Design of concrete-steel transitions in a hybrid wind turbine tower

Abstract

O crescimento exponencial da população mundial tem acentuado a necessidade de recursos disponíveis e o consumo energético. Como forma de responder a essa crescente procura e com o objectivo de preservar os recursos naturais existentes, a energia eólica apresenta-se como uma solução eficaz. A energia eólica é a fonte de energia com a maior taxa de crescimento, situando-se em cerca de 20% ao ano. O aumento da potência dos aerogeradores exige torres de maiores dimensões levando ao repensar de soluções e a procura de alternativas. Os elementos pré-fabricados de betão surgem como uma alternativa relativamente às torres metálicas. Soluções hibridas permitem aproveitar as vantagens de ambos os materiais conduzindo a soluções promissoras para grandes alturas. O peso dos segmentos de betão é cada vez mais um problema em torres de grandes dimensões. Estes elementos são construídos em apenas uma peça o que leva a soluções pesadas, de grandes dimensões e difícil transporte. O objectivo principal deste trabalho consiste no dimensionamento e comparação de diferentes soluções para os segmentos de transição numa torre híbrida de 122 metros com um sistema de pré-esforço pelo exterior. Foram estudadas e comparadas duas variações da transição tendo em conta aspectos como peso, dimensões, necessidades construtivas, armaduras e resistência a acções de fadiga. A primeira alternativa estudada consiste num segmento mais curto e a segunda num elemento mais esbelto sempre com o objectivo de reduzir o peso do elemento de transição. Inicialmente foi necessário definir completamente a geometria da flange, a posição e traçado dos cabos de pré-esforço. Foi realizado um cálculo detalhado das necessidades de pré-esforço e respectivas perdas. As quantidades de armaduras foram dimensionadas tendo em conta situações criticas tais como os efeitos de esforço transverso e torsão, controlo da fendilhação em betões jovens e os efeitos de forças radiais devido aos pontos de desvio do pré-esforço, foram também tidos em conta os efeitos das acções de fadiga

In recent years, the Earth has witnessed an exponential population growth demanding for more resources and energy. As a response to this need wind energy presents itself as an intelligent choice, a never ending source of energy with limited environmental impact, with its goal to preserve the earth’s depleting resources. Wind energy is the world´s fastest growing energy source increasing at an annual rate of 20%. The increasing generators capacity demands for higher towers with new solutions, new materials and new construction processes. Pre-fabricated concrete sections appeared as a good alternative to steel and hybrid solutions aim to take advantage of both materials leading to cheaper and better performing wind turbine towers. One current problem with high concrete towers is the weight of the segments. The top concrete segments have to be built as a single section, creating quite massive elements. The main objective of this work is to design and compare different solutions for concrete-steel transitions in a 122 m externally prestressed hybrid tower. Two different geometries for the top concrete segment were studied and compared with aspects such as weight of the segments, dimensions, production requirements, reinforcement amounts or fatigue damage taken into account. The first concrete segment variation is shorter than the typical ENERCON segments and the second is a thinner one, aiming at reducing the weight of the transition element. The design first steps consisted of the definition of the flange connection configuration and definition of the prestress tendons position. An extensive calculation of the prestress was performed with repercussions in every other element. The reinforcement of the segments was determined taking special focus to the effects of shear and torsion, early-age thermal crack width and the radial forces from the deviation points. The effects of fatigue damage on the structure were also taken into account