Análise dinâmica não determinística e otimização estrutural do projeto de torres de aço para suporte de turbinas eólicas

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Tipo do documento:	Dissertação
Título:	Análise dinâmica não determinística e otimização estrutural do projeto de torres de aço para suporte de turbinas eólicas
Título(s) alternativo(s):	Nondeterministic dynamic analysis and structural optimisation of the steel towers design for wind turbines support
Autor:	Castilho, André Victor da Silva
Primeiro orientador:	Silva, José Guilherme Santos da
Segundo orientador:	Soeiro, Francisco José da Cunha Pires
Primeiro membro da banca:	Burgos, Rodrigo Bird
Segundo membro da banca:	Debona, Gilvan Lunz
Resumo:	Considerando a crescente demanda por energia elétrica e a urgente necessidade da redução da emissão de gases do efeito estufa, a adoção de energia de fontes renováveis apresentou um considerável crescimento nos últimos anos. Dentre as fontes de energia renovável, por conta do seu nível de desenvolvimento tecnológico e preços competitivos, a energia eólica apresenta papel fundamental para a transição global para uma matriz energética descarbonizada. Neste contexto, este trabalho de pesquisa visa realizar a otimização estrutural de uma torre de aço para suporte de uma turbina eólica com capacidade produtiva de 2 MW, considerando restrições de frequência natural, deslocamento horizontal, tensão admissível e resistência à flambagem. A análise da resposta estrutural da torre de aço é dada através de um modelo em elementos finitos tridimensional que considera as cargas de vento sobre o rotor, ação dinâmica não determinística do vento sobre a estrutura e a sua interação com o solo. O processo de otimização proposto é conduzido através de interação entre um software de elementos finitos e uma biblioteca de algoritmos genéticos em código livre. Por conta da natureza da formulação matemática adotada para a ação dinâmica do vento, é realizada uma análise estatística da resposta dinâmica da estrutura, bem como dos resultados da otimização não determinística, visando a obtenção dos resultados dentro de um intervalo de confiança de 95%. De modo a obter uma base comparativa para os resultados do processo de otimização apresentados, uma análise do comportamento estrutural da torre de aço sob a ação estática e dinâmica do vento é realizada. Com base nos resultados, foi possível verificar que o processo de otimização sob a ação não determinística do vento resulta em um projeto estrutural com um volume 31,3% abaixo do volume inicial e apenas 4,6% acima do projeto obtido consideração sua ação estática. Contudo, foi verificado que o modelo otimizado obtido neste trabalho apresentou maior robustez frente às incertezas relacionadas a ação dinâmica do vento sobre a estrutura.
Abstract:	Given the growing demand for electricity and the urgent need to reduce greenhouse gas emissions, the use of energy from renewable sources has experienced significant growth in recent years. Among renewable energy sources, given its technological development and competitive prices, wind energy plays a fundamental role in the global transition towards a decarbonized energy matrix. In this context, this research work aims to perform the structural optimization of a steel tower designed to support a wind turbine with a production capacity of 2 MW, considering constraints on natural frequency, horizontal displacement, allowable stress and buckling resistance. The analysis of the structural response of the steel tower is performed using a three-dimensional finite element model that takes into account the wind loads on the rotor, the nondeterministic dynamic effect of the wind on the structure and its interaction with the ground. The proposed optimization process is performed through na interaction between a finite element software and an open source genetic algorithms library. Due to the nature of the mathematical formulation presented for the dynamic effect of the wind, a statistical analysis of the dynamic response of the structure as well as the results of the nondeterministic optimization is performed, aiming to obtain results within a 95% confidence interval. In order to present a basis of comparison for the presented results of the optimization process, an analysis of the structural behavior of the steel tower under the static and dynamic action of the wind is performed. Based on the results, it was demonstrated that the optimization process under the non-deterministic effect of the wind leads to a project whose volume is 31.3 % below the original volume and only 4.6% above the project obtained considering its static effect. However, it was found that the optimized model in this work has a greater robustness to the uncertainties associated with the dynamic effect of the wind on the structure.
Palavras-chave:	Mechanical engineering Structural dynamics Genetic algorithms Towers Windmills Engenharia mecânica Dinâmica estrutural Algorítmos genéticos Torres Moinhos de vento
Área(s) do CNPq:	ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Idioma:	por
País:	Brasil
Instituição:	Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição:	UERJ
Departamento:	Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia
Programa:	Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Citação:	CASTILHO, André Victor da Silva. Análise dinâmica não determinística e otimização estrutural do projeto de torres de aço para suporte de turbinas eólicas. 2023. 101 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2023.
Tipo de acesso:	Acesso Aberto
URI:	http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/20026
Data de defesa:	28-Fev-2023
Aparece nas coleções:	Mestrado em Engenharia Mecânica

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