# Tuulivoimalan paaluperustuksen suunnittelu

> Yhä suurempien ja tehokkaampien voimaloiden tavoittelu edelleen heijastuu tuulivoimaloiden perustusrakenteiden kuormiin, jotka voivat olla moninkertaisia…

## Hiilineutraalius ja tuulivoima
Hiilineutraali yhteiskunta on saavutettava tulevaisuuden skenaario, joka toteutetaan konkreettisilla päätöksillä ja toimilla yhteiskunnan kaikilla tasoilla. Fossiilivapaan energiarakentamisen merkitys korostuu yhteiskunnan sähköistymisen ja digitalisaation edetessä vauhdilla. Tuulivoimaan perustuvan energian valjastaminen on yksi keino vastata ilmastokriisiin. Uutta, puhdasta tuulivoimakapasiteettia lisäämällä voidaan aktiivisesti vaikuttaa biodiversiteetin säilymiseen, kotimaiseen energiaomavaraisuuteen sekä yhteiskunnan riippumattomuuteen ulkomaisesta energiapolitiikasta.

## Suunnittelun haasteet
Tuulivoimaperustusten suunnittelua koskevat yhtenäiset suunnitteluohjeet ja -käytännöt puuttuvat toistaiseksi, mikä saattaa jättää liikaa tulkinnanvaraa rakennesuunnittelijalle. Tuulivoimaloiden tuotantokapasiteetit ovat kasvaneet merkittävästi 2000-luvun aikana, ja nykyään turbiini saattaa sivuta jopa 300 metrin korkeutta. Suurempien voimaloiden kuormat voivat olla moninkertaisia verrattuna esimerkiksi valtateiden siltoihin.

Uusien innovaatioiden kohdalla haasteena on riittävän kokemuksen puute. Mikäli alimitoitetut rakenteet murtuvat ennenaikaisesti dynaamisten ja syklisten kuormien väsyttäminä, tekninen käyttöikä saattaa alittua merkittävästi.

## Kehittämishanke ja menetelmät
Tuulivoimalan paaluperustuksen suunnittelua selvittänyt opinnäytetyö yhdistettiin Destian tuulivoimarakentamisen kehittämishankkeeseen. Lähtökohdaksi valittiin kirjallisuuskatsaus, jota täydennettiin FEM-rakennemalleilla sekä rakenneteknisillä vertailulaskelmilla.

### Alustalukumalli
Alustalukumalli havaittiin toimivaksi menetelmäksi paalujen ja maan epälineaarisen vuorovaikutuksen mallintamiseen. Maata kuvataan jousivakioiden sarjalla, joka määritellään syvyyskoordinaatin funktiona:
1. Lasketaan alustalukujen perusarvot huomioiden maalaji ja kuormituksen ajallinen kesto.
2. Redusoidaan alustalukujen perusarvot tilannekohtaisesti (esim. pohjavedenpinta, kuormien syklisyys, maalajien rajapinnat ja paalujen etäisyydet).
3. Iteroidaan jousien jäykkyydet siten, että paalun sivupaine vastaa vaakasiirtymää.

## Rakenneanalyysin havainnot
* **Kaatavat kuormat:** Nämä ovat merkittävä epäedullisesti vaikuttava tekijä. Paalujen sijoittelussa painotetaan peruslaatan reuna-alueita, sillä keskellä paalut eivät toimi tehokkaasti kaatumista vastaan.
* **Peruslaatan voimasuureet:** Analyysin mukaan peruslaatan voimasuureet pysyvät hallittavissa suuruusluokissa paalujen sijoittelun painotuksista riippumatta.
* **Optimointi:** Paalujen lukumäärän ja kaltevuuden optimoinnin tulisi pohjautua perustuksen kokonaisjäykkyyteen. Peruslaatan rasitukset kannattaa tarkistaa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa, jotta sekä paalujen että laatan voimasuureet osuvat järkeviin suuruusluokkiin.

## Johtopäätökset
Paaluilla heikosti kantavat maakerrokset voidaan ohittaa kohtuullisin kustannuksin, kun maanvaraisen perustuksen vaatimat massanvaihdot tulisivat kalliiksi. Paalutettu tuulivoimaperustus on teknisesti ja taloudellisesti kannattava vaihtoehto, kun mitoituksessa huomioidaan riittävä varmuus kestävyydelle, käyttökelpoisuudelle ja vakaudelle.

## Yhteystiedot
* **Kirjoittaja:** Jarmo Lampimäki, sillansuunnittelun insinööri, Destia, jarmo.lampimaki@destia.fi
* **Ohjaaja:** Arto Puurula, rakennetekniikan yliopettaja, TkT