Progressi della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione

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

2. INTRODUZIONE • Il forte impulso allo sfruttamento dell’energia eolica ha portato recentemente all’individuazione di nuovi siti per l’installazione di turbine eoliche, comprendenti anche siti d’alta quota inregioni montane • l’installazione di generatori eolici in siti cosiddetti “complessi” è critica: • le condizioni meteorologiche e di vento sono molto più severe • i siti sono difficilmente presidiabili • Queste condizioni possono avere notevole influenza sulle capacità funzionali degli aerogeneratori

3. INTRODUZIONE • lo sfruttamento dell’energia eolica in tali ambienti è oggetto di numerosi studi di fattibilità sia tecnica sia economica. • L’orientamento preponderante è verso l’installazione di mini turbine eoliche (potenza inferiore ai 100 kW), prevalentemente ad asse orizzontale ma anche ad asse verticale.

4. INTRODUZIONE • Una delle principali fonti di preoccupazione per l’installazione di generatori eolici in siti complessi è legata all’affidabilità nel lungo periodo delle strutture di supporto • Recenti cedimenti di torri d’illuminazione hanno sollevato numerosi interrogativi sulla robustezza e sicurezza di tali strutture. • Una combinazione di distacchi di vortice e raffiche di vento induce condizioni di sollecitazioneperiodicaresponsabili delcedimento 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. Connor and Hodgson, [Field Instrumentation and Testing of High-Mast Lighting Towers in the State of Iowa], (2006).

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

6. IL PROGETTO DI RICERCA • 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

7. IL PROGETTO DI RICERCA Dettagli geometrici e funzionali: • Aerogeneratore bipala, • navicella orientabile (massa 950 kg), funzionante sotto vento • Potenza di targa 11kW • Diametro delle pale 13.0 m • 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 sommità = 0.55 m) • Connessione saldata tra flangia e profilo tubolare (Spessore flangie di giunzione = 25 mm)

8. SISTEMI DI MONITORAGGIO: DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE • Simulazione numerica del comportamento statico e dinamico della struttura • Validazione del modello ad elementi finiti mediante confronto con rilevazioni sperimentali su prototipo • Studio di fattibilità 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 d’intensità degli sforzi • Analisi numerica delle perturbazioni locali del campo di spostamento in condizioni estreme (folate critiche) • Definizione della sensibilità minima di sistemi di monitoraggio basati sulla rilevazione del campo locale di spostamento • Stima della tenacità a frattura mediante misure sperimentali su giunti saldati • Definizione delle condizioni di possibile collasso della torre danneggiata per effetto dei sovraccarichi

9. SISTEMI DI MONITORAGGIO: DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE Studio di fattibilità del sistema di rilevazione delle fessure: Stato di sollecitazione Determinazione sperimentale KIC KIC Modello FEM Calcolo KI di esercizio Dimensione critica fessura Perturbazione campo deformazione Rilevazione fessura

10. DESCRIZIONE DELLA TORRE EOLICA MEDIANTE ANALISI FEM METODOLOGIA DI ANALISI 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

11. VALIDAZIONE DEL MODELLO: ANALISI MODALE Analisi modale sperimentale Analisi modale FEM 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

12. STIMA SOLLECITAZIONI LIMITE Velocità limite di verifica della forza resistente aerodinamica 60 m/s. A = 4.5 m2 V = 60 m/s CR = 1.5 ( / ) ρ = 1.225 kg/m3 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 può stimare una accelerazione massima orizzontale intorno a: Rilevazioni sperimentali mediante sistema di accelerometri montato sulla navicella hanno evidenziato valori più contenuti

13. MISURA SPERIMENTALE ACCELERAZIONI 3.5 m/s2

14. MODELLAZIONE DELLE CONDIZIONI DI SOLLECITAZIONE Sollecitazioni: accelerazione nel piano orizzontale (forza resistente aerodinamica); accelerazione verticale di gravità. Vincoli: Torre incastrata alla base. 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

15. DESCRIZIONE SOTTOMODELLO

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

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

18. 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.

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

20. SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM ) Perturbazione del campo di spostamenti locali. Esempio per il caso di fessura da 120 mm (KI ca. 50 MPa m0.5 nelle condizioni di folata di vento critica) Sottomodello senza fessura.

21. SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM ) Perturbazione della deformazione dovuta alla presenza della fessura rispetto alla condizione di flangia integra

22. SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM ) Es. Fessura 120 mm, folata di vento critica, SIF applicato KI ca. 50 MPa.m0.5 Perturbazione di deformazione verticale La deformazione è rilevabile da comuni estensimetri elettrici. Tuttavia l’utilizzo degli estensimetri elettrici è precluso dai problemi di deriva

23. 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 dell’intera struttura avente una circonferenza di 2946 mm si potrebbero disporre ca. 36 trasduttori

24. MISURA SPERIMENTALE DELLATENACITA’ DEL MATERIALE E’ importante poter collocare questi valori rispetto a dati sperimentali sul materiale Possibilità di rottura improvvisa della struttura. NB! L’analisi FEM è stata condotta in ipotesi di comportamento lineare elastico vista l’onerosità computazionale Campagna sperimentale preliminare su saldature di testa prefessurate Provini di dimensioni ridotte Normativa di riferimento ASTM E 1820-08

25. MISURA SPERIMENTALE DELLATENACITA’ 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)

26. MISURA SPERIMENTALE DELLATENACITA’ DEL MATERIALE • Propagazione iniziale con sollecitazione a fatica • Cicli di carico e scarico (propagazione statica) • Rottura a fatica del provino ai/W = 1.000196 -4.06319u + 11:242u2 – 106.034u3 + 464.335u4 – 650.677u5 u =1/[(BWCi)0.5++ 1] Ci= cedevolezza misurata allo scarico i-esimo

27. MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA’ DEL MATERIALE Curve di resistenza delle piastre e dei cordoni di saldatura materiali e determinazione di KIC

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

29. SVILUPPI FUTURI 1) Scelta della migliore tipologia di trasduttori di deformazione. Modalità di posizionamento Affidabilità Stabilità della misura nel tempo Impiego a basse temperature Telemetria 2) Completamento dell’analisi FEM per la stima di deriva del segnale di deformazione con l’avanzamento della fessura in condizioni tipiche di utilizzo, includendo anche leggi costitutive più realistiche per il materiale 3) Campagna sperimentale Tenacità della ZTA Velocità propagazione fessura.

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

31. SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA Un reticolo di Bragg "scritto" su fibra ottica è 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. La deformazione assiale della fibra varia il suo passo del reticolo: ciò determina la variazione della lunghezza d'onda riflessa. Tale meccanismo consente la misurazione diretta di deformazione Lungo una guida ottica è possibile inserire più reticoli di Bragg, in modo da poter misurare la deformazione assiale della fibra in più punti.

32. SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA • Oltre al reticolo di Bragg ed alla guida d’onda, 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 più reticoli con uno stesso interrogatore • La precisione di questi sistemi arriva precisione da 1 με a 10 με 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

33. SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA • Potenziali vantaggi: • - possibilità di posizionare più sensori su una stessa linea di acquisizione dati; • - il segnale misurato è insensibile alle interferenze di tipo elettromagnetico o derivanti da onde radio; • - dimensioni e peso molto contenuti; • - estrema flessibilità; • - durata in esercizio superiore ai 30 anni; • facilità di cablaggio; • assenza di fenomeni di deriva • Punti critici: • costo dell’interrogatore • sensibilità dell’interrogatore a condizioni climatiche estreme

34. SENSORI A CRISTALLI FOTONICI • Prodotti da sferein 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 d’onda. • Con un’appropriata selezione il filtro può essere settato in modo da lavorare nel range del visibile Legge di Bragg modificata • λ lunghezza d’onda • d spaziatura interplanare • neff indice di rifrazione effettivo • θ angolo d’incidenza Detector Configurazione iniziale: Luce incidente q d0 Sfere polistirene elastomero Elongazione Contraziione trasversale d(e) Dl l Con figurazione deformata

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

36. HANNO CONTRIBUITO ALL’ATTIVITA’ 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