Contribuições ao estudo do comportamento estrutural de torres eólicas implantadas no Brasil : Contribuições ao estudo do comportamento estrutural de torres eólicas implantadas no Brasil

Abstract

As contribuições apresentadas neste trabalho são resultado da combinação de estudos teóricos, resultados experimentais em modelo reduzido e modelos numéricos em elementos finitos em seis concepções de torres eólicas destinadas a suportar aerogeradores comerciais com potência nominal de 2 MW. Das recomendações normativas foram comparados os critérios para consideração da força do vento entre diferentes normatizações, sendo observado que há distinção entre as considerações presentes na norma IEC 61400-1 e demais normas que abordam a ação do vento em edificações como a NBR 6123 (1993). Para definições de carregamentos e estados limites foram adotadas as recomendações da NBR 61400-1 conjuntamente com as normas NBR 6118 e NBR 8800 para concreto e aço respectivamente. Os resultados experimentais em túnel de vento foram importantes para avaliar a influência do conjunto de pás no comportamento da estrutura, através de medições dos esforços na base e deslocamentos da torre em diferentes ângulos de ataque do vento nas pás combinada a variações da incidência de vento no rotor. Também foi possível estimar experimentalmente o fator de amplificação dinâmica e compará-los a diferentes recomendações teóricas para determinação de uma força estática equivalente do vento. Adicionalmente, os resultados experimentais foram convertidos para a estrutura em tamanho real com objetivo de avaliar a aplicabilidade dos estudos em modelo reduzido como ferramenta para auxiliar no projeto de aerogeradores de grande porte. Por último, foram desenvolvidos seis modelos numéricos, com concepções em aço e concreto para duas alturas de rotor, uma a 80 metros e outra a 120 metros. Os modelos levaram em consideração as resultados obtidos em túnel de vento quanto ao fator de amplificação dinâmica para gerar uma carga equivalente estática do vento. Foram realizados complementarmente estudos quanto a influência da discretização das fundações na composição das frequências naturais da estrutura, das cargas térmicas na contribuição dos esforços resultantes na base e da forma de consideração da protensão nos segmentos de concreto. Nestes estudos numéricos, foram adotadas análises não lineares física e geométrica. A análise não linear geométrica utilizou o processo P- Delta dado a pequena contribuição dos efeitos de segunda ordem aos resultados elásticos. As análises não lineares físicas foram desenvolvidas com auxílio de rotinas em Matlab desenvolvidas pelo autor para posteriormente calibrar as propriedades físicas dos modelos numéricos em elementos finitos, criados com auxílio do software comercial SAP2000. Espera-se que as contribuições apresentadas neste trabalho sejam úteis tanto para o aprimoramento dos critérios de projeto destas estruturas como estímulo para o avanço de pesquisas relacionadas ao tema.

Abstract: In this work, the main design criteria used in the design of wind turbines designed to support wind turbines with nominal power of 2 MW, implemented in Brazil, will be discussed. The contributions presented are the result of a combination of theoretical studies, with experimental results in reduced model and numerical models in finite elements in four conceptions of wind towers.From the normative recommendations, the criteria for the consideration of wind strength between different standards were compared. It is observed that there is a distinction between the considerations in the standard IEC 61400-1 and other norms that address the wind action in buildings such as NBR 6123 (1993). The criteria for loading and evaluation of limit states were adopted in accordance with the recommendations of NBR61400-1 in conjunction with NBR 6118 and NBR 8800 standards for concrete and steel respectively.The wind tunnel experimental results were important to evaluate the influence of the blade assembly on the structure behaviour, through measurements of the forces at the base and tower displacements under different wind angles in the blades combined with variations in the wind incidence in the rotor. It was also possible to estimate a dynamic amplification factor to evaluate the theoretical criteria for estimating the equivalent static wind load under different recommendations. In addition, the experimental results were converted to the full-size structure with the objective of evaluating the applicability of the reduced model studies as a tool to aid in the design of wind turbines. Finally, four numerical models were developed, with steel and concrete designs for two rotor heights, one at 80 meters and the other at 120 meters. The models took into account the results obtained in wind tunnel regarding the dynamic amplification factor to generate a static equivalent wind load. Further studies were carried out on the influence of the discretization of the foundations, influence of the thermal loads on the resulting stresses on the basis and influence of the external prestressed consideration. Nonlinear physical and geometric analyses of the models were adopted. The non-linear geometric analysis used the P-Delta process given the small contribution of the second order effects to the elastic results. The non-linear physical analysis were developed with Matlab routine and these results were used in finite element numerical models developed in the SAP2000 commercial software.