Resposta sísmica em aerogeradores com interação solo-estrutura : modelos numéricos com efeito de absorção de ondas mecânicas e analíticos simplificados

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: FERREIRA, Augusto César Albuquerque
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPE
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Texto Completo: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/35122
Resumo: Números crescentes de turbinas vêm sendo construídas em lugares mais suscetíveis aos abalos sísmicos, assim é natural que cresça a necessidade de investigações adicionais focadas neste sentido. O comportamento estrutural das turbinas eólicas modernas atingiu uma complexidade muito alta e muitos fatores estão envolvidos: esbeltez da estrutura, ambiente com variadas excitações e controles operacionais. Além disso, se um projeto estiver localizado em local com risco sísmico relevante, a turbina deve ser projetada considerando uma probabilidade razoável de ocorrência de terremotos durante o estado operacional ou em um desligamento de emergência. A influência do solo na resposta sísmica de uma turbina eólica pode ser crucial durante a fase do projeto sísmico e precisa ser apropriadamente incluída no modelo computacional. No entanto, as condições de contorno referentes a propagação de ondas mecânicas no solo devido ao abalo sísmico, normalmente, são grosseiramente aproximadas por diversos autores que consideram a ISE (Interação solo-estrutura). A dissipação de ondas em meios infinitos, ao que se chama de condições de radiação de energia no infinito, é algo inexplorado no cenário sísmico em turbinas eólicas. Por isso, o presente trabalho busca obter um modelo numérico por meio de elementos finitos que consiga obter com precisão a resposta dinâmica causada por tremores num aerogerador de grande porte. O modelo inclui a ISE e a consideração do solo como um meio infinito com a utilização de elementos infinitos nas condições de contorno do solo (quiet boundary). Devido ao alto custo computacional neste tipo de abordagem, é extremamente desejável que estruturas deste tipo possam ser analisadas por meio de expressões simplificadas, capazes de fornecer estimativas com relativa acurácia da resposta sísmica. Assim, também é proposto um modelo analítico simplificado, com a consideração da ISE, por meio de um modelo chamado de método da coordenadas generalizadas (MCG). A precisão de tal estratégia é altamente influenciada pela adoção de uma função de forma que retrate com boa aproximação as deformadas modais do aerogerador. Por isso, a novidade surge com o emprego do método da colocação na solução de tais deformadas, onde é considerado toda a complexidade geométrica da turbina, tais como: inércia variável da torre, inércia rotacional do RNA (rotor-nacelle-assembly) e ISE na base da estrutura. O procedimento é extremamente simples, uma vez que utiliza a resolução direta da equação diferencial que governa o problema físico e suas condições de contorno (forma forte). Os resultados indicam uma elevada diminuição na intensidade da resposta sísmica com o efeito de dissipação de onda no modelo numérico. O modelo simplificado proposto não é capaz de considerar tal efeito, porém, pode ter uma boa aproximação em solos com elevada rigidez onde o quiet boundary é desprezado no contorno do solo.
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O comportamento estrutural das turbinas eólicas modernas atingiu uma complexidade muito alta e muitos fatores estão envolvidos: esbeltez da estrutura, ambiente com variadas excitações e controles operacionais. Além disso, se um projeto estiver localizado em local com risco sísmico relevante, a turbina deve ser projetada considerando uma probabilidade razoável de ocorrência de terremotos durante o estado operacional ou em um desligamento de emergência. A influência do solo na resposta sísmica de uma turbina eólica pode ser crucial durante a fase do projeto sísmico e precisa ser apropriadamente incluída no modelo computacional. No entanto, as condições de contorno referentes a propagação de ondas mecânicas no solo devido ao abalo sísmico, normalmente, são grosseiramente aproximadas por diversos autores que consideram a ISE (Interação solo-estrutura). A dissipação de ondas em meios infinitos, ao que se chama de condições de radiação de energia no infinito, é algo inexplorado no cenário sísmico em turbinas eólicas. Por isso, o presente trabalho busca obter um modelo numérico por meio de elementos finitos que consiga obter com precisão a resposta dinâmica causada por tremores num aerogerador de grande porte. O modelo inclui a ISE e a consideração do solo como um meio infinito com a utilização de elementos infinitos nas condições de contorno do solo (quiet boundary). Devido ao alto custo computacional neste tipo de abordagem, é extremamente desejável que estruturas deste tipo possam ser analisadas por meio de expressões simplificadas, capazes de fornecer estimativas com relativa acurácia da resposta sísmica. Assim, também é proposto um modelo analítico simplificado, com a consideração da ISE, por meio de um modelo chamado de método da coordenadas generalizadas (MCG). A precisão de tal estratégia é altamente influenciada pela adoção de uma função de forma que retrate com boa aproximação as deformadas modais do aerogerador. Por isso, a novidade surge com o emprego do método da colocação na solução de tais deformadas, onde é considerado toda a complexidade geométrica da turbina, tais como: inércia variável da torre, inércia rotacional do RNA (rotor-nacelle-assembly) e ISE na base da estrutura. O procedimento é extremamente simples, uma vez que utiliza a resolução direta da equação diferencial que governa o problema físico e suas condições de contorno (forma forte). Os resultados indicam uma elevada diminuição na intensidade da resposta sísmica com o efeito de dissipação de onda no modelo numérico. O modelo simplificado proposto não é capaz de considerar tal efeito, porém, pode ter uma boa aproximação em solos com elevada rigidez onde o quiet boundary é desprezado no contorno do solo.CAPESAn increasing number of turbines have been built in places more sensitive to earthquakes, thus it is natural that grows the need of additional investigations focused in this sense. The structural behavior of modern wind turbines has reached a very high complexity and many factors are involved: the slanderness of the structure, environment with varied excitations and operational controls. Besides that, if a project is located in a local with relevant seismic risk, the turbine should be designed considering a reasonable probability of earthquakes occurrence during the operational state or in an emergency shutdown. The influence of the soil on the seismic response of a wind turbine can be crucial during the seismic project phase and it needs to be appropriately included in the computational model. However, The boundary conditions related to the mechanical waves propagation in the soil due to the earthquake, are usually roughly approximated by several authors who consider the SSI. The dissipation of waves into infinite means is something little explored in the wind turbines scenario. Therefore, the present work seeks to have a robust numerical model via finite elements that can accurately obtain the dynamic response caused by tremors in a large wind turbine. The model includes the relation soil-structure and the consideration of the soil as an infinite mean with the use of infinite elements in the conditions of soil boundary (quiet boundary). Due to the expensive computational cost in this type of approach, it is extremely desirable that structures of this type can be analyzed using simplified expressions capable of providing accurate estimates of the seismic response. Thus, an simplified analytical model is also proposed with the SSI consideration, through a model called generalized coordinate method(GCM). The accuracy of such a strategy is highly influenced by the adoption of a shape function that accurately portrays the modals deformeds of the wind turbine. Therefore, the novelty arises with the use of the Point Collocation Method (PCM) in the solution of such deformed ones, where all the geometrical complexity of the turbine is considered, such as: tower variable inertia, RNA rotational inertia (hub-nacelle-assembly) and SSI in the structure base. The procedure is extremely simple, once it uses the strong shape in the solution of the differential equation. Results indicate a strong decrease in seismic response intensity with wave dissipation effect in a numerical model. The simplified model proposed is unable to consider such effect, however, it may have a good approximation in soils with high rigidity where the quiet boundary is scorned in the soil boundary.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em Engenharia CivilUFPEBrasilAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessEngenharia CivilTurbinas eólicasSolo-estruturaResposta sísmicaElementos finitosMétodo da colocaçãoDinâmica estruturalResposta sísmica em aerogeradores com interação solo-estrutura : modelos numéricos com efeito de absorção de ondas mecânicas e analíticos simplificadosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesismestradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALDISSERTAÇÃO Augusto César Albuquerque Ferreira.pdfDISSERTAÇÃO Augusto César Albuquerque Ferreira.pdfapplication/pdf7912011https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/35122/1/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20Augusto%20C%c3%a9sar%20Albuquerque%20Ferreira.pdf279c6f37b5c36b27564b89c5aa55f2c5MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/35122/2/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/35122/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53TEXTDISSERTAÇÃO Augusto César Albuquerque Ferreira.pdf.txtDISSERTAÇÃO Augusto César Albuquerque Ferreira.pdf.txtExtracted texttext/plain170173https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/35122/4/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20Augusto%20C%c3%a9sar%20Albuquerque%20Ferreira.pdf.txtbf16737f8687cef31055581ea90c461eMD54THUMBNAILDISSERTAÇÃO Augusto César Albuquerque Ferreira.pdf.jpgDISSERTAÇÃO Augusto César Albuquerque Ferreira.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1218https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/35122/5/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20Augusto%20C%c3%a9sar%20Albuquerque%20Ferreira.pdf.jpg2c65f00f48032399437ead8bdd94702eMD55123456789/351222019-11-06 02:15:45.866oai:repositorio.ufpe.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpe.br/oai/requestattena@ufpe.bropendoar:22212019-11-06T05:15:45Repositório Institucional da UFPE - Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)false
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