Comportamento estrutural da torre de aço e de concreto sob a ação da velocidade básica do vento da

Esta seção busca analisar o comportamento estrutural dos modelos das estruturas de sustentação desenvolvidos neste trabalho, sob a ação da velocidade básica do vento. A velocidade básica é a velocidade de uma rajada de três segundos de duração, excedida em média uma vez em 50 anos, a dez metros acima do terreno, em campo aberto e plano. Esta velocidade é obtida no gráfico das isopletas da velocidade básica, conforme a Figura 51. Como regra geral é admitida que o vento pudesse soprar de qualquer direção horizontal (BLESSMANN, 1989; ALMEIDA e VIDOTO, 2013).

Figura 51 - Isopletas da velocidade básica do vento, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1988).

De acordo com o gráfico das isopletas, a velocidade básica do vento obtida para a o estado de Pernambuco a dez metros é de 35 m/s.

Como o aerogerador empregado neste trabalho é de uma altura de 80 m, a velocidade básica do vento no cubo do rotor será extrapolada de 10 m para 80 m de altura. O modelo exponencial de cisalhamento do vento, conforme mostrado na Equação 2.25, será utilizado para estimar esta velocidade na altura desejada.

Utilizando-se a Equação 2.25, obteve-se uma velocidade básica do vento de 53 m/s a 80 m de altura. Para o cálculo dos carregamentos atuantes no modelo do aerogerador o campo

incidente da velocidade básica do vento extrapolada ao cubo do rotor é gerado no código aeroelástico GL Bladed.

Em seguida, a ação da velocidade básica do vento na região de interesse sobre o aerogerador é simulada considerando o rotor em estado estacionário, de modo a obter as forças e momentos tridimensionais transmitidos para a torre.

A Figura 52 mostra a série temporal da velocidade básica do vento incidente no cubo do rotor do aerogerador em regime estacionário.

Figura 52 - A série temporal da velocidade básica do vento incidente no cubo do rotor do aerogerador.

A Figura 53 e Figura 54 mostram os Momentos (Mx; My; Mz) e as Forças (Fx; Fy; Fz) transmitidas para a torre devida à ação da velocidade básica do vento sobre o aerogerador em regime estacionário. Tempo (s) Velo cid ad e d e v en to ( m /s )

Figura 53 - Os Momentos (Mx; My; Mz) transmitidas à torre devidos à ação da velocidade básica do vento sobre o aerogerador em regime estacionário.

Figura 54 - As Forças (Mx; My; Mz) transmitidas à torre devidas à ação da velocidade básica do vento sobre o aerogerador em regime estacionário.

A Tabela 7 mostra os valores máximos das forças e momentos tridimensionais transmitidos para a torre eólica em regime estacionário a velocidade quando submetida à velocidade básica do vento da região de estudo.

Tower Mx Tower My Tower Mz [ Nm] B la d e d E d u c a tio n a l - L ic e n s e d to : Un iv e rs id a d e F e d e ra l d e P e rn a m b u c o Time [s] -2000000 -4000000 -6000000 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 0 10 20 30 40 50 60 Tower Mx  Tower My  Tower Mz Tempo (s) Nm Tempo (s) [N] Tower Fx  Tower Fy  Tower Fz

Tabela 7 - Os valores máximos das forças e momentos tridimensionais transmitidos para a torre eólica em regime estacionário a velocidade quando submetida à velocidade básica do vento da região de estudo.

Cenário Fx (N) Fy (N) Fz (N) Mx (Nm) My (Nm) Mz (Nm)

Estado

Estacionário 198398 60962,7 -2320000 4020000 12000000 172970

O software COMSOL Multiphysics foi alimentado com essas forças e momentos tridimensionais de modo a verificar as tensões e deslocamentos resultantes nas torres de aço e de concreto armado.

As Figura 55 e Figura 56 mostram as tensões de Von Mises observadas nas torres de aço e de concreto, respectivamente, quando sujeitas à ação da velocidade básica do vento da região de interesse.

Figura 55 - As tensões de Von Mises na torre de aço para o regime estacionário do aerogerador sob a ação da velocidade básica do vento na região de estudo.

Figura 56 - As tensões de Von Mises na torre de concreto para o regime estacionário do aerogerador sob a ação da velocidade básica do vento na região de estudo.

A Tabela 8 mostra os resultados das tensões máximas de Von Mises da torre de aço e de concreto e os deslocamentos associados, sob a ação da velocidade básica do vento em regime estacionário.

Tabela 8 - Os resultados das tensões máximas de Von Mises da torre de aço e de concreto e os deslocamentos associados sob a ação da velocidade básica do vento em regime estacionário.

Torre de aço Torre de concreto

Regime Tensão máx. de von Mises (MPa) Deslocamento máximo (cm) Tensão máx. de von Mises (MPa) Deslocamento máximo (cm) Regime estacionário 75,9 17,3 24 31,30

De acordo com os resultados obtidos, o deslocamento máximo observado na torre de aço (17,3 cm) se encontrou abaixo do valor calculado pelo código ACI 307-98 (26,6 cm). Porém, o deslocamento máximo observado na torre de concreto armado (31,30 cm) excedeu o valor calculado pelo código ACI 307-98 (26,6 cm).

Por outro lado, observa-se que para está condição a tensão máxima de von-Mises sofridas pelas torres de aço e de concreto armado ( conforme mostrado na Tabela 8) não atingiu o valor das suas respectivas tensões de cálculo. Isto mostra que os modelos da torre de aço e de concreto em regime estacionário resistiriam à ação da velocidade do vento básico na região de interesse.

Destaca-se a importância da proposta deste trabalho para a verificação do comportamento estrutural de componentes de aerogerados, onde horas de engenharia em projetos e condições climáticas similares poderão ser poupados, pois se pode prever situações favoráveis ou não mesmo antes da construção da máquina, assim economizando gastos desnecessários e possibilitando mudanças na estrutura mesmo antes da sua construção.

5 Conclusões e Recomendações

Este trabalho objetivou apresentar uma metodologia para investigar o comportamento estrutural de componentes de aerogeradores. O aerogerador empregado é um modelo do tipo Velocidade Varável Pitch Variável de 2 MW disponível no programa GL Bladed que contém propriedades distribuídas para as pás e a torre como também modelos para a nacele e as dinâmicas do eixo de transmissão.

Utilizou-se o banco de dados eólicos oriundo do projeto PILACAS (PIloto de um LAboratório em campo aberto para Certificação de Aerogeradores de pequeno porte) para caracterizar o regime de vento característico do local de instalação do aerogerador. Realizou- se simulações dinâmicas, pelo código aeroelástico GL Bladed, dos estados operacionais (operação normal, partida, parada normal, parada de emergência) e não operacionais (estado ocioso, estado estacionário) do aerogerador para obter as forças e momentos tridimensionais sofridos pela torre do aerogerador em cada situação.

Uma análise pelo método de elementos finitos foi realizada para avaliar o comportamento estrutural de torres eólicas de aço e de concreto. O aerogerador empregado para esta dissertação foi reproduzido em 3D pelo uso de uma ferramenta de CAD (SolidWorks). Um modelo foi projetado para a torre de aço e outro para a torre de concreto, os quais foram exportados à ferramenta de elementos finitos.

Alimentou-se a ferramenta de elementos finitos (COMSOL Multiphysics) pelos piores cenários de forças e momentos tridimensionais sofridos pela torre obtidos a partir das simulações dinâmicas dos estados operacionais e não operacionais do aerogerador.

Observaram-se concentrações de tensões nas regiões de descontinuidade geométricas da estrutura das torres. Por outro lado, os deslocamentos máximos obtidos para as torres foram analisados para verificar o aspecto da flexibilidade da estrutura de sustentação.

Observa-se que para todas as condições simuladas nenhum dos valores das tensões máximas de Von Mises sofridas pelas torres de aço e de concreto atingiu o valor das suas respectivas tensões de cálculo. Isto mostra que tanto o modelo da torre de aço quanto ao de concreto resistem ao pior cenário de forças e momentos tridimensionais por elas sofridas nas diversas situações operacionais e não operacionais consideradas. Isto mostra que tanto o modelo da torre de aço quanto ao de concreto resistem ao pior cenário de forças e momentos

tridimensionais por elas sofridas nas diversas situações operacionais e não operacionais. Para isso foram utilizadas ferramentas computacionais de engenharia com recursos gráficos que auxiliam o entendimento dos resultados.

Analisou-se o comportamento estrutural dos modelos das torres de aço e de concreto armado em regime estacionário, sob a ação da velocidade básica do vento. De acordo com os resultados obtidos, o deslocamento máximo observado na torre de aço (17,3 cm) se encontrou abaixo do valor calculado pelo código ACI 307-98 (26,6 cm). Porém, o deslocamento máximo observado na torre de concreto armado (31,30 cm) excedeu o valor calculado pelo código ACI 307-98 (26,6 cm). Para está condição nenhum dos valores de tensões máximas de Von-Mises sofridas pelas torres de aço e de concreto armado atingiu o valor das suas respectivas tensões de cálculo. Isto mostra que os modelos da torre de aço e de concreto em regime estacionário resistiriam à ação da velocidade do vento básico na região de interesse.

Destaca-se a importância da proposta deste trabalho, pois se pode aplicar a metodologia para outros componentes que constituem o aerogerador. Assim é possível prever situações favoráveis ou não mesmo antes da construção da máquina, assim economizando gastos desnecessários e tempo, o que possibilita mudanças na estrutura mesmo antes da sua construção.

Como sugestão para trabalhos futuros, recomenda-se que a metodologia seja aplicada para outros componentes que constituem o aerogerador. Sugere-se também a consideração dos custos dos materiais e de fabricação dos componentes. Um refinamento da malha apenas na região da porta poderia ser realizado para analisar a concentração de tensões nestes locais críticos. Recomenda-se testar outras posições da porta na torre. O concreto armado é um material compósito composto de concreto e aço. Uma sugestão de trabalho a seguir seria a implementação das propriedades mecânicas mais realistas deste material, a fim de levar em conta o comportamento mais complexo do material nas simulações numéricas. Outro critério de falha poderia também ser investigado para a torre de concreto, já que o material é composto de material frágil (o concreto) reforçado por material dúctil (o aço). Enfim, sugere- se realizar análises levando em conta a interação fluído-estrutura como também a análise das tensões de tração para o concreto armado.

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ANEXO A PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA

A Figura 57 mostra a turbina eólica e seus principais componentes.