Resumen de Advanced analysis and design of towers for wind turbines
- español
El compromiso de la Comisión Europea para lograr la neutralidad climática para el año 2050 ha llevado a la energía eólica a ocupar un papel fundamental para alcanzar dicho objetivo. Esto ha generado una creciente demanda de este tipo de producción de energía, lo que requiere avances técnicos para aumentar el tamaño y la capacidad de generación de las turbinas eólicas. Como resultado, se imponen mayores exigencias estructurales, lo que conlleva el uso de componentes más grandes y, en consecuencia, mayores costos de fabricación, mantenimiento y transporte. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es mejorar la comprensión del comportamiento estructural de la torre para lograr optimizar su fabricación mediante la optimización estructural, con el fin de reducir el tiempo de producción, los costos y las emisiones, al mismo tiempo que se mejora la fiabilidad de la torre.
Debido al aumento en las solicitaciones estructurales que deben soportar las torres eólicas modernas, una determinación más precisa de sus resistencias bajo diversas condiciones de carga será útil para cumplir estos objetivos. Esto permitirá mejorar el rendimiento global de toda la estructura. Aunque es necesario evaluar diferentes estados límite, el caso de carga resultante es altamente complejo, estando dominado principalmente por la flexión, lo que puede provocar fallos por pandeo en el lado sometido a compresión y afectar las conexiones atornilladas de brida en L en el lado sometido a tracción. El primer caso es crítico en los tramos superiores de la torre, donde el pandeo debido a la interacción entre flexión y torsión es predominante, mientras que el segundo es especialmente relevante en las secciones inferiores, donde los estados límite plásticos y de fatiga son los más significativos.
La metodología de investigación se basa en simulaciones mediante elementos finitos y validaciones experimentales. En el lado sometido a tracción, el estudio se centra en analizar la capacidad portante última de las uniones atornilladas y la carga que debe soportar el tornillo en relación con la carga que atraviesa el cuello (Load Transfer Function - LTF) necesaria para las evaluaciones a fatiga de la unión. En el lado de compresión, el objetivo es integrar metodologías más adecuadas para evaluar el pandeo que consideren la influencia de las imperfecciones geométricas y los estados combinados de carga.
Los enfoques tradicionales, basados en modelos simplificados, están alcanzando sus límites para evaluar los estados límite de fatiga y plastificación en las uniones, lo que puede llevar a diseños de gran tamaño. Mediante virtual testing de diversas configuraciones geométricas de bridas en L, se desarrollan nuevas herramientas de diseño que permiten evaluaciones más precisas de ambos estados límite. Estas herramientas incorporan factores como el contacto no lineal, la redistribución de fuerzas y los efectos de los tornillos adyacentes que no se incluyen en los enfoques clásicos, con el objetivo final de optimizar el diseño estructural.
Atendiendo al pandeo, las normativas actuales solo consideran cargas aisladas y no abordan de manera efectiva la combinación de tensiones en la estructura. Esto es particularmente relevante para los casos dominados por flexo-torsión en los tramos superiores de las torres eólicas. Por lo tanto, se presenta un estudio paramétrico numérico sobre la interacción de cilindros sometidos a combinaciones entre flexión y torsión. Además, se lleva a cabo una campaña experimental para respaldar los resultados numéricos y caracterizar con precisión las imperfecciones realistas a través de mediciones.
- English
The European Commission has committed to achieving climate neutrality by 2050, making wind energy a key driver for this goal. It leads to an increasing demand for energy, necessitating technical advancements to expand the size and power generation capacity of wind turbines. This results in greater structural specifications, requiring larger components, which in turn lead to higher manufacturing, maintenance and transportation costs. In this context, the primary objective of this PhD dissertation is to provide a better understanding of the structural behavior of the tower to enhance the productivity of wind tower manufacturing through structural optimization, aiming to reduce production time, costs, and emissions while improving tower reliability.
Given the increased loads that modern wind towers must withstand, a more accurate determination of their structural resistances under various load conditions will be useful to fulfill the objectives. This enables to achieve an improved overall performance of the whole structure. Although the different limit states need to be evaluated, the resulting load case is highly complex, primarily dominated by bending leading to potential failure in the compression side due to buckling, and affecting the L-flange bolted connections on the tensile side. The former is critical in the upper sections of the tower, where flexural-torsional buckling dominates, whereas the latter is particularly significant in the lower sections where plastic and fatigue limit states dominate.
The research methodology is based on comprehensive finite element simulations and experimental validations. On the tensile side, the study focuses on investigating the ultimate bearing capacity of bolted joints and the load that the bolt must withstand in relation to the load passing through the neck (Load Transfer Function - LTF). On the compression side, the objective is to integrate more appropriate methodologies that take into account the influence of geometric imperfections and combined loading conditions. This approach ultimately aims to facilitate the development of optimised designs.
Traditional approaches, based on simplified beam models, are reaching their limits for evaluating the fatigue and plastic limit states of the connection. This may result in large designs. Through virtual testing of various geometrical configurations of bolted L-flanges, new design tools are developed for more precise evaluations of both limit states. These tools incorporate factors such as nonlinear contact, force redistribution, and the effects of adjacent bolts not included within classical approaches, ultimately aiming to optimize structural design.
Current standards only consider isolated loading and do not effectively address the com-bination of stresses in the structure. This is particularly important for flexural-torsional conditions in the upper segments of wind towers. Therefore, a detailed computational parametric study on the interaction behavior of cylindrical shells subjected to combined pure bending and torsional loading is presented. Furthermore, an experimental campaign is performed to support numerical results and to accurately characterize realistic imperfection patterns through measurements.
