Análise de vida útil à fadiga de um modelo de tendão de uma torre eólica offshore TLP
Autor: Igor Almeida da Rosa (Currículo Lattes)
Resumo
Atualmente, a sociedade atravessa uma transição energética significativa, migrando dos hidrocarbonetos para fontes de energia de baixa emissão. Neste contexto, a energia eólica offshore tem se mostrado uma das fontes de energia renovável mais atrativas, pois possui vantagens como não disputar espaço com instalações habitacionais, espaço abundante para implementação e ventos mais fortes e constantes. Entretanto, são necessárias linhas de transmissão mais extensas e robustas e sua manutenção e projeto requerem geralmente maior expertise. Portanto, visando contribuir com a matriz de energias renováveis, faz-se necessária a pesquisa acerca da análise e otimização estrutural para potencialização da eficiência e redução de custos de instalação e operação de fazendas eólicas offshore, sobretudo as flutuantes. Ademais, avaliar o comportamento dinâmico desses sistemas é fundamental para garantir sua integridade estrutural e elevar sua longevidade. Um dos modos de falha mais frequentes ocorre por fadiga, que ocorre nos estágios de formação da trinca, propagação da trinca e, finalmente, ruptura. Esse fenômeno pode ocorrer por variação de tensões que, no ambiente offshore, podem se desenvolver pela ação de forças de onda e vibrações induzidas por vórtices. Neste contexto, o presente estudo investiga os pontos críticos e vida útil à fadiga em tendões de amarração de torres eólicas flutuantes do tipo TLP (Tension Leg Platform) submetidas a ação de ondas regulares através de uma campanha experimental realizada no canal de ondas do Laboratório de Interação Fluido Estrutura (LIFE/FURG). A campanha consistiu em nove períodos de onda para cada uma das cinco pré trações impostas,totalizando quarenta e cinco experimentos. A vida útil em ciclos foi estimada através de curvas S-N para aços de alto desempenho em ambiente marinho e livres de corrosão. Os resultados experimentais sugeriram maior suscetibilidade à fadiga em menores períodos de onda. As maiores concentrações de tensão foram verificadas na região mais próxima ao fundo, mesmo com condição de vinculação articulada na extremidade inferior. Os maiores níveis de carga axial induziram a menores danos acumulados por fadiga nas regiões próximas ao fundo. Contudo, elevaram os danos acumulados em regiões próximas ao topo. O dano total acumulado foi contabilizado através da lei de Miner. O comportamento dinâmico do tendão foi avaliado através de uma análise paramétrica realizada em um modelo numérico desenvolvido em MATLAB por intermédio do método dos elementos finitos. Os resultados demonstraram que, para o período de onda de 1,08 segundos e carga axial inicial de 44,7N, a interação onda-tendão foi dominada pelas componentes inerciais de força, o que é coerente para a faixa de número de Keulegan Carpenter. O modelo numérico se mostrou eficiente na análise dinâmica do tendão, reproduzindo um padrão de deslocamentos semelhante ao sinal obtido durante os experimentos para as mesmas condições e posição. Em ambas as abordagens, foram identificadas superharmônicas nos sinais que sugerem a presença do fenômeno dinâmico springing. Maiores análises são necessárias para a confirmação deste fenômeno. Esta pesquisa é significativa pois abrange uma análise do impacto de fenômenos hidrodinâmicos na vida útil à fadiga de materiais utilizados na fabricação de tendões de torres eólicas flutuantes. Os resultados aqui apresentados visam contribuir para o desenvolvimento de elementos estruturais, tecnologias de fabricação e otimização estrutural no contexto de energias renováveis no mar.