TRABALHO Método Numéricos

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Método Numéricos para
Engenharia Civil
Comportamento estrutural de torres de aço para suporte de turbinas eólicas
Professor: Rafael Garcia
Aluno : Alberto dias de araujo
 
Comportamento estrutural de torres de aço para suporte de turbinas eólicas
Motivação
Atualmente existem poucas publicações de trabalho no meio técnico-cientifico sobre o comportamento estrutural das torres eólicas e de resultados esperimentais. A isto soma-se a busca mundial em encontrar novas fontes de energia renovável. Estes aspectos foram as principais motivações para o desenvolvimento deste trabalho. Tradicionamente, as grandes maiorias das investigações concentram-se somente no comportamento aerodinâmico da turbina ou na torre eólica, o que não representa informação necessária para uma análise sobre o comportamento estrutural da torre eólica.
INTRODUÇÃO
O interesse na geração de energia a partir de fontes renováveis tem crescido nas últimas 
décadas devido à preocupação com os impactos ambientais causados pelas formas 
tradicionais de geração de energia, em especial as baseadas no uso de combustíveis fósseis. 
A geração de energia elétrica a partir da força dos ventos teve impulso na década de 
1970, quando a crise internacional do petróleo no Oriente Médio se agravou, viu-se a 
necessidade de novas fontes, economicamente e ambientalmente viáveis. Os Estados Unidos e a Europa foram os primeiros que se interessaram pelo desenvolvimento de fontes alternativas para a produção de energia, buscando atenuar a necessidade do petróleo e carvão mineral. 
Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que 
sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m², a uma altura de 50 metros, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s (Grubb e Meyer, 1993). A velocidade do vento aumenta com a altura. Assim, geradores mais potentes requerem o uso de torres mais altas, tanto para acomodar pás maiores como ter acesso a ventos com maior velocidade, e portanto, mais energia.
A geração de energia eólica está em fase expansão no País, em especial na Região 
Nordeste, com destaque para o Estado do Ceará. De acordo com Feijó (2010), existem dois 
fatores que fazem com que o Ceará esteja recebendo investimentos em energia eólica. O 
primeiro, e certamente o de maior relevância, é a posição geográfica do Estado, possuindo 
uma vasta extensão de litoral com ventos com intensidade favoráveis para esse tipo de 
geração de energia. O segundo é que no período do ano em que os níveis dos reservatórios da Região Nordeste estão baixos é a época em que os ventos são de maiores intensidades. Assim sendo, uma forma de energia complementa a outra. 
Embora seja uma forma de energia limpa e renovável, também há pontos negativos na 
sua implantação que valem ser ressaltados, como a poluição visual, sonora, danos à fauna, ao solo, etc. Alguns destes podem ser contornados ou eliminados com um correto planejamento e o emprego de inovações tecnológicas. 
MODELO DE ANÁLISE ESTRUTURAL 
O objetivo da análise é a determinação das respostas da estruturas às ações externas a que 
esta está submetida. As respostas de interesse incluem deslocamentos, deformações, tensões, esforços, cargas críticas, frequências naturais, etc. Estas respostas são utilizadas para a verificação da adequação do projeto da estrutura com respeito a resistência, rigidez e estabilidade. Portanto, o uso de uma análise adequada é essencial à otimização de estruturas. O modelo mais adequado para a análise estrutural de torres metálicas seria baseado no uso de elementos finitos de casca. Este modelo permitiria representar tanto o comportamento global da torre, como detalhes de aberturas e portas, enrigecedores, flambagem local, etc. Contudo, este modelo tem custo computacional muito elevado para uso em conjunto com técnicas de otimização, sendo mais adequado nas etapas finais de projeto detalhado. 
Neste trabalho, a análise estrutural é realizada através da teoria das vigas. Devido a 
grande relação entre altura e o diâmetro das torres, estas podem ser analisadas de forma mais simples e rápida utilizando modelos unidimensionais baseados na teoria das vigas. Este modelo consegue representar bem o comportamento global da torre, permitindo o cálculo dos deslocamentos e esforços com boa precisão. Assim, esta abordagem tem sido bastante utilizada na otimização de torres de aerogeradores (Feijó, 2010; Lima, 2011). 
	
	 
	 
	 
 
Montagem da Torre
A torre do modelo MM92 da Repower possui um formato de um tronco cônico vazado divido em três partes com a finalidade de facilitar o transporte e a montagem. Assim como o diâmetro interno da torre, a espessura também diminui à medida que se aproxima do topo.
Tabela com os valores do modelo da torre
Análise Estática
Na análise estática considera-se o aço da torre como elástico.
Módulo de Elasticidade: 210GPa 
Coef. de Poisson: 0,3
Densidade: 7850kg/m³
O objetivo da análise estática foi determinar o máximo deslocamento ocorrido na torre eólica provocado por uma carga de vento distribuída na torre, e por uma carga concentrada aplicada no centro do rotor, representando a força resultante do vento atuando nas pás da hélice.
Carga distribuída pelos segmentos da torre devido à ação do vento
	 
 
Análise de flambagem da torre engastada-livre no LISA 8.0
Na análise dinâmica normalmente os efeitos da carga do vento são considerados como única fonte de pertubação dinâmicas. As figuras mostram o comportamento da torre em termos de frequências naturais, não foi considerado a influência da turbina, da hélice e do rotor. As bibliografias consultadas concluem com o estudo que a maior parte destas estruturas de torres eólicas numa análise sísmica, não produz nenhuma resposta crítica. 
 
 
*Apenas o vento aplicado na torre, variando conforme as figuras.
 
*Apenas o vento aplicado na torre, variando conforme as figuras.
 
*Apenas o vento aplicado na torre, variando conforme as figuras.
 
Modelo para a carga variando em cada trecho
Outra análise foi feita para a carga do vento variando entre os nós, mas constante e
distribuída no trecho. Como não há solução analítica simples para esse caso, o lisa 8.0 foi usado para demonstração de dados. No exemplo, usou-se 30 nós. Verifica-se o erro é menor no topo da torre (deslocamento máximo) que próximo à base.
 
As torres suportam o peso dos aerogeradores, incluindo a nacele e as pás. A compressão
devido a estas cargas pode levar a flambagem global da torre de forma similar ao que
acontece como uma coluna (flambagem de Euler).
 
CONCLUSÃO
O método numérico dos elementos finitos demonstrou-se bastante útil e preciso na avaliação do comportamento estrutural da torre eólica estudada. Sua utilização mostrou-se eficaz na previsão das análises estática, dinâmica e não linear quando comparada com resultados experimentais.
As torres foram modeladas como barras engastadas e livres submetidas a cargas de peso próprio, peso dos aerogeradores, força do vento sobre a torre e sobre as pás. 
A formulação desenvolvida para análise da torre e a sua implementação computacional
foram verificadas através da comparação com resultados disponíveis na literatura, soluções
analíticas e soluções computacionais. Verificou-se que o MDF converge rapidamente para a
solução, tanto no caso dos deslocamentos quanto da carga crítica. Os resultados mostraram que uma precisão adequada para fins de engenharia pode ser obtido com um número razoável de divisões (cerca de 30).
A discrepância nos valores se deve, provavelmente, a diferença nas restrições utilizadas, uma vez que nopresente trabalho foram utilizadas restrições baseadas na Resistência dos Materiais. Contudo, a solução obtida no presente trabalho convergiu em poucas iterações e satisfez todas as restrições do modelo de otimização. Portanto, pode-se concluir que esta formulação funcionou de forma adequada, podendo ser refinada em trabalhos futuros com a utilização de restrições de normas técnicas para o projeto de estruturas.
Referências:
• Bzdawka, K. - “Structural Analysis of a Wind Turbine Tower”, Poznań
University of Technology, 2010.
• Sirqueira, A. S., “Comportamento Estrutural de Torres de Aço Para
Suporte de Turbinas Eólicas”, UERJ, 2008.
• Menon, A., “Structural optimization using ansys and regulated
multiquadric response surface model”, University of Texas, 2005.
• Pacheco, M. A. C., “Algoritmos genéticos: princípios e aplicações”,
PUC-RJ, 1999.
• Indu, K. R., Airin, M. G., “Optimization of Tapered Cantilever Beam
Using Genetic Algorithm: Interfacing MATLAB and ANSYS”, IJIRSET,
2015, vol.4.
• A. Gauchía, B.L.; Boada, M.J.L.;V. Díaz “Integration of MATLAB and
ANSYS for Advanced Analysis of Vehicle Structures”, Intech, 2014.
• Santos, N. A. A., “Otimização de Torre de Aço para Aerogerador Eólico”,
UERJ, 2013.