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Progressi della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione Reggio Emilia - 16/17 Aprile 2009 Monitoraggio remoto del danno a fatica in torri eoliche: analisi preliminari Vigilio Fontanari Matteo Benedetti DIMTI - Universit di Trento

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Il forte impulso allo sfruttamento dellenergia eolica ha portato recentemente allindividuazione di nuovi siti per linstallazione di turbine eoliche, comprendenti anche siti dalta quota in regioni montane Il forte impulso allo sfruttamento dellenergia eolica ha portato recentemente allindividuazione di nuovi siti per linstallazione di turbine eoliche, comprendenti anche siti dalta quota in regioni montane linstallazione di generatori eolici in siti cosiddetti complessi critica: linstallazione di generatori eolici in siti cosiddetti complessi critica: le condizioni meteorologiche e di vento sono molto pi severe le condizioni meteorologiche e di vento sono molto pi severe i siti sono difficilmente presidiabili i siti sono difficilmente presidiabili Queste condizioni possono avere notevole influenza sulle capacit funzionali degli aerogeneratori Queste condizioni possono avere notevole influenza sulle capacit funzionali degli aerogeneratori INTRODUZIONE

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lo sfruttamento dellenergia eolica in tali ambienti oggetto di numerosi studi di fattibilit sia tecnica sia economica. Lorientamento preponderante verso linstallazione di mini turbine eoliche (potenza inferiore ai 100 kW), prevalentemente ad asse orizzontale ma anche ad asse verticale.

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Connor and Hodgson, [Field Instrumentation and Testing of High-Mast Lighting Towers in the State of Iowa], (2006). Una delle principali fonti di preoccupazione per linstallazione di generatori eolici in siti complessi legata allaffidabilit nel lungo periodo delle strutture di supporto Una delle principali fonti di preoccupazione per linstallazione di generatori eolici in siti complessi legata allaffidabilit nel lungo periodo delle strutture di supporto Recenti cedimenti di torri dilluminazione hanno sollevato numerosi interrogativi sulla robustezza e sicurezza di tali strutture Recenti cedimenti di torri dilluminazione hanno sollevato numerosi interrogativi sulla robustezza e sicurezza di tali strutture. Una combinazione di distacchi di vortice e raffiche di vento induce condizioni di sollecitazione periodica responsabili del cedimento per fatica, localizzato in genere sul giunto di base Una combinazione di distacchi di vortice e raffiche di vento induce condizioni di sollecitazione periodica responsabili del cedimento per fatica, localizzato in genere sul giunto di base Sviluppo di small cracks, in corrispondenza dei cordoni di saldatura tra flangia e colonna alla base della torre. Successiva fase di propagazione fino al collasso finale. Sviluppo di small cracks, in corrispondenza dei cordoni di saldatura tra flangia e colonna alla base della torre. Successiva fase di propagazione fino al collasso finale. INTRODUZIONE

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IL PROGETTO DI RICERCA Tecnologie innovative per il monitoraggio di torri per turbine eoliche installate in siti complessi Provincia Autonoma di Trento Programma Pluriennale della ricerca 2007-2009 Finanziato da: Obiettivo: identificare strategie efficienti per l'early warning del danno a fatica Attivit: Individuare mediante modelli numerici ed analisi sperimentali le specifiche tecniche di sistemi di monitoraggio remoto Analisi di fattibilit tecnica di sistemi basati su sensori ottici condurre test di laboratorio su provini e simulacri di dettagli strutturali saldati realizzare dimostratori pilota presso il campo eolico sperimentale di Trento

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Presso il campo sperimentale (Interporto di Trento) sono montati tre prototipi di aerogeneratori di piccola taglia ad asse orizzontale Le torri eoliche sono paragonabili a quelle tipicamente installate in siti montani Il prototipo di riferimento funziona sotto vento e monta il generatore Gaia Wind di potenza 11 kW IL PROGETTO DI RICERCA

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Dettagli geometrici e funzionali: Aerogeneratore bipala, Aerogeneratore bipala, navicella orientabile (massa 950 kg), funzionante sotto vento navicella orientabile (massa 950 kg), funzionante sotto vento Potenza di targa 11kW Potenza di targa 11kW Diametro delle pale 13.0 m Diametro delle pale 13.0 m Altezza della torre 18.1m Altezza della torre 18.1m Costruita in tre elementi tronco conici collegati mediante flangie bullonate (Diametro medio alla base = 1.10 m Diametro medio alla sommit = 0.55 m) Costruita in tre elementi tronco conici collegati mediante flangie bullonate (Diametro medio alla base = 1.10 m Diametro medio alla sommit = 0.55 m) Connessione saldata tra flangia e profilo tubolare ( Spessore flangie di giunzione = 25 mm) Connessione saldata tra flangia e profilo tubolare ( Spessore flangie di giunzione = 25 mm) IL PROGETTO DI RICERCA

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SISTEMI DI MONITORAGGIO: DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE 1.Simulazione numerica del comportamento statico e dinamico della struttura Validazione del modello ad elementi finiti mediante confronto con rilevazioni sperimentali su prototipo 2.Studio di fattibilit di un sistema di rilevazione di fessure mediante analisi delle perturbazioni nel campo di spostamenti locali: Analisi di condizioni di esercizio da misure sperimentali su prototipo GAIA Sviluppo di un sotto modello locale contenente un difetto passante e valutazione del fattore dintensit degli sforzi Analisi numerica delle perturbazioni locali del campo di spostamento in condizioni estreme (folate critiche) Definizione della sensibilit minima di sistemi di monitoraggio basati sulla rilevazione del campo locale di spostamento Stima della tenacit a frattura mediante misure sperimentali su giunti saldati Definizione delle condizioni di possibile collasso della torre danneggiata per effetto dei sovraccarichi

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SISTEMI DI MONITORAGGIO: DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE Stato di sollecitazione Modello FEM Calcolo K I di esercizio Determinazione sperimentale K IC K IC Dimensione critica fessura Perturbazione campo deformazione Rilevazione fessura Studio di fattibilit del sistema di rilevazione delle fessure:

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METODOLOGIA DI ANALISI DESCRIZIONE DELLA TORRE EOLICA MEDIANTE ANALISI FEM Tronconi (elementi guscio) Navicella (massa totale 935 kg) (masse concentrate collegate da elementi trave) Flange (elementi trave) Analisi convergenza: spostamento baricentro navicella e prima due frequenze proprie, g.d.l: ca. 15000

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Analisi modale FEM VALIDAZIONE DEL MODELLO: ANALISI MODALE Analisi modale sperimentale 1 frequenza propria x =1.4 Hz 2 frequenza propria z =1.4 Hz Ottimo accordo tra risultati sperimentali ottenuti da prove con mazza strumentata battente e risultati numerici

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STIMA SOLLECITAZIONI LIMITE Velocit limite di verifica della forza resistente aerodinamica 60 m/s. A = 4.5 m 2 V = 60 m/s C R = 1.5 ( / ) = 1.225 kg/m 3 Considerando una massa complessiva della navicella di 943 kg e la risposta elastica della torre analizzata come trave incastrata e lo smorzamento modale osservato sperimentalmente da prove con mazza strumentata, si pu stimare una accelerazione massima orizzontale intorno a: Rilevazioni sperimentali mediante sistema di accelerometri montato sulla navicella hanno evidenziato valori pi contenuti

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MISURA SPERIMENTALE ACCELERAZIONI 3.5 m/s 2

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MODELLAZIONE DELLE CONDIZIONI DI SOLLECITAZIONE accelerazione nel piano orizzontale (forza resistente aerodinamica); accelerazione verticale di gravit. Vincoli: Torre incastrata alla base. Sollecitazioni: Submodelling: Il dettaglio locale della flangia di base a cui corrispondono le condizioni critiche di sollecitazione viene modellato mediante sottomodello in cui viene introdotto un difetto passante

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DESCRIZIONE SOTTOMODELLO

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Quarter point elements in modello 3D Analisi di convergenza: controllo del Fattore Intensit degli sforzi in modo I: ca 50000 g.d.l.

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VALIDAZIONE DEL MODELLO NUMERICO ( FEM ) Validazione del modello per lanalisi dei parametri di meccanica della frattura: cilindro con fessura passante sollecitato a trazione e a flessione.

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SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM ) I dati ottenuti dalle simulazioni numeriche sono in ottimo accordo con i dati analitici reperiti in letteratura: Structural life assessment methods di A.F. Liu, ASM, 2002.

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Valori di K I al variare della dimensione del difetto da 20 a 160 mm nelle condizioni di sollecitazione ciclica critica SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )

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Perturbazione del campo di spostamenti locali. Esempio per il caso di fessura da 120 mm (K I ca. 50 MPa m 0.5 nelle condizioni di folata di vento critica) Sottomodello senza fessura. SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )

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Perturbazione della deformazione dovuta alla presenza della fessura rispetto alla condizione di flangia integra

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SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM ) Es. Fessura 120 mm, folata di vento critica, SIF applicato KI ca. 50 MPa. m 0.5 Perturbazione di deformazione verticale La deformazione rilevabile da comuni estensimetri elettrici. Tuttavia lutilizzo degli estensimetri elettrici precluso dai problemi di deriva

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POSSIBILE DISPOSIZIONE DEI TRASDUTTORI Supponendo di posizionare i trasduttori ad una distanza di 50 mm rispetto al bordo superiore della flangia basale, per il monitoraggio dellintera struttura avente una circonferenza di 2946 mm si potrebbero disporre ca. 36 trasduttori

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MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA DEL MATERIALE Normativa di riferimento ASTM E 1820-08 Possibilit di rottura improvvisa della struttura. Provini di dimensioni ridotte E importante poter collocare questi valori rispetto a dati sperimentali sul materiale Campagna sperimentale preliminare su saldature di testa prefessurate NB! Lanalisi FEM stata condotta in ipotesi di comportamento lineare elastico vista lonerosit computazionale

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MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA DEL MATERIALE 2 campioni di materiale base della struttura: Acciaio Fe 510 EN 10025; 3 campioni saldati con materiale di apporto della saldatura: AWS 5:18 ER70 S6 - EN 440 G42 4 M G3Si1. Saldatura MAG (UNI EN 15614-1:2004)

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MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA DEL MATERIALE 1.Propagazione iniziale con sollecitazione a fatica 2.Cicli di carico e scarico (propagazione statica) 3.Rottura a fatica del provino ai/W = 1.000196 -4.06319u + 11:242u 2 106.034u 3 + 464.335u 4 650.677u 5 u =1/[(BWC i) 0.5+ + 1] C i = cedevolezza misurata allo scarico i-esimo

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MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA DEL MATERIALE Curve di resistenza delle piastre e dei cordoni di saldatura materiali e determinazione di K IC

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MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA DEL MATERIALE NB! Pur con la cautela relativa alla semplificazione adottata nel calcolo di K IC e nella modellazione FEM, la tenacit a frattura ben al di sopra (fattore ca. 4) dei valori di K I applicato per fessure in cui la perturbazione locale dello stato di deformazione risulta rilevabile mediante tecniche di monitoraggio remoto

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SVILUPPI FUTURI 1) Scelta della migliore tipologia di trasduttori di deformazione. Modalit di posizionamento Affidabilit Stabilit della misura nel tempo Impiego a basse temperature Telemetria 3) Campagna sperimentale Tenacit della ZTA Velocit propagazione fessura. 2) Completamento dellanalisi FEM per la stima di deriva del segnale di deformazione con lavanzamento della fessura in condizioni tipiche di utilizzo, includendo anche leggi costitutive pi realistiche per il materiale

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SENSORI OTTICI: ANALISI PRELIMINARE DI FATTIBILITA - Sensori di deformazione a fibra ottica (Smart fibers) - Sensori a cristalli fotonici (Photonic cristals) Tali sensori consistono in un cavo in fibra ottica che ha la capacit di leggere la deformazione assiale cui esso soggetto in alcuni suoi punti, definiti al momento della costruzione della fibra Se la parte di fibra sensibile alla deformazione vincolata rigidamente ad un oggetto, il sensore misurer la deformazione locale delloggetto nella direzione dellasse della fibra. Il cavo pu essere reso sensibile alla deformazione mediante scrittura di un reticolo di Bragg sulla fibra Sensori di deformazione a fibra ottica (Smart fibers)

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SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA La deformazione assiale della fibra varia il suo passo del reticolo: ci determina la variazione della lunghezza d'onda riflessa. Tale meccanismo consente la misurazione diretta di deformazione Un reticolo di Bragg "scritto" su fibra ottica una periodica perturbazione dell'indice di rifrazione del core. La scrittura avviene tramite irraggiamento UV attraverso una opportuna maschera di fase. Il reticolo si comporta come un filtro in lunghezza d'onda in trasmissione e riflessione. Lungo una guida ottica possibile inserire pi reticoli di Bragg, in modo da poter misurare la deformazione assiale della fibra in pi punti.

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SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA Oltre al reticolo di Bragg ed alla guida donda, il sistema di misura della deformazione consiste in: - sorgente di luce incoerente: banda di emissione compresa tra i 1520 e i 1560 nm - interrogatore per la lettura in riflessione del segnale modulato dal reticolo - multiplatori per poter rilevare i dati di pi reticoli con uno stesso interrogatore La precisione di questi sistemi arriva precisione da 1 a 10 con frequenza di acquisizione che varia da 2 a 250 Hz a seconda del tipo di interrogatore utilizzato. Questi valori sono sicuramente compatibili con i valori evidenziati dalla modellazione FEM Permangono da compiere valutazioni di tipo economico e di tipo ambinetale non tanto per le fibre ma per gli interrogatori

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SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA Potenziali vantaggi: - possibilit di posizionare pi sensori su una stessa linea di acquisizione dati; - il segnale misurato insensibile alle interferenze di tipo elettromagnetico o derivanti da onde radio; - dimensioni e peso molto contenuti; - estrema flessibilit; - durata in esercizio superiore ai 30 anni; - facilit di cablaggio; - assenza di fenomeni di deriva Punti critici: - costo dellinterrogatore - sensibilit dellinterrogatore a condizioni climatiche estreme

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Prodotti da sfere in soluzione colloidale, organizzate in un reticolo 3-D La dimensione delle sfere e la loro organizzazione spaziale configurano un struttura cristallina che agisce come un filtro ottico a banda stretta: trasmette solo specifiche lunghezze donda. Con unappropriata selezione il filtro pu essere settato in modo da lavorare nel range del visibile SENSORI A CRISTALLI FOTONICI Legge di Bragg modificata lunghezza donda dspaziatura interplanare n eff indice di rifrazione effettivo angolo dincidenza d0d0 Luce incidente Detector d( ) Elongazione Contraziione trasversale Configurazione iniziale: Con figurazione deformata Sfere polistirene elastomero l l

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SENSORI A CRISTALLI FOTONICI Unattivit preliminare di produzione e misura delle propriet di questi cristalli stata condotta presso il : CNR-IFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CSMFO Lab., UNITN Sensibilit alla deformazione:-288 pm/m Sensibilit inversa - 3.47 m /pm Risoluzione sul picco riflesso ~100 pm Risoluzione strumentale ~350 Allungamento misurabile:>150 me [= 15%] Cambio apprezzabile di colore : >10 nm >35 m [= 3.5%] La risoluzione molto minore delle Fiber Bragg Grating, allo stato attuale la tecnica non matura per questa applicazione Il vantaggio di questo sistema consisterebbe nella possibilit di avere una mappa dello stato deformativo su tutta la superficie nellintorno del cordone di saldatura

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HANNO CONTRIBUITO ALLATTIVITA DESCRITTA Daniele Zonta Marco Molinari Lab. Prove sui materiali tecnica delle costruzioni UNITN Matteo Benedetti Vigilio Fontanari Lab. Metallurgia e costruzione di macchine UNITN Andrea Chiappini Alessandro Chiasera Maurizio Ferrari CNR-IFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie,CSMFO Lab., UNITN