AVALIAÇÃO DA PREVISÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DAS FUNDAÇÔES SUPERFICIAIS DE AEROGERADORES A PARTIR DE ENSAIOS DE PEQUENA E GRANDE DEFORMAÇÕES

RESUMO: O presente trabalho avalia algumas metodologias utilizadas na determinação do módulo de deformação cisalhante para a previsão do comportamento dinâmico de fundações superficiais de aerogeradores assentes em solos arenosos. Para avaliar o comportamento dinâmico das fundações de máquinas, deve-se estimar a frequência de vibração do sistema solo-fundação que é calculada em função dos parâmetros dinâmicos do solo. Tal frequência é obtida a partir do módulo de deformação cisalhante (G), que, por sua vez, é função do nível de deformação do solo. Por simplificações, esse parâmetro é normalmente estimado através de ensaios estáticos, com grandes deformações, estando sujeito a imprecisões. No presente trabalho, calcularam-se os parâmetros dinâmicos do solo do campo experimental de fundações da Universidade Estadual de São Paulo (UNESP), em Bauru, a partir dos resultados de ensaios anteriormente realizados no local por VITALI (2011). Foi considerado um aerogerador com características idênticas ao aerogerador avaliado por Moura (2007) inserido no solo em análise. Assim, determinaram-se as frequências de vibrações da fundação de tal aerogerador. Tais frequências foram determinadas a partir de estimativas G por meio de ensaios estáticos e dinâmicos. Concluiu-se que as variações obtidas para o módulo cisalhante, com grandes e pequenas deformações, causaram um erro percentual cerca de 40% nas frequências e cerca de 60% nas amplitudes de vibrações. Destacam-se, com tal resultado, as variações das respostas dinâmicas quando são estimados por ensaios de grande e pequena deformação, reafirmando a importância de ensaios de pequena deformação para estimativas de respostas a carregamentos dinâmicos. ABSTRACT: This work evaluates some methodologies used in the determination of shear modulus to predict the dynamic behavior of shallow foundations of wind turbines on sandy soils. To evaluate the dynamic behavior of machine foundations, it is necessary to estimate the frequency of vibration of the soil-foundation system that is calculated based on dynamic parameters of the soil. This frequency is a function of the shear modulus of elasticity (G), which changes according to the level of deformation. For simplification, usually, this parameter is estimated by static testing, with large deformations, and the results are, frequently, inaccurate. In this study, it was determined the dynamic soil parameters of the experimental field of foundations of the State University of São Paulo (UNESP) in Bauru, from the results of tests on site with large and small deformations, by VITALI (2011). Considering the use of a wind turbine with identical characteristics to the wind turbine rated by Moura (2007), it was obtained the frequency of vibration of its foundation. The frequencies were determined from G, which was estimated by static and dynamic tests. It was concluded that the variations obtained for the shear modulus, with large and small deformations, caused percentage error of about 40% in frequency and about 60% in vibration amplitudes

Modelagem computacional via MEF da interação solo-estrutura de sistemas eólicos

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2022.Atualmente, observa-se um crescimento exponencial da construção dos sistemas de aerogeradores para obtenção de energia. Isto tem estimulado a realização de estudos para a construção de sistemas eficientes e viáveis para instalação em regiões com condições de vento desfavoráveis. Neste contexto, este trabalho visa analisar o comportamento solo-estrutura de sistemas eólicos instalados em regiões de clima tropical, por meio do método dos elementos finitos (MEF) tridimensional (software Plaxis 3D). Para isto, foi considerado o protótipo eólico EOL20, instalado no Laboratório de Infraestrutura (Infralab) da Universidade de Brasília (UnB), como parte do projeto “Otimização do modelo meteorológico BRAMS, com Validação Experimental, para Subsidiar Aperfeiçoamentos de Modelagens de Sistemas Eólicos”. O sistema é composto por uma fundação, em estaca única, assente em um perfil de solo tropical de Brasília. A interação solo-estrutura foi modelada para uma condição de carregamento horizontal estático, verificando o comportamento do sistema sem funcionamento. A influência dos parâmetros geométricos e do modelo constitutivo adotado para o solo, foi avaliada por análise paramétrica. Por meio desta, foi verificado como a distribuição de deslocamentos e esforços, na fundação, bem como o comportamento do maciço são influenciados pelo diâmetro e comprimento da estaca, pela inserção de um bloco, de diferentes geometrias, e a utilização dos modelos constitutivos Mohr Coulomb, Hardening Soil e Hardening Soil Small. Devido à capacidade do modelo Structured Sub-Loading Cam Clay de representar o comportamento dos solos tropicais de Brasília, o mesmo foi implementado como user-defined model, no Plaxis, para uso na análise numérica do problema aqui apresentado. Após implementação, o funcionamento do modelo foi verificado por meio da simulação de ensaios triaxiais drenados com consolidação anisotrópica (q/p=0,3) de amostras da argila porosa de Brasília. Os resultados foram comparados com os obtidos pela aplicação dos modelos propostos e com resultados experimentais. Neste contexto, o presente trabalho permitiu definir uma metodologia para modelagem numérica, pelo MEF, de um sistema eólico assente em um perfil de solo tropical, a previsão dos parâmetros a serem observados em análises mais complexas e a viabilização do uso de um modelo constitutivo que permite uma simulação mais realista do comportamento de solos tropicais estruturadosCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The construction of wind turbine systems for obtaining wind energyhas been growing exponentially. This has encouraged studies for the construction of efficient systems and feasibleforinstallation in regions with adverse wind conditions. In this context, this work aims to analyze the soil-structure behavior of wind systems installed in tropical regions, usingthe three-dimensional finite element method(MEF)(Plaxis 3D software). For thispurpose, the windturbineprototype EOL20 was considered, installed in the Infrastructure Laboratoryof the University of Brasilia, as part of the"Optimization of the MeteorologicalModel BRAMS, with Experimental Validation to Support the Enhancement of Wind Systems Models”project. The system is composed of a single pile foundation laid on thetropical soil profileofBrasilia. The soil-structure interactionwas modeled for static horizontal loading condition, verifyingthe behavior without operation.To analyzethe influence of the geometric parametersand the type of constitutivesoilmodel, aparametric analysis was performed. The displacements and forces distributionsalong the pilewere obtained,as well as the behavior of the soil mass influenced by:the diameter and the relative length of the pile, the insertion of a block of different geometries and the use of Mohr Coulomb, Hardening Soil and Hardening Soil Small models. Due to the capacity of the Structured Sub-LoadingCam Clay model to represent the behavior of structuredsoils, it was implementedas user-definedmodel in Plaxis,for use in the numerical analysis of the problempresented herein. After that, the constitutive model was verified by the simulation of adrained triaxial tests withanisotropic consolidation (q/p=0.3)performed with the porous clay of Brasilia.The results were compared with those obtained by the otherproposed constitutive models and with experimental results, demonstrating its functionality. In this context, the present work allowedthe definition of a methodology for numerical modeling,byMEF,of a wind turbine systemon a tropical soil profile, the prediction of parameters to be observed in more complex analyses and the feasibility of using a constitutive modelthat allows a more realistic simulation of the behavior of structured tropical soils

Fundações por gravidade para aerogeradores offshore – estudo de viabilidade para São Pedro de Muel

A crescente aposta em fontes energéticas renováveis e alternativas motiva o desenvolvimento de novos métodos e técnicas de aproveitamento energético. Como tal, novas estruturas de geração de energia são criadas e/ou melhoradas. A energia eólica offshore, em particular, foi alvo de estudo nesta dissertação, pelo seu carácter inovador e de aplicação incipiente em Portugal, que conta apenas com o projecto Demogravi3® da EDP®. O foco principal da dissertação são as fundações dos aerogeradores, cuja aplicabilidade é função das características batimétricas, climatéricas e do solo de fundação. O estudo incide sobre as fundações por gravidade, aplicáveis a batimetrias superiores a 30 m, acompanhando assim a motivação nacional em aproveitar este recurso a uma distância confortável da costa portuguesa. Avalia-se a capacidade de um solo marinho ao largo de S. Pedro de Muel, na costa oeste portuguesa, em acomodar a instalação de um aerogerador com fundação por gravidade nas batimétricas de 50 m. Procede-se, primeiramente, a uma caracterização física e mecânica da área em estudo. Em seguida, com a quantificação das cargas às quais o aerogerador vai estar submetido e que serão transmitidas ao solo marinho, realiza-se uma modelação tridimensional com recurso ao software open-source Salome-Meca, que utiliza o Método dos Elementos Finitos. Analisam-se neste programa a distribuição de tensões, os assentamentos totais e diferenciais, bem como a plastificação do solo de fundação. Analiticamente, complementando e validando os resultados da modelação, avaliaram-se os assentamentos, tombamento da estrutura, resistência do solo ao carregamento e ao deslizamento do aerogerador. Conclui-se que, para o material arenoso e cascalhento que constitui o solo em estudo, há viabilidade de instalação do aerogerador com uma margem de segurança alta no que diz respeito à capacidade portante e à resistência ao deslizamento e também aos outros tipos de instabilização mencionados

Contribuição ao projeto de fundações superficiais de aerogeradores assentes nas areias de dunas do litoral Cearense

This paper assesses the design methodologies for shallow foundations of wind generators founded in sand dunes. It derives its data from the study of a case history located in the sea front area of the Ceará State. The described research initially characterized the local wind regime, with subsequent analyses of structural instrumentation at field and small scale tests in wind tunnel. The soil at foundation level was fully characterized in laboratory by general geotechnical tests, together with oedometric and direct shear ones. Standard penetration tests were carried out on site, with energy and torque measurements, besides prebored pressuremeter tests. The foundation loads from the studied wind generator were estimated and compared by distinct theoretical approaches. Methodologies to derive the foundation´s vibration were also employed and compared. The obtained range of variation of the foundation´s vibration frequency was large, but without any resonance. It was also noticed that the decrease of the maximum operation velocity of the wind generator would allow for a considerable reduction on the foundation costs.O artigo avalia metodologias de projeto de fundações superficiais de aerogeradores assentes em areia de duna, a partir do estudo de caso de um aerogerador localizado no litoral cearense. Para isso, os ventos locais são inicialmente caracterizados. Em seguida, realiza-se, em campo, um monitoramento estrutural e um modelo reduzido é ensaiado em túnel de vento. O solo de apoio das fundações é caracterizado em laboratório por ensaios básicos, oedométricos e de cisalhamento direto. Em campo, realizam-se sondagens à percussão, com medida de energia e torque e ensaios pressiométricos. Esforços nas fundações do aerogerador estudado, estimados de diferentes formas, são comparados. Metodologias utilizadas para estimar a vibração da fundação são avaliadas. A faixa de variação da frequência de vibração obtida foi ampla, no entanto, observou-se a ausência de ressonância. Foi observado que a redução da velocidade máxima de operação do aerogerador proporcionaria considerável redução de custos de sua fundação

Estudo de caso sobre fundação de torre eólica do complexo eólico pontal e principais partes da infraestrutura civil

O aumento da implantação de parques eólicos nos últimos 20 anos também acarretou novos desafios no desenvolvimento de soluções para os projetos de fundações de aerogeradores. A construção de aerogeradores em locais onde não existem experiências quanto à natureza do solo e o aumento das cargas atuantes em virtude da magnitude dos equipamentos da supraestrutura constituem um grande desafio para o desenvolvimento de projetos de fundações de aerogeradores. O presente trabalho propõe elencar características fundamentais e peculiaridades do projeto de fundações de um aerogerador, bem como descrever brevemente aspectos sobre a infraestrutura envolvida na implantação de um parque eólico. Apresenta, através de um estudo de caso descritivo sobre fundação para um aerogerador do Complexo Eólico Pontal, situado no município de Viamão/RS, o itinerário de cálculo para o pré-dimensionamento de fundação profunda do tipo hélice continua para um aerogerador terrestre de eixo horizontal, detalhado de acordo com a sua capacidade de carga, características e especificações. No pré-dimensionamento é calculada a capacidade de carga a compressão e tração pelo método semi-empírico de AokiVelloso e Décourt-Quaresma. A capacidade de carga lateral é determinada pelos métodos de Broms e mola. Também é feito o dimensionamento das estacas do ponto de vista estrutural, levando em consideração os esforços de compressão, tração e momentos fletores. Ainda são calculados o recalque vertical, recalque diferencial, deslocamento horizontal. No pré-dimensionamento é incluído o comportamento e as solicitações quando aos efeitos cíclicos. No estudo de caso são realizadas as verificações necessárias para garantir a segurança estrutural e geotécnica da solução de fundação apresentada. Além das cargas fornecidas pelo fabricante é levado em consideração o peso do bloco de coroamento. Além disso, são abordados os principais componentes de infraestrutura civil necessários para a implantação do parque eólico, como estradas e área de patolagem. Também são citados conceitos relevantes a prazos e custos utilizados no desenvolvimento de projetos de parques eólicos.The increase in the deployment of wind farms in the past 20 years has also brought new challenges in the development of solutions for wind turbine foundation projects. The construction of wind turbines in places where there is no experience as to the nature of the soil and the increase in the active loads due to the magnitude of the suprastructure equipment constitute a major challenge for the development of wind turbine foundation projects. The present work proposes to list fundamental characteristics and peculiarities of the foundation design of a wind turbine, as well as to briefly describe aspects about the infrastructure involved in the implantation of a wind farm. It presents, through a descriptive case study on foundation for a wind turbine at the Pontal Wind Farm, located in the municipality of Viamão/RS, the calculation itinerary for the pre-dimensioning of a continuous helix-type deep foundation for a horizontal axis terrestrial wind turbine, detailed according to its load capacity, characteristics and specifications. In the pre-dimensioning, the compression and traction load capacity are calculated using the semi-empirical method of Aoki-Velloso and Décourt-Quaresma. The side load capacity is determined by the Broms and spring methods. The piles are also dimensioned from the structural point of view, taking into account the efforts of compression, traction and bending moments. Vertical settlement, differential settlement, horizontal displacement are also calculated. Pre-dimensioning includes behavior and requests regarding cyclical effects. In the case study, the necessary checks are carried out to guarantee the structural and geotechnical safety of the presented foundation solution. In addition to the loads provided by the manufacturer, the weight of the crowning block is taken into account. In addition, the main components of civil infrastructure necessary for the implantation of the wind farm are addressed, such as roads and the crane pad. Also relevant are cited concepts related to terms and costs used in the development of wind farm projects

Sistemas estruturais para torres eólicas

A produção da energia eólica tem vindo a subir exponencialmente ao longo dos anos em todo o mundo, devido ser a energia renovável com menor impacto ambiental. Para tal são necessárias torres eólicas de altura elevada que suportam os geradores, dependendo de diversos parâmetros como a altura da torre, local de implantação (onshore ou offshore) e tipo de sistemas estruturais a utilizar. Esta dissertação tem como intuito avaliar qual o sistema estrutural mais adequado para diferentes alturas, ambientes distintos (terra e mar) e tipo de material. As ações impostas nas torres no seu dimensionamento foram a ação do vento, a ação da onda do mar e a ação sísmica. O processo de dimensionamento foi desenvolvido no programa Microsoft Excel, respeitando sempre os pressupostos expostos nos Eurocódigos e RSA. Quanto à modelação das torres, foi adotada uma geometria definida pelo autor, de modo a que cada uma verificasse a segurança. A modelação das 20 torres foi feita no programa de cálculo SAP2000 - Structural Analysis Program. Depois de cada torre ter sido modelada e dimensionada, passou-se à fase da análise e comparação entre elas, diferenciando estas pelo local em que estão colocadas, chegando assim a uma conclusão de qual o sistema estrutural mais vantajoso de ser contruído tanto a nível económico como estrutural nos dois meios distintos. Concluiu-se que nas torres onshore, as torres treliçadas de aço são mais vantajosas para uma construção com alturas superiores aos 100 metros enquanto as torres tubulares em aço são mais vantajosas abaixo dessa mesma altura, pois são mais económicas do que as de betão. Quanto às torres offshore, apenas as torres tubulares de aço são as mais indicadas, independentemente da sua altura.Throughout the years the production of energy provided by wind has risen substantially, due to the fact that it is the renewable energy with less environmental impact. For this, wind towers with considerable height that can withstand the generators are necessary, depending on diverse factors such as the height of the towers, the place of implementation (onshore or offshore) and the type of structural systems used. This dissertation has the intention of evaluating which structural system is the most appropriate for different heights, distinct environments (land and sea) and types of material. The loads imposed on the towers during the design were the wind load, wave load and seismic load. The design process was developed on Microsoft Excel, always respecting and taking into account the rules established by the Eurocodes and RSA. The model of the towers, a geometry defined by the author was adopted, so that each one verified its safety. The modelling of the 20 towers was developed on the software SAP2000 – Structural Analysis Program. After each tower being modelled and designed, the analysis and comparison phase between them started, comparing them by their area where they were placed, arriving then at a conclusion of which structural system had more advantages of being constructed both economically and structurally in the two different environments. It was concluded that in the onshore towers, the lattice tower is more advantageous for a construction higher than 100 meters while the tubular towers in steel are more advantageous for constructions lower than 100 meters, as they are more economical than the concrete towers. In relation to the offshore towers, only the tubular towers are the most appropriate, whatever their height may be

A análise de vibrações como ferramenta para a melhoria da manutenção em aerogeradores

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia MecânicaO presente estudo constitui uma dissertação para a obtenção do Grau de Doutoramento em Engenharia Mecânica. O seu principal objetivo foi analisar as vibrações para compreender o modo como uma ferramenta deste tipo pode contribuir para uma melhoria em termos de manutenção em aerogeradores de parques eólicos, otimizando a manutenção destes equipamentos, pela redução das perdas de produção de energia e dos custos finais de manutenção. A investigação procurou igualmente identificar as principais fontes de vibrações transmitidas ao sistema e à sua estrutura, de forma a compreender o comportamento à fadiga dos componentes mecânicos de geradores eólicos. Através deste estudo, a manutenção pode ser planeada num formato mais eficiente, podendo também os aerogeradores já existentes obterem melhorias significativas através da utilização de um novo modelo de manutenção em aerogeradores, recorrendo não só às vibrações, mas também às análises de óleos, à termografia e à endoscopia. Através destas ferramentas e analisando o histórico de avarias, será possível detetar a falha numa fase inicial, conhecer a sua origem e calcular aproximadamente o seu tempo de vida. O acompanhamento das avarias registadas possibilitou a sua catalogação com vista à criação de uma base de dados referente ao parque eólico nacional e foi possível quantificar a contribuição para as avarias mecânicas precoces, através das vibrações sentidas na torre pela influência da força “vento”, mediante a instalação de sensores de baixa frequência nas três plataformas interiores da torre. A manutenção condicionada baseada nas vibrações é uma ferramenta deveras importante, o mesmo sucedendo com a utilização de novos materiais, incluindo lubrificantes e componentes mecânicos

Aspectos técnicos e económicos do projecto de centrais eólicas de baixa potência instalada em Espanha

Estágio realizado na INDER GLOBAL GaliciaTese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Energia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

Tipificação de fundações de torres eólicas em parques industriais, para diversos tipos de solos

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de EdificaçõesAs energias renováveis têm vindo nos últimos anos a tornar-se a principal alternativa à produção de electricidade a partir dos combustíveis fósseis. Os Estados Unidos, a China e também alguns países da Europa, ao adoptarem a produção eólica, têm contribuído significativamente para a redução da emissão de gases com efeito de estufa, além de desenvolverem tecnologias que permitem aproveitar o potencial que as energias renováveis têm para oferecer. Uma das energias renováveis com maior aproveitamento é a energia eólica, um dos focos principais desta dissertação. Em Portugal, dado o território ter condições geográficas propícias ao uso da energia eólica, tem-se registado um aumento significativo no seu aproveitamento. Esta dissertação vai abordar as torres dos aerogeradores que transformam a energia eólica em energia eléctrica, mais particularmente as fundações que as suportam. No campo da Engenharia Civil, as f undações das torres eólicas constituem um elemento fundamental das estruturas que suportam, pois transmitem ao solo os esforços induzidos pela força do vento, por outras acções e pelo peso da estrutura e dos equipamentos. Os solos não possuem características uniformes, tanto à superfície como em profundidade, por isso é relevante observar o comportamento de um conjunto de solos com características diferentes entre si face aos esforços a que as torres eólicas estão sujeitas. Nesta dissertação foi efectuado um pré-dimensionamento de fundações de torres eólicas para diferentes tipos de solos tendo sido apresentadas as armaduras em aço no betão armado que a fundação de uma torre eólica deve possuir para que os requisitos estruturais de segurança sejam cumpridos, bem como os assentamentos provocados em cada solo. Uma ferramenta informática essencial para a realização desta dissertação foi o software SAP2000 a partir do qual se modelaram dois tipos de fundações (uma directa e outra indirecta) para se simularem as acções a que as torres estão sujeitas e para determinar os esforços em cada um dos distintos tipos de solos considerados. A partir das informações resultantes das análises realizadas por este software será possível observar quais os parâmetros resistentes do solo com mais relevância para ser feita uma avaliação qualitativa em relação ao conjunto de amostras que constituirão uma colectânea. Essa tipificação terá como objectivo consultar de forma expedita os resultados relacionados com os esforços nas fundações resultantes da acção do vento, peso da estrutura e peso dos equipamentos, ao mesmo tempo que são observadas as características físicas de cada tipo de solo. As simulações serão realizadas a partir de fundações cujas dimensões são as mesmas de caso para caso – só os parâmetros resistentes do solo variam – de forma a poder ser feita uma comparação em relação à quantidade de armaduras para resistir aos esforços em cada situação simulada. Será ainda apresentado um guia de procedimentos de aplicação do programa SAP2000 ao prédimensionamento das fundações das torres eólicas para diferentes tipos de solos.Abstract: In recent years, the renewables energies have become the main alternative to electricity production from fossil fuels. The United States, China and also some European countries have contributed significantly to the reduction of greenhouse gases emission, in addition to developing technologies that enable the exploitation of the potential that renewable energies have to offer. One of the most relevant renewable energy is the wind energy, the major focus of this dissertation. In Portugal, given the territory have favorable geographical conditions to the use of wind energy, there has been an increase in its use. This dissertation will address the towers of wind turbines that turn wind energy into electrical energy, more particularly the foundations which support them. In Civil Engineering, foundations are a key element of the structures which underpin because they serve to transmit to the soil the received efforts driven by the wind force and weight of the equipment. Soils do not have uniform characteristics, both in surface as in depth, so it is important to observe the behavior of a series of soils with different characteristics compared to the efforts that wind towers are subject ed to. In this dissertation a pre-sizing of wind towers foundations for different soil types was made and it has been presented the reinforcement, which the reinforced concrete of a wind tower foundation must have for the structural safety requirements are met, as well as the settlements caused in each soil. An essential tool for the realization of this dissertation was the SAP2000, a software from which two types of foundations (one direct and one indirect) were modeled to simulate the actions that the towers are subject to and to determine the efforts in each of several soil types considered. Based on information from the analysis performed by this software it will be possible to observe which resisting soil parameters are most relevant for a qualitative evaluation to be made, related to the set of samples that constitute a collection. That classification has the purpose to consult expeditiously the results related to the efforts in the foundations resulting from the action of wind, weight of the structure and weight of the equipment, while the physical characteristics of each soil type are observed. The simulations will be performed from foundations whose dimensions are the same from case to case – only the resistant soil parameters vary – so a comparison related to the amount of reinforcement in order to resist the efforts at each simulated situation can be made. Will be presented a guide with application procedures of the SAP2000 program to the pre-sizing of the wind towers foundations for different soil types