Progressi della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione
Monitoraggio remoto del danno a fatica in torri
eoliche: analisi preliminari
Vigilio Fontanari
Matteo Benedetti
DIMTI - Università di Trento
Reggio Emilia - 16/17 Aprile 2009
INTRODUZIONE

Il forte impulso allo sfruttamento dell’energia
eolica ha portato recentemente all’individuazione
di nuovi siti per l’installazione di turbine eoliche,
comprendenti anche siti d’alta quota in regioni
montane

l’installazione di generatori eolici in siti cosiddetti
“complessi” è critica:
 le condizioni meteorologiche e di vento sono
molto più severe
 i siti sono difficilmente presidiabili

Queste condizioni possono avere notevole
influenza sulle capacità funzionali degli
aerogeneratori
INTRODUZIONE
 lo sfruttamento dell’energia eolica in tali ambienti è oggetto di numerosi studi
di fattibilità sia tecnica sia economica.
 L’orientamento preponderante è verso l’installazione di mini turbine eoliche
(potenza inferiore ai 100 kW), prevalentemente ad asse orizzontale ma
anche ad asse verticale.
INTRODUZIONE
Connor and Hodgson, [Field
Instrumentation and Testing of High-Mast
Lighting Towers in the State of Iowa], (2006).

Una delle principali fonti di preoccupazione per
l’installazione di generatori eolici in siti
complessi è legata all’affidabilità nel lungo
periodo delle strutture di supporto

Recenti cedimenti di torri d’illuminazione hanno
sollevato numerosi interrogativi sulla robustezza
e sicurezza di tali strutture.

Una combinazione di distacchi di vortice e
raffiche di vento induce condizioni di
sollecitazione periodica responsabili del
cedimento per fatica, localizzato in genere sul
giunto di base

Sviluppo di ‘small cracks’, in corrispondenza dei
cordoni di saldatura tra flangia e colonna alla
base della torre. Successiva fase di
propagazione fino al collasso finale.
IL PROGETTO DI RICERCA
Tecnologie innovative per il monitoraggio di torri per
turbine eoliche installate in siti complessi
Finanziato da:
Provincia Autonoma di Trento
Programma Pluriennale della ricerca 2007-2009
Obiettivo: identificare strategie efficienti per l'early warning del danno a fatica
Attività:
•
Individuare mediante modelli numerici ed analisi sperimentali le specifiche
tecniche di sistemi di monitoraggio remoto
•
Analisi di fattibilità tecnica di sistemi basati su sensori ottici
•
condurre test di laboratorio su provini e simulacri di dettagli strutturali saldati
•
realizzare dimostratori pilota presso il campo eolico sperimentale di Trento
IL PROGETTO DI RICERCA



Presso il campo sperimentale (Interporto di
Trento) sono montati tre prototipi di
aerogeneratori di piccola taglia ad asse
orizzontale
Le torri eoliche sono paragonabili a quelle
tipicamente installate in siti montani
Il prototipo di riferimento funziona sotto
vento e monta il generatore Gaia Wind di
potenza 11 kW
IL PROGETTO DI RICERCA
Dettagli geometrici e funzionali:
18.10 m
13.00 m
turbine
wind
velocity
steel tower






diameter:
0.55 m
to
1.10 m

fondation
1.20 m
4.50 m
Aerogeneratore bipala,
navicella orientabile (massa 950 kg),
funzionante sotto vento
Potenza di targa 11kW
Diametro delle pale 13.0 m
Altezza della torre 18.1m
Costruita in tre elementi tronco conici
collegati mediante flangie bullonate (Diametro
medio alla base = 1.10 m Diametro medio
alla sommità = 0.55 m)
Connessione saldata tra flangia e profilo
tubolare (Spessore flangie di giunzione = 25
mm)
SISTEMI DI MONITORAGGIO: DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE
1. Simulazione numerica del comportamento statico e dinamico della struttura
•
Validazione del modello ad elementi finiti mediante confronto con rilevazioni
sperimentali su prototipo
2. Studio di fattibilità di un sistema di rilevazione di fessure mediante analisi delle
perturbazioni nel campo di spostamenti locali:
•
•
•
•
•
•
Analisi di condizioni di esercizio da misure sperimentali su prototipo GAIA
Sviluppo di un sotto modello locale contenente un difetto passante e valutazione del
fattore d’intensità degli sforzi
Analisi numerica delle perturbazioni locali del campo di spostamento in condizioni
estreme (folate critiche)
Definizione della sensibilità minima di sistemi di monitoraggio basati sulla rilevazione
del campo locale di spostamento
Stima della tenacità a frattura mediante misure sperimentali su giunti saldati
Definizione delle condizioni di possibile collasso della torre danneggiata per effetto
dei sovraccarichi
SISTEMI DI MONITORAGGIO: DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE TECNICHE
Studio di fattibilità del sistema di rilevazione delle fessure:
Stato di
sollecitazione
Determinazione
sperimentale KIC
Modello FEM
KIC
Calcolo KI di
esercizio
Dimensione
critica fessura
Perturbazione
campo
deformazione
Rilevazione
fessura
DESCRIZIONE DELLA TORRE EOLICA MEDIANTE ANALISI FEM
METODOLOGIA DI ANALISI
Tronconi (elementi guscio)
Navicella (massa totale 935 kg)
(masse concentrate collegate da elementi trave)
Flange (elementi trave)
Analisi convergenza: spostamento baricentro navicella e
prima due frequenze proprie, g.d.l: ca. 15000
VALIDAZIONE DEL MODELLO: ANALISI MODALE
Analisi modale sperimentale
1° frequenza propria x =1.4 Hz
2° frequenza propria z =1.4 Hz
Ottimo accordo tra risultati sperimentali ottenuti da
prove con mazza strumentata battente e risultati
numerici
Analisi modale FEM
STIMA SOLLECITAZIONI LIMITE
Velocità limite di verifica della forza resistente aerodinamica 60 m/s.
1
FR  C R AV 2  15.0 kN
2
A = 4.5 m2
V = 60 m/s
CR = 1.5 ( / )
ρ = 1.225 kg/m3
Considerando una massa complessiva della navicella di 943 kg e la risposta
elastica della torre analizzata come trave incastrata e lo smorzamento modale
osservato sperimentalmente da prove con mazza strumentata, si può stimare
una accelerazione massima orizzontale intorno a:
a x  13 m / s 2
Rilevazioni sperimentali mediante sistema di accelerometri montato sulla
navicella hanno evidenziato valori più contenuti
MISURA SPERIMENTALE ACCELERAZIONI
3.5 m/s2
MODELLAZIONE DELLE CONDIZIONI DI SOLLECITAZIONE
Sollecitazioni:
accelerazione nel piano orizzontale (forza resistente
aerodinamica);
accelerazione verticale di gravità.
Vincoli:
Torre incastrata alla base.
Submodelling:
Il dettaglio locale della flangia di base a cui
corrispondono le condizioni critiche di sollecitazione
viene modellato mediante sottomodello in cui viene
introdotto un difetto passante
DESCRIZIONE SOTTOMODELLO
DESCRIZIONE SOTTOMODELLO
Quarter point elements in modello 3D
Analisi di convergenza:
controllo del Fattore Intensità degli sforzi in modo I: ca 50000 g.d.l.
VALIDAZIONE DEL MODELLO NUMERICO ( FEM )
Validazione del modello per l’analisi dei parametri di meccanica della frattura:
cilindro con fessura passante sollecitato a trazione e a flessione.
SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )
I dati ottenuti dalle simulazioni numeriche sono in ottimo accordo con i dati
analitici reperiti in letteratura:
“Structural life assessment methods ” di A.F. Liu, ASM, 2002.
24.0
14.0
12.0
21.0
Confronto tra K FEM e K sperimentali
(trazione)
KI [MPa m 1/2]
KI [MPa m1/2]
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
Confronto tra K FEM e analitici
(flessione)
18.0
KI trazione FEM
15.0
12.0
9.0
6.0
KI trazione
FEM
3.0
KI trazione
analitico
0.0
KI trazione analitico
0
0.0
0
20
40
60
80
Dimensione cricca [mm]
100
120
140
20
40
60
80
100
Dimensione cricca [mm]
120
140
SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )
Valori di KI al variare della dimensione del difetto da 20 a 160 mm nelle
condizioni di sollecitazione ciclica critica
SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )
Perturbazione del campo di spostamenti locali. Esempio per il caso di fessura
da 120 mm (KI ca. 50 MPa m0.5 nelle condizioni di folata di vento critica)
Sottomodello senza fessura.
SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )
Perturbazione della
deformazione dovuta alla
presenza della fessura
rispetto alla condizione di
flangia integra
SIMULAZIONI NUMERICHE ( FEM )
Es.
Fessura 120 mm,
folata di vento critica,
SIF applicato KI ca. 50 MPa.m0.5
Perturbazione di
deformazione verticale
10
4
m
 100
m
La deformazione è rilevabile
da comuni estensimetri elettrici.
Tuttavia l’utilizzo degli estensimetri elettrici è precluso dai problemi di deriva
POSSIBILE DISPOSIZIONE DEI TRASDUTTORI
Supponendo di posizionare i trasduttori ad una distanza di 50 mm
rispetto al bordo superiore della flangia basale,
per il monitoraggio dell’intera struttura avente una circonferenza di 2946 mm si
potrebbero disporre ca. 36 trasduttori
MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA’ DEL MATERIALE
E’ importante poter collocare questi valori rispetto a dati sperimentali sul materiale
Possibilità di rottura improvvisa della struttura.
K I  K IC
NB! L’analisi FEM è stata condotta in ipotesi di comportamento lineare elastico vista
l’onerosità computazionale
Campagna sperimentale preliminare su saldature di testa prefessurate
Provini di
dimensioni ridotte
J IC
Normativa di riferimento ASTM E 1820-08
K IC
MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA’ DEL MATERIALE
2 campioni di materiale base della struttura:
Acciaio Fe 510 EN 10025;
3 campioni saldati con materiale di apporto della
saldatura: AWS 5:18 ER70 S6 - EN 440 G42 4 M G3Si1.
Saldatura MAG (UNI EN 15614-1:2004)
MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA’ DEL MATERIALE
1. Propagazione iniziale con sollecitazione a fatica
2. Cicli di carico e scarico (propagazione statica)
3. Rottura a fatica del provino
ai/W = 1.000196 -4.06319u + 11:242u2 – 106.034u3 + 464.335u4 – 650.677u5
u =1/[(BWCi)0.5++ 1]
Ci= cedevolezza misurata allo scarico i-esimo
MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA’ DEL MATERIALE
Curve di resistenza delle piastre e dei cordoni di saldatura materiali e
determinazione di KIC
K IC  J C  E
MISURA SPERIMENTALE DELLA TENACITA’ DEL MATERIALE
NB!
Pur con la cautela relativa alla semplificazione
adottata nel calcolo di KIC e nella modellazione
FEM, la tenacità a frattura è ben al di sopra
(fattore ca. 4) dei valori di KI applicato per
fessure in cui la perturbazione locale dello stato
di deformazione risulta rilevabile mediante
tecniche di monitoraggio remoto
SVILUPPI FUTURI
1) Scelta della migliore tipologia di trasduttori di deformazione.
Modalità di posizionamento
Affidabilità
Stabilità della misura nel tempo
Impiego a basse temperature
Telemetria
2) Completamento dell’analisi FEM per la stima di deriva del segnale di
deformazione con l’avanzamento della fessura in condizioni tipiche di
utilizzo, includendo anche leggi costitutive più realistiche per il materiale
3) Campagna sperimentale
Tenacità della ZTA
Velocità propagazione fessura.
SENSORI OTTICI: ANALISI PRELIMINARE DI FATTIBILITA’
- Sensori di deformazione a fibra ottica (Smart fibers)
- Sensori a cristalli fotonici (Photonic cristals)
Sensori di deformazione a fibra ottica (Smart fibers)
Tali sensori consistono in un cavo in fibra ottica che ha la capacità di leggere la
deformazione assiale cui esso è soggetto in alcuni suoi punti, definiti al
momento della costruzione della fibra
Se la parte di fibra sensibile alla deformazione è vincolata rigidamente ad un
oggetto, il sensore misurerà la deformazione locale dell’oggetto nella direzione
dell’asse della fibra.
Il cavo può essere reso sensibile alla deformazione mediante ‘scrittura’ di un
reticolo di Bragg sulla fibra
SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA
Un reticolo di Bragg "scritto" su fibra ottica è una periodica perturbazione dell'indice
di rifrazione del core. La scrittura avviene tramite irraggiamento UV attraverso una
opportuna maschera di fase.
Il reticolo si comporta come un filtro in lunghezza d'onda in trasmissione e riflessione.
La deformazione assiale della fibra
varia il suo passo del reticolo: ciò
determina la variazione della
lunghezza d'onda riflessa. Tale
meccanismo consente la
misurazione diretta di deformazione
Lungo una guida ottica è possibile inserire più reticoli di Bragg, in modo da poter
misurare la deformazione assiale della fibra in più punti.
SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA
Oltre al reticolo di Bragg ed alla guida d’onda, il sistema di misura della
deformazione consiste in:
- sorgente di luce incoerente: banda di emissione compresa tra i 1520 e i 1560 nm
- interrogatore per la lettura in riflessione del segnale modulato dal reticolo
- multiplatori per poter rilevare i dati di più reticoli con uno stesso interrogatore
La precisione di questi sistemi arriva precisione da 1 με a 10 με con frequenza di
acquisizione che varia da 2 a 250 Hz a seconda del tipo di interrogatore utilizzato.
Questi valori sono sicuramente compatibili con i
valori evidenziati dalla modellazione FEM
Permangono da compiere valutazioni di tipo economico e di tipo ambinetale non
tanto per le fibre ma per gli interrogatori
SENSORI DI DEFORMAZIONE A FIBRA OTTICA
Potenziali vantaggi:
- possibilità di posizionare più sensori su una stessa linea di acquisizione dati;
- il segnale misurato è insensibile alle interferenze di tipo elettromagnetico o
derivanti da onde radio;
- dimensioni e peso molto contenuti;
- estrema flessibilità;
- durata in esercizio superiore ai 30 anni;
- facilità di cablaggio;
- assenza di fenomeni di deriva
Punti critici:
- costo dell’interrogatore
- sensibilità dell’interrogatore a condizioni climatiche estreme
SENSORI A CRISTALLI FOTONICI


Prodotti da sfere in soluzione colloidale, organizzate in un reticolo 3-D
La dimensione delle sfere e la loro organizzazione spaziale configurano un
struttura ‘cristallina’ che agisce come un filtro ottico a banda stretta: trasmette
solo specifiche lunghezze d’onda.
Con un’appropriata selezione il filtro può essere settato in modo da lavorare nel
range del visibile

Legge di Bragg
modificata
 

x
Configurazione
iniziale:
Detector
Luce
incidente

  2d 
d0
  2d 
elastomero
n   sin  
2
2
eff
d()
l
trasversale
Contraziione
Elongazione
Con figurazione deformata
n   sin  
2
2
eff
Sfere
polistirene

l
l



λ
d
neff
θ
lunghezza d’onda
spaziatura interplanare
indice di rifrazione effettivo
angolo d’incidenza
  2neff d 0 x
SENSORI A CRISTALLI FOTONICI
Un’attività preliminare di produzione e misura delle proprietà di questi cristalli è
stata condotta presso il :
CNR-IFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CSMFO Lab., UNITN






Sensibilità alla deformazione:
Sensibilità inversa
Risoluzione sul picco riflesso
Risoluzione strumentale
Allungamento misurabile:
Cambio apprezzabile di colore :
-288 pm/m
- 3.47 m/pm
~100 pm
~350 
>150 me [= 15%]
>10 nm
>35 m [= 3.5%]
La risoluzione è molto minore delle Fiber Bragg Grating, allo stato attuale la
tecnica non è matura per questa applicazione
Il vantaggio di questo sistema consisterebbe nella possibilità di avere una mappa
dello stato deformativo su tutta la superficie nell’intorno del cordone di saldatura
HANNO CONTRIBUITO ALL’ATTIVITA’ DESCRITTA
Daniele Zonta
Marco Molinari
Lab. Prove sui materiali tecnica delle costruzioni UNITN
Matteo Benedetti
Vigilio Fontanari
Lab. Metallurgia e costruzione di macchine UNITN
Andrea Chiappini
Alessandro Chiasera
Maurizio Ferrari
CNR-IFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie,CSMFO Lab., UNITN