Fundamenty pod wiatraki, czyli jaki fundament turbiny wiatrowej lądowej?

Na co zwrócić uwagę dobierając fundamenty pod wiatraki?

Rosnąca moc i skala nowoczesnych turbin wymagają jednak zastosowania zaawansowanych rozwiązań technicznych. Szczególnie istotną rolę w tym procesie odgrywają fundamenty pod wiatraki – elementy, które zapewniają stabilność konstrukcji, przenoszą obciążenia dynamiczne i statyczne na grunt oraz chronią inwestycję przed skutkami ekstremalnych warunków atmosferycznych. Ich dobór jest procesem skomplikowanym, zależnym od wielu czynników, takich jak warunki gruntowe, charakterystyka samej turbiny czy lokalne normy budowlane. Z tego względu fundamenty pod wiatraki muszą spełniać rygorystyczne wymagania techniczne, a także być dostosowane do 20–30-letniego cyklu życia turbiny.

Fundamenty pod wiatraki to jednak nie tylko technologia, ale również świadectwo postępu w projektowaniu i budowie konstrukcji inżynierskich. Zapewnienie ich trwałości oraz optymalizacja kosztów budowy oraz eksploatacji stanowią wyzwanie, które wymaga współpracy specjalistów z różnych dziedzin. Dlatego wybór właściwego rozwiązania fundamentowego odgrywa kluczową rolę w powodzeniu inwestycji w farmy wiatrowe. Kluczowym zadaniem jest tu staranne wykonanie połączenia między wieżą a fundamentem, które musi zapewniać wymaganą stabilność w kierunkach poziomym oraz obrotowym, co jest uwzględniane w obliczeniach dotyczących wieży. W tym kontekście istotne jest stosowanie niewielkich tolerancji konstrukcyjnych.

Projektowanie płyty fundamentowej jest głównie uzależnione od rozkładu ciśnienia gruntu pod nią, a jej główne zadanie polega na równomiernym rozłożeniu obciążenia na większym obszarze, co pozwala glebie na jego uniesienie bez ryzyka wystąpienia osłabienia nośności czy nadmiernego osiadania. Ciśnienie kontaktowe, które jest efektem tego rozkładu, prowadzi do powstawania momentów zginających oraz sił ścinających w samej płycie. Kształt rozkładu ciśnienia ma kluczowe znaczenie dla wartości sił wewnętrznych w konstrukcji. W kontekście ekstremalnych obciążeń cyklicznych, ich powtarzalność może przyczyniać się do uszkodzeń konstrukcji poprzez przyspieszenie rozwoju pęknięć lub redukcję sztywności. Zmęczenie w żelbetonie to stosunkowo nowy temat, który nie zdążył jeszcze zyskać powszechnej akceptacji w praktyce budowlanej. Jednak badania nad tym zagadnieniem zyskują na znaczeniu, co sugeruje, że ocena zmęczenia wkrótce stanie się standardową procedurą weryfikacyjną.

Rodzaje fundamentów pod wiatraki

Dobierając fundamenty pod wiatraki należy zwrócić uwagę na wiele różnych czynników, takich jak warunki gruntowe, wielkość turbiny oraz budżet inwestora. Co ważne, można wyróżnić kilka rodzajów tych konstrukcji – fundamenty grawitacyjne, palowe oraz hybrydowe, a także prefabrykowane modułowe elementy betonowe i stalowe.

Fundamenty grawitacyjne

To jedne z najprostszych i najczęściej stosowanych fundamentów pod wiatraki. Mają postać masywnych płyt betonowych o szerokiej podstawie. Ich stabilność bazuje na dużej masie własnej. Wykorzystuje się je w przypadku gruntów o wysokiej nośności, gdzie występuje stabilne podłoże i nie ma konieczności stosowania dodatkowych wzmocnień. Zaletą tych rozwiązań są relatywnie niskie koszty wykonania oraz możliwość prefabrykacji. Wadę natomiast stanowi potrzeba wykorzystania dużych ilości betonu, co wpływa na emisje CO₂ podczas produkcji.

Fundamenty palowe

Tego rodzaju fundamenty pod wiatraki wykorzystywane są wtedy, gdy grunt pod powierzchnią nie ma odpowiedniej nośności. Pale mogą być wbijane, wiercone lub formowane w gruncie. Stosuje się je na terenach z miękkimi lub niestabilnymi warstwami gruntu, gdzie konieczne jest przeniesienie obciążeń na głębsze warstwy nośne. Do zalet zaliczyć można wysoką efektywność w trudnych warunkach gruntowych, natomiast za wadą można uznać wyższy koszt budowy oraz konieczność użycia zaawansowanego sprzętu do ich instalacji.

Fundamenty hybrydowe

To rozwiązania łączące cechy fundamentów grawitacyjnych i palowych. W ich konstrukcji stosuje się pale, które wspomagają masę fundamentu w przenoszeniu obciążeń. Stosuje się je na terenach o umiarkowanej nośności gruntu, gdzie potrzebne jest dodatkowe wsparcie.

Fundamenty modułowe

To nowoczesne rozwiązania prefabrykowane w postaci modułowych elementów betonowych lub stalowych, które są montowane na miejscu budowy. Stosuje się je w projektach wymagających szybkiej realizacji oraz minimalizacji wpływu na środowisko.

Fundamenty pod wiatraki – kluczowe parametry projektowe

Projektowanie fundamentów dla turbin wiatrowych w Polsce odbywa się zgodnie z normami europejskimi oraz krajowymi. Do kluczowych dokumentów należą:

• Eurokod 7 (PN-EN 1997-1) – projektowanie geotechniczne,
• Eurokod 8 (PN-EN 1998) – obciążenia sejsmiczne,
• Eurokod 2 (PN-EN 1992-1-1) – projektowanie konstrukcji betonowych.

Dodatkowo projektanci muszą uwzględniać lokalne przepisy środowiskowe oraz wytyczne dotyczące ochrony przyrody.

Projektując fundamenty pod wiatraki należy bazować na szeregu wymagań technicznych, które determinują jego kształt, wymiary oraz sposób wykonania. Pierwszym jest ocena nośności gruntu. W tym aspekcie kluczowe znaczenie mają badania geotechniczne, które określają właściwości mechaniczne i chemiczne podłoża. W przypadku gruntów nienośnych projekt przewiduje dodatkowe wzmocnienia, takie jak pale lub wymiana gruntu. Kolejnym składnikiem jest weryfikacja obciążenia dynamicznego. Wiatr oraz ruch wirnika generują siły poziome i momenty zginające, które fundamenty muszą przenieść na grunt bez ryzyka deformacji. Stosuje się tu technologię modelowania komputerowego (np. analiza MES) pozwalającą na precyzyjne uwzględnienie tych sił w projekcie. Kolejnymi parametrami są wysokość wieży i rozpiętość wirnika. Nowoczesne turbiny, o wysokości sięgającej nawet 150 m, wymagają fundamentów o dużej masie i sztywności. Z kolei rozpiętość wirnika, sięgająca często 140 m, zwiększa momenty obrotowe, które konstrukcja musi przenieść. Ostatnią kwestią są warunki klimatyczne. W obszarach o niskich temperaturach konieczne jest uwzględnienie głębokości przemarzania gruntu oraz zastosowanie odpowiedniej izolacji, a w regionach o wysokiej wilgotności projekt musi uwzględnić odpowiednią ochronę przed korozją betonu.

Jeśli wyłączy się kwestie finansowe (nietechniczne) oraz sytuacje, w których wstępne badania geotechniczne w danej lokalizacji wskazują na konieczność zastosowania fundamentów głębokich, wybór rodzaju konstrukcji pod turbiny wiatrowe opiera się na następujących kryteriach:

• odpowiednie warunki gruntowe umożliwiające bezpośrednie posadowienie,
• możliwość poprawy właściwości podłoża w aktywnej strefie poniżej poziomu fundamentu bezpośredniego (w celu zwiększenia jego sztywności i zmniejszenia osiadania),
• opcja wzmocnienia podłoża za pomocą kolumn (lub pali), które w połączeniu z oczepem przenoszą siły wyrywające oraz ograniczają przeciążenia na krawędziach,
• możliwość zmniejszenia wymiarów konstrukcji oczepu dzięki zastosowaniu fundamentu głębokiego, który przekazuje wszystkie siły na pale połączone z oczepem, pracujące zarówno na wciskanie, jak i na wyrywanie.

Badania pokazują, że w analizie różnych wariantów fundamentów szeroko stosuje się zaawansowane modele numeryczne, takie jak Metoda Elementów Skończonych. Tego typu analizy szczególnie skupiają się na przewidywaniu przemieszczeń, ponieważ turbiny wiatrowe mają bardzo restrykcyjne wymagania dotyczące sztywności fundamentu (minimalizacja osiadań i przechyłów). W zależności od wybranej metody fundamentowania modeluje się samo podłoże lub podłoże z elementami wzmacniającymi w postaci pionowych struktur. Formalną podstawą do przeprowadzania badań geotechnicznych podłoża dla planowanej elektrowni wiatrowej jest norma PN-EN 1997-2 Eurokod 7.

Projektowanie geotechniczne dla turbin wiatrowych niemal zawsze wymaga dwuetapowych badań podłoża gruntowego. Pierwszy, równoległy z wyborem lokalizacji, obejmuje wstępne rozpoznanie rodzaju i stanu gruntów, co pozwala na wstępny wybór rodzaju fundamentu. Następnie prowadzi się badania dopasowane do wybranego modelu obliczeniowego, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 2012 r. Procedura ta zakłada współpracę geologa, projektanta i wykonawcy, aby zapewnić bezpieczne posadowienie i przewidzieć zachowanie obiektu w przyszłości.

Normy i przepisy nie precyzują wymagań dla geotechnicznych badań podłoża pod turbiny wiatrowe. Najczęściej opiera się tu na wytycznych producentów turbin, doświadczeniu projektantów lub zagranicznych normach, np. niemieckich „Richtlinie für Windenergieanlagen” czy norweskich „DNV Guidelines for Design of Wind Turbines”. Najlepsze badania nośności i sztywności fundamentów zapewniają technologie pali przemieszczeniowych (np. prefabrykowane wbijane czy Franki), umożliwiające bieżącą ocenę każdego pala. Alternatywnie stosuje się badania in-situ, jak próbne obciążenie. Poza fundamentami turbiny, badania geotechniczne powinny uwzględniać także podłoże pod drogi dojazdowe, kanały kablowe i platformy robocze, wraz z kontrolą nasypów.

Posadowienie

Posadowienie bezpośrednie to najprostszy sposób, które jednak nadal wiąże się z wieloma wyzwaniami. Duży wymiar płyty fundamentowej wymaga głębokiego wykopu, co umożliwia „dobalastowanie” fundamentu gruntem, ale zwiększa momenty wywołane siłami poziomymi. Hydrostatyczny wypór wód gruntowych na większych głębokościach redukuje funkcję balastową płyty, wymuszając zwiększenie jej wymiarów. Zasypki z gruntów niespoistych mogą zmieniać warunki posadowienia w dłuższej perspektywie. Problemy dotyczą także kontroli jakości gruntu w wykopie – badania są ograniczone do kilku metrów lub płytkiej warstwy pod dnem wykopu.

Posadowienie może również być realizowane na podłożu wzmocnionym pod płytą fundamentową, co odbywa się za pomocą kolumn kamiennych, żwirowo-betonowych, DSM lub przemieszczeniowych (np. CMC), które mogą być zbrojone i połączone z oczepem. Pale, często pochylone i rozmieszczone na obwodzie płyty oczepowej, przenoszą zarówno siły wciskające, jak i wyrywające, zwiększając stabilność fundamentu oraz redukując ryzyko uszkodzeń podczas ich instalacji.

Proces budowy fundamentów pod turbiny wiatrowe

Realizacja fundamentów pod turbiny wiatrowe przebiega w kilku kluczowych etapach. Proces zaczyna się od przygotowania terenu, który obejmuje usunięcie warstwy humusu, wyrównanie gruntu i jego stabilizację, a w przypadku gruntów nienośnych zastosowanie dodatkowych warstw nośnych z kruszywa. Kolejnym etapem jest wybór między prefabrykacją a budową na miejscu. Prefabrykaty pozwalają skrócić czas realizacji i zwiększyć precyzję, choć ich transport bywa logistycznym wyzwaniem, natomiast budowa na miejscu zapewnia większą elastyczność, szczególnie w trudno dostępnych lokalizacjach. Następnie przeprowadza się betonowanie i zbrojenie fundamentów, które odpowiednio zaprojektowane zapewnia odporność na zginanie oraz ścinanie. Betonowanie musi być realizowane w sposób ciągły, aby uniknąć powstawania spoin technologicznych. Ostatnim etapem jest kontrola jakości i próby obciążeniowe, podczas których fundamenty są testowane pod kątem wytrzymałości, aby potwierdzić zgodność z założeniami projektowymi.

Fundamenty pod wiatraki w podsumowaniu

Podsumowując, projektując fundamenty pod wiatraki konieczne jest uwzględnienie wyzwania, jakim jest równoważenie ogromnych momentów wywracających przy minimalnej sile pionowej, co wynika z lekkiej konstrukcji stalowych wież turbin. Lądowe turbiny wiatrowe zwykle opierają się na masywnych, żelbetowych płytach fundamentowych wylewanych na miejscu, jednak w trudnych warunkach gruntowych stosuje się rozwiązania łączone, obejmujące płyty i pale fundamentowe. Fundamenty pod wiatraki są kluczowym elementem dla efektywnego wykorzystania energetyki wiatrowej, a ich wybór zależy od takich czynników, jak warunki gruntowe, parametry turbiny czy dostępny budżet. Postęp technologiczny w dziedzinie fundamentowania wprowadza innowacyjne rozwiązania, które przyspieszają realizację projektów, zwiększają ich efektywność i sprzyjają zrównoważonemu rozwojowi.

Ceny na aukcjach energii na całym świecie drastycznie spadają. Aby obniżyć koszty, konieczne jest zwiększenie skali, a im mocniejsze turbiny wiatrowe (na MW), tym niższe koszty rozwoju, produkcji, instalacji i konserwacji. Ponadto, ważny jest fakt, że im mniejsza liczba turbin na farmie wiatrowej, tym mniejszy wpływ na środowisko, dlatego optymalizacja użytkowania gruntów i integracja z obszarami rolniczymi oraz hodowlanymi ma kluczowe znaczenie dla postępu sektora energetyki wiatrowej na lądzie. Z tego powodu repowering projektów lądowych będzie jednym z trendów na przyszłość, aby wykorzystać najlepsze lokalizacje wiatrowe z obecną technologią i wygenerować więcej energii przy mniejszej liczbie turbin wiatrowych. W tym kontekście szybkiej zmiany na mocniejsze oraz większe maszyny ze znacznymi możliwościami na przyszłość, warto mieć pogląd na rozwój fundamentów turbin wiatrowych i nadchodzące wyzwania.

Literatura
1. PN-EN 1997-1:2008 – Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne.
2. PN-EN 1992-1-1:2008 – Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji betonowych.
3. M. Łapka, „Rozwiązania fundamentowe w energetyce wiatrowej”, Energetyka Odnawialna, 2023.
4. G. Thomsen, „Wind Turbine Foundations: Design and Technology”, Springer, 2020.
5. A. Kowalski, „Wpływ warunków gruntowych na projektowanie fundamentów turbin”, Inżynieria Budowlana, 2022.
6. www.zatrzymajlicznik.pl.
7. www.mdpi.com.
8. R. J. Toña, J. C. Rojo, E. R. Chandro, „Foundations of onshore Wind turbines: current situation and trends”, ResearchGate, 2024.