Controllo spostamenti verticali nelle torri eoliche

Dei danneggiamenti, verificatisi negli ultimi anni sulle torri eoliche, rilevante è stata la perdita di aderenza del ring e/o dei tirafondi dalla struttura di fondazione. Sull’argomento la letteratura scientifica prevede procedure sperimentali non completamente rispondenti alle richieste degli operatori del settore. La mancanza di procedure valide muove il presente studio con il quale si intende individuare un protocollo procedurale per il controllo degli spostamenti alla base di aerogeneratori, basato sull’impiego di comparatori, posizionati secondo direzioni predefinite sulla base di analisi statistiche del vento, e di telecamere ad alta velocità per acquisire immagini in continuo su sistemi graduati. La strumentazione dedicata sarà scelta ed utilizzata con modalità e frequenze di campionamento individuate attraverso analisi numeriche predittive. Tale protocollo servirà a verificare le condizioni di serraggio o di aderenza e ad individuare interventi atti a restituire l’aderenza necessaria al buon funzionamento della torre.

Va garantita l'estensione del sistema di fondazione delle pale eoliche

La produzione di energia eolica, nell’ambito dello sviluppo energetico sostenibile, spinge verso la realizzazione di torri eoliche onshore di dimensioni sempre più importanti per le quali risulta necessario adottare sistemi e procedure di controllo efficaci sia in fase costruttiva che in esercizio.

Gran parte di queste opere stanno per raggiungere il termine di vita utile, per cui è necessario prevedere l’estensione di tale periodo. Attualmente, se questo è perseguibile per le parti strutturali del fusto e delle pale, attraverso una manutenzione atta a garantire affidabilità e disponibilità della macchina, non è altrettanto scontato garantire lo stesso per il sistema di fondazione.

Per come riportato anche in letteratura, ad oggi, il controllo dei fenomeni di dissesto sulle strutture eoliche avviene con l’applicazione in campo di tecniche SIM Structural Integrity Monitoring, diventate ormai parte integrante dei programmi di gestione dei parchi eolici. I sistemi SIM sono utilizzati principalmente per il monitoraggio delle parti strutturali, dei sottosistemi del fusto e dei componenti delle pale.

Queste metodiche prevedono, per la misurazione delle grandezze fisiche ritenute indicative alla descrizione del fenomeno, l’utilizzo di diverse tecnologie di sensori. Ad esempio, i sistemi SIM applicati per monitorare la delaminazione delle pale utilizzano sensori a fibra ottica, mentre per monitorare la formazione di ghiaccio sempre sulle pale si utilizzano sensori termici e acustici. Per quanto riguarda il fusto che generalmente ha un tasso di guasto estremamente basso le applicazioni SIM sono limitate.

Le attività di controllo routinario che attualmente gli operatori del settore eseguono sul sistema di fonda- zione delle turbine eoliche sono sostanzialmente tre:

1. Controllo sui volumi in calcestruzzo della fondazione secondo approcci statici e dinamici finalizzati ad accertare che i coefficienti di sicurezza imposti nelle fasi progettuali siano ancora presenti in esercizio;
2. Controllo delle unioni bullonature flangiate che realizzano la connessione del fusto alla base mediante verifiche statiche di serraggio e approcci basati sull’impiego degli ultrasuoni;
3. Controllo del livello di solidarizzazione tra l’anello e/o i tirafondi ammorsati nel calce- struzzo armato e la fondazione stessa, che avviene di solito sempre secondo i due approcci, statico e dinamico, ed ha la finalità di individuare eventuali aree di distacco e di programmare interventi di risolidarizzare.

La procedura sperimentale proposta dagli autori si inquadra nell’ambito delle attività di cui al punto 3) in riferimento al controllo del livello di solidarizzazione del sistema di connessione torre-fondazione. Esistono per tale sistema due tipologie costruttive: la Connessione Tipo 1 con anello flangiato in acciaio ammorsato nel calcestruzzo della fondazione (Fig.1); e la Connessione Tipo 2 con primo tronco di fusto ancorato direttamente alla fondazione in c.a. mediante doppia fila di tira-fondi (Fig.2).

Nel primo caso la connessione della torre alla fondazione avviene tramite un’unione bullonata tra le due flange, superiore dell’anello ed inferiore del primo tronco; mentre nel secondo caso si tratta di un’unione a singola flangia con bulloni di ancoraggio precaricati che espongono in sommità solo la testa. In quest’ultima tipologia il tipico gruppo di ancoraggio è costituito da due anelli concentrici di bulloni di ancoraggio tenuti in posizione nella parte inferiore da una piastra ad anello in acciaio annegata nel calcestruzzo.

La solidarizzazione nella connessione Tipo 1 viene compromessa generalmente dai fenomeni di scorri- mento relativo tra l’anello e il calcestruzzo, ossia dalla formazione di zone di deadesione sulle superfici a contatto acciaio-calcestruzzo. Mentre nel caso Tipo 2 sono i tipici fenomeni di danneggiamento dei tirafondi a generare perdita di ancoraggio acciaio- calcestruzzo.
In particolare, nel presente studio le attività sperimentali, che si propongono come protocollo procedurale, sono riferite al controllo della solidarizzazione per la sola Connessione Tipo 1, come di seguito riportata in figura.

La formazione di zone di de-aderenza tra acciaio e calcestruzzo per la connessione Tipo 1 è da imputare principalmente oltre che, a problemi di ritiro del calcestruzzo anche, alle sollecitazioni alternate in compressione ed in trazione che si generano alla base della torre inducendo movimenti verticali dell’anello sia verso l’alto che verso il basso.

In letteratura sono disponibili utili correlazioni tra la velocità e la direzione del vento sul movimento in- dotto sull’anello. I risultati mostrati in tali studi restituiscono spostamenti verticali importanti soprattutto per condizioni di vento estreme e durante gli eventi di spegnimento e di avvio. In alcuni casi estremi, le parti a contatto evidenziano spostamenti relativi con potenze fino a 20 mm o più, e questo potrebbe portare a un collasso catastrofico delle turbine.

Chi scrive ritiene che questo fenomeno sia frequente data la diffusione di tale sistema di fondazione in tutto il mondo, sebbene non siano disponibili dati pubblicati sul numero esatto dei cedimenti per ragioni di riservatezza industriale.

Pertanto, la perdita di aderenza tra anello e calcestruzzo, come si evince dai casi reali di dissesto, costituisce un danno rilevante e potrebbe provocare non solo il crollo delle torri, ma anche il blocco della produzione, in quanto i sensori ubicati nella navicella rilevando accelerazioni che vanno oltre determinati limiti producono segnali di allerta che di fatto mettono in sicurezza la torre eolica bloccandone l’esercizio.

Appare quindi evidente che risulta di fondamentale importanza attenzionare e migliorare quanto previsto nei piani di gestione e manutenzione, in riferimento alle attuali procedure dedicate al controllo della solidarizzazione tra anello e fondazione in c.a.. Ad oggi sono già in uso tecniche di monitoraggio con sensori wireless per la misurazione degli spostamenti dell’anello in condizioni operative della turbina. Questi prevedono anche l’emissione di segnali di allerta in caso di escursioni significative. Tuttavia, i recenti episodi di sfilamento dell’anello hanno evidenziato la carenza di tali tecniche e quindi la necessità di avere procedure più affidabili per la verifica della solidarizzazione.

È in questo contesto che si inserisce il presente studio, con il quale gli autori intendono definire un protocollo procedurale per il monitoraggio degli spostamenti relativi dell’anello durante il fenomeno oscillatorio innescato dallo Stop della turbina.

In particolare, le condizioni di carico assunte dalla procedura sono due: una inerente al blocco della tur- bina in condizioni ordinarie, ed una, se prevista dal costruttore, in condizioni istantanee, ossia in emergenza. L’approccio proposto è basato sull’impiego di comparatori di spostamento e di telecamere ad alta velocità per l’acquisizione in continuo di immagini su sistemi graduati. Tale strumentazione, scelta sulla base di analisi numeriche predittive, è posizionata assialmente sull’anello secondo la direzione del vento al tempo di prova, preventivamente verificata come prossima alla direzione del vento prevalente del sito di interesse.

Tale protocollo costituisce un utile strumento non solo per verificare le condizioni di aderenza anello- fondazione, ma anche per fornire i dati utili all’individuazione degli interventi di ripristino della solidarizzazione.
Nel presente articolo, dopo una trattazione iniziale sui possibili scenari di danneggiamento, si presenta il protocollo procedurale per il controllo degli scorrimenti verticali alla base tra anello e fondazione, ed in infine, si riportano i risultati di una campagna sperimentale di validazione effettuata su due torri guida identificate come Torre A e Torre B.

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