Prediseño de modelos a escala para el estudio de fenómenos dinámicos de interacción suelo-estructura en aerogeneradores off-shore sobre monopilotes

M´aster Oficial en Eficiencia Energ´etica Trabajo Final de M´aster Predise˜no de modelos a escala para el estudio de fen´omenos din´amicos de interacci´on suelo - estructura en aerogeneradores off-shore sobre monopilotes Autor: Esteban Garc´ıa Mari˜no Tutores: Luis A. Padr´on Hern´andez Juan J. Azn´arez Gonz´alez Las Palmas de Gran Canaria, Julio de 2015 Agradecimientos Me gustar´ıa agradecer sinceramente a mis tutores del Trabajo Final de M´aster, Dr Luis Alberto Padr´on y Dr Juan Jos´e Azn´arez, su esfuerzo y dedicaci´on. Sus conocimientos, su orientaciones, su manera de trabajar, su persistencia, su paciencia y su motivaci´on han sido fundamentales para mi formaci´on. Ellos han inculcado en m´ı un sentido de seriedad, responsabilidad y rigor acad´emico sin los cuales no podr´ıa tener una formaci´on completa. A su manera, han sido capaces de ganarse mi admiraci´on, as´ı como sentirme en deuda con ellos por todo lo recibido durante el periodo de tiempo que ha durado esta investigaci´on. A todo el equipo de medios continuos y estructuras din´amicas del grupo de investigaci´on del SIANI de la Universidad de las Palmas de Gran Canaria por su tiempo y dedicaci´on a Guillermo Alamo Meneses y Jacob David Rodriguez. Sin ellos seguro que no hubiese sido posible. A mi familia fuente de apoyo constante e incondicional en toda mi vida y m´as a´un en mis duros a˜nos de carrera profesional y en especial quiero expresar mi m´as grande agradecimiento a mi madre que sin su ayuda hubiera sido imposible culminar este proyecto. I II ´ Indice de contenidos Abreviaturas V 1. Introducci´on 1 1.1. Desaf´ıo energ´etico actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Necesidad de energ´ıas renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3. Energ´ıa e´olica off-shore en Espa˜na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4. Motivaci´on del trabajo fin de m´aster y objetivos de la investigaci´on . . . . . . . 3 2. Propiedades estructurales de aerogeneradores Off-shore cimentados sobre monopilotes. 5 2.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Terminolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3. Tipos de cimentaci´on en aerogeneradores off-shore . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3.1. Cimentaci´on por monopilote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3.2. Cimentaci´on por gravedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.3. Tripodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.4. Cimentaci´on de caj´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.5. Cimentaci´on Jacket por celos´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.6. Cimentaciones flotantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4. Cargas en aerogeneradores offshore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4.1. Cargas de viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4.2. Cargas actuando en la torre del aerogenerador . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.3. Cargas de las olas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Aerogeneradores estudiados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3. Relaciones de similitud para el dise˜no de modelos a escala de aerogeneradores 17 3.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.1. Leyes de similitud de otras investigaciones . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2. Propuesta para los efectos de interacci´on suelo - estructura en r´egimen el´astico -lineal....................................... 18 3.2.1. Introducci´on de relaciones de similitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2.2. Relaciones de similitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.3. Leyes dimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.4. Relaciones adimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.5. Relaciones estructura - suelo aerogenerador-modelo . . . . . . . . . . . 22 3.3. Revisi´on bibliogr´afica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2. Cimentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.3. Suelo.................................... 24 3.4. Modelo matem´atico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 III ´ INDICE DE CONTENIDOS 3.4.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4.2. Base R´ıgida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4.3. Base flexible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4. Estudio de alternativas para el modelado f´ısico de aerogeneradores a escala 27 4.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2. Alternativas para el material a utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.1. Selecci´on de Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.2. Proporciones geom´etricas del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.2.3. Selecci´on del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3. Dise˜no del sistema estructura-suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3.1. Modelo matem´atico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5. Resultados experimentales preliminares 35 5.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.1.1. Elementos principales de un sistema de adquisici´on de datos . . . . . . 36 5.2. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.2.1. Aceler´ometros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.2.2. Sensor utilizado en el an´alisis modal experimental . . . . . . . . . . . . 39 5.2.3. El hardware de adquisici´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.2.4. Excitador electrodin´amico (Excitador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.3. Modelo a escala utilizado en la investigaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.3.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.3.2. Definici´on de par´ametros de los aerogeneradores utilizados . . . . . . . 45 5.3.3. Experimentos realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.3.4. Test modelo a escala en base fija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.3.5. Test modelo a escala en base flexible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.4. Resultados calculo T/T .............................. 50 5.4.1. Resultados anal´ıticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.4.2. Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6. Conclusiones 51 6.1. Resumen...................................... 51 6.2. Resultados y conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.2.1. Actualizaci´on del modelo anal´ıtico (ajuste de par´ametros) . . . . . . . . 53 6.2.2. Resultados finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.2.3. Comentarios finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Referencias 56 I Ap´endices 57 A. Ap´endice I 59 A.1. Revisi´on bibliogr´afica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 A.2. Relaciones Similitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 A.3. Hoja de c´alculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 B. Ap´endice II 61 B.1. Elecci´on geometr´ıa y material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 IV Abreviaturas Tipografia Romana ASecci´on de la torre Af´ Area del fuste real Ap´ Area proyectada sobre el plano normal en la direcci´on del viento CsVelocidad de propagaci´on de la onda en el terreno ChCoeficiente que depende del peso de la torre CfCoeficiente que depende de la forma de la torre DiDi´ametro inferior de la torre DpDi´ametro del pilote DmDi´ametro medio de la torre DsDi´ametro superior de la torre dwProfundidad del aerogenerador desde el nivel del mar hasta el lecho marino EEModulo de Young de la estructura EsModulo de Young del terreno FDResistencia de la carga ffFrecuencia forzada FhTotal de la carga horizontal actuando en el elemento vertical FTAcci´on del viento sobre el rotor fsFrecuencia de la paso de la pala Fsh Carga del viento sobre la torre frpm Frecuencia de giro del rotor FMInercia de la carga G Modulo de Young del terreno H Altura de la estructura H’ Altura del modelo a escala V ABREVIATURAS HsAltura significante de la ola Hmax Carga m´axima horizontal de la ola IEInercia de la estructura K Rigidez de la estructura KHH Impedancia lateral de la cimentaci´on KRR Impedancia de cabeceo de la cimentaci´on KRH Impedancia cruzada de la cimentaci´on khCoeficiente de permeabilidad horizontal del terreno LwLongitud de la ola m Masa de la g´ondola y palas del aerogenerador mMasa linear superestructura MbMasa de la torre mfMasa total del fuste de la estructura mg+pMasa de la g´ondola y las palas NbNumero de palas del aerogenerador P Equivalente total de la carga horizontal provocada por el viento a una distancia adesde el nivel de la cimentaci´on hasta la turbina. RTRadio del rotor SσRelaci´on entre la velocidad de onda del suelo y las relaciones geom´etricas del aerogenerador real y del modelo a escala de altura SµRelaciona la masa superior del aerogenerador respecto la masa que ocupa el pilote en el terreno junto con la altura de los modelos a escala y real. SµeRelaci´on entre la masa de la g´ondola y las palas respecto la masa densidad del fuste del aerogenerador real respecto el modelo a a escala. TPeriodo de la estructura T Periodo natural de la estructura en base r´ıgida TPeriodo natural de la estructura incluyendo fen´omenos de interacci´on suelo-estructura (SSI) UtDesplazamiento absoluto de la g´ondola es Uwvelocidad inducida por la ola en el agua ˙ UwAceleraci´on inducida por la ola en el agua V1Velocidad del viento en el rotor Vrotor Velocidad de giro del rotor Vwind Velocidad del viento VI ABREVIATURAS z Coordenada vertical Tipograf´ıa Griega ξFactor de amortiguamiento estructura ξ′Coeficiente de amortiguamiento de el modelo a escala ξsFactor de amortiguamiento del suelo λsCoeficiente de la velocidad ratio δt Tiempo de paso de la ola (Periodo) ν′Coeficiente de Poisson µRatio de densidad estructura - suelo µeRatio de la masa del fuste - g´ondola y palas θcMomento en la base del modelo ρDensidad del material ρfDensidad del fuste del modelo real ρ′Densidad del material del modelo a escala ρaDensidad del aire ρsDensidad del terreno real ρ′ sDensidad de la espuma ρwDensidad del agua del mar ψNumero de olas en un metro lineal σRelaci´on que permite anticipar el nivel de interacci´on suelo - estructura. υsCoeficiente de Poisson ωFrecuencia de la estructura ωnFrecuencia natural del aerogenerador ωrFrecuencia de resonancia del aceler´ometro ωwFrecuencia angular de la ola VII 1Introducci´on Figura 1.2: Potencia instalada de energ´ıas renovables 21,331.6(MW) en Europa [22]. instalado m´as de 42,500 MW . Un 40 por ciento de esta nueva capacidad el´ectrica es gracias a la generaci´on e´olica como se muestra en la figura 1.3. Figura 1.3: Generaci´on el´ectrica 2000-2014. [23] En vistas hacia un futuro pr´oximo la generaci´on e´olica offshore aumentar´a de manera exponencial (1.4). Figura 1.4: Potencia acumulado en europa de offshore MW. [23] 1.3 Energ´ıa e´olica off-shore en Espa˜na A final de 2011 hab´ıa en Europa una potencia e´olica off-shore instalada de 3.812,6 MW, liderado por el Reino Unido con 2.093,7 MW (55 %) seguido de Dinamarca con 857,3 MW 2 1.4 Motivaci´on del trabajo fin de m´aster y objetivos de la investigaci´on (23 %). La mayor parte de estos parques e´olicos marinos se encuentran en el Mar del Norte. En total se cuenta a finales de 2011 con 53 Parques E´olicos Marinos (PEM) que constan de 1.371 aerogeneradores y una inversi´on estimada de 11.000 millones de ¿ . En otros pa´ıses fuera de Europa existen planes ambiciosos para la implementaci´on de e´olica marina. Estados Unidos y China, van a tener sus primeros parques e´olicos marinos en los pr´oximos a˜nos. La e´olica marina en Espa˜na est´a a´un en fase de despegue. Algunos de los factores que se detallan a continuaci´on son los que marcan el avance de implantaci´on de esta tecnolog´ıa en nuestro pa´ıs: La regulaci´on nacional que establece el procedimiento de zonas medioambientalmente viables para la construcci´on de los parques e´olicos marinos y otorga los permisos para la construcci´on de los parques. Costes asociados a tecnolog´ıas emergentes o desarrolladas y existencia de un marco retributivo estable que aporte rentabilidad a los proyectos. Desarrollo adecuado de infraestructuras (puertos, carreteras, etc.) e industria (metal, obra civil, etc.) que permita la ejecuci´on de proyectos de gran envergadura. La posibilidad potencial de instalar aerogeneradores off-shore en Espa˜na se muestra acontinuaci´on: 1.4 Motivaci´on del trabajo fin de m´aster y objetivos de la investigaci´on Los aerogeneradores off-shore son una nueva energ´ıa renovable con poco tiempo de puesta en pr´actica, con poco avance en la investigaci´on experimental. El coste de un aerogenerador es tan alto que resulta inviable realizar pruebas con equipos reales (con excepci´on, claro est´a, de aquellos desarrollados e instalados para su explotaci´on). Ser´ıa por lo tanto muy interesante poder construir modelos a escala de bajo coste que permitan estudiar los fen´omenos de interacci´on suelo-estructura. As´ı, los objetivos de este Trabajo Fin de M´aster son: 3 1Introducci´on Recopilaci´on de la mayor cantidad posible de informaci´on disponible en relaci´on con aquellos par´ametros necesarios para el an´alisis de la interacci´on suelo-estructura en aerogeneradores off-shore reales descritos en trabajos t´ecnicos y cient´ıficos disponibles. Propuesta y estudio de posibles relaciones de similitud que puedan utilizarse para la definici´on de modelos a escala de bajo coste utilizables para el estudio de fen´omenos de interacci´on suelo-estructura en aerogeneradores off-shore. En primer lugar, el estudio se ce˜nir´a a la respuesta lineal del sistema, para posteriormente, sobre un fundamento firme, poder pasar a estudiar fen´omenos no lineales. Exploraci´on preliminar de las posibilidades y posibles problemas t´ecnicos a solventar a la hora de materializar un modelo a escala concreto. Figura 1.5: Aerogenerador Lely offshore en la granja eolica de Holanda [12]. 4 Propiedades estructurales de aerogeneradores Off-shore cimentados sobre monopilotes. Cap´ıtulo2 2.1 Introducci´on Los objetivos de este capitulo son: Terminolog´ıa de los aerogeneradores, encontrar diferentes tipos de dise˜nos de cimentaci´on para evaluar su potencial en la utilizaci´on de la investigaci´on y conocer las cargas que soporta un aerogenerador off-shore en su medio de utilizaci´on. 2.2 Terminolog´ıa En el campo de los aerogeneradores off-shore se utiliza la terminolog´ıa que se muestra a continuaci´on (vease la figura 2.1): Figura 2.1: Esquema de las partes de un aerogenerador off-shore aerogeneradores off-shore [15] Cimentaci´on: Componente estructural que se extiende desde el lecho marino hasta el pilar. Torre: Elemento estructural, se extiende desde el nivel del mar hasta la g´ondola de la turbina. 5 2Propiedades estructurales de aerogeneradores Off-shore cimentados sobre monopilotes. Soporte estructura: parte estructural desde el lecho marino hasta la g´ondola de la turbina. La cimentaci´on se toma como un componente aparte. Rotor - g´ondola -ensamblaje: es una la parte del aerogenerador que es soportada por la estructura. Estructura del aerogenerador off-shore: sistema estructural que consisten en el soporte de la estructura y la cimentaci´on. 2.3 Tipos de cimentaci´on en aerogeneradores off-shore En los aerogeneradores off-shore hay diferentes tipos de cimentaci´on como se puede ver en la figura 2.2. (a) Mono-pilote (b) Cimentaci´on por gravedad (c) Tr´ıpodes (d) Jacket (e) Caj´on (f) Cimentaciones flotantes Figura 2.2: Diferentes tipos de cimentaci´on para aerogeneradores off-shore. a: mono-pilote; b: cimentaci´on por gravedad; c: tr´ıpodes; d: jacket; e: Caj´on; f: cimentaciones flotantes [15] Las cimentaciones de pilotes y por gravedad son las mas utilizadas por su tiempo en puesta de obra en la industria del petroleo y gas. 6 2.3 Tipos de cimentaci´on en aerogeneradores off-shore 2.3.1 Cimentaci´on por monopilote Para poder fijar la torre a profundidades de entre 15 y 30 metros, puede que la soluci´on m´as ´optima sea el mono-pilote. Consiste en “clavar” literalmente un pilote en el fondo marino, a unos 10 metros bajo el suelo, sobre el cual se instalar´an los m´odulos de la torre. Esta soluci´on proporciona mucha estabilidad al modelo, pero para grandes alturas de torre se generar´an grandes esfuerzos de flexi´on en la base de la misma. Por ello, cuando la cota superior prevista es demasiado elevada este m´etodo tiende a ser descartado. El material m´as com´un que se utiliza es el acero. Los mono-pilotes sobre todo se utilizan cuando el suelo es blando y cuando tiene grandes cargas aplicadas en la estructura. Estas dos condiciones suelen presentarse en los casos de los aerogeneradores off-shore y el mono-pilote es la opci´on que m´as se suele utilizar. Por esta raz´on este tipo de cimentaci´on ser´a la que se lleve a cabo en la investigaci´on. Figura 2.3: Cimentaci´on por mono-pilote [15] La respuesta al esfuerzo axial en el pilote consiste en dos partes: resistencia del cojinete y la resistencia del eje. La m´axima resistencia del cojinete puede ser evaluada como el producto de los esfuerzos horizontales frente al fallo del eje con sus respectivos coeficientes. Para m´as detalles sobre el dise˜no del mono-pilote en la bibliograf´ıa de [9] y [25] En la figura 2.4 la primera imagen muestra la instalaci´on del martillo que provoca el orificio en el lecho marino a. En la segunda se ve como la transici´on de la instalaci´on, ver figura 2.4 b. Finalmente la torre es levantada sobre toda la estructura como se muestra en la figura 2.4 c. Figura 2.4: Cimentaci´on por monopilote [15] 7 2Propiedades estructurales de aerogeneradores Off-shore cimentados sobre monopilotes. 2.3.1.1 Din´amica estructural de los aerogeneradores off-shore cimentados sobre monopilotes Los aerogeneradores off-shore son altos y pesados, son estructuras esbeltas que se sit´uan en condiciones adversas, provocando que el dise˜no de las cimentaciones sean todo un reto (figura 2.5). Hay diferentes propuestas de cimentaci´on en practica, por ejemplo: los mono-pilotes, cimentaci´on de gravedad, tr´ıpodes, multi-pilotes, ect. Sin embargo, en este Trabajo final de m´aster ´unicamente ser´a estudiada la cimentaci´on mono-pilote debido a la que es la m´as utilizada. El dise˜no de la cimentaci´on es un reto debido a varias cargas din´amicas que se transmiten desde la turbina de la torre hasta la cimentaci´on. Estas cargas consisten en: carga de viento, carga de olas, cargas din´amicas del rotor y efecto del viento en las palas del aerogenerador. Un dise˜no robusto debe asegurar que la frecuencia natural del conjunto del sistema(rotorpala-torre-cimentaci´on) no se aproxima a las frecuencias de las cargas impuestas por el medio ambiente o las frecuencias de las palas/rotor. Un fallo debido a la amplificaci´on de la respuesta din´amica de la estructura provocar´ıa un dominio de las flexiones que comprometer´ıan el funcionamiento de los aerogeneradores. Figura 2.5: Aerogeneradores off-shore [23]. La respuesta din´amica de los aerogeneradores depende de las condiciones de soporte (la rigidez de la cimentaci´on). Esto tambi´en depender´a de la dureza del suelo. Sobre una cantidad moderadamente elevada de las cargas c´ıclicas las propiedades din´amicas de los aerogeneradores pueden cambiar debido a la degradaci´on y densificaci´on del terreno.[26] sugiere un completo an´alisis de la frecuencia natural que tiene que tener la combinaci´on de la estructura de la turbina, torre y mono-pilote. Esto es debido a la verificaci´on de peque˜nas frecuencias que difieren entre un +-10 % del 1P y 3P de las frecuencias naturales nominales del rotor. Las frecuencias producidas por las cargas ambientales y por el aerogenerador se pueden resumir en: Cargas de viento: La frecuencia predominante del viento se asume como 0.1Hz La carga undimotriz: predominantemente la frecuencia se asume como 0.1 Hz La frecuencia del rotor: Para un aerogenerador Syemens 107 con un intervalo de 8.6 – 18.4 rpm la frecuencia se asume entre un rango de 0.14-0.31Hz. La carga del viento sobre las palas en la torre: Cuando las palas pasan la torre, el efecto sombra del viento sobre la torre causa una carga c´ıclica sobre el aerogenerador. Esta frecuencia se puede saber a partir de multiplicar el numero de palas con la frecuencia del 8 2.3 Tipos de cimentaci´on en aerogeneradores off-shore rotor. Estas cargas c´ıclicas de 3P (cuando tiene tres palas para una frecuencia del rotor de 0.23 Hz el pase de la frecuencia del viento sobre las palas lo convierte en 0.69. Se puede observar que dependiendo de el valor de la frecuencia natural del aerogenerador hay tres posibilidades de dise˜no (2.6) 1. Blando-blando: la primera frecuencia natural del aerogenerador es menor que la frecuencia del rotor (1P). La estructura del aerogenerador puede ser muy flexible. 2. Blando-r´ıgido: la primera frecuencia natural del aerogenerador esta entre la primera frecuencia del rotor (1P) y la frecuencia del pase de las palas (3P) 3. R´ıgido-r´ıgido: La primera frecuencia del sistema es mayor que el paso de palas (3P). La estructura del aerogenerador es muy r´ıgida, adem´as ser´ıa muy costoso. Figura 2.6: Alternativas de dise˜no [15] Podemos concluir con la predicci´on de la frecuencia natural es crucial en el dise˜no de los aerogeneradores off-shore. 2.3.2 Cimentaci´on por gravedad Como se muestra en la figura 2.7, la cimentaci´on por gravedad consiste en una amplia estructura que tiene que resistir todo el momento lateral por su propio peso. La base de la estructura de la cimentaci´on por gravedad tiene un rango de di´ametro sobre los 15-30 metros y com´unmente son construidas con hormig´on armado, incluso se llegan a construir de acero en caso de que se necesite una base m´as pesada. Este tipo de cimentaci´on se esta extendiendo en los aerogeneradores onshore. En el caso de los aerogeneradores off-shore, se utiliza ´unicamente en profundidades superficiales siempre y cuando el terreno permita las cargas de la estructura. Para grandes profundidades este tipo de cimentaci´on es realmente caro debido a la gran cantidad de material requerido por el momento provocado por por las cargas sobre el aerogernerador. 9 2Propiedades estructurales de aerogeneradores Off-shore cimentados sobre monopilotes. Figura 2.7: Cimentaci´on por gravedad. [15] 2.3.3 Tripodes Como las aerogeneradores se est´an llevando a profundidades mayores, las cimentaciones por tr´ıpodes esta teniendo mayor atractivo. La estructura de la cimentaci´on por Tr´ıpodes son fabricados de acero. Normalmente tres patas soportan la estructura (ver figura 2.8) ,en este caso son llamados tr´ıpodes, pero se est´an llevando casos a utilizar cuatro pilotes incluso cinco. Son utilizados para profundidades alrededor de 20 - 50 metros de profundidad. Figura 2.8: Cimentaci´on tr´ıpode [15]. 2.3.4 Cimentaci´on de caj´on Las cimentaciones de succi´on por caj´on son un nuevo tipo de cimentaci´on, que esta tendiendo un extendido estudio en la universidad de Oxford, como por ejemplo el trabajo [27]. Las cimentaciones de caj´on son utilizadas en terrenos donde se puede aplicar las bombas de aspiraci´on mejor que los martillos. Estas cimentaciones ayudan al medio ambiente ya que requiere menos tiempo para su instalaci´on. Sin embargo, estas no tienen todav´ıa implantaci´on en los aerogeneradores off-shore. 10 2.3 Tipos de cimentaci´on en aerogeneradores off-shore 2.3.5 Cimentaci´on Jacket por celos´ıa La cimentaci´on por celos´ıa son peque˜nas estructuras jacket similares a las plataformas usadas en los aerogeneradores (ver figura 2.9). La estructura jacket consiste en tres o cuatro patas, las cuales estas conectadas mediante nudos. Estos pilares se instalan en el lecho marino a los pilotes. Este tipo de cimentaci´on se suele utilizar para profundidades alrededor de 20-50 metros. Figura 2.9: Ejemplo de cimentaci´on Jacket [1] 2.3.6 Cimentaciones flotantes Las cimentaciones flotantes fueron las primeras en utilizarse en los aerogeneradores off-shore por las compa˜n´ıas petroleras por su instalaci´on en grandes profundidades. Por ejemplo la plataforma petrol´ıfera Perdido esta anclada a 2.400 metros, la m´as profunda de el mundo. Las cimentaciones flotantes consisten en fijar la estructura mediante tirantes. La compa˜n´ıa petrol´ıfera Norwegian a anunciado un plan para los primeros aerogeneradores off-shore. La estructura sera colocado por medio de tres cadenas al fondo marino (ver figura 2.10) Figura 2.10: Ejemplo de cimentaci´on flotante [20] 11 3Relaciones de similitud para el dise˜no de modelos a escala de aerogeneradores fffrecuencia forzada 3. Sistema din´amico (relaci´on entre la frecuencia forzada y la frecuencia natural del sistema) ff fn (3.3) El estudio de este articulo se centra en el comportamiento del terreno bajo cargas c´ıclicas provocadas por esfuerzos naturales. Las relaciones escogidas para esta investigaci´on son orientadas a cargas din´amicas sobre la estructura que afecten al terreno. Para el estudio de investigaci´on de Domenico Lombardi [9] en el estudio experimental de un modelo a escala las variables escogidas son: El terreno (modulo de Young y coeficiente de permeabilidad ), las cargas aplicadas y las geometr´ıas de los modelos a escala y reales. La propuesta de este Trabajo Final de M´aster es diferente a cualquier investigaci´on que se haya encontrado en la revisi´on bibliogr´afica. El primer objetivo de este apartado es encontrar las leyes de similitud que definan el modelo de aerogenerador a escala para el estudio de fen´omenos din´amicos de interacci´on suelo - estructura sobre mono-pilotes. En los siguientes apartados el objetivo es recopilar toda la informaci´on disponible en relaci´on a los par´ametros necesarios para el an´alisis de la interacci´on suelo - estructura en aerogeneradores off-shore reales descritos en trabajos t´ecnicos y cient´ıficos disponibles. Para acabar proponiendo un modelo a escala en las siguientes secciones de bajo coste utilizable para el estudio de fen´omenos de interacci´on suelo estructura en aerogeneradores off-shore sujeto a las posibles relaciones de similitud para la definici´on del modelo. Realizando una exploraci´on preliminar de las posibilidades y posibles problemas t´ecnicos a solventar a la hora de materializar un modelo a escala concreto. Cumpliendo todos los objetivos podr´ıa construirse un modelo a escala de bajo coste que permitir´ıa estudiar los fen´omenos de interacci´on suelo-estructura. 3.2 Propuesta para los efectos de interacci´on suelo - estructura en r´egimen el´astico - lineal 3.2.1 Introducci´on de relaciones de similitud A trav´es del el teorema de Πde Vaschy-Buckingham, se ha hecho una propuesta de leyes de similitud para la definici´on de un modelo de aerogenerador a escala para estudiar la interacci´on suelo-estructura. El teorema de Πde Vaschy-Buckingham del an´alisis dimensional. El teorema establece que dada una relaci´on f´ısica expresable mediante una ecuaci´on en la que est´an involucradas nmagnitudes f´ısicas o variables, y si dichas variables se expresan en t´erminos de kcantidades f´ısicas dimensionalmente independientes, entonces la ecuaci´on original puede escribirse equivalentemente como una ecuaci´on con una serie de n - k n´umeros adimensionales construidos con las variables originales. Este teorema proporciona un m´etodo de construcci´on de par´ametros adimensionales, incluso cuando la forma de la ecuaci´on es desconocida. De todas formas la elecci´on de par´ametros adimensionales no es ´unica y el teorema no elige cu´ales tienen significado f´ısico. Por lo tanto los par´ametros del aerogenerador que vayamos a utilizar en las relaciones de 18 3.2 Propuesta para los efectos de interacci´on suelo - estructura en r´egimen el´astico - lineal similitud se tienen que adecuar a la interacci´on suelo - estructura en aerogeneradores off-shore sobre mono-pilotes frente a fen´omenos din´amicos. En el capitulo dos y Ap´endice I se realiza la busquedad bibliogr´afica de aerogeneradores reales instalados para definir sus caracter´ısticas y poder utilizarlas en las relaciones de similitud. 3.2.2 Relaciones de similitud Las dimensiones que se utilizan para definir las relaciones de similitud pueden ser cualquiera como se ve en el teorema de Πde Vaschy-Buckingham , para este Trabajo Final de M´aster relacionado con el estudio de los efectos de interacci´on suelo - estructura en r´egimen el´astico - lineal se usan las dimensiones: Geom´etrica del aerogenerador Masa Tiempo Primero se definen las proporciones geom´etricas de la review de los aerogeneradores (v´ease Anexo I) ( H/d, secci´on, L/d),etc.) Para el estudio de las relaciones de similitud se definen los parametros H, m,ρyωque se utilizan en las relaciones del Teorema. H altura de la estructura [m] m masa de la g´ondola y palas [kg] ρdensidad de la estructura [kg/m3] ωfrecuencia de la estructura [rad/s] La rigidez de la superestructura puede derivarse a partir de las anteriores: k=ω2m(3.4) Como se comprueba en el Ap´endice I para este trabajo se asume que el pilote y la superestructura comparten modulo de elasticidad y densidad. Los par´ametros que faltan para completar la definici´on del terreno del sistema, son: 1. Par´ametros dimensionales del terreno CsVelocidad de propagaci´on de la onda en el terreno ρsDensidad del terreno real 2. Par´ametros adimensionales ξFactor de amortiguamiento estructura ξsFactor de amortiguamiento del suelo υsCoeficiente de Poisson 19 3Relaciones de similitud para el dise˜no de modelos a escala de aerogeneradores Figura 3.1: Propuesta del modelo simplificado para obtener las leyes de similitud (de [9]). Para el modelo a escala se utilizar´an las mismas abreviaturas pero indic´andoles al final de cada una con ≪’≫. Con los par´ametros y dimensiones definidos para el teorema el modelo simplificado para la obtenci´on de las leyes de similitud se define en la figura 3.1 Con las dimensiones y par´ametros dimensionales se aplica el teorema de Πde Vaschy-Buckingham del an´alisis dimensional para el modelo simplificado y se obtiene como resultado: N´umero total de par´ametros dimensionales: 6 N´umero de dimensiones fundamentales: 3 (longitud, tiempo y masa) N´umero de relaciones adimensionales necesarias: 6 - 3 = 3 Se necesitan tres relaciones adimensionales para realizar la investigaci´on y poder asemejar un modelo a escala de aerogenerador a la realidad. Estas relaciones adimensionales no podr´an variar demasiado de la unidad. Si las relaciones adimensionales var´ıan en exceso de la unidad no se podr´a llevar a cabo la investigaci´on debido a que el modelo a escala es diferente al de la realidad. 3.2.3 Leyes dimensionales Dadas las tres dimensiones fundamentales, pueden proponerse tres leyes dimensionales: λ=H′ Hratio geom´etrico utilizado para fijar el tama˜no del modelo (1.5>H’>0.5 m) β=ω′ n ωnratio de frecuencias naturales. ´ Util para definir la frecuencia natural del modelo (10> ω′ w>4 Hz) α=m′ mratio de masas. Donde: H’ es la altura del modelo a escala [m] 20 3.2 Propuesta para los efectos de interacci´on suelo - estructura en r´egimen el´astico - lineal H es la altura del aerogenerador real [m] ω′ nes la frecuencia natural del modelo a escala [Hz] ωnes la frecuencia natural del aerogenerador real [Hz] m’ es la masa de la g´ondola y palas del modelo a escala [kg] m es la masa de la g´ondola y palas del aerogenerador real [kg] 3.2.4 Relaciones adimensionales Las relaciones adimensionales sugeridas para este proyecto han sido seleccionadas para mantener el nivel de interacci´on suelo - estructura entre el prototipo real y el modelo a escala. Las tres leyes adimensionales se enumeran a continuaci´on: 1. σEs el la relaci´on que permite anticipar el nivel de interacci´on suelo - estructura. σ=CsT H(3.5) Donde: Cses la velocidad de propagaci´on de la onda en el suelo [m/s]. T es el periodo de la estructura. Que se calcula a trav´es de : T=2π ωn (3.6) H altura del aerogenerador real [m]. 2. µratio de densidad estructura - suelo. µ=4m ρsπd2H(3.7) Donde: m es la masa de las g´ondolas y las palas [kg]. ρses la densidad del suelo [kg/m3]. d es el di´ametro del pilote [m2]. H es la altura del aerogenerador real [m]. 3. µees el ratio de la masa del fuste - g´ondola y palas. µe=mg+p mfuste (3.8) Donde: mg+pmasa de la g´ondola y las palas [kg]. mfmasa total del fuste de la estructura [kg]. 21 3Relaciones de similitud para el dise˜no de modelos a escala de aerogeneradores 3.2.5 Relaciones estructura - suelo aerogenerador-modelo En funci´on de las leyes dimensionales a adimensionales las relaciones pueden escribirse como: SσEs la relaci´on entre la velocidad de onda del suelo y las relaciones geom´etricas del aerogenerador real y del modelo a escala de altura. Sσ= C′ sT′ H′ CsT H =C′ s Cs T′ T H H′=C′ s Cs 1 β 1 λ(3.9) Donde obtenemos la ecuaci´on final: C′ s Cs =Sσβλ (3.10) La siguiente ecuaci´on 3.11 Relaciona la masa superior del aerogenerador respecto la masa que ocupa el pilote en el terreno junto con la altura de los modelos a escala y real. Sµ= 4m′ ρ′ sπd′2L′ 4m ρsπd2L =m′ m ρs ρ′ s d2 d′2 L L′=ρs ρ′ s α1 λ3(3.11) De donde se obtiene: ρs ρ′ s =Sµ λ3 α(3.12) La siguiente ecuaci´on 3.13 define la relaci´on entre la masa de la g´ondola y las palas respecto la masa densidad del fuste del aerogenerador real respecto el modelo a a escala. Sµe=m′ m mf m′ f =αAfρf A′ fρ′ f (3.13) Donde:  Afes el ´area del fuste real [m2]  A′ fes el ´area del fuste del modelo a escala [m2]  ρfes la densidad del fuste del modelo real [kg/m3]  ρ′ fes la densidad del fuste del modelo a escala[kg/m3] 3.3 Revisi´on bibliogr´afica La informaci´on recogida de los aerogeneradores reales ha sido sacada de tesis doctorales, art´ıculos de investigaci´on y casas comerciales del campo de las estructuras din´amicas aplicadas a los aerogeneradores off-shore en este Trabajo final de m´aster esta informaci´on se recoge en las tablas: 5.1, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 y 3.6; en las referencias: [3], [16], [4], [5], [11] y [20]; y adem´as en el Ap´endice I quedan resumidos los valores utilizados para este proyecto. 3.3.1 Estructura Las tablas 3.1 y 3.2 muestran el conjunto de par´ametros utilizados para el calculo de las relaciones geom´etricas, dimensionales y adimensionales: 22 3.3 Revisi´on bibliogr´afica Vestas 2MW-V66 Vestas 3MW-V90 Vestas 2MW-V80 Altura de la superestructura 71 - 89 m 90 - 115 m 80 - 120 m Di´ametro del rotor 66m 90 m 80 m Altura del rotor 60 - 78 m 80 - 105 m 60 - 100 m Masa de la torre [T] 100 - 159 145 - 255 137 - 198 Material Acero Acero Acero Frecuencia [Hz] 0.41 0.38 0.35 Di´ametro inferior [m] 4.00 3.98 4.00 Di´ametro superior [m] 2.3 2.3 2.3 Espesor de la torre [m] 0.0035 0.003 0.0035 Profundidad dentro del agua [m] 11 10 20 Tabla 3.1: Datos de las estructuras de los aerogeneradores off-shore. [3][16][4][5][11][20]. SIEMENS SWT 3.6 - 107 Irene Vorrink 600k Walney 1 S 3.6 MW Altura de la superestructura [m] 99 - 115 81 - 121 105 - 121 Di´ametro del rotor [m] 107 80 107 Altura del rotor [m] 80 - 96 60 - 100 80 - 96 Masa de la torre [T] 253 - 269 137 - 198 253 - 269 Material Acero Acero Acero Frecuencia [Hz] 0.38 0.35 0.38 Di´ametro inferior [m] 4.20 4.00 4.20 Di´ametro superior [m] 2.3 2.3 2.3 Espesor de la torre [m] 0.003 0.0035 0.003 Profundidad dentro del agua [m] 19 21 25 Tabla 3.2: Datos de las estructuras de los aerogeneradores off-shore. [3][16][4][5][11][20] 3.3.2 Cimentaci´on En las siguientes tablas 3.3 y 3.4 se muestra la informaci´on utilizada respecto la cimentaci´on en mono-pilotes para calcular las relaciones de similitud. Vestas 2MW-V66 Vestas 3MW-V90 Vestas 2MW-V80 Material Acero Acero Acero Longitud del pilote [m] 15 28 31 Diametro pilote [m] 3.50 4.30 4.20 Espesor del pilote[m] 0.0045 0.0045 0.05 Tabla 3.3: Datos del los mono-pilotes de los aerogeneradores off-shore. [3][16][4][5][11][20] SIEMENS SWT 3.6 - 107 Irene Vorrink 600k Walney 1 S 3.6 MW Material Acero Acero Acero Longitud del pilote [m] 11 33 33 Di´ametro pilote [m] 4.70 4.00 4.70 Espesor del pilote[m] 0.055 0.035 0.055 Tabla 3.4: Datos del los mono-pilotes de los aerogeneradores off-shore. [3][16][4][5][11][20] 23 3Relaciones de similitud para el dise˜no de modelos a escala de aerogeneradores 3.3.3 Suelo En las tablas siguientes 3.5 y 3.6 se muestran los par´ametros del suelo de la realidad en granjas de aerogeneradores off-shore para su utilizaci´on en el c´alculo de las relaciones adimensionales. Vestas 2MW-V66 Vestas 3MW-V90 Vestas 2MW-V80 E [N/m2] 3.39x1081.67x1097.8x1073.12x1087.36x1072.95x108 Cs[m/s] 360 - 800 180 - 360 180 -360 ρ[kg/m3] 2200 1800 1800 Tabla 3.5: E: Modulo de elasticidad, Cs: Velocidad de propagaci´on de la onda, ρ: Densidad de terreno. Datos del terreno los aerogeneradores off-shore. [3][16][4][5][11][20] SIEMENS SWT 3.6 - 107 Irene Vorrink 600k Walney 1 S 3.6 MW E [N/m2] 2.27x1077.36x1077.36x1072.95x1087.54x1073.02x108 ρ[m/s] 100 - 180 180 - 360 180 -360 Densidad [kg/m3] 1800 1800 1900 Tabla 3.6: E: Modulo de elasticidad, Cs: Velocidad de propagaci´on de la onda, ρ: Densidad de terreno. Datos del terreno los aerogeneradores off-shore. [3][16][4][5][11][20] En el Ap´endice I se encuentra el resultado de la relaciones geom´etricas, ratios, leyes adimensionales y relaciones. 3.4 Modelo matem´atico 3.4.1 Introducci´on Esta secci´on introduce el modelo matem´atico simplificado del estudio de interacci´on sueloestructura para un modelo de aerogenerador a escala. El objetivo es evaluar la frecuencia natural del modelo completo. En una primera aproximaci´on es importante que la frecuencia natural del aerogenerador no se aproxime a valores cercanos de las frecuencias forzadas debidas al medioambiente o cargas del rotor/palas. El aerogenerador estar´a formado por dos componentes, ver figura 3.2. 1. Componente G´ondola - torre 2. Componente Cimentaci´on - suelo Seg´un la bibliografia; [19] y [24] normalmente el dise˜no de un aerogenerador off-shore se realiza considerando los componentes g´ondola-torre sujetos a una base r´ıgida. En el an´alisis din´amico del aerogenerador de esta investigaci´on se estudia la frecuencia natural experimentalmente en base r´ıgida y flexible y anal´ıticamente la frecuencia natural en base r´ıgida y flexible. Con los resultados de las frecuencias naturales sacaremos las conclusiones si es posible la realizaci´on de un modelo a escala para el estudio de patrones en los aerogeneradores reales. 24 3.4 Modelo matem´atico Figura 3.2: Aerogenerador off-shore considerando las dos componentes de calculo: g´ondola - torre y cimentaci´on - suelo 3.4.2 Base R´ıgida Cuando se modela un aerogenerador se hace en base r´ıgida, la presencia de la componente cimentaci´on - suelo es completamente ignorada. Como idealizaci´on resulta interesante, para la estimaci´on de la frecuencia natural de la estructura torre-g´ondola.La figura 4.1 representa el modelo en base r´ıgida de un aerogenerador. La g´ondola esta modelizada considerando la masa total m (masa de palas y g´ondola). La torre se representa por su masa mty modulo de elasticidad (EtIt). La primera frecuencia natural de las estructura se denota como ωn. Que valla acompa˜nada de ≪′≫significa que es la frecuencia natural del modelo a escala, en caso contrario ser´a del modelo real. El c´alculo num´erico de la frecuencia viene en el capitulo siguiente.La frecuencia natural de la estructura en base r´ıgida se denotara como ωf. Figura 3.3: Modelo simplificado de un aerogenerador en base r´ıgida 25 3Relaciones de similitud para el dise˜no de modelos a escala de aerogeneradores 3.4.3 Base flexible El an´alisis de un aerogenerador en base r´ıgida esta basado en la rigidez de la estructura y por lo tanto en su frecuencia natural. Para dise˜nos m´as precisos se ha de considerar la base flexible contando como parte de la estructura completa la cimentaci´on - suelo como componente. Por este prop´osito la figura 4.2 representa el componente cimentaci´on suelo el cual incluye tres impedancias. Estas impedancias definen la rigidez de la cimentaci´on. Los valores de las impedancias KHH ,KHR yKRR son calculados a trav´es de un modelo acoplado de elementos de contorno y elementos finitos para el estudio en la respuesta din´amica de cimentaciones pilotadas [17][18]. Las expresiones de las impedancias tambi´en pueden ser encontradas en el [8]. Las impedancias est´aticas se pueden utilizar cuando las frecuencias forzadas son pr´oximas a cero. Para frecuencias forzadas superiores a 0 habr´ıa que utilizar impedancias din´amicas. Para el caso de los aerogeneradores off-shore, se utiliza las impedancias est´aticas debido a las bajas frecuencias forzadas. 1. Impedancia lateral de la cimentaci´on KHH 2. Impedancia de cabeceo de la cimentaci´on KRR 3. Impedancia cruzada de la cimentaci´on KRH El calculo de la frecuencia natural flexible se realiza por m´etodos anal´ıticos y experimentales como se mostrar´a en los siguiente cap´ıtulos. Figura 3.4: Modelo simplificado de un aerogenerador en base flexible [9]. 26 Estudio de alternativas para el modelado f´ısico de aerogeneradores a escala Cap´ıtulo4 4.1 Introducci´on Como se ha comentado con anterioridad, en este Trabajo de Fin de m´aster, proponen posibles relaciones de similitud entre el modelo a escala del aerogenerador y el real con el fin de estimar la posibilidad de recrear los esfuerzos din´amicos de un aerogenerador off-shore con la interacci´on suelo - estructura sobre mono-pilotes en un modelo a escala. La elecci´on geom´etrica y f´ısica del modelo a escala depender´a de los materiales para fabricar el modelo a escala, del terreno y de las proporciones geom´etricas del mismo. En este capitulo se realizar´a un estudio de las alternativas para realizar el modelo f´ısico del aerogenerador off-shore a escala. 4.2 Alternativas para el material a utilizar 4.2.1 Selecci´on de Materiales Los materiales que se pueden utilizar como superestructura tiene que admitir que las relaciones de similitud entre el aerogenerador real y a escala valgan la unidad. A partir de estas relaciones escogeremos el material que mas convenga para la investigaci´on. Dentro de las posibilidades de los distintos materiales a utilizar: 1. Aluminio Es un metal plateado con una densidad de 2.70 g/cm3 a 20 º C. Es un material blando (escala de Mohs: 2-3-4) y maleable. En estado puro tiene un l´ımite de resistencia en tracci´on de 160-200 N/mm2(160-200 MPa). Todo ello le hace adecuado para la fabricaci´on de cables el´ectricos y l´aminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre ´el operaciones de fundici´on y forja, as´ı como la extrusi´on del material. Tambi´en de esta forma se utiliza como soldadura. Para el caso del modelo a escala es un material apto para su uso porque su densidad es inferior a la del acero, lo que provoca que la relaci´on adimensional Sµeentre el peso que soporta la estructura y la torre pueda ser m´as parecida a uno. Respecto su Modulo de elasticidad del aluminio (4.6x1010 Pa)es inferior al del acero (2.1x1111 Pa) por lo que es peor para las relaciones de SµeySσ. Adem´as se ha comprobado por el Trabajo Fin de Grado de los alumnos de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria de Ingenier´ıa Industrial como el modulo de elasticidad varia respecto los datos medios establecidos entre un 20 y 40 % 27 4Estudio de alternativas para el modelado f´ısico de aerogeneradores a escala 34 Resultados experimentales preliminares Cap´ıtulo5 5.1 Introducci´on Este capitulo da una visi´on del modelo a escala durante la investigaci´on experimental realizada en el laboratorio de medios continuos y estructuras din´amicas. Debido a la limitaci´on de tiempo disponible para la realizaci´on de este Trabajo Final de M´aster dentro del curso acad´emico, se trata solamente de unos ensayos preliminares con el objetivo de realizar un primer acercamiento al problema y anticipar los problemas t´ecnicos que deber´an ser tenidos en cuenta y solventados en los trabajos siguientes. Se describe el modelo experimental y se ilustra la realizaci´on de los test de las medidas de la frecuencia natural en base r´ıgida y flexible. Adem´as los elementos principales para la adquisici´on de datos ser´an definidos y desarrollados en esta secci´on. Finalmente da una descripci´on de las frecuencias naturales obtenidas mediante las t´ecnicas utilizadas. Para obtener el rango de frecuencias comentado en los apartados anteriores, se desea dise˜nar un modelo reducido de una estructura para la realizaci´on del an´alisis modal experimental y de esta forma obtener par´ametros fundamentales. Puesto que las se˜nales obtenidas se caracterizan por tener un movimiento oscilatorio, la medici´on puede realizarse del desplazamiento del cuerpo, su velocidad o su aceleraci´on. Los sensores m´as ampliamente utilizados son los de aceleraci´on (aceler´ometros). En la etapa de conversi´on anal´ogica a digital se adquieren muestras a intervalos equiespaciados de tiempo de la se˜nal continua proporcionada por un sensor, de manera que la se˜nal pasa a ser temporalmente discreta. Para cada uno de estos instantes de tiempo, el valor de la se˜nal no se mide exactamente, sino con la precisi´on dada por el rango din´amico y la resoluci´on digital del equipo, as´ı que la se˜nal es tambi´en discreta en el eje de voltaje. A continuaci´on se har´a una breve introducci´on sobre este tipo se sensores, su funcionamiento, y los diferentes tipos que pueden utilizarse. Adem´as la forma en que se sujeta el aceler´ometro al punto de medida es un factor muy importante para obtener datos precisos en la pr´actica. Por ´ultimo se mostrar´an los aceler´ometros y sus respectivas especificaciones, utilizados en la adquisici´on modal, ser´an sensores con tecnolog´ıas MEMS. En la etapa final es cuando se realiza el procesado digital de la se˜nal para obtener la informaci´on necesaria sobre el fen´omeno vibratorio de estudio. Para la lectura y procesamiento que proporciona un aceler´ometro, es necesario un dispositivo el cual sea capaz de convertir digitalmente la se˜nal el´ectrica mediante muestras de voltajes. El dispositivo de adquisici´on de datos utilizado ser´a el Labjack y UE9, capaces de leer la salida de los sensores, este recoge los datos en un ordenador, donde son almacenados y procesados como se desee. Al mismo tiempo en esta secci´on se definir´a su funcionamiento, los tipos de dispositivos utilizados en el an´alisis experimental y sus respectivas 35 5Resultados experimentales preliminares funciones para el procesado de la se˜nal. 5.1.1 Elementos principales de un sistema de adquisici´on de datos En la figura 5.1 se muestra un esquema de los elementos b´asicos de adquisici´on de datos. En primer lugar se muestra un modelo de un grado de libertad de la estructura empotrada en la mesa, al que va unido un aceler´ometro mediante el sistema de montaje escogido, adhesivo a doble cara. ´ Este se conecta a la fuente de alimentaci´on de energ´ıa el´ectrica y al dispositivo para la adquisici´on de datos. El hardware de adquisici´on de datos es conectado a un ordenador donde la se˜nal ser´a procesada. El procedimiento realizado consiste en darle un golpe a la estructura (input), de manera que se obtenga la respuesta en aceleraciones en el punto de inter´es (output). Figura 5.1: Esquema b´asico de adquisici´on de datos. 5.2 Sensores Para caracterizar el movimiento oscilatorio puede medirse el desplazamiento del cuerpo, su velocidad o su aceleraci´on. Los sensores m´as ampliamente utilizados son los de aceleraci´on (aceler´ometros). 5.2.1 Aceler´ometros En esta secci´on se har´a una introducci´on sobre el funcionamiento, tipos que pueden haber y diferencias entre un aceler´ometro y otro. El aceler´ometro es un sensor que proporciona una se˜nal el´ectrica que var´ıa de forma proporcional a la aceleraci´on medida. La proporcionalidad viene dada por la sensibilidad del aceler´ometro. Es deseable que la sensibilidad sea independiente de la frecuencia, lo que se consigue s´olo dentro de un determinado rango de frecuencias que constituye el denominado frecuencial de funcionamiento. Los aceler´ometros uniaxiales miden la aceleraci´on en la direcci´on perpendicular a la superficie de medida; sin embargo, los hay tambi´en triaxiales, que son capaces de medir la aceleraci´on en las tres direcciones del espacio. Existen una serie de par´ametros a tener en cuenta a la hora de elegir los aceler´ometros que se desea utilizar. 36 5.2 Sensores Rango aproximado de amplitud de la aceleraci´on Rango frecuencial de inter´es Masa m´axima admisible del aceler´ometro Tipo de alimentaci´on disponible para el aceler´ometro Temperatura de trabajo Existencia de campos electromagn´eticos que afecten a la zona de medida Tipos de aceler´ometros y su funcionamiento Los tres tipos m´as conocidos de aceler´ometros son los: Aceler´ometros capacitivos Aceler´ometros piezo-resistivos Aceler´ometros piezo-el´ectricos El principio mec´anico de funcionamiento de los tres tipos es el mismo. Una masa inercial est´a el´asticamente unida a la carcasa del aceler´ometro; si se asume que ´esta est´a s´olidamente unida a la superficie de medida, el desplazamiento oscilatorio de la carcasa (x) ser´a solidario al de la superficie, y diferir´a del desplazamiento oscilatorio de la masa (y), por lo que existir´a un desplazamiento relativo entre la masa y la carcasa. Se puede demostrar que el desplazamiento relativo entre masa y carcasa tiene la misma frecuencia que movimiento oscilatorio de la superficie medida, pero difiere en m´odulo y fase. Concretamente, la relaci´on entre la amplitud de aceleraci´on del movimiento oscilatorio de la superficie y el desplazamiento relativo masacarcasa (z=x · y) viene dado por la funci´on de respuesta en frecuencia mec´anica: Z X=m kq(1 −(ω ωn)2)2−(2ξω ωn )2 (5.1) La diferencia entre los distintos tipos de aceler´ometros reside en c´omo este desplazamiento relativo masa-carcasa se convierte en una se˜nal el´ectrica de variaci´on de potencial proporcional a la aceleraci´on. La relaci´on entre la se˜nal el´ectrica y la aceleraci´on medida(∆ ¨ V /X)viene dada por el producto entre la funci´on de respuesta en frecuencia mec´anica Z/X y la relaci´on /Z. En consecuencia (∆ ¨ V /X)es funci´on de la frecuencia puesto que Z/ ¨ Xtambi´en lo es. La representaci´on en frecuencia de (∆ ¨ V /X)se denomina funci´on de respuesta en frecuencia del aceler´ometro. Como estos transductores son generalmente independientes de los equipos de adquisici´on, es necesario que esta relaci´on sea un valor constante independiente de la frecuencia, lo que s´olo se consigue dentro de un determinado rango de frecuencias. Normalmente se define el rango de frecuencia de funcionamiento de un aceler´ometro como aqu´el en el que existe un menos de un 10 % de variaci´on de la relaci´on (∆ ¨ V /X). Bajo esta hip´otesis, el l´ımite superior del rango de frecuencias es 0.3 · ωrsiendo ωrla frecuencia de resonancia del aceler´ometro. Dentro del rango de frecuencias de funcionamiento la relaci´on se denomina sensibilidad del aceler´ometro y se considera constante. Igualmente dentro del rango de frecuencias de funcionamiento del aceler´ometro, la relaci´on Z/ ¨ Xse considera constante, y el valor de esta constante se suele denominar sensibilidad mec´anica sm=m/k. Cuando mayor es la masa inercial, mayor es la sensibilidad mec´anica obteniendo un mayor desplazamiento relativo para la misma amplitud de vibraci´on. Este hecho va a repercutir en la sensibilidad final del aceler´ometro, de manera que la sensibilidad 37 5Resultados experimentales preliminares del aceler´ometro aumentar´a con el incremento de su masa inercial. Una sensibilidad alta es preferible, puesto que se obtiene una mejor relaci´on se˜nal-ruido. Sin embargo, en ocasiones no es posible el uso de aceler´ometros de masa elevada, puesto que la masa del aceler´ometro debe ser claramente menor a la masa del cuerpo que se ensaya para no influir en su comportamiento vibratorio. 5.2.1.1 Montaje de los aceler´ometros La forma en que sujeta el aceler´ometro al punto de medida es un factor cr´ıtico para obtener en la pr´actica datos precisos. Los montajes sueltos producen una reducci´on de la frecuencia de resonancia del acoplamiento, es decir de la gama de frecuencias ´utiles del sensor. El aceler´ometro debe colocarse de manera que la direcci´on de medida deseada coincida con la de su m´axima sensibilidad. Tambi´en es sensible a las vibraciones en sentido transversal, aunque su sensibilidad transversal t´ıpica es inferior al 1 % de la principal, por lo que se la puede ignorar. Pero la frecuencia de resonancia transversal del aceler´ometro suele ser 1/3 de la del eje principal, de manera que debe tenerse en cuenta esta situaci´on cuando hay niveles apreciables de vibraciones transversales. Los m´etodos de uni´on de los aceler´ometros con la superficie de medida son los siguientes: uni´on roscada, adhesivo a doble cara base magn´etica, cera de abeja, resinas epoxi o mediante piquetas. La selecci´on del tipo de sujeci´on depende de las posibilidades que ofrezca la superficie a medir y el efecto de la sujeci´on en la frecuencia de resonancia del aceler´ometro, puesto que ´esta disminuye conforme se reduce la rigidez de la sujeci´on. A continuaci´on se presentan diferentes posibilidades de uni´on. Una uni´on roscada es la uni´on que menos modifica la frecuencia de resonancia del aceler´ometro, por lo que es la m´as adecuada en caso de alta frecuencia. La seguridad de este tipo uni´on permite la medici´on de grandes amplitudes de vibraci´on y no modifica el rango de temperaturas de uso del aceler´ometro. Como contrapartida, no siempre es posible mecanizar la superficie de medida y su instalaci´on requiere tiempo. El adhesivo a doble cara es la uni´on que modifica ligeramente la frecuencia de resonancia del aceler´ometro. Es un m´etodo r´apido y eficaz para realizar en todo tipo de materiales. No tiene una uni´on s´olida, pero puede llegar a ser bastante estable. La cera de abeja modifica la frecuencia de resonancia ligeramente, y es ´util en caso de aceler´ometros sin rosca, en caso de test r´apidos o si hay que realizar mediciones en superficies no alterables. En contrapartida, no se pueden utilizar en casos de grandes amplitudes debido a que no se trata de una uni´on s´olida, y tampoco son aconsejables para temperaturas altas en las que la cera se pueda fundir, ni se puede garantizar la repetitividad del punto de medida. Las uniones magn´eticas son r´apidas y se pueden utilizar en casos de altas amplitudes, pero se necesita que la superficie de medida sea ferro magn´etica. El hecho de a˜nadir la base magn´etica al aceler´ometro aumenta su masa. Las resinas epoxi son ´utiles en caso de no disponer de rosca en el aceler´ometro o no poder mecanizar la superficie de medida. Son v´alidas tambi´en para grandes amplitudes y un amplio rango de temperaturas. Como contrapartida hay que se˜nalar el cuidado que exige la retirada del transductor: la uni´on debe usualmente romperse mediante un golpe seco en la base del aceler´ometro, en direcci´on paralela a la superficie, lo que puede causar da˜nos en el transductor. Es aconsejable, por este motivo, usar una base a˜nadida ( que puede ser la base magn´etica que suelen equipar los aceler´ometros) para realizar este tipo de fijaci´on. 38 5.2 Sensores La manera de uni´on que se ha elegido entre el aceler´ometro y la estructura ha sido finalmente el adhesivo a doble cara, debido su facilidad y rapidez a la hora de la uni´on, a la calidad de las medidas en los rangos de frecuencia de inter´es, y a la dificultad de utilizar otros m´etodos para la uni´on del aceler´ometro MEMS utilizado debido a la inexistencia de encapsulamiento. Otro m´etodo utilizado en este Trabajo de Fin de M´aster, fueron la uni´on del aceler´ometro a la estructura mediante bridas. Proporcionaba peores resultados, por lo que fue descartado. 5.2.2 Sensor utilizado en el an´alisis modal experimental Los aceler´ometros utilizados en el an´alisis modal experimental, son los denominados MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Son un tipo de dispositivos electromec´anicos que detectan el movimiento y pueden transmitir estos datos a un circuito mayor que lo utiliza y lo registra. Se trata de un componente muy compacto que puede ser insertado dentro de un chip y son muy econ´omicos. Por todo esto en este Trabajo de Fin de M´aster, se ha examinado la posible adaptaci´on de los aceler´ometros MEMS de bajo costo, a la identificaci´on modal. El aceler´ometro DEACCM3D Buffered es el utilizado. La descripci´on y caracter´ısticas este sensor se ha obtenido de sus correspondientes hojas de caracter´ısticas. 5.2.2.1 Aceler´ometro DE-ACCM3D Buffered ±3g El aceler´ometro DE-ACCM3D es una soluci´on de aceler´ometro anal´ogica 3D para ±3g. Cuenta con un amplificador operacional integrado para la conexi´on directa a las entradas anal´ogicas de un microcontrolador, o para conducir las cargas m´as pesadas. El regulador de la tensi´on a 3.3V y el desacoplamiento del condensador dan una gran flexibilidad a la hora de encender el dispositivo, y puede ser tambi´en desviado para las operaciones hasta 2.0V. El DE-ACCM3D est´a dise˜nado para adaptarse al factor de forma DIP-16, siendo adecuado para breadboarding (Tabla de circuitos), Prefboarding (Placa de circuito perforada cuyos huecos est´an circundados por material conductor, generalmente cobre) y la inserci´on de los chips est´andar de las tomas de corriente. Adem´as estos aceler´ometros presentan las siguientes caracter´ısticas: Doble eje ±3g Sensibilidad de 360 mV/g 500 Hz de ancho de banda Operaci´on de voltaje entre 3,5V y 15 V (con regulaci´on) Operaci´on de voltaje entre 2V y 3,6 V (sin regulaci´on) Regulador de 3.3V puede microcontrolador de alimentaci´on externa Protecci´on contra la tensi´on inversa Protecci´on contras las salidas Factor de forma est´andar DIP-16 Desacoplamiento de la fuente de alimentaci´on integrada Consume menos de 0,9 mA 39 5Resultados experimentales preliminares Voltaje de operaci´on [V] Sensibilidad [mV/g] 3.6 360 3.33 333 3.0 300 2.0 195 Con precisi´on disco duro de 500 cargas En la figura 5.3 se muestra el esquema tipo de aceler´ometro, donde se muestran los terminales de entrada y salida. Se han de tener ciertos aspecto a la hora de colocar el aceler´ometro en Figura 5.2: Aceler´ometro DE-ACCM3D Buffered ±3g(de www.dimensionengineering.com). la estructura, c´omo est´an colocados, la inclinaci´on que tiene y la tensi´on que mide seg´un su posici´on, por ello en la figura 5.3 se muestran los voltajes que tienen seg´un la posici´on del sensor. Las salidas de la tensi´on en el DE-ACCM3D corresponden a las aceleraciones que se Figura 5.3: Tensi´on de Aceler´ometro (de www.dimensionengineering.com). dan en las direcciones X, Y y Z. La salida es radiom´etrica, por lo que la sensibilidad de salida (en mV / g) depender´a de la tensi´on de alimentaci´on. Sensibilidad y precisi´on En la siguiente tabla se muestran los valores de sensibilidad t´ıpica de los voltajes de operaci´on com´un: Debido a las variaciones de fabricaci´on cuando un dispositivo an´alogo crea sus fichas del aceler´ometro, estos valores no siempre son constantes. La sensibilidad puede variar hasta en un 10 % en casos extremos, y el punto de polarizaci´on 0g puede variar hasta un 5 % en los ejes X e Y, y el 10 % en el eje Z. Por ´ultimo se definen las caracter´ısticas de rendimiento de estos aceler´ometros: 40 5.2 Sensores Buffers de salida Un chip de un aceler´ometro desnudo tiene una impedancia de salida de 32 K, que no es apto para la obtenci´on fiable de mediciones cuando se conecta a un convertidor anal´ogico a digital. En el DE-ACCM3D se reduce la impedancia de salida. La carga m´axima absoluta m´as all´a del cual la precisi´on empieza a sufrir en serio es 3.3mA, o 500. Suministro de filtrado Un condensador de 1uF del DE-ACCM3D proporciona un desacoplamiento excelente de la potencia de suministro. No son necesarios condensadores externos entre Vcc y GND. Filtrado de salida y el ruido Un par de condensadores de 10nF limitan el ruido del DE-ACCM3D, sin sacrificar demasiado ancho de banda. RMS es t´ıpicamente 7.3mg y el ancho de banda de salida es de 500Hz - lo que es adecuado para las frecuencias altas de la aceleraci´on muestreada. 5.2.3 El hardware de adquisici´on de datos 5.2.3.1 Introducci´on Para la lectura y procesamiento del voltaje que proporcionan los aceler´ometros, es necesario un dispositivo el cual sea capaz de traducir digitalmente la se˜nal obtenida. El dispositivo de adquisici´on de datos que desemplear´a esta funci´on en este Trabajo de Fin de M´aster es el LabJacks y UE9. Los manuales de referencia de estos dispositivos pueden consultarse en la p´agina web de Labjack. Los Labjacks son dispositivos USB/Ethernet capaces de medir la se˜nal el´ectrica proporcionada por todo tipo de sensores. Estos dispositivos sirven como una interfaz de bajo costo y f´acil de manejar entre los ordenadores y el mundo f´ısico y real. El Labjack, recoge estos datos en un ordenador, donde son almacenados y procesados como se desee. 5.2.3.2 Funcionamiento El funcionamiento de este dispositivo requiere el conocimiento de ciertos par´ametros para su utilizaci´on. En primer lugar est´an las entradas anal´ogicas que convierten un nivel de tensi´on en un valor digital, para que pueda ser procesada y almacenada; Las salidas anal´ogicas de los Labjack convierten los valores digitales de un ordenador en un nivel de tensi´on; El contador, en general, va incrementando un registro interno cada vez que se detecta un pulso de voltaje en la entrada del contador. Este registro interno va leyendo peri´odicamente para determinar la cantidad de eventos que han ocurrido; Una entrada digital proporciona las operaciones del umbral de la tensi´on. Si la tensi´on es mayor que alg´un determinado valor, el ordenador detectar´a la entrada digital como high/set/1. Si la tensi´on es menor que cierto valor, el ordenador detectar´a la entrada digital como low/clear/0. Una salida digital permite controlar la tensi´on mediante un ordenador. Si el equipo indica que la salida ha de ser alta, ´esta produce una tensi´on (generalmente alrededor de 5 o 3,3 voltios). Si el equipo indica que la salida ha de ser baja, se conecta a tierra y no se produce ninguna tensi´on; Las mediciones el´ectricas anal´ogicas se refieren a los modos b´asicos de realizar una medici´on el´ectrica anal´ogica, las cuales pueden ser: Simple o asim´etrica: El Labjack convierte la diferencia entre una entrada que se conecta a la tensi´on y otra tensi´on de referencia (normalmente a tierra). 41 5Resultados experimentales preliminares Diferencial o sim´etrica: El labjack convierte la diferencia entre el voltaje de una entrada y la tensi´on entre otra entrada que no necesariamente es tierra. El amplificador, PGA (amplificador de ganancia programable) proporciona una ganancia variable que se controla por software. Se utiliza para amplificar bajos voltajes en las entradas anal´ogicas. La mayor´ıa de los LabJacks tienen un PGA interno que se puede utilizar para proporcionar peque˜nas ganancias en algunas situaciones, pero para las grandes ganancias debe ser utilizado un amplificador externo; La Resoluci´on se refiere a la conversi´on de una se˜nal anal´ogica en un valor digital a un ordenador (y viceversa). Un ordenador es una m´aquina digital, por lo que almacena un n´umero como una serie de unos y ceros. Por ´ultimo se define el ruido inherente del Labjack, el cual es propio de los convertidores ADC (anal´ogico-digital) que se le suma a la circuiter´ıa. 5.2.3.3 Labjack U9 En esta secci´on se har´a una descripci´on del dispositivo Labjack UE9, utilizado en este Trabajo de Fin de M´aster. Se definir´an las especificaciones, el software y la documentaci´on espec´ıfica de este dispositivo. Descripci´on del Hardware Las caracter´ısticas externas del UE9 son las siguientes: Cuenta con 14 entradas anal´ogicas (de 12 a 16 bits dependiendo de la velocidad) Tiene un rango de entrada anal´ogica de Tiene 2 salidas anal´ogicas Cuenta con 23 conexiones digitales de entrada y salida Cuenta con dos contadores de 32-Bits cada uno Tiene hasta 6 contadores de tiempo (Tiempo de pulso, salida PWM, Entrada de cuadratura, ...) Soporta SPI, I2C y as´ıncronos Protocolos de Serie (Maestro) Soporta Software o Hardware de Adquisici´on de temporizado Velocidad m´axima de entrada de corriente de 50 kHz + (Dependiendo de la resoluci´on) Capaz de comando / respuesta de tiempos tan bajos como 1,5 milisegundos Built-In terminales de tornillo para algunas se˜nales Interfaz USB 2.0/1.1 Alta velocidad Ethernet 10 Base-T Interfaz Doble procesador con 168 MHz de potencia de procesamiento total Aislamiento el´ectrico posible con la interfaz Ethernet Posible adquisici´on de datos inal´ambrica con interfaz Ethernet y el Puente de 802,11 No necesita fuente de alimentaci´on USB para la operaci´on 42 5.2 Sensores Modbus / TCP compatibles con el hardware Controladores disponibles para Windows, Linux, Mac y Pocket PC Ejemplos disponibles para C / C + +, VB, LabVIEW, Java y m´as Incluye cable USB y el cable Ethernet, fuente de alimentaci´on, y el destornillador Fuente de alimentaci´on universal con clips (Australia, Europa, Reino Unido, EE.UU.) Actualizaciones de firmware gratuitas Garant´ıa de Devoluci´on del Dinero Caja Tama˜no Aproximadamente 3 ”x 7”x 1 ”(75mm x 185mm x 30mm) Calificaci´on de rango de temperatura industrial (-40 a +85 ° C) En la Figura 5.4 se muestra el dispositivo Labjack UE9 Figura 5.4: Dispositivo Labjack UE9 (de http://labjack.com/ue9). Descripci´on del dispositivo A continuaci´on se har´a una descripci´on de todas las entras y salidas que se muestran en este dispositivo. Entradas anal´ogicas: El Labjack UE9 cuenta con 14 entradas anal´ogicas externas (AIN0-AIN13). Cada entrada anal´ogica se puede configurar individualmente como unipolar (cuatro rangos de 0-5 voltios a 0-0.625 voltios) o bipolar ( ± 5 voltios). La resoluci´on de entrada anal´ogica es de 12-bits a la velocidad m´axima (12 como tiempo de conversi´on), el aumento de hasta 16 bits a velocidades m´as bajas (2,7 ms tiempo de conversi´on). Comando/Respuesta (software de tiempo) se lee la entrada anal´ogica que suele tener 1,5 + ms dependiendo del n´umero de canales y la configuraci´on de la comunicaci´on. El Hardware de entrada programada de transmisi´on tiene una tasa m´axima que var´ıa de acuerdo con resoluci´on de 250 muestras / s en 16-bits a 50 + kmuestras/s en 12-bits. Salidas anal´ogicas: El LABJACK UE9 tiene 2 salidas anal´ogicas (DAC0 y DAC1). Cada salida anal´ogica puede ajustarse a un voltaje entre 0 y 4,9 voltios con 12 bits de resoluci´on. Las salidas anal´ogicas se actualizan en el modo de comando o respuesta, con un tiempo de actualizaci´on t´ıpica de 1.5-4.0 ms dependiendo de la configuraci´on de la comunicaci´on. Entradas y salidas digitales 43 5Resultados experimentales preliminares La frecuencia natural que se obtuvo de la experimentaci´on de la figura 5.10 es de 2.789 Hz. 5.4 Resultados calculo T/T Recordando de apartados anteriores, el objetivo de la investigaci´on de este Trabajo Fin de M´aster, es la obtenci´on de dos relaciones una que exprese los c´alculos anal´ıticos en base r´ıgida y flexible y otra relaci´on que muestre los c´alculos experimentales en base r´ıgida y base flexible. La Variaci´on de estas dos relaciones nos definir´a si es posible realizar un modelo a escala que cumpla con el modelo anal´ıtico para de esta manera poder realizar m´as investigaciones sobre los aerogeneradores off-shore. 5.4.1 Resultados anal´ıticos En la tabla 5.6 se muestran los resultados anal´ıticos en base r´ıgida y en base flexible adem´as de la relaci´on entre ellos lo que marca el resultado de toda la investigaci´on Calculo Anal´ıtico Frecuencia Natural [Hz] Base r´ıgida 3.61 Base flexible 3.31 Relaci´on 1.09 Tabla 5.6: Resultados anal´ıticos del modelo a escala del aerogenerador V90 en el modelo anal´ıtico 5.4.2 Resultados experimentales En la tabla 5.7 se muestran los resultados anal´ıticos en base r´ıgida y en base flexible adem´as de la relaci´on entre ellos lo que marca el resultado de toda la investigaci´on Calculo Experimental Frecuencia Natural [Hz] Base r´ıgida 3.632 Base flexible 2.789 Relaci´on 1.30 Tabla 5.7: Resultados anal´ıticos del modelo a escala del aerogenerador V90 en el modelo experimental 5.5 Conclusiones Como resumen a todo este capitulo y los resultados obtenidos, a medida que se relacionan par´ametros f´ısicos de los materiales y se comparan anal´ıtica y experimentalmente se llega a la conclusi´on de que hay que ser muy preciso en la utilizaci´on de las caracter´ısticas de los modelos. Los resultados muestran una variaci´on entre el calculo de las frecuencias naturales en vibraci´on libre anal´ıtica y experimentalmente de sus respectivas base r´ıgida y flexible de un 21 % (Relaci´on experimental - Relaci´on anal´ıtica = 1.30-1.09 = 21 %). 50 Conclusiones Cap´ıtulo6 6.1 Resumen El an´alisis del comportamiento din´amico de estructuras requiere el conocimiento de una serie de par´ametros tales como frecuencias naturales y coeficientes de amortiguamiento. Esto permite, entre otras cosas, controlar la calidad de la ejecuci´on, calibrar modelos estructurales para permitir un an´alisis m´as exacto, o detectar da˜nos estructurales de diversa ´ındole que pueda sufrir la estructura a lo largo de su vida ´util. En este Trabajo Fin de M´aster se ha procedido a la identificaci´on modal experimental de una estructuras a escala reducida de un aerogenerador off-shore en dos distintas bases, una primera estructura en base r´ıgida y una segunda en base flexible. En primer lugar se ha realizado una busquedad bibliogr´afica de documentos t´ecnicos, de investigaci´on y casas comerciales sobre estructuras din´amicas relacionadas con los aerogeneradores off-shore. Con las caracter´ısticas y par´ametros obtenidos se desarrollo posteriormente relaciones adimensionales que cumplan con el teorema de Πde Vaschy-Buckingham del an´alisis dimensional para poder realizar un modelo a escala de aerogenerador que cumpla con las leyes f´ısicas de los aerogeneradores reales. Comparando las relaciones propuestas en este Trabajo Final de M´aster con otras investigaciones, las utilizadas en este proyecto son relacionadas con la interacci´on suelo-estructura. Est´as definen la geometr´ıa de los modelos, la relaci´on de la velocidad de onda del terreno, la relaci´on de masas entre el fuste y la masa superior(g´ondola - rotor - palas) y la relaci´on entre la masa superior y la masa que ocupa el pilote en el terreno. Para el calculo de las impedancias se ha utilizado un modelo num´erico previamente desarrollado por el grupo de investigaci´on de estructuras din´amicas y medios continuos del instituto SIANI de la Universidad de las Palmas de Gran Canaria basado en un modelo de contornos y elementos finitos [17] [18]. Adem´as en el Trabajo de Fin de M´aster se utilizan unos sensores con tecnolog´ıas MEMS, de bajo coste, encargados de la obtenci´on de la se˜nal. Es de inter´es conocer el rendimiento que se puede obtener de los sensores de bajo costo cuando se utilizan para la identificaci´on de sistemas estructurales de ingenier´ıa civil. Antes de la construcci´on de la estructuras a escala para su identificaci´on, se realiz´o un modelo num´erico de las misma, para lo que era necesario estimar los valores de inercia y de m´odulo de elasticidad del material que los constituye. Posteriormente, se procedi´o al dise˜no del modelo. Una vez concluido el dise˜no se procedi´o a su construcci´on. El proceso de construcci´on se realiz´o mediante la utilizaci´on de la barra de acero. Por ser un material muy apropiado para la construcci´on gracias a su fortaleza, durabilidad, 51 6Conclusiones resistencia y es el que se utiliza en la realidad, adem´as se utiliza este material y no otros como podr´ıa ser el aluminio porque al introducir m´as densidad con el acero en el fuste del aerogenerador necesitaremos m´as masa en la g´ondola por relaciones las de similitud. Finalmente, se procedi´o a la realizaci´on de ensayos experimentales de vibraci´on libre para su identificaci´on modal experimental en base r´ıgida y flexible. 6.2 Resultados y conclusiones Del an´alisis modal experimental se han podido identificar las frecuencias naturales de vibraci´on correspondientes a la base r´ıgida y flexible. La tabla 6.1 resume los resultados obtenidos ID test Tipo de test Resultados. PF-1 Estudio de la frecuencia natural Los resultados gr´aficos se muestran en la figura 5.7 la frecuencia natural del modelo a escala en base r´ıgida en vibraci´on libre vertical es de 3.623 Hz PF-2 Estudio de la frecuencia natural Los resultados gr´aficos de la experimentaci´on del aerogenerador del modelo a escala en base flexible se muestran en la figura 5.10 El resultado de la frecuencia natural es de 2.789 Hz Tabla 6.1: Experimentaciones realizadas a lo largo del trabajo de fin de m´aster Por su parte, la tabla 6.2 muestra el conjunto de resultados anal´ıticos de la frecuencia natural del aerogenerador a escala en base r´ıgida y flexible. ID test Tipo de test Resultados. PA-1 Estudio de la frecuencia natural Los resultados anal´ıticos de la frecuencia natural del modelo matem´atico en base r´ıgida en vibraci´on libre son 3.62 Hz PA-2 Estudio de la frecuencia natural Los resultados anal´ıticos de la frecuencia natural del modelo matem´atico en base flexible en vibraci´on libre son 3.31 Hz Tabla 6.2: Experimentaciones realizadas a lo largo del trabajo de fin de m´aster La siguiente tabla, por su parte, muestra la comparaci´on entre los resultados de las frecuencias naturales experimentales y los num´ericos del modelo, pudi´endose apreciar diferencias notables en las frecuencias naturales en base flexible. Resultados An´alitico Experimental Base R´ıgida 3.61 [Hz] 3.632 [Hz] Base Flexible 3.31 [Hz] 2.789 [Hz] Estas diferencias en la base flexible pueden deberse a muchas causas, pero se estima que son debidas, principalmente , a los defectos de las propiedades de los materiales en sus propiedades f´ısicas y a las diferencias que ello genera entre el modelo anal´ıtico y experimental. Estos defectos se centran que el modulo de elasticidad de la estructura, a la realizaci´on de la experimentaci´on con los aceler´ometros DE-ACCM3D Buffered que tienen que estar conectados con cables a˜nadiendo inercia sobre la estructura y masa sobre el componente g´ondola y palas. Adem´as, la rigidez de la estructura ha resultado ser sensiblemente diferente, lo que ha dado lugar a la excitaci´on involuntaria de modo de vibraci´on transversales y rotacionales que tambi´en han debido ser estudiados en este Trabajo Final de M´aster. 52 6.2 Resultados y conclusiones 6.2.1 Actualizaci´on del modelo anal´ıtico (ajuste de par´ametros) Las diferencias nombradas anteriormente entre el modelo anal´ıtico y las caracter´ısticas obtenidas experimentalmente son esperables en este tipo de estudios y llevan lo que se denomina ’actualizaci´on del modelo’ o ’ajuste de par´ametros’. Por falta de tiempo para la presentaci´on del Trabajo Final de M´aster esta parte queda a la espera para pr´oximas investigaciones en el Doctorado. 6.2.2 Resultados finales El objetivo principal de este Trabajo Final de M´aster es que la diferencia entre el calculo Anal´ıtico y experimental tenga la m´ınima variaci´on entre ellos para poder realizar investigaciones sobre los aerogeneradores reales. Resultados Anal´ıtico Experimental Base R´ıgida 3.61 [Hz] 3.632 [Hz] Base Flexible 3.31 [Hz] 2.789 [Hz] Relaci´on 1.09 1.30 Relacionexperimental −Relacionanalica = 21 % (6.1) 6.2.3 Comentarios finales En primer lugar, este trabajo ha afrontado el estudio de los conceptos b´asicos de din´amica estructural, teor´ıa de la se˜nal y an´alisis experimental. Los pasos realizados a lo largo de este Trabajo Final de M´aster comenzaron realizando un revisi´on bibliogr´afica recabando la informaci´on existente de art´ıculos de investigaci´on, emp´ıricos y de casas comerciales. Seguidamente se desarrollaron las leyes de similitud para poder verificar que el modelo a escala comparte las leyes f´ısicas del aerogenerador real a trav´es del teorema Πde Vaschy-Buckingham. Aceptando que las leyes de similitud son correctas para realizar los modelos a escala del aerogenerador real V90 y incluyendo a las leyes de similitud, las propiedades geom´etricas y y propiedades de los materiales se realizo el modelo a escala cumpliendo que estas leyes de similitud no variasen. Tendiendo definidos los par´ametros de los aerogeneradores del modelo a escala y real se realizo el estudio anal´ıtico de la frecuencia natural del aerogenerador a escala en base flexible y base r´ıgida. Finalmente se construyo el modelo a escala del aerogenerador y se estudio experimentalmente la frecuencia natural del modelo a escala en base r´ıgida y base flexible. La comparaci´on entre los resultados experimentales y anal´ıticos tiene una gran variaci´on. Las conclusiones de esta investigaci´on son que el m´etodo utilizado necesita una actualizaci´on del modelo para poder realizar un dise˜no de modelos a escala para el estudio de fen´omenos din´amicos de interacci´on suelo - estructura en aerogeneradores off-shore sobre monopilotes debido a la gran variaci´on entre los resultados experimentales y emp´ıricos. Las razones de esta diferencia son debidos a la falta de tiempo para determinar los par´ametros f´ısicos de los materiales utilizados en la estructura y terreno. La utilizaci´on de los aceler´ometros DEACCM3D Buffered tambi´en vario los resultados experimentales por tener que estar conectados mediante cables a la estructura. 53 6Conclusiones 54 Referencias [1] www.repower.com [2] ABS. Rules for Building and Classing Offshore Installation. American Bureau Shipping, 1997. [3] L. Arany, S. Bhattacharya, S. Adhikari, S.J. Hogan, and J.H.G. Macdonald. 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Definici´on de las Proporciones geom´etricas de los aerogeneradores Off-shore H DmAltura de la torre dividido por el di´ametro medio de la torre ´ Area de la secci´on circular de la torre L DpLongitud del pilote dividido por el di´ametro del pilote Hhub LRelaci´on de altura del rotor con la longitud del pilote masafuste masagondola Relaci´on de las masas A.2 Relaciones Similitud 1. Ratios λRelaci´on entre la altura del modelo a escala y el modelo real βRelaci´on de frecuencias del modelo a escala y el modelo real αRelaci´on de masas de g´ondola y palas del modelo a escala y el modelo real 2. Relaciones adimensionales SσRelaci´on entre la velocidad de onda del suelo (m´ınima o m´axima) y las relaciones geom´etricas del aerogenerador real y del modelo a escala. SµRelaciona la masa superior del aerogenerador respecto la masa que ocupa el pilote en el terreno junto con la altura de los modelos a escala y real. Sµerelaci´on entre la masa de la g´ondola y las palas respecto la masa densidad del fuste del aerogenerador real respecto el modelo a a escala 59