Tuulivoimaloiden koko ja tehot kasvavat – Miten perustukset suunnitellaan kestämään valtavat kuormat?
Energiakriisi on konkretisoinut uusiutuvan energian ja energiaomavaraisuuden merkityksen jokaiselle suomalaiselle. Kotimaisen energian kysyntä kasvaa, ja tuulivoimaloista suunnitellaan yhä suurempia ja tehokkaampia. Minkälaiset perustukset nämä jättirakennelmat vaativat?
Tuulipuistojen määrä kasvaa koko ajan. Vauhdin kiihtymisestä kertoo, että vuonna 2022 kotimaan tuulivoimakapasiteetti kasvoi 75 prosenttia ja käyttöön otettiin yli 400 uutta voimalaa. Niitä on Suomessa jo yli 1 300. Tuulivoimalla tuotetun sähköenergian määrä on yli 5 600 megawattia, mikä vastaa noin yhden ydinvoimalan vuosittaista tuotantokapasiteettia.
Onnistunut tuulivoimahanke on monen tekijän summa, ja rakennesuunnittelijoilla on kokonaispaletissa tärkeä erityisvastuu. Me ratkomme tuulivoimaloiden betoniperustuksiin liittyviä kysymyksiä. Me siis varmistamme, että nämä valtavat rakenteet pysyvät pystyssä ja kestävät tärkeässä tehtävässään koko elinkaarensa ajan, jopa yli 30 vuotta.
Viisimetrinen kuoppa täynnä betonia ja terästä
Vasta aivan tuulipuiston lähellä ymmärtää, miten valtavista rakennelmista ja mittasuhteista tuulivoimaloissa on kyse. Yksittäisen tuulivoimalan teho on kasvanut muutamassa vuodessa noin 80 prosenttia: 4,2 megawatista 7,2 megawattiin. Merituulivoimaloissa prototyypit saavuttavat jopa 14–15 megawatin tehot.
Tehojen kasvattaminen merkitsee kooltaan yhä suurempia voimaloita. Tavanomaiseen infra- ja talonrakentamiseen verrattuna tuulivoimalan perustuksiin kohdistuvat kuormat voivat olla sata- tai jopa tuhatkertaisia. Sivusuunnassa perustusten koko on kasvanut 20 metristä jopa 29 metriin, mikä on tuplannut perustusten massan maan alla. Kun turbiinikorkeus nousee 170 metriin ja lavat vielä 80 metriä ylemmäs, maan alle on saatava vastapainoksi paljon betonia ja terästä.
Tuulivoimalan rakenteet ulottuvatkin jopa neljän metrin syvyyteen, ja kuoppa voi olla yli viisi metriä syvä, kun huomioon otetaan kaikki tarvittavat pohjatyöt, alusrakenteet ja täytöt.
Eurokoodi ei riitä perustussuunnittelun ohjenuoraksi
Rakennetekniikan kannalta tuulivoimaloiden perustussuunnitteluun pätevät samat lainalaisuudet, rakennetaanpa tuulipuistoon 2 tai 30 tuulivoimalaa. Laskentaa tarvitaan jokaisessa tuulivoimalassa poikkeuksellisen paljon, eivätkä pelkät eurokoodit riitä suunnittelun ohjenuoraksi. Syynä on, että tuulivoimalan perustusten mitoituksen määrittävä tekijä vaihtelee.
Laskennalla on tarkastettava kaikki ehdot joka kerta yhtä perusteellisesti, jotta kaikki eri ilmiöt tulevat huomioiduksi. Käytämme tuulivoimaloiden suunnittelussa ja suunnitelmien tarkastuksessa tavallisesti kuutta eri standardi- ja ohjeperhettä, eli yleisesti hyväksyttyä suunnittelutapaa. Tarkastusraportti on helposti 250-sivuinen dokumentaatio!
Miten tuulivoimalan perustukset mitoitetaan?
Tuulivoimalan laitetoimittajat tarjoavat rakennesuunnittelun lähtötiedoiksi tuulianalyysit, jotka kertovat, mihin kohtaan maastossa voimala kannattaa sijoittaa. Sen jälkeen me tutkimme perustamispaikkaa tarkemmin ja päätämme, montako eri perustamistapaa kohteessa tarvitaan. Perustamistavan valintaan vaikuttaa esimerkiksi pohjaveden korkeus, koska se aiheuttaa perustuksiin nostetta.
Perustusvaihtoehtoina on gravitaatioperusteinen ja kallioankkurointi. Gravitaatioperustus tarkoittaa maanvaraista ja kallioankkurointi kallioon kiinnitettyä perustustyyppiä. Gravitaatioperustuksessa perustuksen toiminta ja tuenta perustuu rakenteiden ja niitä ympäröivien maamassojen painoihin; kallioankkuroidussa perustuksessa stabiloiva kuorma saadaan kalliosta.
Tuulivoimalan väsymismitoitus on aivan erilaista verrattuna vaikkapa kerrostaloon. Talonrakentamisessa kuormitustilanne on rajoitettu, eli teräs-betoniperustukset voidaan suunnitella rikkoutumattomiksi. Tuulivoimaloissa kuormitus on dynaamista ja jaksottaista, ja siksi väsymismitoituksessa tehdään perinteisen jännitysten rajoittamisen lisäksi vaurioitumisen summaustarkastelu. Jokainen kuormitustapaus rikkoo perustusta jonkin verran, joten laskemme yhteen miljoonia erilaisia kuormitustapauksia. Näin saamme rakenteille realistiset kestävyysparametrit.
Toinen huomioon otettava ilmiö on ground gap -ehto. Se kertoo, minkälaisia kaatavia voimia perustuksiin kohdistuu. Perustusrakenteet suunnitellaan siirtymättömiksi tai siirtyviksi tietyn suunnittelukriteeristön mukaan. Voimala on asennettava riittävän syvälle, riittävän laajasti ja riittävän suurella massalla. Tuulivoimaloiden perustusten tarvitsemat betoni- ja rautamäärät ovatkin niin suuria, ettei niitä voi verrata oikein mihinkään – tai ehkä vain maailman korkeimpien pilvenpiirtäjien perustamiseen.
Tuulivoimaloiden rakennesuunnittelussa onkin monella tapaa kyse isoista asioista niin rakenneteknisesti kuin ideologisesti. Jokaisen tuulivoimalan myötä olemme yhden askeleen lähempänä tavoitetta, ilmastokestävää energiantuotantoa, jossa tuulivoimalla on ratkaiseva rooli.
Seuraavassa blogissa käsittelen tuulivoimaloiden rakennesuunnittelussa hyödynnettyä digitaalisia työkaluja ja teknologioita. Pysy kuulolla!
Kimmo Kontiainen, rakennesuunnittelun osastopäällikkö, kimmo.kontiainen@sweco.fi
