Tesis:
Modelos de predicción de esfuerzos hidrodinámicos y socavación aplicados a ingeniería offshore
- Autor: ESCOBAR PASTOR, Adrián
- Título: Modelos de predicción de esfuerzos hidrodinámicos y socavación aplicados a ingeniería offshore
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA, ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/48843/
- Director/a 1º: LÓPEZ GUTIÉRREZ, José Santos
- Director/a 2º: ESTEBAN, María Dolores
- Resumen: Los parques eólicos offshore permiten generar una mayor cantidad de energía que sus equivalentes onshore. Sin embargo, el diseño, construcción, mantenimiento y operación de estos parques offshore, lleva asociado un importante incremento de costes debido a la dificultad de posicionar una estructura de este tipo en medio del mar en vez de en tierra firme. La tendencia actual que está sufriendo este campo es la de posicionar estructuras cada vez más grandes, a profundidades mayores y a una mayor distancia de la costa. Por lo tanto, es fundamental el poder establecer un modelo de cálculo preciso que permita estimar las acciones generadas por el oleaje sobre las estructuras y sus respectivas cimentaciones. De esta forma, la energía eólica offshore podrá continuar creciendo y se podrán instalar nuevos parques, cada vez, en zonas más profundas y alejadas de la costa, donde la producción energética será también mayor. La acción del oleaje presenta el inconveniente de que su correcta determinación está plagada de incertidumbres que obligan al ingeniero diseñador a considerar escenarios de diseño sobredimensionados, en la mayor parte de los casos, como solución paliativa de las posibles imprecisiones del cálculo. Además, incluso aunque la caracterización de las cargas se realice de forma precisa, es necesario considerar todos los efectos de interacción entre el oleaje y la estructura, así como los problemas que surgirán sobre su cimentación. Efectos que tendrán como límite intrínseco su dificultad de cálculo y su importante coste computacional. La presente Tesis Doctoral se centra en resolver todos estos problemas, en relación con el correcto cálculo de estructuras offshore, arrojando luz sobre las distintas incertidumbres que condicionan el problema y aportando un nuevo método avanzado de cálculo, que será comparado con el análisis tradicional, permitiendo dimensionar de forma más precisa todos los elementos de la estructura que va a ser el soporte del aerogenerador. Este método de cálculo avanzado ha sido desarrollado como una herramienta de software compacta que ha permitido integrar todos los elementos intervinientes en el diseño de estructuras offshore frente a cargas hidrodinámicas en un único modelo numérico de gran eficiencia y potencia, estableciendo así una solución general, válida para el dominio físico al completo. En la elaboración de esta herramienta se ha realizado una profunda revisión del estado del conocimiento, que ha permitido extractar las principales teorías actuantes para caracterizar cada uno de los fenómenos que intervienen en el proceso y, ha permitido detectar las deficiencias y debilidades que presentan cada una de ellas, definiendo así sus rangos válidos de aplicación. Por otro lado, ha sido posible el realizar la introducción de variables, nunca antes incluidas de forma explícita en este tipo de cálculos, como la temperatura y la salinidad del agua. Además, se ha desarrollado una nueva formulación de cálculo para incluir los efectos dinámicos vibratorios en el cálculo del comportamiento estructural para los primeros 25 modos de vibración. Esta nueva formulación y su implantación mediante algoritmos de alta eficiencia han permitido realizar la propuesta de un método de cálculo que permita incorporar en el análisis los efectos de acoplamiento entre el oleaje y la estructura, sin dilatar el tiempo de cálculo de una forma excesiva y sin perder potencia o precisión en los resultados obtenidos. Por último, se ha propuesto una modificación de una de las teorías más utilizadas y contrastadas para la evaluación de la máxima profundidad de socavación en equilibrio y se ha demostrado que dicha aportación ha reducido el error existente entre los valores teóricos de cálculo, y los valores procedentes de las mediciones reales realizadas en campo. Además, la utilización de esta herramienta ha permitido posteriormente, la realización de una profunda reflexión comparativa, para detectar los principales errores y las limitaciones que presenta el método de cálculo más simplificado y tradicional, con respecto a este nuevo método de cálculo avanzado, así como la afección que dichas limitaciones presentan sobre las estructuras construidas hoy en día, con mayores diámetros y a mayores profundidades. Offshore wind farms can generate more energy than their onshore counterparts. However, the design, construction, maintenance and operation of these offshore wind farms has associated a significant increase in costs due to the difficulty of building such a structure, in the middle of the sea instead of on land. The current trend that this field is undergoing it is to position ever larger structures, at greater depths and further away from the shore. Therefore, it is fundamental to be able to establish an accurate calculation model to estimate the actions generated by the sea waves on the structures and their foundations. In this way, the field of offshore wind energy will be able to keep growing, and new facilities may be installed, in deeper areas away from the coast, where energy production will also increase. Wave action has the disadvantage that its correct determination is plagued by uncertainties that oblige the designer engineer to consider oversized design scenarios in most cases as a palliative solution to the possible imprecision of the calculation. In addition, even if the characterization of the loads is performed accurately, it is necessary to consider all the effects of interaction between the sea waves and the structure, as well as the problems that will arise on its foundations. Effects that will have as intrinsic limit their difficulty of calculation and their important computational cost. The present Doctoral Thesis focuses on solving all these problems, in relation to the correct calculation of offshore structures, shedding light on the different uncertainties that condition the problem and providing a new advanced method of calculation, which will be compared with the traditional analysis, allowing to accurately design all the elements of the structure that will be the support of the wind turbine. This advanced calculation method has been developed as a compact software tool that has allowed to integrate all the elements involved in the design of offshore structures against hydrodynamic loads in a single numerical model of high efficiency and power, thus establishing a general, valid solution for the entire physical domain. In the development of this tool, a thorough review of the state of knowledge has been carried out, which has allowed the main theories to be extracted to characterize each one of the phenomena that take part in the process, and has allowed to detect the deficiencies and weaknesses of each of them, defining their valid ranges of application. On the other hand, it has been possible to perform the introduction of variables, never explicitly included in such calculations, such as temperature and water salinity. In addition, a new calculation formulation has been developed to include dynamic vibrational effects in the calculation of structural behavior for the first 25 vibration modes. This new formulation and its implementation by means of high efficiency algorithms have made possible the proposal of a calculation method that allows incorporating in the analysis the effects of coupling between the sea waves and the structure, without increasing the calculation time very much and without losing power or precision in the results obtained. Finally, it has been proposed a modification of one of the most used and contrasted theories for the evaluation of the maximum depth of scouring in equilibrium and it has been demonstrated that this contribution has reduced the existing error between the theoretical values of calculation, and the values from actual field measurements. In addition, the use of this tool has subsequently allowed a deep comparative analysis to detect the main errors and limitations of the most simplified and traditional method of calculation with respect to this new advanced calculation method, as well as the influence that these limitations present on the structures built today, with larger diameters and built at greater depths.