Analisi numeriche di fondazioni superficiali di torri eoliche

La memoria mostra i principali risultati ottenuti da analisi numeriche agli elementi finiti condotte per simulare il comportamento monotono di fondazioni di torri eoliche. I carichi applicati simulano le condizioni estreme prodotte dal vento. Le analisi numeriche vengono confrontate con i risultati sperimentali ottenuti da prove condotte su prototipi in scala 1:15 che riproducono i rapporti d’armatura e le condizioni di sforzo della prassi realizzativa corrente.

Tre differenti tipologie di provini sono state realizzate in laboratorio; esse si differenziano per la quantità d’armatura utilizzata: (a) armatura completa, (b) armatura priva di armatura a taglio e (c) senza armatura a taglio e con il 50% di armatura rimanente sostituita da fibre in acciaio. I prototipi del tipo (a) e (b) sono stati simulati numericamente in questo studio.

I provini sono stati simulati con un approccio tridimensionale. L’interazione suolo-struttura è inclusa in tutte le analisi ed è discussa la scelta della modellazione del terreno. La scelta dei parametri necessari per definire i legami costitutivi non lineari è descritta enfatizzando i parametri che influenzano significativamente la risposta della fondazione.

Le fondazioni delle torri eoliche sono strutture massive in calcestruzzo armato che presentano alcune peculiarità progettuali strettamente correlate alle loro enormi dimensioni: forme circolari con diametri che possono essere superiori a 20 m e spessori significativi superiori ai 4 metri.

Queste strutture sono generalmente gettate in opera e sono armate con barre radiali inferiori e superiori equidistanziate, staffe collegate alle barre radiali, una gabbia di ancoraggio di post-tensionamento fissata da due anelli e barre verticali precompresse necessarie per collegare la struttura tubolare verticale in acciaio, lunga fino a più di 120 m, con la fondazione.

Il principale carico variabile è il vento, che agisce principalmente in una direzione e induce cicli di carico con una frequenza non vicina a quella del primo modo di vibrare della struttura. Il problema ingegneristico è dominato dall'interazione terreno-struttura. Dal punto di vista costruttivo la velocità di esecuzione è molto importante e quindi una riduzione dei tempi di preparazione e posa delle gabbie d’armatura in acciaio è un fattore molto rilevante.

Programma sperimentale

Le fondazioni di torri eoliche sono strutture massive solitamente progettate modellando la fondazione come una piastra a spessore variabile utilizzando elementi a piastra e calcolando sia i momenti flettenti longitudinale e trasversale, sia il taglio agente nella direzione del carico. Queste verifiche sono accompagnate al problema delle sollecitazioni locali in prossimità del cestello delle barre di post-tensione.

La ricerca è stata finalizzata a chiarire principalmente due dubbi progettuali: il primo è relativo all'armatura a ta- glio, così da definire un approccio progettuale affidabile per il suo dimensionamento. Il secondo dubbio riguarda l'interazione con il suolo, perché la forma circolare e la deformabilità della fondazione operante in regime fessurato nonché la sua deformabilità in di- rezione trasversale non permettono l’utilizzo di un modello alla Winkler, tenendo conto che il terreno la- vora in campo non lineare.

Per comprendere meglio l'evoluzione degli sforzi, sono stati studiati due prototipi realizzati tenendo conto di una fondazione superficiale standard di tipo Wind Turbine: il primo riproduce l'intera struttura in scala 1:15 e una porzione della fondazione del terreno mediante una vasca co- stituita da una lamiera grecata metallica profonda 1.5 m con un diametro di 3.64 m; il secondo riproduce solo la fascia centrale del nucleo, dove ci si aspetta un taglio più critico, semplificando la fondazione rastre- mata con opportuni vincoli in grado di trasmettere il momento flettente.

La presente memoria prende in esame esclusivamente il prototipo completo in scala 1:15. I prototipi completi sono stati utilizzati principalmente per calibrare un modello agli Elementi Finiti che potesse costituire un valido strumento per indagare i casi reali mettendo in evidenza l'affidabilità dell'approccio pro- gettuale corrente ed eventualmente migliorarlo. Sono state analizzate tre soluzioni: la soluzione in c.a. reale (provini denominati FO1-1 e FO1-2, nominalmente identici), una soluzione senza l'armatura a taglio (pro- vini denominati FO2-1 e FO2-2, nominalmente identici) e una soluzione in calcestruzzo fibro-rinforzato senza l'armatura a taglio e riducendo l'armatura ra- diale e circonferenziale di circa il 50% (provini denominati FO3-1 e FO3-2, nominalmente identici). La presente memoria discute il comportamento dei soli provini in c.a. (provini FO1-1, FO1-2, FO2-1 e FO2-2) rimandando a futuri lavori il comportamento delle fondazioni fibrorinforzate.

I prototipi sono stati gettati in un impianto prefabbricato. Il mix design dei materiali utilizzati è de- scritto in Dal Lago et al. (2021). La resistenza cubica media del calcestruzzo alla compressione è di 58 MPa, che corrisponde ad una classe di calcestruzzo C40/50.

Prototipi in scala 1:15 della struttura

La configurazione di prova dei prototipi in scala 1:15 è mostrata in Fig. 1. La configurazione di prova consisteva in una fondazione tronco-conica, un tubo flangiato in acciaio (720 kg) collegato al cestello con le barre verticali post-tese tramite un collegamento bullonato, una vasca riempita con circa 15.5 m3 di sabbia e quattro masse addizionali per riprodurre lo stato di sollecitazione calcolato nella struttura reale secondo la teoria della similitudine.

La massa in sommità (1350 kg) riproduce il peso dell'albero, del motore e delle pale della torre eolica; le due bobine in acciaio (2500 kg ognuna) e la corona circolare in calcestruzzo (1500 kg) riproducono il peso della fondazione in cal- cestruzzo e vengono applicate direttamente a contatto con il terreno. Il dettaglio dell'armatura introdotta nei prototipi FO1 e FO2 è fornito Dal Lago et al. (2021).

FIGURA 1: Allestimento di prova per il prototipo dell’intera struttura.

La Fig. 2 mostra un'immagine della gabbia d’armatura, mentre la Fig. 3 mostra una vista della fondazione in calcestruzzo. Gli strati di terreno sono stati depositati mediante un dispositivo di deposizione di sabbia opportunamente progettato in modo da garantire una densità relativa di circa l'80%.

Quattro LVDT verticali sono stati inseriti nel terreno per misurare gli spostamenti verticali e la rotazione della base; due LVDT hanno misurato lo spostamento verticale e uno orizzontale del lato più sollecitato dal martinetto oriz- zontale, che riproduce l'azione del vento, mentre un altro LVDT ha misurato lo spostamento orizzontale superiore e una cella di carico il carico applicato dal martinetto. Ventisei estensimetri hanno misurato le deformazioni nelle barre radiali e nelle staffe.

I rapporti di armatura dell'armatura circonferenziale e radiale sono stati accuratamente riprodotti nel passaggio dalla fondazione reale alla fondazione prototipale scalata. Ogni test è stato suddiviso in più fasi di carico comprendenti carichi verticali gravitazionali, carichi ciclici orizzontali e una fase finale con carico monotono orizzontale fino alla massima corsa del martinetto (fase di carico M01). Una descrizione accurata delle fasi di carico è riportata in Dal Lago et al. (2021).

In questa memoria verrà analizzata la sola fase finale di carico. Va sottolineato come le fasi di carico precedenti a quella finale abbiamo introdotto nel prototipo in c.a. delle deboli non-linearità che ver- ranno trascurate nelle simulazioni numeriche. Le fasi di carico precedenti a quella M01 hanno invece modificato le proprietà del terreno e questo aspetto sarà analizzato nel seguito.

FIGURA 2: Vista dell'armatura metallica per la fondazione in c.a.

FIGURA 3: Vista dall’alto della fondazione in c.a.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

organizzati da aicap e CTE

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