸與材料參數 72
5.1.2 土壤尺寸與參數 76
5.1.3 有限元素模型 76
5.1.3 模型驗證比對 83
5.2 不同基樁尺寸之振動頻率分析 85
5.2.1下部結構23.4公尺搭配不同埋置深度之頻率比對 85
5.2.2下部結構34.5公尺搭配不同埋置深度之頻率比對 90
5.3 不同基樁尺寸之單樁式離岸風力機動態歷時分析 94
5.3.1 塔頂相對位移比對 96
5.3.2 樁頭位置累積旋轉角比對 99
5.3.3風力機結構等效應力比對 102
5.3.4轉接段等效應力比對 109
5.3.5 成果探討 115
第六章 結論與建議 120
6.1 結論 120
6.2 建議 121
參考文獻 122


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