Modelos de predicción de esfuerzos hidrodinámicos y socavación aplicados a ingeniería offshore

Abstract

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.