Tese de mestrado. Estruturas de Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Estágio realizado na Martifer Energy Systems e orientado pelo Eng.º Eduardo Ribeiro / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The increasing demand for electricity required by individual and industrial consumers brings back the issues related to the exhaustion of the exiting fossil energy sources and leads to the evident needs for investments in research topics that focus on improving, developing available renew able energy sources or even creating some novel energy renewable alternatives.One of the alternatives to deal with this problem is the utilization of the wind power. The transformation of the wind forces into electrical energy is made by wind turbines supporter by steel towers.The present dissertation investigates and analysed a typical wind tower created to support a Repower MM92 wind turbine aiming to better understand its structural response. Initially a suggestion for a w ind tower structural design based on the Eurocode 3 recommendations is presented and discussed. The developed numerical model was conceived based on finite element simulation performed with the aid of the Ansys Program. The numerical model is capable of accurately reproduce the wind tower structural response when subjected to the load action imposed by the wind forces acting on the wind blades. The developed numerical model was created using shell finite elements and considers geometrical and material non-linearities.The present investigation also contemplated a dynam ical analysis aiming to evaluated the natural frequencies and associated vibration modes (modal analysis) as well as a transient harmonic analysis to evaluate the wind tower dynamic response along the time domain. The dynamical results indicated that its significan t influence on the wind tower structural response. This conclusion indicates that if only a static design is made he wind tower safety could not be warranted and couldlead to possible wind related accidents. The developed non-linear analysis enable to determine that on of the wind tower ultimate limit states is associated to the lo cal buckling of the wind tower wall, under compressive forces, and its effects must be c onsidered on the tower structural design. / O aumento do consumo de energia para atender às necessidades da população e das indústrias, trás a tona uma problemática lógica que se refere ao esgotamento das atuais fontes de energia, o que evidencia a necessidade de se investir em pesquisas que busquem aprimorar fontes de energia renovável e estudos que apontem para novas formas de capitação de energia.Uma das alternativas de contornar este problema tem sido a utilização da energia oriunda da ação do vento. A transformação da força do vento em energia elétrica é realizada através de torres de aço com turbina eólica. A presente dissertação, visando acrescentar informações no meio técnico-científico sobre o comportamento estrutural de torres de aço p ara suporte de turbinas eólicas, analisou uma torre modelo MM92 da Repower. Inicialmente, foi apresentada uma sugestão para o dimensionamento de uma torre eólica baseada nos preceitos do Eurocode para análise numérica desenvolvida neste trabalho, foi elaborado um modelo de elementos finitos baseado na plataforma A nsys capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento da torre eólica submetida ao carregamento produzido pelo vento nas pás da hélice. O modelo numérico estudado é constituído por elementos finitos de casca e considera os efeitos d as não-linearidades do material e geométrica.Também foi desenvolvido neste trabalho uma análise dinâmica com o objetivo de se avaliar as freqüências naturais, os modos de vibração (análise de autovalores e autovetores) bem como uma análise harmônica e trans iente para verificar a resposta dinâmica da torre no domínio do tempo.O resultado obtido no estudo da parcela dinâmica mostra que a resposta da estrutura pode ser determinante no seu comportament o. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento da torre e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. A análise não-linear efetuada permitiu verificar o fenômeno de flambagem local na parede da torre sujeita a compressão, que deve ser levado em consideração durante a execução do projeto da torre eólica.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The increasing demand for electricity required by individual and industrial consumers brings back the issues related to the exhaustion of the exiting fossil energy sources and leads to the evident needs for investments in research topics that focus on improving, developing available renew able energy sources or even creating some novel energy renewable alternatives.One of the alternatives to deal with this problem is the utilization of the wind power. The transformation of the wind forces into electrical energy is made by wind turbines supporter by steel towers.The present dissertation investigates and analysed a typical wind tower created to support a Repower MM92 wind turbine aiming to better understand its structural response. Initially a suggestion for a w ind tower structural design based on the Eurocode 3 recommendations is presented and discussed. The developed numerical model was conceived based on finite element simulation performed with the aid of the Ansys Program. The numerical model is capable of accurately reproduce the wind tower structural response when subjected to the load action imposed by the wind forces acting on the wind blades. The developed numerical model was created using shell finite elements and considers geometrical and material non-linearities.The present investigation also contemplated a dynam ical analysis aiming to evaluated the natural frequencies and associated vibration modes (modal analysis) as well as a transient harmonic analysis to evaluate the wind tower dynamic response along the time domain. The dynamical results indicated that its significan t influence on the wind tower structural response. This conclusion indicates that if only a static design is made he wind tower safety could not be warranted and couldlead to possible wind related accidents. The developed non-linear analysis enable to determine that on of the wind tower ultimate limit states is associated to the lo cal buckling of the wind tower wall, under compressive forces, and its effects must be c onsidered on the tower structural design. / O aumento do consumo de energia para atender às necessidades da população e das indústrias, trás a tona uma problemática lógica que se refere ao esgotamento das atuais fontes de energia, o que evidencia a necessidade de se investir em pesquisas que busquem aprimorar fontes de energia renovável e estudos que apontem para novas formas de capitação de energia.Uma das alternativas de contornar este problema tem sido a utilização da energia oriunda da ação do vento. A transformação da força do vento em energia elétrica é realizada através de torres de aço com turbina eólica. A presente dissertação, visando acrescentar informações no meio técnico-científico sobre o comportamento estrutural de torres de aço p ara suporte de turbinas eólicas, analisou uma torre modelo MM92 da Repower. Inicialmente, foi apresentada uma sugestão para o dimensionamento de uma torre eólica baseada nos preceitos do Eurocode para análise numérica desenvolvida neste trabalho, foi elaborado um modelo de elementos finitos baseado na plataforma A nsys capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento da torre eólica submetida ao carregamento produzido pelo vento nas pás da hélice. O modelo numérico estudado é constituído por elementos finitos de casca e considera os efeitos d as não-linearidades do material e geométrica.Também foi desenvolvido neste trabalho uma análise dinâmica com o objetivo de se avaliar as freqüências naturais, os modos de vibração (análise de autovalores e autovetores) bem como uma análise harmônica e trans iente para verificar a resposta dinâmica da torre no domínio do tempo.O resultado obtido no estudo da parcela dinâmica mostra que a resposta da estrutura pode ser determinante no seu comportament o. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento da torre e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. A análise não-linear efetuada permitiu verificar o fenômeno de flambagem local na parede da torre sujeita a compressão, que deve ser levado em consideração durante a execução do projeto da torre eólica.

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A excitação se deu por meio de um motor de corrente contínua desbalanceado, localizado no topo da torre. A estrutura analisada é composta por uma coluna metálica com um motor elétrico de corrente contínua desbalanceado e acoplado a um amortecedor do tipo MR-TLCD (Tuned Liquid Column Dampers with magnetorheological). Neste trabalho, foi utilizado um amortecedor semiativo, no qual consiste de um tubo em formato de ‘U’ e utiliza o fluido magneto-reológico, onde este impede o movimento de grandes amplitudes sujeito à ação de forças externas. No MR-TLCD é possível diminuir a energia cinética do fluido através da válvula de controle. O Magneto Reológico, quando submetido a um campo magnético, aumenta significativamente a sua viscosidade aparente. A equação de movimento do sistema acoplado entre a torre, motor elétrico e MRTLCD foi formulado através das equações de Lagrange. Nesta dissertação, apresentam-se as respostas dinâmicas regulares e caóticas de uma torre eólica com um amortecedor do tipo MR-TLCD através do método numérico da dinâmica não linear, utilizando-se da série temporal, do retrato de fase, do espectro de Fourier (FFT) e das curvas de ressonância. Com ensaios experimentais foram obtidos os valores dos parâmetros das configurações físicas e geométricas da estrutura a serem utilizados nas experiências numéricas. / The wind towers are slender structures designed to handle the dynamic effects of wind action. A once excited, the tower can resonate causing rupture and failures in structure, blades and rotors. Besides preventing possible catastrophic failure the damping system could prevent premature fatigue in structural components of the tower between them the rotor and blades. The presence of damping vibration is limited when the system suffer forced vibration approaches of the resonance. In this context was developed a numerical model of a wind tower which determines the response of the structure under a forced excitation. The excitation was done by a dc motor unbalanced situated on the top of the tower. The structure consists of a metallic column with an electric unbalanced dc motor attached to a MR-TLCD damper. This dissertation was presented a Semi-active damper in which consists in U-tube format using magneto rheological fluid (Tuned Liquid Column Dampers with magneto rheological, MR-TLCD). The fluid existing inside the U-tube prevents the movement of large amplitude subject to the actions of external loads. In MR-TLCD is possible to reduce the kinetic energy of the fluid through the control valve. The fluid used in this work, when exposed in a magnetic field significantly increases its apparent viscosity. The motion equation of coupled system between the tower, electric motor and MRTLCD was formulated using the Lagrange equations. This dissertation was presented the regular and chaotic dynamic of a tower using a MR-TLCD damper through the numerical method of nonlinear dynamics, utilizing a time series, phase portrait, Fourier spectrum (FFT) and resonance curves. The characteristic of experimental model was used for developed the numerical model. Also the free vibration tests were utilized for determine the structural parameters of the system.

Orientador: Prof. Dr. João Batista de Aguiar / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2014. / Neste trabalho é desenvolvida a estrutura de uma torre eólica destinada ao território brasileiro em uma montagem com dimensões compatíveis com as realidades técnicas, físico ambientais e sócios econômicas brasileiras. Inicialmente a escolha da potencia eólica é considerada, estudando a mecânica do vento, a influência da topologia, a escolha de materiais disponíveis no Brasil, os processos de fabricação possíveis dentro do território nacional, a escolha de um fabricante de gerador, a escolha de pás ou aerofólios de acordo com a necessidade de projeto. O sistema modular da torre fornece algumas vantagens e benefícios no processo de fabricação, transporte, montagem, manutenção e projeto. No projeto a torre eólica é projetada para dar o máximo de estabilidade em condições extremas. Diferentes critérios de estabilidade são abordados e analisados tanto analiticamente quanto numericamente com a ajuda de diferentes normas (EN, AISC). Para a análise numérica todas as tarefas foram executadas com o pacote de elementos finitos do programa Abaqus¿. O modelo de torre tubular foi primeiramente analisado e verificou-se satisfazer os critérios de estabilidade (flambagem global e a flambagem local). Verificou-se que a torre é segura contra flambagens local e global e permanece estável sob a carga de vento extremo. As metodologias adotadas na concepção da torre eólica buscaram um resultado otimizado com minimização da massa, maximização da rigidez e maximização da frequência natural. Durante a otimização observou-se que o modelo de torre dá um resultado mais econômico se o seu projeto for com espessura variável, módulo a módulo, ou seja, menos material é necessário para a fabricação o qual reduz o custo, porém, o projeto requer a aplicação de amortecedores. Um segundo modelo de torre com espessura constante apesar de usar mais material traz o benefício de não usar amortecedores. / This work addresses the design and analysis of a wind tower destined to the Brazilian territory in an "onshore" assembly, compatible with the physical reality and environmental conditions of Brazilian territory and based in a modular concept. Wind power unit is discussed in the design process from studies of mechanics of wind, influence of topology, choice of materials available in Brazil and manufacturing processes possible within the national territory, leading to the choice of a generator manufacturer, of blades and airfoils according to need for the project. Other issues, such as design of bolt connections plus flanges to assemble the modules are also discussed. The modular system of the tower leads to some advantages and benefits in the manufacturing, transportation, installation, maintenance and design process. In this project the wind tower is first designed to give maximum stability in extreme conditions. Different stability criteria are addressed, both analytically and numerically, with the help of different standards (EN, AISC). Numerical analyses for all tasks were performed with Abaqus¿ finite element package. The tower model satisfied the stability criteria (bending, global buckling and local buckling). The methodologies adopted in the design of the wind tower sought as outcome an optimized, minimum weight, maximum stiffness and higher first natural frequency tower. During the optimization it is observed that the tower model gives a better economical result if variable thicknesses among moduli are allowed, with less need for manufacturing, which reduces material cost. However in this case the project requires the application of dampers. A second tower model with constant thickness even though using more material, has the benefit of dispensing the use of dampers.