Dynamic response of onshore wind turbine : 3D FE numerical model definition and rotational stiffness assessment

During the past decades, the worldwide growing quest for renewable energy sources led the world to a rapid development of wind power exploitation, which currently plays a crucial role in the global energy production. The complexity of the Wind Energy field is not only related to the Electrical Engineering, but it also embraces Mechanical, Geotechnical and Structural Engineering. Wind Turbine Generators are composed by different elements such as the rotor-nacelle assembly, the tower and the foundation on the underlying soil. Unfortunately, anomalies in terms of natural frequency of the tower under the applied loads usually occur, especially when there is a poor characterization of the soil-foundation rotational stiffness behind. Starting from this basic idea, an advanced numerical modelling approach is developed by means of the OpenSees platform in order to study the dynamic response of an onshore turbine on a circular shallow foundation in a cohesive soil domain. Considering undrained conditions, the soil is associated to a constitutive model able to reproduce key features of shear degradation in the frame of multi-surface plasticity theory. The wind turbine is modelled in its basic structural aspects, while particular emphasis is given to the soil-foundation interaction, resulting from different loading conditions of the whole system. Finite Elements simulations results give an insight into the unexpected response of different foundation components in terms of displacements and shear behaviour. This evidence is further investigated by means of the rotational stiffness assessment of proper foundation’s points.

Nel corso degli ultimi decenni, la crescente ricerca di risorse rinnovabili a livello internazionale ha portato ad un rapido sviluppo dello sfruttamento dell’energia eolica che, attualmente, gioca un ruolo fondamentale nella produzione globale di energia. La complessità del campo dell’ingegneria eolica non è solamente legata all’ingegneria elettrica, ma abbraccia anche l’ingegneria meccanica, geotecnica e strutturale. Le turbine eoliche sono composte da diversi elementi quali il gruppo rotore-carlinga, la torre e la fondazione che poggia sul terreno sottostante. Sfortunatamente, molto spesso si registrano delle anomalie in termini di frequenza naturale della torre quando la turbina è sottoposta ai carichi esterni, specialmente quando alla base vi è una scarsa caratterizzazione della rigidezza rotazionale del sistema terreno-fondazione. Partendo da questo concetto, è stato sviluppato un avanzato modello numerico ad elementi finiti attraverso la piattaforma OpenSees per indagare la risposta dinamica di una turbina eolica a terra su una fondazione superficiale circolare in un sito argilloso. Considerando il terreno in condizioni non drenate, esso viene associato ad un modello costitutivo in grado di riprodurre come caratteristica fondamentale il decadimento della rigidezza a taglio sotto deformazioni crescenti nel quadro della teoria della plasticità con multi-superfici. La turbina eolica è rappresentata nei suoi principali elementi strutturali, ma particolare attenzione è fornita all’interazione terreno-fondazione ottenuta da diverse condizioni di carico dell’intero sistema. I risultati delle simulazioni numeriche danno una visione sulla risposta inaspettata di componenti diverse della fondazione per quanto concerne gli spostamenti e le deformazioni. Questa evidenza verrà ulteriormente studiata attraverso il calcolo della rigidezza rotazionale di opportuni punti della fondazione.