Modelos analíticos para cálculo de frequências naturais de torres eólicas considerando interação solo-estrutura. - Santos, Ynaê Almeida Ferreira (2023)
A energia eólica se apresenta como protagonista no cenário mundial devido à crescente busca por um desenvolvimento sustentável. Com o aumento da demanda por energia eólica, torres mais altas estão se tornando mais comuns. A interação solo-estrutura (ISE) pode afetar consideravelmente a primeira frequência natural. Assim, ferramentas utilizadas na previsão das frequências naturais das torres de turbinas eólicas se tornam cada vez mais necessárias. Neste contexto, este trabalho consiste no desenvolvimento de modelos de ordem reduzida (MORs) para obtenção das frequências naturais e representação das formas modais de turbinas eólicas considerando a ISE. Os modelos matemáticos tratam a ISE por meio de três molas caracterizadas por rigidez lateral, rigidez rotacional e rigidez de acoplamento cruzado ou, ainda, por meio de molas representativas da rigidez do solo distribuídas ao longo do monopile. Ambas metodologias permitem a obtenção de qualquer frequência de interesse e a representação da sua forma modal. Para o primeiro modelo de ISE considerado, foram realizados estudos de caso com turbinas eólicas cujos resultados estão disponíveis na literatura. Os valores da primeira frequência natural previstos pelos MORs foram comparados com as frequências medidas em escala real, com erros abaixo de 8,2%. Os resultados das frequências naturais e das formas modais obtidos com os MORs também foram comparados com àqueles obtidos com modelos formulados via método dos elementos finitos com ótima concordância. Para o modelo com ISE regido por molas distribuídas, três estratégias de modelagem foram discutidas em torno da determinação da função de projeção para o trecho do monopile.Uma importante discussão a respeito da escolha da função de forma na utilização do método de Galerkin foi realizada, verificando a necessidade em adotar abordagens que levem em consideração as condições de contorno do problema, obtendo a melhor estratégia para representar a análise modal. As respostas previstas pelos MORs para duas turbinas de referência foram comparadas com aquelas obtidas com o método dos elementos finitos (consideradas como valores de referência) e mostraram ótima concordância tanto na previsão de frequências naturais quanto na representação de formas modais. Sendo assim, este estudo contribui para a previsão das frequências naturais de turbinas eólicas a partir de modelos matemáticos que exigem poucos parâmetros de entrada e fornecem informações de forma rápida e com boa precisão, podendo ser importantes nas fases iniciais de projeto.