Numeriek onderzoek naar de invloed van bodemparameters op de axiale uittrekdragende capaciteit van nieuwe fotovoltaïsche cirkelvormige helixpalen

Sterkere zonne-ondersteuning tegen de wind

Naarmate zonneparken zich over velden en woestijnen uitbreiden, moeten hun metalen dragers krachtige windkrachten weerstaan die ze uit de grond willen trekken. Ingenieurs gebruiken steeds vaker een nieuw soort spiraalstalen fundering, de cirkelvormige helixpaal, om fotovoltaïsche rekken te verankeren, maar hoe verschillende bodemtypen deze palen daadwerkelijk helpen of hinderen bleef onzeker. Deze studie gebruikt computersimulaties om te ontrafelen hoe belangrijke grondkenmerken de uittreksterkte van deze speciale palen beheersen, en biedt daarmee richtlijnen voor veiligere, betrouwbaardere zonne-installaties wereldwijd.

Een nieuw type spiraalfundering

Traditionele spiraalpalen lijken op een stalen schacht met een of meer platte platen, min of meer als een enorme schroef. De cirkelvormige helixpaal vervangt losse platen door een continue spiraalvormige oppervlakte rond de schacht. Deze vorm kan strakker of losser gewonden zijn en kan worden geplaatst door te draaien, te persen of een combinatie van beide. Veldprojecten in Japan, China en Zuid-Korea hebben aangetoond dat cirkelvormige helixpalen veel hogere neerwaartse en opwaartse belastingen kunnen dragen dan eenvoudige rechte palen. Toch werden de meeste eerdere onderzoeken in laboratoriumzandbakken uitgevoerd, waardoor vragen blijven over hoe echte bodems met klei, cohesie en variërende stijfheid hun prestaties beïnvloeden.

Virtueel testen in realistische grond

Om deze vragen te onderzoeken bouwden de auteurs een gedetailleerd driedimensionaal computermodel van een enkele cirkelvormige helixpaal omgeven door grond. Ze gebruikten industriële software om de stalen paal als een elastisch materiaal te modelleren en de grond als een gangbaar geotechnisch model dat zowel sterkte als vervorming omvat. De gesimuleerde paal werd ingebracht en vervolgens in stappen omhoog getrokken, als spiegelbeeld van full-scale veldproeven uitgevoerd in vulkanische as en mariene klei. Toen het team de berekende kracht-verplaatsingscurven vergeleek met zeven reeksen ter plaatse gemeten gegevens, bleek de overeenkomst goed, wat vertrouwen gaf dat de virtuele paal zich als de echte gedroeg.

Hoe de paal zijn sterkte mobiliseert

Zowel de proeven als de simulaties toonden aan dat de uittrekweerstand niet plotseling piekt en daarna instort. In plaats daarvan neemt de kracht die nodig is om de paal te blijven trekken geleidelijk toe naarmate de kop omhoog beweegt, waarbij die toename langzaam afvlakt. Er is geen scherp faalpunt. Voor het ontwerp betekent dit dat de uiteindelijke capaciteit niet uit één maximumwaarde kan worden afgelezen; die moet worden gedefinieerd met overeengekomen verplaatsingsniveaus of curve-fitting. De studie onderzocht verschillende praktische keuzen en vond dat wanneer de paal zijn uiteindelijke toestand bereikt, de opwaartse verplaatsing bij de kop ongeveer een tiende van de paaldikte bedraagt. De belasting bij deze verplaatsing komt nauw overeen met de waarde die een veelgebruikte methode van kurve-doorsnijding geeft, zodat het nemen van de kracht bij een tiende van de diameter als uiteindelijke uittrekcapaciteit een redelijke vuistregel is.

Welke bodemkenmerken het meest tellen

Nadat ze hun model hadden gevalideerd, varieerden de onderzoekers systematisch belangrijke bodemparameters binnen realistische bereiken voor locaties van zonneparken. Ze wijzigden de stijfheid van de bodem, de zijwaartse samentrekking bij compressie, de interne bindingssterkte (cohesie), de wrijvingsweerstand en de ruwheid van het contact tussen paal en grond. Voor elk geval trokken ze de paal tot meerdere verplaatsingsniveaus en registreerden de tegenwerkende kracht. In alle scenario’s verhoogde sterkere of stijvere grond altijd de uittrekcapaciteit. Niet alle parameters bleken echter even belangrijk. Met behulp van meerdere aanvullende gevoeligheidsmethoden — waaronder eenvoudige één-factor-wijzigingen, gestructureerde testplannen en statistische vergelijkingsmaatregelen — vonden ze consequent dat bodemcohesie de dominante factor is, gevolgd door stijfheid en wrijhoek. De zijwaartse samentrekkingseigenschap en de directe wrijving tussen paal en grond hadden veel minder invloed.

Richtlijnen voor veiliger zonnefunderingen

In eenvoudige bewoordingen toont dit werk aan dat cirkelvormige helixpalen de grond steviger vastgrijpen wanneer de bodem zelf goed gebonden en redelijk stijf is, en dat hun uiteindelijke sterkte wordt bereikt na een bescheiden maar niet verwaarloosbare opwaartse verplaatsing. Voor ingenieurs die fotovoltaïsche steunen ontwerpen, benadrukken de resultaten welke bodemtesten het belangrijkst zijn en suggereren ze een praktisch doelverplaatsingsniveau dat kan dienen als vervanging voor een complexere faaldefinitie. Door eerst op cohesie te focussen, vervolgens op stijfheid en wrijving, en overige parameters als secundair te behandelen, kunnen ontwerpers onzekerheid in grondcondities beter beheersen en dit veelbelovende paaltype efficiënter toepassen bij de uitbreiding van zonne-energie.

Bronvermelding: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Trefwoorden: cirkelvormige helixpaal, uittrekdragende capaciteit, fotovoltaïsche funderingen, gevoeligheid bodemparameters, eindige-elementenanalyse