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