Probabilistic design for wind turbine load assessment
Authors
Gamage, Tharindu Dilanka ; Amarasinghe, Rajika Jeewanthi
Term
4. term
Education
Publication year
2026
Submitted on
2026-06-04
Abstract
This thesis applies a probabilistic design framework to assess wind turbine loads, focusing on the fore-aft bending moment at the tower base of the NREL 5 MW onshore reference turbine. Building on the main wind turbine design standard IEC 61400-1 (2019) and the recently issued technical specification IEC TS 61400-9 (2025), a reliability-based analysis is carried out for two normal operation design load cases: DLC 1.1 for ultimate loads and DLC 1.2 for fatigue loads. Aero-servo-elastic simulations are performed with OpenFAST over the full operational wind speed range, and the resulting tower base moments are post-processed to describe the annual extreme load effect distribution for DLC 1.1 and an equivalent annual fatigue damage measure for DLC 1.2, based on moment ranges and a linear S–N curve with slope 5. Key load-side modelling uncertainties, including statistical uncertainty due to a finite number of turbulence simulations and site uncertainty, are identified and incorporated in probabilistic limit state formulations, which are combined with resistance models and additional probabilistic input from the literature. Reliability assessment is conducted using the First Order Reliability Method, and partial safety factors are calibrated against target annual reliability indices for component class 2. For the ultimate limit state (DLC 1.1), using the IEC 61400-1 load partial safety factor γF = 1.25 leads to an annual reliability index of 3.61, exceeding the target value of 3.3 and indicating a conservative design; calibration under the adopted assumptions reduces γF to 1.16. For fatigue (DLC 1.2), the reference case yields a final-year (year 20) reliability index of 2.76, below the target, and calibration increases the combined equivalent fatigue safety factor (γF γM)1/m from 1.25 to 1.47. The study also explores the influence of load-side tolerances, modelled both as separate stochastic variables and as direct load increases, and shows that 5% tolerance for ultimate loads and 3% for fatigue reduce reliability and may keep it below the target level. While the calibrated factors are not intended as direct design recommendations, the results illustrate that explicitly modelling uncertainties and tolerances is important in wind turbine load design and that the probabilistic methods of IEC TS 61400-9 can be used to verify whether intended reliability levels are actually achieved.
Denne afhandling undersøger, hvordan et probabilistisk designkoncept kan anvendes til lastvurdering af vindmølletårne, med fokus på det forreste-bagerste bøjningsmoment ved tårnfoden for NREL 5 MW onshore referencevindmøllen. Med udgangspunkt i vindmøllestandarden IEC 61400-1 (2019) og den nye tekniske specifikation IEC TS 61400-9 (2025) gennemføres en reliabilitetsbaseret analyse for to normale driftslasttilfælde: DLC 1.1 for ultimative laster og DLC 1.2 for træthedslaster. Aero-servo-elastiske simuleringer udføres i OpenFAST over hele driftsvindområdet, og de resulterende tårnfodsmomenter behandles statistisk til henholdsvis at beskrive årlige ekstreme laster og årlig ækvivalent træthedsskade baseret på momentintervaller og en lineær S-N-kurve med hældning 5. Centrale usikkerheder i lastmodellerne, herunder statistisk usikkerhed fra et begrænset antal turbulenssimuleringer og stedusikkerhed, identificeres og indarbejdes i probabilistiske grænsetilstandsmodeller, som kombineres med modstandssiden og litteraturbaserede modeller. Reliabilitetsanalysen gennemføres ved hjælp af First Order Reliability Method, og de delvise sikkerhedsfaktorer kalibreres i forhold til målte årlige reliabilitetsindeks for en komponent i klasse 2. For ultimativ last (DLC 1.1) viser analysen, at den nuværende lastfaktor γF = 1,25 giver et årligt reliabilitetsindeks på 3,61, hvilket er højere end målindekset 3,3, og dermed indikerer en konservativ dimensionering; en kalibrering reducerer γF til 1,16. For træthed (DLC 1.2) findes derimod et reliabilitetsindeks på 2,76 i år 20, hvilket ligger under målniveauet, og kalibrering øger den kombinerede ækvivalente træthedssikkerhedsfaktor (γF γM)1/m fra 1,25 til 1,47. Endvidere undersøges betydningen af lastside-tolerancer, repræsenteret både som stokastiske variabler og direkte lastforøgelser, hvilket viser, at tolerancer på 5 % for ultimativ last og 3 % for træthed kan reducere reliabiliteten og i nogle tilfælde fastholde et niveau under målværdien. Resultaterne kan ikke omsættes direkte til anbefalede standardværdier, men demonstrerer, at den probabilistiske metode i IEC TS 61400-9 kan anvendes til systematisk at vurdere, om de ønskede sikkerhedsniveauer rent faktisk opnås, og at eksplicit modellering af usikkerheder og tolerancer er vigtig i moderne vindmøllelastdesign.
[This abstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]