Es posible que un modelo global de análisis por elementos finitos (FEA) cumpla con las comprobaciones globales, pero eso no siempre garantiza que los detalles locales sensibles a la fatiga se hayan verificado adecuadamente.
Al igual que estructuras eólicas marinas Aunque las estructuras se someten a millones de ciclos de carga provocados por el viento, las olas y la gravedad, los problemas estructurales más críticos suelen surgir a nivel local y no global. Un modelo puede cumplir los requisitos de resistencia globales y, sin embargo, pasar por alto concentraciones de tensiones, transferencias de carga complejas o detalles propensos a la fatiga que influyen en la integridad estructural a largo plazo.
En este artículo se compara un modelo global de vigas con un modelo detallado de placas para las estructuras de soporte de aerogeneradores, mostrando cómo el análisis por elementos finitos (FEA) global y el detallado se complementan entre sí, cómo se incorporan las cargas ambientales y cómo la verificación de los elementos estructurales ayuda a los ingenieros a tomar decisiones más acertadas en materia de diseño, evaluación e inspección.
Por qué unos resultados globales satisfactorios pueden seguir sin resolver los riesgos locales
Las estructuras de soporte de los aerogeneradores están diseñadas para funcionar durante un periodo de entre 20 y 30 años, transfiriendo de forma segura las cargas aerodinámicas y ambientales a sus cimientos. A lo largo de su vida útil, están expuestas continuamente a cargas variables provocadas por el viento, las olas, las corrientes, la gravedad y las propias turbinas. Aunque estas estructuras se evalúan en cuanto a fatiga mediante normas como la DNV-RP-C203 y se verifican mediante métodos avanzados de simulación, con el paso del tiempo pueden seguir surgiendo problemas estructurales.
En muchos casos, el problema no es una falta de capacidad global. Se trata del lento desarrollo de daños por fatiga en detalles estructurales locales sometidos a millones de ciclos.
Una de las razones es que un modelo de elementos finitos simplifica la realidad. Los ingenieros deben establecer supuestos sobre la geometría, las propiedades de los materiales, las cargas y las condiciones de contorno para crear un modelo que resulte manejable desde el punto de vista computacional. Sin embargo, las condiciones reales de funcionamiento siguen variando a lo largo de la vida útil de la estructura. El viento varía en función de la altura, la dirección y las condiciones meteorológicas; por otra parte, los supuestos relativos a los materiales, las soldaduras y los soportes pueden cambiar con el tiempo.
A medida que se acumulan estos factores, el comportamiento de la estructura real puede diferir de las hipótesis formuladas durante el diseño.
Por último, la cuestión radica en el nivel de detalle del modelo. Si se simplifican u omiten uniones críticas, soldaduras u otros elementos estructurales, un modelo puede cumplir los requisitos de verificación globales sin llegar a representar el comportamiento local que rige las regiones sensibles a la fatiga. Esto significa que los resultados globales aceptables, por sí solos, no demuestran automáticamente la idoneidad estructural local.
Este artículo se basa en el seminario web de SDC Verifier titulado «Simulación de riesgos estructurales ocultos en las estructuras de soporte de los aerogeneradores». Siga el enlace para obtener más detalles:
Lo que un modelo de viga global puede indicarle de forma fiable
Para el diseño preliminar y la verificación global, los modelos de vigas globales ofrecen una representación eficaz de la estructura de soporte de un aerogenerador. Su elaboración es rápida, su coste computacional es reducido y permiten a los ingenieros evaluar la respuesta estructural global antes de dedicar tiempo a la modelización detallada.
Un modelo de haz global puede utilizarse para:
Comprender el comportamiento estructural general y la deformación.
Evalúe las trayectorias de carga y la distribución de fuerzas en toda la estructura.
Identifique las regiones con un alto nivel de utilización que puedan requerir un análisis más detallado.
Lleve a cabo una selección preliminar de los elementos en una fase temprana del proceso de diseño.
Obtenga información técnica con un esfuerzo computacional relativamente reducido.
Los modelos de vigas resultan útiles para analizar la respuesta global y realizar evaluaciones preliminares, pero no para determinar las tensiones locales en las soldaduras, el comportamiento de las chapas y los refuerzos, ni la geometría detallada de las uniones.
En el modelo que se muestra a continuación, la representación de la viga contenía únicamente unos 300 elementos, lo que permite prepararlo y analizarlo con rapidez. A pesar de este enfoque simplificado, el análisis puso de relieve varias zonas en las que el factor de utilización superaba el límite permitido. Estas ubicaciones proporcionaron una valiosa orientación sobre los lugares en los que podría justificarse una investigación más detallada.
Imagen: Comparación entre el modelo de viga y el modelo de placa
Lejos de constituir la prueba definitiva de la idoneidad estructural, un modelo global de vigas constituye una herramienta de evaluación eficaz. Ayuda a los ingenieros a comprender cómo se comporta la estructura en su conjunto y a identificar los puntos que requieren una verificación local más detallada antes de pasar a modelos de mayor precisión.
Los límites de los modelos simplificados: uniones, soldaduras, chapas, refuerzos y transferencia de cargas
En un modelo típico de viga, los elementos se unen a través de nudos comunes, lo que hace que resulte menos práctico representar la geometría real de las uniones soldadas, los refuerzos y los conjuntos de chapas.
Un modelo de placa detallado permite representar características que, en un modelo de viga, se simplifican u omiten, entre ellas:
Geometría de las uniones entre los elementos estructurales.
Disposiciones de placas y refuerzos en el interior de perfiles tubulares.
Detalles de soldadura que determinan la distribución local de las tensiones.
Las variaciones locales de rigidez que influyen en la forma en que se transmiten las cargas a través de la estructura.
En el ejemplo que figura a continuación, el modelo detallado contenía aproximadamente 600 000 elementos finitos e incluía de forma explícita refuerzos y uniones soldadas. Este nivel de detalle permitió que el modelo de verificación representara la geometría local, la rigidez y la distribución de tensiones de forma más explícita, proporcionando la información necesaria para evaluar la distribución local de tensiones y las zonas sensibles a la fatiga.
Imágenes: Modelo simplificado de viga frente a modelo detallado de placa
La comparación entre los modelos de viga y de placa ilustra asimismo una importante estrategia de modelización. El modelo simplificado permitió identificar las zonas generales en las que la utilización era mayor, mientras que el modelo detallado proporcionó el nivel de representación necesario para investigar más a fondo dichas ubicaciones. Por lo tanto, el objetivo del refinamiento no es sustituir al análisis global, sino examinar las regiones críticas en las que la geometría local y la transferencia de cargas puedan influir en el resultado de la verificación.
Una vía de escalación práctica: selección global → verificación detallada a nivel local
Un modelo detallado no es el punto de partida de todos los proyectos. Por el contrario, un flujo de trabajo de verificación eficiente comienza con una representación global de la estructura e introduce detalles de modelización adicionales únicamente cuando ello aporta valor desde el punto de vista de la ingeniería.
Un flujo de trabajo práctico puede resumirse de la siguiente manera:
Elabore un modelo global de vigas para evaluar el comportamiento estructural general, la deformación, las trayectorias de carga y la utilización preliminar.
Revise los resultados del análisis para identificar aquellas regiones en las que la utilización supera los criterios de aceptación o aquellas conexiones que merecen un análisis más detallado.
Optimice únicamente las zonas críticas mediante la creación de un modelo de chapa detallado que incluya la geometría local, los refuerzos y las uniones soldadas.
Realice una verificación estructural del modelo perfeccionado utilizando las normas de diseño aplicables y los elementos estructurales reconocidos, tales como soldaduras, paneles, vigas y uniones.
Este enfoque por etapas permite equilibrar la eficiencia computacional con la calidad de la verificación. Un modelo simplificado ofrece una forma rápida de comprender cómo se comporta la estructura en su conjunto, mientras que un modelo detallado centra el esfuerzo computacional en aquellas zonas en las que la geometría local y la distribución de tensiones cobran importancia para la verificación.
Aplicación de cargas de viento, olas y flotabilidad a las estructuras de soporte contra el viento
La calidad de la verificación estructural no solo depende del propio modelo de elementos finitos, sino también de la precisión con la que se represente el entorno de carga. En el caso de las estructuras de soporte de los aerogeneradores marinos, las cargas ambientales no actúan de forma independiente, sino que se producen simultáneamente, varían con el tiempo e influyen conjuntamente en la respuesta estructural.
Entre las condiciones de carga habituales se incluyen:
Cargas eólicas, que actúan tanto sobre la turbina como sobre la estructura de soporte.
Flotabilidad y presión hidrostática por debajo de la línea de flotación.
Cargas debidas a las corrientes oceánicas que actúan sobre los elementos estructurales sumergidos.
Imagen: Montaje de olas y flotabilidad
Estas cargas son muy variables. La velocidad del viento varía en función de la altura y la dirección, mientras que las condiciones del oleaje, la presión del agua y las cargas de las corrientes varían continuamente durante el funcionamiento. Por ello, los ingenieros suelen evaluar múltiples casos de carga y combinaciones de cargas para garantizar que se tengan en cuenta los distintos escenarios de funcionamiento en el proceso de verificación. Dado que estas cargas son de naturaleza cíclica, también desempeñan un papel importante en la evaluación de la fatiga.
Imagen: Configuración de la carga de viento en función de la altura y vista previa de la presión
En el caso de las cargas eólicas, la presión puede definirse como una función de la altura sobre el suelo o la línea de flotación, y aplicarse en diferentes direcciones y ángulos. A continuación, puede revisarse la distribución de la presión antes del análisis para confirmar que la carga se ajusta al escenario de diseño previsto.
En el caso de las estructuras marítimas, la flotabilidad y la carga de las olas requieren parámetros ambientales adicionales, entre los que se incluye la ubicación de la línea de flotación. Si se conoce la línea de flotación, esta puede definirse directamente. Como alternativa, puede estimarse basándose en el equilibrio entre el peso de la estructura y el agua circundante. A continuación, la carga de las olas puede caracterizarse utilizando parámetros como la altura, la longitud de onda, la dirección y la fase de las olas para representar las diferentes condiciones ambientales.
De los resultados del análisis de elementos finitos a los elementos estructurales: vigas, paneles, uniones y soldaduras
Los resultados del análisis de elementos finitos por sí solos no son suficientes para la verificación conforme a la normativa estructural. Las normas de ingeniería evalúan elementos estructurales —como vigas, uniones soldadas, paneles de chapa y juntas— en lugar de elementos finitos individuales. Antes de poder realizar estas comprobaciones, es necesario identificar primero los elementos estructurales correspondientes dentro del modelo de elementos finitos.
SDC Verifier le permite automatizar este proceso mediante las siguientes herramientas de reconocimiento estructural:
Buscador de soldaduras – Detecta automáticamente las uniones soldadas en todo el modelo (siempre que este se haya preparado con la definición necesaria de propiedades e intersecciones), identifica la geometría y las dimensiones de las soldaduras, y distingue entre zonas soldadas, zonas no soldadas e intersecciones de soldaduras cuando así lo exija la norma de diseño seleccionada. La herramienta también establece sistemas de coordenadas locales para las soldaduras, de modo que las tensiones se evalúan en las direcciones correctas para el análisis de fatiga.
Buscador de paneles – identifica los paneles de chapa para la verificación del pandeo de la chapa y extrae automáticamente parámetros como la longitud, la anchura y el espesor del panel, así como otras propiedades exigidas por la norma seleccionada.
Buscador de vigas – identifica los elementos de viga en toda la estructura y determina las propiedades de los elementos necesarias para la verificación de las vigas, incluidas las longitudes de pandeo en diferentes direcciones.
Buscador de articulaciones – detecta las uniones de vigas y las clasifica según su geometría, incluyendo uniones unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. A continuación, estas uniones reconocidas pueden utilizarse para la verificación de las mismas de acuerdo con la norma de diseño aplicable.
Imagen: Vistas de reconocimiento de soldaduras, paneles, vigas y uniones en las herramientas de SDC Verifier
Los elementos estructurales reconocidos siguen siendo totalmente editables. Los ingenieros pueden modificar las soldaduras reconocidas, dividir o fusionar paneles, ajustar los parámetros de reconocimiento o añadir elementos estructurales que falten sin necesidad de reconstruir el modelo de elementos finitos.
Comprobaciones de fatiga y pandeo en los puntos críticos
Una vez identificados los elementos estructurales, estos pueden verificarse de acuerdo con los requisitos de la norma de diseño seleccionada. En lugar de evaluar elementos finitos individuales, pueden realizarse comprobaciones de fatiga, pandeo y barras en las soldaduras, vigas, paneles y uniones identificadas.
En el caso de las estructuras de soporte de aerogeneradores marinos, el flujo de trabajo demostrado se aplica a DNV-RP-C203 para la evaluación de la fatiga. Durante la configuración, los ingenieros definen los parámetros exigidos por la norma, entre los que se incluyen:
En la siguiente comparación, el modelo global de vigas permitió identificar las zonas generales de unión en las que la utilización superaba el criterio de aceptación. A continuación, el modelo detallado de placas proporcionó una representación más explícita de esas mismas ubicaciones, lo que permitió evaluar con mayor detalle la distribución local de tensiones, los detalles de soldadura y las zonas sensibles a la fatiga. La comparación ilustra cómo la verificación detallada complementa el análisis global.
Imágenes: Comparación de los resultados obtenidos con el modelo de viga y el modelo de placa
El análisis de fatiga DNV-RP-C203 que aquí se muestra se basa en casos de carga representativos y recuentos de ciclos asignados.
Utilización de los resultados de la verificación local para establecer prioridades en las inspecciones o en los cambios de diseño
Una vez finalizada la verificación, los resultados pueden servir de base para tomar decisiones como, por ejemplo:
dar prioridad a la inspección de los detalles estructurales sensibles a la fatiga;
identificar los elementos que requieren un seguimiento más exhaustivo;
evaluar si conviene plantearse modificaciones locales del diseño;
documentar los resultados de la verificación para su mantenimiento y reevaluación futuros.
Puede transferir estos resultados a SDC SAM, una plataforma web de gestión de activos estructurales. En lugar de tener que examinar extensos informes de análisis por elementos finitos (FEA), los ingenieros pueden evaluar el estado de un activo a través de una jerarquía estructurada, desde la estructura de soporte completa hasta los componentes individuales, las secciones y los elementos estructurales identificados.
Cómo contribuye SDC Verifier al flujo de trabajo
Un flujo de trabajo de verificación eficiente combina la evaluación estructural global con el análisis local específico, en lugar de basarse en un único modelo para todas las decisiones de ingeniería. SDC Verifier respalda este enfoque al reunir todo el proceso de verificación en un único entorno, desde la preparación del modelo hasta el cumplimiento de la normativa y la elaboración de informes.
Con un único programa, SDC Verifier, podrá:
preparar y mallar el modelo de análisis por elementos finitos en SDC Verifier o trabajar con los resultados de Ansys/Simcenter/Femap en el entorno de análisis por elementos finitos conectado;
definir el viento, el oleaje, la flotabilidad y otras condiciones de carga;
crear combinaciones de carga;
reconocer elementos estructurales como soldaduras, vigas, paneles y uniones;
realizar comprobaciones de fatiga, pandeo, resistencia, pernos y uniones de acuerdo con las normas de diseño seleccionadas;
elaborar informes técnicos exhaustivos.
SDC Verifier es compatible actualmente más de 60 normas de ingeniería, que abarca la fatiga, la resistencia estática, el pandeo de vigas, el pandeo de placas, los pernos, las soldaduras y las uniones. Los ingenieros también pueden revisar las ecuaciones utilizadas durante la verificación y comprobar cómo se calculan los valores de utilización individuales para elementos estructurales específicos.
Además de la versión independiente, SDC Verifier también ofrece extensiones para Ansys Mechanical y Simcenter 3D/Femap, lo que permite realizar comprobaciones de elementos estructurales reconocidos y verificaciones basadas en normativas directamente sobre los resultados de análisis de dichas plataformas.
En lugar de sustituir al análisis global, SDC Verifier lo amplía con las herramientas necesarias para llevar a cabo una verificación local específica. De este modo, puede comenzar con un modelo de cribado global eficiente, refinar únicamente aquellas regiones que requieran una investigación más detallada y realizar una verificación conforme a la normativa en aquellos casos en que el comportamiento estructural local sea determinante para la evaluación final.
