100-metrowy maszt pomiarowy na torfach – wyzwanie inżynierskie w praktyce

Case study realizacji z Główczyc pokazuje, jak dzięki specjalistycznemu posadowieniu udało się ograniczyć ryzyko osiadania i bezpiecznie przeprowadzić pomiary dla farmy wiatrowej.

Dlaczego stabilny maszt jest kluczowy dla pomiarów wiatru?

Zanim powstanie farma wiatrowa, konieczne jest dokładne sprawdzenie warunków wietrznych w danej lokalizacji. Do tego celu wykorzystuje się tymczasowe maszty pomiarowe z aparaturą rejestrującą m.in. prędkość i kierunek wiatru.

Takie konstrukcje są smukłe, lekkie i zaprojektowane z myślą o czasowym użytkowaniu. Dzięki temu ich montaż może być stosunkowo szybki i nie musi wymagać użycia ciężkiego, kosztownego sprzętu budowlanego [7]. Jednocześnie oznacza to, że maszt musi być bardzo dobrze ustabilizowany – szczególnie wtedy, gdy ma stanąć na trudnym, słabonośnym gruncie.

REKLAMA

Stabilność tak wysokiej i lekkiej konstrukcji zapewniają stalowe odciągi linowe. Ich odpowiednie napięcie sprawia, że cały układ pracuje prawidłowo. Jeżeli jednak fundament trzonu zacznie osiadać inaczej niż punkty zakotwienia odciągów, może dojść do spadku sił w linach, zmniejszenia sztywności konstrukcji i zwiększenia jej odkształceń [5].

W przypadku masztu wyposażonego w aparaturę pomiarową jest to szczególnie istotne. Stabilność konstrukcji wpływa bowiem na warunki pracy urządzeń, a tym samym na jakość zbieranych danych.

Jak zbudowany był maszt wymagający tak stabilnego posadowienia?

Przedmiotem realizacji był tymczasowy maszt teleskopowy o wysokości 100 m, przeznaczony do pomiaru kierunku i prędkości wiatru. Trzon masztu wykonano jako stalową konstrukcję rurową ze stali S235, zgodnie z wymaganiami normowymi [2].

Maszt składał się z pięciu odcinków rur o różnych średnicach i długościach. Całość została ustabilizowana za pomocą stalowych odciągów rozmieszczonych na ośmiu poziomach wysokości: od 13 m do 95,5 m. Liny odciągowe zaprojektowano jako ocynkowane liny wielozwite, a ich wstępne napięcie dobrano zgodnie z wymaganiami dotyczącymi tego typu konstrukcji [3].

Na trzonie zamontowano wysięgniki z anemometrami, które umożliwiały prowadzenie precyzyjnych pomiarów meteorologicznych. Dane zebrane przez aparaturę były niezbędne do oceny potencjału lokalizacji pod przyszłą inwestycję wiatrową.

W obliczeniach konstrukcyjnych uwzględniono ciężar własny masztu, wyposażenie, sprężenie odciągów oraz obciążenie wiatrem. Konstrukcja została zaprojektowana z uwzględnieniem 3. strefy obciążenia wiatrem, terenu kategorii II oraz 2. strefy obciążenia oblodzeniem [1], [3], [4].

Największe wyzwanie: słabonośne podłoże

Maszt został zamontowany w gminie Główczyce, w powiecie słupskim, na terenie użytków zielonych położonych w rejonie pradoliny rzeki Łeby. Był to obszar płaski, nisko położony, o warunkach typowych dla terenów podmokłych.

Badania geotechniczne wykazały, że w podłożu występowały grunty organiczne słabonośne: przede wszystkim torfy oraz namuły. Miąższość warstwy torfów sięgała miejscami niemal 6 metrów [6]. Dodatkowym utrudnieniem był bardzo wysoki poziom wód gruntowych, który stabilizował się praktycznie na poziomie terenu.

Z punktu widzenia projektowania fundamentów były to warunki szczególnie wymagające. Torfy i namuły charakteryzują się niską nośnością oraz dużą ściśliwością. Oznacza to, że pod wpływem obciążenia mogą ulegać znacznym odkształceniom i osiadaniu.

W przypadku konstrukcji z odciągami problemem nie jest wyłącznie samo osiadanie, ale jego nierównomierny przebieg. Gdy centralny fundament masztu osiada inaczej niż fundamenty lub kotwienia odciągów, zmienia się praca całego układu. Liny mogą tracić zakładane napięcie, a trzon masztu może wymagać korekty ustawienia.

Dlatego tradycyjne posadowienie bezpośrednie nie było w tym przypadku możliwe. Konieczne było zastosowanie rozwiązania, które ograniczy nacisk na słabe podłoże i pozwoli utrzymać stabilność konstrukcji przez cały okres pracy masztu.

Specjalne rozwiązanie fundamentu

Ze względu na ryzyko gwałtownego i nierównomiernego osiadania zdecydowano się na zastosowanie wielkopowierzchniowego fundamentu drewnianego pod trzon masztu.

Fundament miał wymiary 4 x 4 m i został wykonany z 26 drewnianych bali połączonych za pomocą elementów stalowych. Takie rozwiązanie pozwoliło rozłożyć obciążenie od trzonu masztu na większą powierzchnię, a jednocześnie nie obciążało nadmiernie gruntu ciężarem samego fundamentu.

W praktyce oznaczało to połączenie dwóch ważnych cech: stabilności oraz lekkości. Było to szczególnie istotne, ponieważ maszt miał charakter tymczasowy. Konstrukcja musiała być bezpieczna w czasie użytkowania, ale po zakończeniu pomiarów możliwa do demontażu.

Kotwice dla odciągów

Równie ważne jak posadowienie trzonu było prawidłowe zakotwienie odciągów. To właśnie liny odciągowe stabilizowały smukły, 100-metrowy trzon i ograniczały jego przemieszczenia pod wpływem wiatru.

Do mocowania odciągów zastosowano wkręcane kotwice o długości 10,5 m. Dzięki temu siły z lin mogły zostać przeniesione do głębszych warstw gruntu, omijając najbardziej problematyczne warstwy organiczne znajdujące się bliżej powierzchni.

REKLAMA

Takie rozwiązanie było alternatywą dla bardziej kosztownych metod, takich jak palowanie. W przypadku tymczasowej konstrukcji pomiarowej miało to szczególne znaczenie: należało zapewnić bezpieczeństwo, ale jednocześnie zachować racjonalność ekonomiczną i możliwość późniejszego demontażu.

Regularna kontrola w trakcie eksploatacji

W trudnych warunkach gruntowych samo wykonanie konstrukcji nie kończy procesu. Kluczowe znaczenie ma również regularna kontrola jej pracy. Maszt był objęty comiesięcznymi inspekcjami technicznymi. W ich trakcie sprawdzano m.in. pionowość trzonu, naciąg lin odciągowych, stan kotwic oraz ewentualne osiadanie konstrukcji. Skuteczność kotwic weryfikowano również poprzez próby wyciągania, co pozwalało kontrolować ich nośność i bezpieczeństwo użytkowania.

Wyniki inspekcji wykazały jedynie minimalne osiadania, które mieściły się w przyjętych granicach eksploatacyjnych. Co ważne, konstrukcja pozwalała na kompensację takich zmian poprzez regulację napięcia lin.

W czasie użytkowania obserwowano również stopniowe luzowanie lin, co jest zjawiskiem naturalnym i wynika m.in. z upływu czasu oraz zmiennych warunków atmosferycznych. Dlatego dwa razy w roku wykonywano korektę naciągów oraz pionowanie trzonu masztu.

Efekt realizacji

Maszt został zamontowany 30 maja 2018 i pracował jako tymczasowa konstrukcja pomiarowa do 22 czerwca 2021. Po zakończeniu okresu użytkowania został zdemontowany [7].

Realizacja pokazała, że nawet na gruntach organicznych o bardzo niskiej nośności możliwe jest bezpieczne posadowienie wysokiej, smukłej konstrukcji. Kluczowe okazało się indywidualne podejście do warunków terenowych oraz zastosowanie rozwiązania dopasowanego do charakteru obiektu.

Połączenie wielkopowierzchniowego fundamentu drewnianego, długich kotwic wkręcanych i regularnego monitoringu technicznego pozwoliło ograniczyć ryzyko nierównomiernego osiadania oraz utrzymać konstrukcję w bezpiecznym stanie przez cały okres eksploatacji.

Dlaczego to ważne dla inwestycji wiatrowych?

Pomiary wiatru są jednym z pierwszych i najważniejszych etapów przygotowania inwestycji wiatrowej. To na ich podstawie ocenia się potencjał lokalizacji, opłacalność projektu oraz dalsze możliwości rozwoju farmy.

Stabilny maszt pomiarowy to nie tylko kwestia konstrukcyjna. To także warunek prowadzenia wiarygodnych pomiarów. Jeżeli konstrukcja pracuje prawidłowo, aparatura może zbierać dane w przewidywalnych i kontrolowanych warunkach.

Case study z Główczyc pokazuje, że trudne warunki gruntowo-wodne nie muszą wykluczać realizacji pomiarów. Wymagają jednak doświadczenia, właściwej oceny ryzyka oraz zastosowania rozwiązań, które łączą bezpieczeństwo, funkcjonalność i ekonomiczną zasadność.

W tym przypadku cel został osiągnięty: maszt bezpiecznie pracował na wymagającym podłożu, umożliwiając przeprowadzenie analizy zasobów wiatrowych potrzebnej do oceny potencjału inwestycji.

Remigiusz Młynarczyk – head of technical design department / senior technical designer