Design of connections in tubular steel towers for WEC

Abstract

Devido às alterações climáticas (aquecimento global) a procura por fontes de energia renovável e limpa tem vindo a aumentar. Como a energia eólica alcançou preços competitivos, a obtenção de energia elétrica através do vento tornou-se ainda mais apelativa. Tal facto levou a que, nas últimas décadas, fossem construídos parques eólicos por todo o mundo, principalmente na Europa, sendo as torres tubulares a principal solução escolhida para parques eólicos em terra (onshore).A torre eólica representa cerca de 15 a 20% do custo total da instalação e a sua otimização poderá levar a uma redução significativa do material usado e, consequentemente, do preço. A construção de torres mais altas, com o objetivo de chegar a zonas mais altas onde a velocidade do vento é mais alta e uniforme, é uma possível solução, já que leva a um aumento da energia produzida pela turbina eólica. Contudo, isso representa custos mais elevados e desafios no transporte e instalação da mesma. Outro aspeto técnico importante a ter em conta aquando do dimensionamento, são as ligações entre os segmentos da torre. A solução usada atualmente, com ligações de flange aparafusadas, apresenta certas limitações que condicionam a eficiência global. Para ultrapassar essas desvantagens, nomeadamente o complexo dimensionamento, a trabalhosa e cara fabricação e a baixa resistência à fadiga, uma nova solução tem sido recentemente estudada no âmbito de projetos de investigação Europeus – ligações de atrito de ranhuras alongadas (long open slotted holes).A presente dissertação irá comparar esses dois tipos de ligações, tendo como principal objetivo a avaliação de potenciais vantagens com o uso das ligações de atrito nas torres eólicas tubulares de aço tubulares. Foram criados três diferentes programas no MS Excel para as verificações no dimensionamento das ligações de flange (resistência ao estado limite último e fadiga) e para a verificação de fadiga das ligações de atrito. A verificação ao estado limite último da ligação de atrito foi feira recorrendo a uma ferramenta Excel criada no desenvolvimento dos projetos HISWTIN.Será apresentado um exemplo de uma torre existente com 80m de altura, o qual reforça os potenciais benefícios no uso de ligações de atrito já que o dimensionamento é mais simples e pode levar a uma redução de cerca de 80% do preço.

As the demand for renewable energy sources is constantly growing due to the global climate change and the wind power generation has achieved competitive prices, obtaining electric power from the wind became even more appealing. During the last decades, wind farms have been built all over the world, mainly in Europe. Tubular towers are now the most common solution for onshore wind farms. The wind tower itself accounts for about 15-20% of the total installation cost and its optimization may lead to significant savings regarding costs and material usage. Building higher towers in order to reach zones of higher and more uniform wind speeds is a possible solution as they significantly increase the amount of energy yield of a wind turbine generator. However, they represent higher costs and challenges in terms of transportation and installations. They also lead to another important technical aspect of the design: the connection between tower’s segments. The currently used solution with bolted ring flanges imposes limitations that affect the overall efficiency. To overcome the disadvantages of flange connections such as the complex design, the laborious and cost intensive fabrication process and low fatigue resistance, an innovative solution for assembling segments of tubular steel towers for wind turbines has been recently studied in the framework of European research projects– slip resistant connections with long open slotted holes. This thesis will compare these two types of connections. The main purpose is to assess the potential benefits from implementing them in tubular steel wind towers. Three different computer programmes were created with MS Excel for ring flange connection design verifications (resistance at Ultimate Limit State and fatigue design) and for fatigue design verification of friction connections. The Ultimate Limit State resistance of friction connections was computed using the Excel-Tool created during the development of HISTWIN projects. One example of an 80m-high tower is presented, which enhances the potential benefits of using friction connections as the design is simpler and material costs savings of approximately 80% could be achieved.