Fatigue and resonance problems in on-shore steel wind towers

The following thesis aims to design and verify an on-shore wind tower supporting a 195 kW three-blade ENERCON EN 40-3 wind turbine with horizontal axis. The 63 m high tower, from the ground level to the hub, is made up of 21 m steel elements connected by bolted flanges, which are composed of several truncated conical shells welded at the ends. The analysis of the structure will concern: the verification of the tower in terms of stability and fatigue, the design of an adequate octagonal base in reinforced concrete and a modal analysis aimed at verifying that the resonance phenomenon does not occur. In order to determine the actions involved, the structure, the loads and the interaction with the ground were modeled using the structural calculation software SAP2000. In particular, two models have been created; the first concerns the tower to which the forces due to the wind and the aeroelastic action of the generator are applied, while the second shows the schematization of the base, using a "thin shell" element whose interaction with the ground is represented by vertical springs, reacting only in compression, with stiffness appropriate to the type of foundation soil. A fundamental aspect for the design of this type of structure concerns the phenomenon of fatigue, due to the oscillations of the stresses induced by the variability of the wind speed, therefore particular importance has been dedicated to it, using experimental data on the windiness of the site, provided by ARPA Lombardy. Finally, is considered the theoretical case in which the resonance phenomenon occurs due to a reduction in the height of the wind tower. In this last case we proceed with the design of a damper system capable of reducing the vibrations of the tower due to resonance.

La seguente tesi si pone l’obbiettivo di progettare e verificare una torre eolica on-shore a sostegno di un aerogeneratore da 195 kW di tipo tripala ENERCON EN 40-3 con asse orizzontale. La torre di 63 m di altezza, dal piano campagna al mozzo, è composta da tra elementi di 21 m in acciaio collegati mediante flange bullonate, a loro volta costituiti da più conci tronco-conici saldati alle estremità. L’analisi della struttura riguarderà: la verifica della torre in termini di stabilità e fatica, la progettazione di un’adeguata base ottagonale in calcestruzzo armato e un’analisi modale atta a verificare che non si presenti il fenomeno della risonanza. Al fine di determinare le azioni in gioco la struttura, i carichi e l’interazione con il suolo sono stati modellati mediante il software di calcolo strutturale SAP2000. In particolare sono stati realizzati due modelli; il primo riguarda la torre alla quale vengono applicata le forze dovute al vento e all’azione aeroelastica del generatore mentre il secondo riporta la schematizzazione del basamento, mediante elemento “thin shell” la cui interazione con il terreno viene rappresentata mediante molle verticali, reagenti solo a compressione, con rigidezza congrua al tipo di terreno di fondazione. Un aspetto fondamentale per la progettazione di questo tipo di strutture riguarda il fenomeno della fatica, dovuto alle oscillazioni degli sforzi indotti dalla variabilità della velocità del vento, pertanto ad esso si è dedicata particolare importanza, utilizzando dati sperimentali sulla ventosità del sito, forniti da ARPA Lombardia. In fine si considera il caso teorico, in cui a seguito di una riduzione dell’altezza della torre eolica, si verifichi il fenomeno della risonanza. In quest’ultimo caso si procede con il dimensionamento di un dissipatore atto a ridurre le vibrazione della torre per effetto della risonanza.