En una cimentación convencional de monopilote para parques eólicos marinos, una pieza de transición (TP) conecta el monopilote a la torre de la turbina. Un diseño sin pieza de transición (TP-less) prescinde de este componente y conecta la torre directamente a una brida situada en la parte superior del monopilote.
Este diseño ya se está utilizando en proyectos comerciales. En OranjeWind se están instalando 53 monopiles sin TP. Las torres de las turbinas se atornillarán directamente a las bridas superiores de los monopiles, mientras que los componentes secundarios de acero se montarán en una campaña de instalación independiente.
Al retirar la pieza de transición se elimina un componente estructural fundamental y su unión al monopilar. No obstante, los ingenieros aún deben verificar la unión de la torre, la estructura envolvente y los detalles de soldadura adyacentes.
En este artículo se explica qué cambia, qué resultados de FE necesitan los ingenieros y cómo SDC Verifier permite realizar comprobaciones de pandeo de carcasas, fatiga de soldaduras y resistencia estática de pernos.
Convierta los resultados del análisis de elementos finitos en una verificación basada en normas
Utilice SDC Verifier para comprobar los componentes estructurales según las normas de ingeniería compatibles, identificar los resultados determinantes en todos los casos de carga y documentar sus cálculos.
La unión atornillada de la base de la torre se mantiene. Lo que cambia es la estructura que soporta su alma inferior.
Componente
Monopilar convencional
Monopilar sin TP
Brida de la base de la torre
Situada en la pieza de transición
Integrada en la parte superior del monopilar
Conexión entre el monopilar y el TP
Requisito
Eliminado
Acero secundario
Normalmente se fija al TP
Integrado en el monopilar o fijado a él
Interfaz de la torre durante la hinca de pilotes
TP instalado tras la colocación de los pilotes
La brida superior del monopilar está presente durante la colocación de los pilotes
Hay tres aspectos que merecen especial atención durante la verificación estructural.
Parte superior del monopilar. La brida de la torre, las soldaduras entre la brida y el cuerpo, y las transiciones de espesor adyacentes forman parte del monopilar. El modelo de elementos finitos debe representar estos detalles con la precisión suficiente para las comprobaciones requeridas.
Accesorios soldados. Las plataformas de acceso, los embarcaderos y otros componentes de acero secundario pueden introducir uniones sensibles a la fatiga directamente en la estructura del monopilar.
Efectos de la instalación. La interfaz permanente de la torre queda expuesta a las operaciones de manipulación y a la instalación del pilón. En función de las bases de diseño, es posible que la evaluación deba tener en cuenta las cargas de instalación, los daños por fatiga y la geometría medida de las bridas.
No se trata de problemas de ingeniería totalmente nuevos. La disposición sin TP modifica la ubicación de los detalles relevantes y lo que el modelo estructural debe representar.
Empiece con el modelo FE adecuado y los resultados correspondientes
La fiabilidad de una comprobación basada en normas depende de la fiabilidad de los resultados estructurales utilizados para llevarla a cabo.
En el caso de los cimientos de parques eólicos marinos, un análisis global determina la respuesta global de la torre y el cimiento bajo las cargas de diseño requeridas. En tales casos, pueden ser necesarios modelos locales de envolvente o de uniones cuando un modelo simplificado no pueda proporcionar las tensiones o fuerzas necesarias para la verificación.
Por ejemplo, un modelo global de viga puede describir el comportamiento global a la flexión, pero no el contacto ni la distribución local de la fuerza de los pernos en una brida anular de la base de la torre.
El nivel de detalle depende de la verificación requerida.
Verificación
Resultados del análisis de elementos finitos y datos de entrada necesarios
Plegado de la carcasa
Tensiones en la carcasa, casos de carga aplicables, geometría de los paneles, propiedades de los materiales y presión lateral, cuando proceda
Fatiga de las soldaduras
Resultados de tensiones relacionadas con la soldadura, casos de carga por fatiga y recuentos de ciclos, curvas S–N, espesor y entorno
Resistencia del perno
Fuerzas axiales y de cizallamiento de los pernos, derivadas de un modelo de unión adecuado, junto con la geometría de los pernos y los parámetros de unión
SDC Verifier utiliza estos resultados y los datos del modelo para realizar los cálculos previstos en las normas aplicables. No puede tener en cuenta comportamientos importantes de las uniones ni efectos locales que no se hayan representado adecuadamente en el análisis subyacente.
1. Verificación del pandeo de la carcasa según la norma DNV-RP-C202
Los monopilares son grandes estructuras cilíndricas que pueden verse sometidas a compresión, flexión, cizallamiento y presión lateral.
En las proximidades de la interfaz de la torre, la geometría de las bridas, las variaciones de espesor y los detalles estructurales locales pueden influir en la distribución de tensiones. El ingeniero debe determinar si el método de pandeo de cascos seleccionado es aplicable a la geometría y a la carga que se están analizando.
Cómo ayuda SDC Verifier a
cumplir con la norma «
» SDC Verifier aplica la norma DNV-RP-C202 (2019) para paneles curvos y cilindros circulares sin refuerzos, abarcando las secciones 3.1 a 3.4 de la norma.
Con Panel Finder, los ingenieros pueden identificar paneles curvos en el modelo de elementos finitos y extraer parámetros geométricos como las dimensiones, el espesor y la curvatura de los paneles.
A continuación, SDC Verifier utiliza las tensiones de FE pertinentes y los parámetros estándar para calcular los factores de utilización de pandeo.
El flujo de trabajo permite a los ingenieros:
Identifique las regiones curvas de la carcasa a las que se aplica.
Revise la geometría de los paneles y las propiedades de los materiales reconocidas.
Configure la comprobación DNV-RP-C202 y sus parámetros de evaluación de tensiones.
Calcule los factores de utilización en los casos de carga seleccionados.
Identifique las regiones determinantes y revise los resultados detallados.
En el caso de un monopilar, es necesario prestar especial atención a la hora de definir la región de la carcasa sometida a comprobación.
Los límites de los paneles, el promedio de tensiones, las discontinuidades locales y las condiciones de apoyo deben ser coherentes con la estructura física y con los supuestos de la formulación de pandeo seleccionada.
Una comprobación de paneles curvos no debe considerarse automáticamente como una verificación completa de una estructura que contenga aberturas significativas, refuerzos o efectos locales en las alas.
La ventaja: los ingenieros pueden realizar comprobaciones repetibles según la norma DNV-RP-C202 en las regiones de la envolvente compatibles, revisar los resultados de la utilización e incluir dichos cálculos en el informe de verificación.
2. Verificación de la fatiga de las soldaduras según la norma DNV-RP-C203
Los cimientos de los parques eólicos marinos están sometidos a cargas repetidas a lo largo de su vida útil. Por lo tanto, la evaluación de la fatiga resulta importante para los detalles estructurales soldados.
En el caso de los monopiles sin TP, los puntos relevantes pueden incluir las soldaduras entre la brida y la pared, las soldaduras a tope circunferenciales, las transiciones de espesor y las uniones con acero secundario.
La evaluación de la fatiga requiere resultados de tensión adecuados, información sobre la carga y una clasificación de fatiga aplicable.
Cómo ayuda SDC Verifier a
cumplir con la norma «
» SDC Verifier permite realizar la verificación de fatiga conforme a la norma DNV-RP-C203 (2024) mediante el método B de extracción de tensiones, tal y como se describe en la documentación.
La herramienta «Weld Finder» reconoce las soldaduras en un modelo de elementos finitos debidamente preparado y transforma las tensiones de los elementos en direcciones paralelas y perpendiculares a la soldadura.
Esto permite a los ingenieros trabajar con tensiones orientadas a las soldaduras sin necesidad de reorientar manualmente la malla de elementos finitos.
Un flujo de trabajo típico incluye:
Identifique y revise los detalles de soldadura.
Asigne las curvas S–N y los parámetros de fatiga correspondientes.
Seleccione los parámetros relacionados con el entorno y el espesor.
Definir la carga de fatiga utilizando los grupos de fatiga y el número de ciclos asignado.
Calcule el daño por fatiga y revise las ubicaciones determinantes.
Para las configuraciones compatibles, SDC Verifier utiliza los puntos de lectura de tensiones del Método B en relación con la intersección de la soldadura o el talón de la soldadura.
La implementación documentada abarca el aire y el agua de mar con protección catódica. Es necesario contrastar cualquier otra hipótesis ambiental o requisito de fatiga con la funcionalidad implementada y las bases de diseño del proyecto.
El ingeniero sigue siendo responsable de seleccionar la clasificación de fatiga y el método de evaluación de tensiones adecuados. Asimismo, deben tenerse en cuenta los efectos de la fabricación, como la desalineación de las soldaduras, cuando así lo exija la metodología aplicable.
La ventaja: SDC Verifier ayuda a los ingenieros a reconocer los detalles de soldadura, aplicar parámetros de fatiga uniformes, calcular el daño en las condiciones de carga definidas e identificar los puntos críticos.
3. Comprobaciones de la resistencia de los pernos según la norma EN 1993-1-8
En una cimentación sin TP, la torre se conecta directamente al monopilar mediante una brida anular atornillada.
Esta conexión transmite fuerzas axiales, momentos flectores, esfuerzo cortante y torsión. Las fuerzas individuales de los pernos dependen de la geometría de la conexión, la rigidez de la brida, la precarga y el comportamiento de transferencia de cargas.
Por lo tanto, los efectos de la acción de los pernos deben derivarse de un modelo estructural adecuado para la conexión que se está evaluando.
La verificación admitida incluye comprobaciones pertinentes para:
Resistencia a la tracción de los pernos.
Resistencia al corte de los pernos.
Resistencia de los cojinetes.
Tensión y corte combinados.
Resistencia al deslizamiento.
El software obtiene las fuerzas pertinentes a partir de elementos de elementos finitos (EF) de tipo perno apoyados y aplica las ecuaciones de resistencia definidas utilizando las propiedades configuradas del perno y de la unión.
Los ingenieros pueden revisar los factores de utilización de cada perno y los casos de carga determinantes sin necesidad de exportar manualmente cada fuerza de perno a hojas de cálculo independientes.
No obstante, el hecho de que se supere la comprobación de los pernos según el Eurocódigo no garantiza que se haya verificado la totalidad de la brida de la torre y el monopilar.
La comprobación de resistencia no determina de forma independiente la apertura de la brida, la distribución de la presión de contacto, la redistribución no lineal de la carga ni el comportamiento de deslizamiento del anillo completo.
Estos efectos deben tenerse en cuenta mediante la metodología de análisis de uniones, cuando proceda. Asimismo, los efectos de precarga y de palanca deben tratarse de forma coherente al trasladar los resultados del análisis por elementos finitos a la verificación normativa.
La resistencia estática de los pernos es independiente de la fatiga de los mismos. Cuando sea necesario realizar una verificación de fatiga, los ingenieros necesitarán una metodología de fatiga adecuada y la información pertinente sobre la fuerza cíclica a la que están sometidos los pernos.
Asimismo, debe comprobarse que la edición de los Eurocódigos de 2005 aplicada se ajusta a la edición de la norma especificada en el proyecto.
Ventaja: SDC Verifier automatiza las comprobaciones de resistencia estática de los pernos compatibles utilizando resultados adecuados del análisis de elementos finitos, lo que incluye la evaluación en múltiples casos de carga y la elaboración de informes detallados sobre los resultados determinantes.
4. Revisión de los resultados y elaboración de informes de verificación
La verificación estructural no finaliza cuando se supera una comprobación concreta.
Es posible que los ingenieros tengan que evaluar numerosos casos de carga, identificar los componentes determinantes, comparar las revisiones del diseño y documentar los cálculos para su revisión.
Cómo ayuda SDC Verifier
a
: SDC Verifier ofrece resultados en forma de tablas y gráficos, incluidos los resultados de utilización y los gráficos de criterios.
Los ingenieros pueden identificar los componentes determinantes y los casos de carga, examinar los detalles de los cálculos e investigar aquellas zonas que requieran una atención más detallada.
El Diseñador de informes permite organizar los resultados de la verificación en informes de ingeniería que contienen información seleccionada del modelo, cálculos, tablas y gráficos.
Cuando se modifica un modelo, un caso de carga o una configuración de verificación, es posible volver a calcular las comprobaciones afectadas y volver a generar las secciones pertinentes del informe.
En el caso de proyectos que impliquen múltiples variantes de cimentación o revisiones del diseño, esto reduce la necesidad de elaborar repetidamente los documentos de cálculo, al tiempo que permite mantener disponibles para su revisión los parámetros de verificación y los resultados.
Verifique las estructuras eólicas marinas con SDC Verifier
Aplique comprobaciones de pandeo, fatiga y fijaciones a sus resultados de análisis por elementos finitos. Revise los coeficientes de carga aplicables, haga un seguimiento de los detalles de los cálculos y elabore informes de ingeniería para su revisión.
La eliminación de la pieza de transición modifica la disposición estructural de una cimentación monopilar para parques eólicos marinos. Las principales tareas de verificación siguen siendo las habituales: pandeo de la envolvente, fatiga de los detalles soldados y comprobaciones de las uniones atornilladas.
Lo importante es utilizar modelos estructurales y resultados que representen adecuadamente los componentes relevantes.
SDC Verifier presta apoyo a los ingenieros aplicando cálculos documentados según DNV y el Eurocódigo a los resultados de análisis por elementos finitos adecuados, identificando las comprobaciones determinantes y organizando los resultados en informes de ingeniería.
No sustituye a la evaluación estructural detallada de la interfaz entre la torre y el monopilar. Ayuda a los ingenieros a realizar y documentar las comprobaciones de verificación que se encuentran dentro de su ámbito de aplicación.
