4 Diseño Práctico de la Estructura Soporte del proyecto Mar de Trafalgar

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1 4 Diseño Práctico de la Estructura Soporte del proyecto Mar de Trafalgar 4.1 Introducción Una vez descritos los principales pasos que requiere un parque eólico en el ar, podeos observar que llevar a la práctica un proyecto de esta índole iplica la participación de varios equipos ultidisciplinares, así coo, una gran inversión econóica. Bajo esta perspectiva, parece ipensable que este proyecto desarrolle copletaente dicho parque. Por ello, la aplicación práctica de este proyecto no contendrá todos los pasos de los que se copone, sino que se concentrará en uno de ellos, concretaente la Estructura Soporte, para desarrollarse dentro de un parque copleto. Así pues, el capítulo que se presenta a continuación describe los aspectos diferenciales de la Estructura Soporte de una platafora eólica en el ar. Ilustración 0. Definición de las Secciones de un Estructura Soporte Tipo. Capítulo 4 Página 134 de 09

2 4. Descripción de la Estructura Soporte 4..1 Introducción La Ilustración 0, uestra el esquea básico de una Estructura Soporte Tipo, y perite diferenciar claraente, tres secciones: Torre Subestructura Cientación Dado el carácter singular e innovador de nuestra Estructura Soporte, describireos a continuación, las distintas secciones con sus características principales. Torre (o fuste); está constituida por un conjunto de cuatro traos, todos ellos de sección octogonal, fabricado en chapa de acero. El prier trao, conecta en su base con el encepado de cientación, y llega hasta la platafora superior. Los tres traos restantes, poseen una configuración telescópica, y van incorporados en el interior del trao base en la fase de construcción y transporte. Una ver realizada la instalación, todos los traos quedarán extendidos, forando una sola pieza, que constituye el fuste de sujeción del aerogenerador. Subestructura; está copuesta por ocho pilares en celosía, la platafora y el trao inferior de la torre anteriorente encionada. o Platafora; Está constituida por una estructura octogonal de horigón, conforando en su cara superior la superficie de operación de la planta del aerogenerador, y en su cara inferior la superficie de operación de la planta de acuicultura. El conjunto estructuralente es una losa nervada, forada por una placa continua con 8 nervios inferiores, constituidos coo vigas vierendel dobles, que constituyen los viales de operación de la planta de acuicultura. El conjunto de la losa posee una perforación central, de sección octogonal, a través de la cual Capítulo 4 Página 135 de 09

3 pasa la torre o fuste del sistea. Asiiso, tabién posee 8 perforaciones en los extreos exteriores de los ejes del octógono, para el paso de los pilares laterales de la superestructura. o Pilares en Celosía; está constituida por 8 pilares etálicos de celosía, que conectan la platafora superior y la inferior (cientación) del conjunto del sistea. Cada uno de estos pilares, está forado por tres perfiles de tubulares, dispuestos en los vértices de un triángulo equilátero. Estos tubos principales, están unidos ediante barras, asiiso tubulares, forando verticalente una celosía plana en cada una de las caras del triángulo. Cientación; encepado de horigón, de geoetría octogonal. Está constituido por una losa continua inferior, que fora la base de apoyo en el fondo arino, y nervada superiorente ediante 8 nervios, forados por vigas vierendel. Asiiso, el períetro exterior del octógono, está constituido por entraados reticulares de horigón. En los vértices exteriores del octógono se disponen conjuntos de 3 icropilotes cada uno, coincidentes con los perfiles tubulares de los pilares de la superestructura interedia. En la parte central, se dispone la placa de anclaje de la torre o fuste, tabién octogonal, y coincidente con la base del trao priero de ésta. Las características individuales de cada uno de los coponentes del odelo se desarrollan a continuación. El análisis se realizará con el prograa de cálculo, ANSYS, por lo que se utilizarán específicaente los eleentos que éste proporciona para odelar los distintos coponentes del sistea. 4.. Modelo Estructural de la Torre Definición del odelo Esta parte de la estructura se odela ediante eleentos de barras espaciales del tipo BEAM44, cuya sección es hueca, de perfil delgado y octogonal. La unión de la torre con la platafora superior se odela directaente ediante restricciones que copatibilizan los desplazaientos horizontales y verticales de la torre y la platafora en su encuentro Material Usado Tipo de acero estructural para la torre: S-355 Espesores: 30 (Trao1), 0 (Trao), y 15 (Traos 3 y 4) Módulo de Elasticidad: N Capítulo 4 Página 136 de 09

4 Densidad: 7800 kg 3 Coeficiente de Poisson: 0.3 Módulo de elasticidad transversal: N Propiedades de las Secciones de las Barras Los cuatro traos de la torre se odelan coo barras espaciales de sección octogonal y pared delgada (pequeño espesor), cuyas características, coenzando por el trao inferior, son las siguientes: 1. Trao 1:. Trao : 3. Trao 3: 4. Trao 4: a. Radio inscrito exterior, R ie b. Espesor e 1 30 c. Longitud de L R ie R ie1 e 1 R ie = 3.0 a. Radio inscrito exterior,, b. Espesor e 0 c. Longitud de L 5 a. Radio inscrito exterior, R ie 3 R ie e b. Espesor e 3 15 c. Longitud de L 3 5 a. Radio inscrito exterior, R ie 4 R ie3 e 3 b. Espesor de e 4 15 c. Longitud de L 4 5, R ie = , R ie = Capítulo 4 Página 137 de 09

5 Para calcular las propiedades de las secciones del fuste, ostrareos las propiedades de un octógono regular, con espesor. z Rie Rii e α α y Rci Rce El ángulo de un sector viene deterinado por, α π 8, donde el radio inscrito interior se puede expresar coo R ii R ie e, en función de los radios inscritos exteriores y los espesores dados. Los radios circunscritos se pueden expresar coo: R ie R ce cos α R ci R ii cos α y, exterior e interior respectivaente, en función de los radios inscritos y el ángulo que abarca un sector. Las propiedades geoétricas de la sección vienen deterinadas por las siguientes expresiones: A 8 R ie Iyy ( ) ( R ii ) tan α Izz Iyy, D e R ce ( R ce ) 4 R ci ( ) 4 Así pues, las propiedades geoétricas de cada sección son las siguientes: 1. Trao 1: A 1 = Iyy 1 = Izz 1 = Capítulo 4 Página 138 de 09

6 D e1 = Trao : A = 0.45 Iyy = Izz = D e = Trao 3: A 3 = Iyy 3 = Izz 3 = D e3 = Trao 4: A 4 = Iyy 4 = Izz 4 = D e4 = Modelo estructural de la Platafora Superior Definición del odelo La platafora de horigón es una losa nervada, forada por una placa continua con 8 nervios inferiores, constituidos coo vigas vierendel dobles. El odelo de eleentos finitos adoptado es el siguiente: Platafora, Refuerzo sobre el Fuste y Pasillos inferiores: Losas de horigón arado (30, 30 y 15 c respectivaente). Se realiza ediante eleentos de tipo SHELL63 Nervios de la Platafora: Vigas vierendel. Se realiza ediante eleentos de tipo BEAM44 Capítulo 4 Página 139 de 09

7 4..3. Material Usado Horigón HA-35 Módulo de Elasticidad: N/ Densidad: 500 kg/ 3 Coeficiente de Poisson: Propiedades de las Secciones de las Vigas Vierendel Se diseñan y odelan con sección rectangular 30x30 c Ilustración 1. Vista inferior de la platafora Modelo estructural de la sub-estructura Definición del odelo Esta subestructura está forada por pilares etálicos de celosía. Se odela ediante barras espaciales, con eleentos del tipo BEAM44. Capítulo 4 Página 140 de 09

8 Ilustración. Vista superior del conjunto subestructura-platafora Material Usado Propiedades del acero: E a kg c G a kg * c Propiedades de las Secciones de las Barras Cada uno de los 8 pilares etálicos de celosía de la subestructura, se odelan coo barras espaciales de sección equivalente, cuyas características son las siguientes: Separación entre cordones: s Coordenada x de los centros: x c1 Coordenada y de los centros: y c1 s, x s c, x s c3 s, y s c, y s c3, x s c4, y s c4 Radio edio del tubo (Tubo de 73 de diáetro y 1.5 de espesor): r * Capítulo 4 Página 141 de 09

9 Propiedades geoétricas de la sección: x 1 ( t) r cos () t + x c1 y 1 ( t) r sin() t + y c1, x ( t) r cos () t + x c y ( t) r sin() t + y c, x 3 ( t) r cos () t + x c3 y 3 ( t) r sin() t + y c3, x 4 ( t) r cos () t + x c4 y 4 ( t) r sin() t + y c4, 1 y 1 () t x c x c1 y c1 y () t y 3 () t 0 y 4 () t y c x 1 () t, x () t, x 3 () t, x 4 () t Inercias de la sección: I y 0 I x 0 π π re re x 1 () t + x () t + x 3 () t + x 4 () t y 1 () t + y () t + y 3 () t + y 4 () t dt dt *, I x = c 4 *, I y = c 4 I xy 0 π re ( x 1 ()y t 1 () t + x ()y t () t + x 3 ()y t 3 () t + x 4 ()y t 4 () t ) dt *, I xy = Área de la sección: A 4 π r e * = c, A Diensiones de la sección: x in x c r e * x, in = Capítulo 4 Página 14 de 09

10 x ax x c1 + r y in y c3 r y ax y c1 + r + + e e e * x, ax = * y, in = * y, ax = Cálculo del área a cortante: Paso de la celosía: l Longitud de las diagonales: d l 1 + s *, d = Área de una diagonal: A D 10.80c (Tubo ø90.4) Área del ala a cortante: l 1 s E a A D A a G a d 3 * A a = c,, A = A a Esbeltez del pilar: Esbeltez copleentaria: λ c π A A D d 3 l 1 s *, λ c =.06 Longitud del pilar: L 35.5 Coeficiente de pandeo (epotrado-epotrado): β 1 λ x β L I x A λ y β L I y A Esbeltez en los dos planos:, λ x = ,, λ y = Esbeltez ideal: λ i ax λ x λ y (, ) + λ c, λ i = Descripción de las Acciones Introducción Las cargas a las que van a estar soetidas las estructuras del sistea serán uy diversas, y relacionadas con las distintas etapas de construcción, instalación, puesta en archa y Capítulo 4 Página 143 de 09

11 operación. No obstante, a efectos de evaluación del diseño preliinar, que aquí nos ocupa, podeos realizar el análisis en base a una priera valoración aproxiada de las acciones ás significativas. A continuación se evalúan las acciones consideradas. Por defecto, se aplica el Eurocódigo en todo lo relativo a la cuantificación de las acciones y cargas de diseño a considerar, incorporando adeás las especificaciones del fabricante del aerogenerador, así coo algunas especificaciones particulares derivadas de las norativas IEC, GL, y DEE: 4.3. Peso Propio Se consideran las acciones gravitatorias de todos los eleentos constituyentes de las estructuras, de acuerdo con la densidad de los ateriales. Adeás, se consideran las cargas de peso propio derivadas por el aerogenerador, definidas por el fabricante Peso de la góndola + 3 palas:.630 kn Esta carga se aplica en el extreo superior de la torre Corrientes arinas La estiación de la fuerza de las corrientes sobre el sistea se evalúa de la siguiente fora: Velocidad de la corriente hacia el W; V W 0.75 s Coeficiente de inercia (0.6 a 1.); C D 0.75 Diáetro del eleento incluyendo desarrollo de la vida arina; D 7 Densidad del agua; ρ w 1000 kg 3 Fuerza horizontal del agua por etro lineal F W ρ w D C D V W 1 F W = N Sobrecarga de Montaje, Uso y Manteniiento Esta acción se estia en base a las condiciones de ontaje, uso y anteniiento del p 1 Tn conjunto, estableciéndose coo valor de diseño un carga distribuida, de,, sobre la platafora, en dos situaciones distintas, sobrecarga únicaente a izquierda y únicaente a derecha. p = kn Capítulo 4 Página 144 de 09

12 4.3.5 Viento Las fuerzas derivadas de la acción del viento sobre la torre, al igual que en el caso de oleaje, dependen de una serie copleja de factores. No obstante, en este caso, es preciso tener en cuenta dos situaciones claraente diferentes, que se corresponden con la activación ó no activación del aerogenerador. Cuando el aerogenerador está en funcionaiento, es preciso tener en cuenta, adeás de la acción superficial de la presión del viento sobre la torre y la platafora superior, las cargas que transite la base de éste a su soporte en el extreo superior de la torre. Sin ebargo, cuando el aerogenerador no está en operación, las cargas transitidas por el aerogenerador serán proporcionalente poco significativas. Así pues, considerareos coo hipótesis de trabajo en principio ás desfavorables, las derivadas de la situación de operación del aerogenerador Acciones transitidas por el aerogenerador Los valores de las cargas que se transiten a través de la base soporte de los aerogeneradores, vienen establecidas por los fabricantes. En el caso que nos ocupa (GE-3,6Mw), estos valores son los siguientes: Ilustración 3. Esfuerzos en la cabeza de la torre según la IEC Capítulo 4 Página 145 de 09

13 Las hipótesis siples de viento a considerar, según el fabricante GE, son: Nobre Denoinación GE Velocidad Dirección Ráfaga Viento1 DLC /s 10º - Viento DLC /s 10º - Viento3 DLC. 1./s 10º - Viento4 DLC /s 0º 3s Viento5 DLC /s 0º 1in Viento6 DLC /s 45º 3s Según la inforación de GE, las cargas de viento correspondientes a la hipótesis Viento5 (ráfagas de 1 inuto) se pueden obtener de la hipótesis Viento4 (ráfagas de 3 segundos) ultiplicando por ( ) V V =. 1in 1s 0.76 En definitiva, las cargas sin ayorar a considerar son las siguientes: Hipótesis siple: Fx (kn) Fy (kn) Fz (kn)-pp Mx (kn) My (kn) Mz (kn) DLC 1.0 (10.4/s) DLC 1.0 (7.6/s) DLC. (1./s) DLC 6.1 (59.5/s) DLC 6.1 (59.5/s) DLC 6. (59.5/s) Capítulo 4 Página 146 de 09

14 Definición del Modelo Usado: Introducción La acción del viento sobre el sistea provoca una distribución de presión a lo largo del fuste y en los laterales de la platafora. Esta distribución de presión depende, fundaentalente, de la velocidad áxia a la altura de buje, V hub. Para definir correctaente esta distribución de presiones debeos coenzar por odelar la distribución de velocidad, frente a la altura, respecto del nivel del ar. Este odelo consiste en la siguiente expresión: Vz () V hub z NM h NM 1 n, donde, z representa la altura edida desde el lecho arino, NM 33 representa la altura del nivel del ar edio (LAT), h 118 representa la altura del buje y n es un coeficiente que depende del tipo de viento considerado, a saber, 13 para viento a ráfaga y 9 para viento sostenido Esta distribución de velocidades provoca una distribución de presión dináica dada por la expresión: pz ρ a Vz, donde, consideradas, en nuestro caso a 15ºC y 1 at. () 1 () ρ a 1.5 kg 3 es la densidad del aire en las condiciones Una vez obtenida la distribución de presiones podeos calcular la distribución de fuerza sobre cada eleento del sistea, aplicando la ecuación correspondiente: Para cargas sobre el fuste: F wf z () pz ()C s A C s es el coeficiente de fora, ( ) ( ), donde cos θ sin θ A es el área del fuste vista por el viento por unidad de longitud y θ es el ángulo de dirección del viento. Para cargas sobre la Platafora: F wp z () pz ()h p c donde h p es el ancho de la platafora que ve el viento (se supone que esta totalente cubierta) y c es el coeficiente eólico (según la AE-88) Capítulo 4 Página 147 de 09

15 Estos odelos se particularizarán para los distintos niveles de altura donde aparecen cabios de sección o hitos iportantes, es decir, para; h 0 h 1p h 1 h h 3 NM altura del nivel del ar, altura del coienzo de la platafora, altura de la platafora, altura de cabio desde el trao 1 al trao, altura de cabio desde el trao 1 al trao y h 4 h altura del fuste Velocidad del viento Con el objetivo de conteplar todos los casos, estableceos los siguientes valores de velocidad y del coeficiente n. Con estas expresiones de la velocidad, el subíndice nos servirá para conocer el valor de alguna de las variables calculada (velocidad, presión dináica o fuerza/ud long). (Este subíndice no esta relacionado con los índices de las alturas) Así pues, y a odo de ejeplo, si quereos conocer la presión dináica, producida por la hipótesis de Viento 3 a la altura de la platafora, debe expresarse coo sigue: ph ( 1 )3, donde p, es la presión, h 1 es la altura de calculo y el índice 3 indica la hipótesis 3. V hub 10.4 s 7.6 s 1. s 59.5 s 51.5 s 59.5 s n Capítulo 4 Página 148 de 09

16 1 n Así pues, la expresión de la velocidad viene dada por la expresión: Vz () V z NM hub h NM, siendo sus representaciones gráficas las que se uestran a continuación, en el rango z NM.. h. 118 Viento Sostenido 118 Viento a Ráfagas Altura () Altura () Velocidad (/s) 10.4 /s 7.6 /s 1. /s Velocidad (/s) 59.5 /s (0º) 51.5 /s (0º) 59.5 /s (45º) Los valores característicos en los puntos clave de estudio, y para las distintas hipótesis, son: Vh ( 1p ) = Vh 49.1 s ( ) = Vh s ( ) Presión dináica del viento = Vh s ( ) = Vh ( s 4 ) = La presión dináica correspondiente a esta distribución de velocidades viene dada por la expresión: pz () 1 ρ a Vz () , cuyas representaciones gráficas se uestran a continuación. s 118 Viento Sostenido 118 Viento a Ráfagas Altura () Altura () Presión (N/^) 10.4 /s 7.6 /s 1. /s Presión (kn/^) 59.5 /s (0º) 51.5 /s (0º) 59.5 /s (45º) Capítulo 4 Página 149 de 09

17 ph ( 1p ) ph ( 4 ) = N = ph N ( ) N = ph Fuerza del viento sobre el Fuste ( ) N = ph ( 3 ) = Para establecer la fuerza que se ejerce debida al viento, por unidad de longitud, sobre el fuste, debeos definir el ángulo de dirección del viento, para cada caso, θ 10deg 10deg 10deg 0deg 0deg 45deg N, el coeficiente de fora (sección cilíndrica) C s 0.5, y el área por unidad de longitud del fuste, A 7 La fuerza, por unidad de longitud, (en odulo) viene dada por la expresión: F wf z La representación gráfica de dichas expresiones se uestra a continuación. () pz ()C s A 118 Viento a Ráfagas 118 Viento Sostenido Altura () Altura () Fuerza (kn/) 59.5 /s (0º) 51.5 /s (0º) 59.5 /s (45º) Fuerza (N/) 10.4 /s 7.6 /s 1. /s Capítulo 4 Página 150 de 09

18 Los valores nuéricos de las distintas fuerzas a lo largo del fuste se uestran a continuación: F wf ( h 1p ) F wf ( h 4 ) = N = F wf h N ( ) N = F wf h ( ) N = F 661 wf ( h 3 ) = N Dado que el viento tiene distinta dirección para cada hipótesis, los valores en la dirección x son: F wf ( h 1p ) cos ( ( θ ) N ) = F ( wf ( h 1 ) cos ( θ ) N ) = F ( wf ( h ) cos ( θ ) ) = ( F wf ( h 3 ) cos ( θ ) 90.8 N ) = F ( wf ( h 4 ) cos ( θ ) ) = N N En la dirección y son: Capítulo 4 Página 151 de 09

19 F wf ( h 1p ) sin ( ( θ ) N ) = ( F 0 wf ( h 1 ) sin ( θ ) N ) = ( F 0 wf ( h ) sin ( θ ) ) = ( F wf ( h 3 ) sin ( θ ) 51.8 N ) = ( F 0 wf ( h 4 ) sin ( θ ) ) = N N Fuerza del viento sobre la Platafora La presión dináica a la altura de la platafora para cada hipótesis es: ph ( 1 ) = Esta presión se transfora en una fuerza por unidad de longitud sobre los laterales de la platafora según la expresión anteriorente coentada. 3 La altura de la platafora es de h p, y el coeficiente eólico depende del ángulo que fora el viento con la platafora en concreto c( δ), donde δ es el ángulo que fora la noral a la cara considerada con respecto a la dirección del viento. En el rango δ 0deg, 10deg.. 360deg N 1 c() δ ( 0.4) if 0 δ < 90deg ( ) 1. δ 90deg deg 0.8 if 150deg δ < 10deg ( ) 1. 70deg δ deg ( 0.4) if 70deg δ 360deg if 90deg δ < 150deg if 10deg δ < 70deg c( δ) δ 360deg Capítulo 4 Página 15 de 09

20 La expresión de la fuerza (por unidad de longitud) aplicada en las líneas laterales del odelo nos queda coo: F wp ( z, δ) pz ()h p c() δ Particularizando para cada hipótesis teneos δ 35deg, 80deg.. 350deg 1. HIPOTESIS 1 ( ) ph ( 1 ) h p = N F wp1 ph ( 1 )1 h p δ = c( δ) deg = F wp1 = N F wp1 c( δ) = N. HIPOTESIS F wp ph ( 1 ) h p F wp = N Capítulo 4 Página 153 de 09

21 δ = c( δ) deg = F wp c( δ) = N δ 10deg, 55deg.. 35deg 3. HIPOTESIS 3 ( ) F wp3 ph ( 1 )3 h p δ = c( δ) deg = F wp3 = N F wp3 c( δ) = N Capítulo 4 Página 154 de 09

22 δ 0deg, 45deg.. 315deg 4. HIPOTESIS 4 (idéntica, nuéricaente, a la HIPOTESIS 6) F wp4 ph ( 1 )4 h p F wp4 = N F wp4 c() δ = N δ = c( δ) deg = 5. HIPOTESIS 5 F wp5 ph ( 1 )5 h p F wp5 c() δ = N F wp5 = N δ = c( δ) deg = Capítulo 4 Página 155 de 09

23 Heos considerado coo hipótesis ás desfavorable la de Viento6, cuya aplicación en el odelo queda según las siguientes figuras: Capítulo 4 Página 156 de 09

24 4.3.6 Oleaje El oleaje actuará sobre el conjunto del sistea, es decir, sobre los pilares exteriores y sobre la parte inferior de la torre. Obviaente, los efectos de interferencia entre estos eleentos y el propio oleaje, tendrá coo resultado una cierta distribución de las fuerzas del oleaje entre los distintos coponentes encionados. Coo priera aproxiación, considerareos que las acciones del oleaje se desarrollan coo se uestra a continuación: 1. Datos de Mareas: a. H LAT 30 ; Altura del ar en Bajaar b. H 3; Recorrido de la area c. H HAT H LAT + H, H HAT 33 =, Altura del ar en Pleaar. Datos de Oleaje: a. H OLA H OLA 14, ξ a a = 7 3. Datos de la Geoetría del Conjunto:, ξ ; Altura de Ola y Sei-altura de Ola a. H plataf H HAT + 8, H plataf = 41 ; Altura de la Platafora b. c. H ci 5.5 ; Altura de la Cientación H opaca 15 ; Altura de Superficie de Protección contra Flujo Elevado (opaca) Capítulo 4 Página 157 de 09

25 4. Datos de la onda: Estableciendo una altura de ola de H d H OLA H LAT podeos caracterizar la onda de análisis: H = 14 ξ a = 7 d = 30,, Período y frecuencia de la Ola; T 3.4s H (sei-ola ξ a H 1, T = 1.7s, ω π rad T Velocidad de la ola (resolviendo el sistea c root gt π tanh π d xt x, x, 0.001, 00 s s, c = s Longitud de Onda y núero de Onda:, λ ( ct ), λ = , ) y una profundidad de c πrad k λ, ω = 0.494Hz gt π tanh π d ct, k = d = λ Según la teoría de ondas, podeos considerar profundidad finita, dado que es enor que 0.5, y por tanto las velocidades horizontal y vertical de la partícula se pueden expresar coo: v h ( xz,, t) cosh [ k ( z + d) ] ξ a ω cos( k x ω t) sinh[ k ( z + d) ] v sinh( k d) v ( xz,, t) ξ a ω sin( k x ω t) sinh( k d) ) Y su aceleración correspondiente según dichas relaciones, coo: a h ( xz,, t) ξ a ω cosh [ k ( z + d) ] sin( k x ω t) a sinh( k d) v ( xz,, t) ξ a ω sinh[ k ( z + d) ] cos ( k x ω t) sinh( k d) La fuerza del oleaje sobre la estructura, según Morison, teniendo en cuenta; un coeficiente de inercia (de 0.6 a 1.) C D 0.75 un coeficiente de resistencia (de 1.3 a ) C M un diáetro del eleento, incluyendo desarrollo de la vida arina de D 7 y una densidad del agua de ρ w 1000 kg 3, es: Capítulo 4 Página 158 de 09

26 Fuerza horizontal (por etro lineal), F h xz ρ w π D ρ w D (,, t) C M a 4 h ( xz,, t) + C D v h ( xz,, t) v h ( xz,, t) Y cupliendo el criterio de Morison ( F v xz D < 0. λ ρ w D (,, t) 1.3 C D v v ( xz,, t) ) D = λ, la fuerza vertical: Teniendo en cuenta que el sistea de referencia se sitúa en la superficie del ar tranquilo, podeos representar, gráficaente, las fuerzas horizontales y verticales, en la posición del fuste x 0, en función del tiepo y a los niveles de interés; z 1 z ξ a 0 z = 7 1, ( )a la altura áxia de ola, en la superficie del ar z 3 H opaca + 8, altura de la superficie opaca (sin actuar) z = z d + H ci ( ) F h xz, 1, t ( ) F h xz,, t ( ) F h xz, 3, t ( ) F h xz, 4, t , en la superficie de la cientación Fuerza horiz. con el tiepo y prof t Capítulo 4 Página 159 de 09

27 ( ) F v xz, 1, t ( ) F v xz,, t F v ( xz, 3, t) F v ( xz, 4, t) Fuerza vert. con el tiepo y prof t Dado que las cargas horizontales son de un ayor orden que la verticales, coo hipótesis siplificativa despreciareos la verticales. Así pues, para estas cargas verticales, calculareos los valores áxios de dichas cargas, para los distintos niveles, realizando posteriorente, una estiación estática equivalente. i t axi root ( ) d t F h xz,, t d i, t, T 1. 3, 4 T Para dicho tiepo áxio, los valores de las cargas son: t ax = s F ax ( ) F h xz,, t ax F ax = Así pues, un odelo lineal por traos, que ayore las cargas existentes puede odelarse coo: kn F h ( z ) F ax1 F ax z z 1 F ax F ax3 z z 3 F ax3 F ax4 z z otherwise ( z z ) ( z z 3 ) ( z z 3 ) + F ax + F ax3 + F ax3 if if if z z z 1 z z z 3 z z z 4 3 Capítulo 4 Página 160 de 09

28 Gráficaente sería ( z z 1 z 4,.. z z ) : 7 Distrib. Carga en Trao Suergido Altura () z z F h ( z ) F h x, z, t ax1, 10 5 N 10 5 N Siplificada Modelo Donde; F h z 1 ( ) = 09 kn, F h z ( ) = kn, F h z 3 ( ) = kn, F h ( z 4) = kn La distribución de carga sobre el odelo geoétrico se uestra en la siguiente figura: Capítulo 4 Página 161 de 09

29 4.3.7 Acciones Sísicas, según la NCSE Aceleración sísica básica: Este valor se obtiene de las tablas anejas a dicha nora, donde se establecen la aceleración sísica básica a b y el coeficiente de contribución K, en nuestro caso la localidad es Barbate y sus valores son: a b 0.05g y K Aceleración sísica de cálculo: Se define coo a c S ρ a b, donde: a b es la aceleración sísica básica definida anteriorente ρ es el coeficiente adiensional de riesgo y sus valores pueden ser Construcciones de iportancia especial ρ 1.3 Construcciones de iportancia noral ρ 1.0, considerada en este caso C es el coeficiente de terreno y depende de las características geotécnicas del terreno, en nuestro caso toareos C 1.6, terreno Tipo III S es el coeficiente de aplificación del terreno y toa el valor siguiente: S C 1.5 if ρ a b 0.1 g C a b C ρ g if 0.4g ρ a b if 0.1g ρ a b < < 0.4g Así pues la aceleración sísica de calculo, definida por a c a c = 0.68 s S ρ S = 1.8 a b, es igual a a c = 0.064g, Espectro de respuesta elástica En prier lugar se definen los periodos característicos (en s) de la respuesta, según las expresiones: T A T B KC 10 KC.5 T A = 0.19 T B = Capítulo 4 Página 16 de 09

30 α( T) T T A.5 if T A T T B if T < T A KC Se define el espectro coo: Gráficaente se uestra a continuación: T if T > T B,.. T B, para el rango T T B. 3 α( T) 1 T A T B T Modificación del espectro de respuesta elástica debida al aortiguaiento Dado que el espectro esta definido para un aortiguaiento del 5% y nuestra estructura tiene un coeficiente de aortiguaiento Ω 4% se establece es siguiente coeficiente y el siguiente espectro de respuesta ν 5% Ω 0.4 ν = T α ν ( T) 1 + (.5 ν 1) if T < T T A A ναt ( ) if T T A Gráficaente para el iso rango de T: 3.8 T A T B α( T).19 α ν ( T) T A = 0.19 α ν ( T A ) =.733 T Capítulo 4 Página 163 de 09

31 T B = α ν ( T B ) = Modificación del espectro de respuesta elástica debida al coportaiento dúctil de la estructura Para un coeficiente de coportaiento por ductilidad de µ 1, el coeficiente de respuesta ν β µ, tiene un valor de β = y el espectro de respuesta elástica queda odificado según: T α β ( T) 1 + (.5 β 1) if T < T T A A α( T) β if T T A 3.8 T A T B α( T).19 α ν ( T) α β ( T) T A = 0.19 α β ( T A ) =.733 T B = α β ( T B ) = Espectro de respuesta elástica coo aceleración vs. frecuencia Para evaluar el coportaiento de la estructura con este espectro de respuesta es necesario adaptar la inforación al prograa de cálculo que estaos usando, así pues requerios una representación aceleración s Así pues, si definios, S a f frente a la frecuencia ( Hz). () α ν 1 f a c T, obteneos el espectro de la respuesta en aceleraciones en función de la frecuencia, siendo sus frecuencias características, f A = 5.08, y 1 f B T B B = 1.30, f. Su representación gráfica se uestra a continuación: 1 f A T A, Capítulo 4 Página 164 de 09

32 S a ( f) 0.69 f B f A f S a ( f B ) = S a ( f A ) = s s Con el fin de introducir los datos coherenteente, realizareos un odelo por traos para distintas frecuencias. f 1 0.1f B f f B f 3 f A f 4 f A f 5 4f A f 6 8f A f 1 = 0.13 f = 1.30 f 3 = 5.08 f 4 = f 5 = f 6 = S a ( f 1 ) s = 0.17 S a ( f ) s = S a ( f 3 ) s = S a ( f 4 ) s = 1.17 S a ( f 5 ) s = 0.9 S a ( f 6 ) s = Así pues, la función que vaos a introducir para el cálculo se expresa a continuación: ( ) S a () f S a f 1 + S a ( f ) S a ( f 3 ) S a ( f 4 ) S a ( f 5 ) otherwise ( ) S a ( f 1 ) ( ) S a f S a f 3 f f 1 f f 1 ( ) S a ( f ) ( ) S a f 4 f 3 f f f ( ) S a ( f 3 ) ( ) S a f 5 f 4 f 3 f f 3 ( ) S a ( f 4 ) ( ) S a f 6 f 5 f 4 f f 4 ( ) S a ( f 5 ) ( ) f 6 f 5 f f 5 if f 1 f if f f if f 3 f if f 4 f if f 5 f < f < f 3 < f 4 < f 5 < f 6 Coparando gráficaente se observa que se aproxia suficienteente: Capítulo 4 Página 165 de 09

33 .31 f B f A S a () f S a () f Cobinación de Hipótesis Hipótesis Siples En resuen, las hipótesis siples aplicadas sobre el sistea en su conjunto son las siguientes: Acciones Peranentes o Peso Propio ( G k,1 ) o Corriente Hidrodináica ( G k, ) Acciones Variables o Sobrecarga de Montaje, Uso y Manteniiento (A y B) (, ) o Sobrecarga de Funcionaiento de Aerogenerador (F) ( Q k,3 ) Acciones Accidentales o Oleaje A (sin Protección) ( A k,1) o Oleaje B (con Protección) ( A k, ) o Siso ( A k,3) 4.4. Cobinación de Hipótesis f Q k,1 Q k, Al objeto de coprobar la resistencia estructural de los distintos coponentes, se analizan las cobinaciones de hipótesis de cargas, según los valores de cálculo establecidos por el Eurocódigo 3: Capítulo 4 Página 166 de 09

34 Con sus correspondientes coeficientes de seguridad: Capítulo 4 Página 167 de 09

35 4.4.3 Restricciones El conjunto del sistea está soportado en su base, ediante la correspondiente cientación, a la que se unen, tanto el trao base de la torre, coo los pilares de la subestructura. El odelado de estas condiciones de contorno se traduce en el epotraiento en la base la torre y los pilares, es decir, restricción de todos los desplazaientos y giros. 4.5 Resultados Introducción El cálculo de las estructuras descritas, se realiza ediante el prograa de software ANSYS, de confianza asegurada, toando el siguiente sistea de coordenadas global, en el centro de la placa superior de la platafora. A continuación se incluyen los resultados ás significativos. Capítulo 4 Página 168 de 09

36 4.5. Análisis Dináico Frecuencias naturales: MODO FRECUENCIA (Hz) Modos de Vibración Capítulo 4 Página 169 de 09

37 4.5.3 Resuen Fuste Tras un análisis exhaustivo de los resultados obtenidos llegaos a la conclusión que la cobinación ás desfavorable, para el fuste, se presenta en la situación accidental de Oleaje Extreo, describiéndose, a continuación dicha cobinación: ( ) G + G + A Qk k,1 k, k,,3 Los esfuerzos en la base de la torre (sección ás desfavorable) son: N = MN, M = MN, M = MN x M eq M y σ N y z + M z, M eq = MN, A , I , h 7.036, W = = 15.44MPa, σ M = MPa. σ eq σ N + σ M, σ eq = 04.88MPa La esbeltez de la torre, considerando la sección del trao superior y la longitud por encia de la platafora es λ 3.46, consecuenteente el estudio a pandeo no se realiza Pilares en Celosía Los resultados obtenidos nos periten observar que la cobinación ás desfavorable, para los pilares en celosía, se presenta en la situación accidental de Oleaje con Protección, describiéndose, a continuación dicha cobinación: ( ) ( Gk,1 + Gk, + Ak, Qk, Qk, Qk, ) Los esfuerzos en la unión con la platafora para el pilar ás desfavorable son: N = kn, M = kn, M = kn x y z A , I y c 4 y ax 0.564, W z = c 3, z ax 0.564, W y = c 3, I z c 4, σ N = 38.05MPa σ eq = MPa, σ My = MPa, σ Mz = 90.84MPa, σ eq σ N + σ My + σ Mz, La esbeltez de los pilares en celosía, con las consideraciones coentadas anteriorente, es λ i = , que, usando en étodo de las ω, obteneos un coeficiente de ω, que nos auenta la tensión debida al axil en 38.1 MPa, peraneciendo en niveles seguros. Capítulo 4 Página 170 de 09

38 Losa de la platafora La cobinación ás desfavorable se presenta, en una situación peranente. Concretaente, con la Sobrecarga de Montaje, Uso y Manteniiento, del siguiente odo: ( k k ) ( k k ) 1.35 G + G Q + Q Qk,1,,1,,3 La tensión áxia en la losa, considerando odelos lineales, es σ ax =.5MPa, con lo cual, y coo priera estiación para un diseño as detallado, estaos dentro de los niveles de seguridad considerados por la norativa correspondiente Dináica Datos del Aerogenerador Frecuencia de trabajo ínia: ω in 8.5rp, ω in = 0.14Hz Frecuencia de trabajo áxia: ω ax 15.3rp, ω ax = 0.55Hz Núero de Palas: n 3 Datos del Oleaje Periodos característicos: Datos de la Estructura T ola 8s 13s 18s, 1 ω ola T ola, 0.15 ω ola = Hz Priera Frecuencia Natural: Hz Justificación El objetivo de este análisis radica en coprobar que la estructura no va a ver excitado su prier odo de vibración para los distintos regienes de trabajo que se pudieran presentar. ω 1 Peritido Para ello vaos a representar los rangos de frecuencia peritidos por la estructura con un factor de seguridad del γ 10%, se obvia el análisis sobre el oleaje por la baja influencia en este análisis. Prohibido Rangos del Aerogenerador Rangos del Aerogenerador con un 10% de seguridad Capítulo 4 Página 171 de 09