Quando le onde incontrano la forza del vento

Il trasduttore di forza HBM S9M rileva il carico esercitato dalle onde sulla struttura reticolare degli impianti di energia eolica in mare aperto

Quando le onde s'infrangono contro gli impianti di energia eolica, si generano picchi di pressione che possono caricare le fondamenta delle strutture degli impianti in acque poco profonde. Per migliorare i metodi di dimensionamento delle strutture reticolari (dette anche strutture jacket) per queste situazioni, furono condotti esperimenti di modellazione fisica nel Grande Canale d'Onda del Centro di Ricerca Costiero (FZK) di Hannover, Germania. Il trasduttore di forza S9M della HBM ha fornito risultati decisivi.

Singola misurazione della forza sulla struttura reticolare

Prove di carico in uno dei più grandi canali d'onda del mondo

Sono d'importanza critica soprattutto i picchi di pressione causati dagli "interruttori sommersi". Esistono alcuni modelli analitici che descrivono le sollecitazioni causate dagli interruttori sommersi sulle singole travi tonde. Tuttavia, tali approcci si possono applicare solo in modo limitato alle strutture jacket, per come esse vengono impiegate negli impianti di energia eolica in mare aperto. Ciò non sorprende, dati i differenti livelli di complessità delle condizioni idrauliche.

Per migliorare i metodi di dimensionamento per le strutture reticolari soggette ai picchi di carico, furono effettuati esperimenti di modellazione fisica usando un modello a grande scala nel Grande Canale d'Onda FZK, nell'ambito del programma di ricerca UE HYDRALAB IV. Gli esperimenti furono commissionati dall'Università norvegese per la Scienza e Tecnologia (NTNU) di Trondheim e dall'Università Stavanger (UiS).

Misurando 320 m di lunghezza, 5 m di larghezza e 7 m di profondità, il Grande Canale d'Onda della FZK è tra i più grandi del mondo. Per sfruttare al meglio gli 800 kW di uscita del generatore delle onde, la scala del modello fu definita 1:8. Le onde agenti sulla struttura di questa scala erano alte oltre due metri. Le barre della struttura reticolare erano tubi di acciaio del diametro di 14 cm. Le dimensioni globali della struttura erano 2,4 x 2,4 x 4,9 m.

Struttura complessiva nel canale d'onda

Tutti i carichi registrati metrologicamente

Per registrare metrologicamente i processi idraulici e gli effetti su parti selezionate della struttura, il canale d'onda e la struttura stessa furono muniti da un grande numero di trasduttori differenti:

  • sensori del livello e del flusso dell'onda per misurare la fluttuazione del livello dell'acqua e le condizioni del flusso davanti e sulla struttura, 
  • trasduttori di forza ed accelerometri per misurare la reazione della struttura reticolare all'impatto dell'onda, 
  • un sistema video sincronizzato con l'acquisizione dei dati per ottenere informazioni visuali sulla natura delle onde dirompenti e l'ampiezza delle onde sulla struttura.

La sfida maggiore – misurazione delle forze

Misurazione della forza totale (in alto)
Misurazione della forza totale (in basso)

Le varie misurazioni delle forze agenti sulla struttura rappresentavano una sfida speciale. Un compito era la determinazione della distribuzione del carico sulle barre selezionate della struttura reticolare. Un altro era la determinazione della forza totale agente sulle singole barre e la forza agente globalmente sulla struttura.

Poiché i trasduttori di forza venivano sommersi periodicamente o permanentemente, furono impiegati i trasduttori di forza tipo S9M della HBM aventi grado di protezione IP 68 per determinare la distribuzione del carico. Nelle singole barre di solido alluminio furono piazzati  fino a quattro trasduttori di forza. Per misurare il carico perpendicolare dell'onda, su ognuno di questi trasduttori di forza fu fissato un corpo anulare dello spessore di 5 cm. Le singole misurazioni vennero utilizzate per determinare la distribuzione del carico sulla barra.

Trasduttori a 2 componenti per la misurazione delle forze laterali

Per determinare la forza orizzontale totale risultante agente sulla struttura, furono usati quattro trasduttori di forza del medesimo tipo. Allo scopo di prevenire derivazioni (shunt) della forza, l'intera struttura reticolare fu fissata su supporti a pendolo articolati ed i traduttori di forza furono montati su appoggi a pendolo nella direzione d'impatto dell'onda.

La HBM sviluppò trasduttori a 2 componenti per misurare le forze risultanti su sei barre selezionate della struttura. Le sei barre furono integrate nella struttura jacket mediante due trasduttori di forza ciascuna. Si doveva realizzare una struttura compatta, a causa dello specifico diametro dei tubi (14 cm) e delle grandi forze previste (forza laterale nominale dei trasduttori di 20 kN). Per prevenire il carico dei trasduttori dovuto ai momenti flettenti, essi furono fissati alla struttura con giunti sferici appositamente progettati.

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