Silvia Gomes Fernandes Polido Lemos
Título
COMPORTAMENTO DINÂMICO DE FUNDAÇÕES EM MONOPILES DE TURBINAS EÓLICAS OFFSHORE EM AREIAS
Resumo
As turbinas eólicas offshore são estruturas esbeltas sujeitas a carregamentos laterais ambientais e operacionais cíclicos ao longo de sua vida útil, tornando o carregamento cíclico um dos principais direcionadores do projeto. A solução de fundação em monopiles se destaca como o tipo predominante, estando sujeita a limites rigorosos de rotação e deslocamento. As turbinas devem ser projetadas de maneira a garantir que sua frequência natural não esteja próxima das frequências dos carregamentos cíclicos, a fim de minimizar danos por fadiga. Os estudos experimentais disponíveis na literatura, em geral, modelaram carregamentos monotônicos ou cíclicos com um número de ciclos significativamente inferior à vida útil da estrutura, ou apenas em condições 1g, sem modelar adequadamente a tensão no solo, ou se restringiram à modelagem do sistema solo-fundação, excluindo o restante da estrutura da turbina. Nesta tese, o comportamento dinâmico de longo prazo de uma turbina eólica offshore suportada por fundação em monopiles em areia foi investigado através de uma série de ensaios centrífugos. Um dispositivo experimental inédito foi desenvolvido para permitir a modelagem do sistema solo-fundação-turbina com um número significativo de ciclos, controlados em força e frequência. Os ensaios cíclicos até 100.000 ciclos foram do tipo one-way e com magnitudes de carregamento com amplitude constante. Os resultados foram analisados à luz de correlações empíricas para obtenção das variações da rigidez secante cíclica e do deslocamento permanente, bem como por métodos teóricos para determinar a primeira frequência natural de turbinas eólicas offshore. Os resultados indicaram que a rigidez secante aumenta com o número de ciclos com base em funções logarítmica e de potência, cuja taxa de crescimento é influenciada pela magnitude do carregamento. O acúmulo progressivo do deslocamento pode ser estimado com base em uma função de potência, cuja taxa de crescimento é levemente influenciada pela magnitude do carregamento, apresentando redução significativa após 1.000 ciclos. Os resultados permitiram apresentar novas proposições para estimativa da rigidez secante e do deslocamento permanente em função da magnitude do carregamento e do número de ciclos. Os resultados das medidas de frequência natural realizada nos modelos indicaram que a modelagem física em centrífuga permite uma análise mais realista da interação solo-estrutura intensificada pelo peso da turbina. As formulações teóricas simplificadas para estimativa do efeito da interação solo-estrutura se apresentaram como uma boa alternativa para uso nas fases iniciais de projeto. Os resultados de ensaios cíclicos e dinâmicos indicaram que a evolução da frequência natural com o número de ciclos segue uma função de potência, cujo comportamento pode ser explicado pelo modelo bifásico de densificação e convecção. Em síntese, o entendimento aprimorado obtido sobre a dinâmica de fundações em monopiles em areia sob carregamento cíclico proporcionou diretrizes valiosas para o design de turbinas eólicas offshore, fundamental para a viabilidade de projetos em ambientes marítimos desafiadores.
Abstract
Offshore wind turbines are slender structures subject to environmental and operational cyclic lateral loads throughout their lifespan, making cyclic loading one of the main design drivers. The monopile foundation solution stands out as the predominant type, being subject to strict limits on rotation and displacement. Turbines must be designed to ensure that their natural frequency is not close to the frequencies of cyclic loadings to minimize fatigue damage. Generally, the experimental studies available in the literature have modeled monotonic or cyclic loadings with several cycles significantly less than the structure's lifespan, or only under 1g conditions without adequately modeling soil stress, or they restricted to modeling the soil-foundation system, excluding the rest of the turbine structure. In this thesis, the long-term dynamic behavior of an offshore wind turbine supported by a monopile foundation in sand was investigated through a series of centrifuge tests. A novel experimental device was developed to allow the modeling of the soil-foundation-turbine system with a significant number of cycles, controlled in force and frequency. The cyclic tests up to 100.000 cycles were of the one-way type with constant amplitude loading magnitudes. The results were analyzed considering empirical correlations to obtain variations of cyclic secant stiffness and permanent displacement, as well as by theoretical methods to determine the natural frequency of offshore wind turbines. The results indicated that secant stiffness increases with the number of cycles based on logarithmic and power functions, whose growth rate is influenced by the magnitude of the loading. The progressive accumulation of displacement can be estimated based on a power function, whose growth rate is slightly influenced by the loading magnitude and shows a significant reduction after 1.000 cycles. The results provided new propositions for estimating the secant stiffness and permanent displacement as a function of the loading magnitude and cycle number. The results of the natural frequency measurements carried out in the models indicated that physical modeling in a centrifuge allows a more realistic analysis of soil-structure interaction, which is intensified by the turbine weight. Simplified theoretical formulations for estimating the effect of soil-structure interaction proved to be a good alternative for use in the early design stages. The results of cyclic and dynamic tests indicated that the evolution of the natural frequency with the number of cycles follows a power function, whose behavior can be explained by the biphasic densification and convection model. In summary, the enhanced understanding obtained about the dynamics of monopile foundations in sand under cyclic loadings provided valuable guidelines for the design of offshore wind turbines, essential for the viability of projects in challenging maritime environments.
