Dinâmica estrutural de aerogeradores sob a ação de sismos : modelos simplificados e numéricos

Abstract

A expansão da energia eólica tem levado a instalação de parques eólicos em áreas com risco sísmico. China e EUA, entre outros países, possuem parques eólicos instalados em zonas sísmicamente ativas. Os aerogeradores são estruturas altas, para maior captação do recurso eólico, e esbeltas, para atender a viabilidade econômica de projeto, o que os torna estruturas com frequências naturais muito baixas, e que podem ser facilmente excitadas pelas frequências características de um sismo. Por isso, neste trabalho pretende-se compreender o comportamento dinâmico de aerogeradores sob a ação de sismos, de forma a elaborar uma metodologia utilizando modelos numéricos e analíticos para a solução de problemas de dinâmica das estruturas. Inicialmente são indicados os principais componentes estruturais de um aerogerador e expostos fundamentos teóricos para modelagem matemática do comportamento dinâmico para sistemas de um grau de liberdade e respectiva generalização para múltiplos graus de liberdade. Para a solução do problema dinâmico, apresentam-se formulações analíticas, o método do espectro de resposta e o método do histórico no tempo, aplicando-se nos seguintes modelos: i) modelo teórico utilizando formulações analíticas e os espectros de resposta; ii) modelo numérico com elementos finitos de barras; iii) modelo numérico com elementos finitos de casca e sólido tridimensional. Para avaliação da metodologia proposta, os modelos são implementados com dados de dois tipos de aerogeradores: de pequeno porte (Nordtank 65kW) e de grande porte (NREL 5MW). Os acelerogramas utilizados possuem valores compatíveis com a aceleração do solo brasileiro (0,05 a 0,15g) recomendada pela Norma Brasileira e valores de uma possível ampliação (0,30g) devido a configuração de um novo mapa sísmico proposto. São propostas combinações em estado estacionado e em funcionamento e as respostas obtidas, de aceleração e deslocamento no topo, tensões nas seções da torre são comparadas. Foi possível concluir que para a ação sísmica, os deslocamentos são muito baixos quando comparados aos que a estrutura do aerogerador se encontra submetida em funcionamento. No entanto as respostas obtidas de acelerações e tensões ao longo da torre são importantes, devendo ser consideradas no projeto sísmico dessas estruturas.