Modellazione di fondazioni per torri eoliche

Si definisce “parco eolico” un’area più o meno estesa che ospita una serie di aerogeneratori (comunemente detti torri o pale eoliche) aventi come finalità la produzione energia elettrica sfruttando l'energia del vento. Dal punto di vista strutturale, gli aerogeneratori solitamente impiegati sono costituiti da torri di acciaio di altezze comprese tra i 60 e i 100 metri vincolate a un plinto di fondazione massiccia in cemento armato. In sommità è posizionato il generatore elettrico ad asse orizzontale e orientato in direzione del vento, azionato da un rotore a pale lunghe dai 20 ai 60 metri. 

Analisi agli elementi finiti

L’esigenza di installare gli aerogeneratori in località favorevoli dal punto di vista del vento comporta talvolta la necessità di affrontare situazioni geotecnicamente avverse durante la fase progettuale, come ad esempio la costruzione in forti pendenze oppure su strati di terreno compressibile. Tali condizioni comportano usualmente l’adozione di misure progettuali adeguate, come ad esempio la realizzazione di fondazioni su pali.

Per effetto dell’elevata altezza della torre il momento di trasporto in fondazione generato dall’azione del vento è generalmente molto elevato rispetto al carico verticale, esponendo la struttura al rischio di ribaltamento o eccessiva rotazione. Per preservare l’efficienza dell’aerogeneratore e garantire la sicurezza durante il funzionamento, un requisito sulla massima rotazione in esercizio della fondazione è spesso imposto dai produttori nella misura generalmente del 3÷4 per mille

Oltre alle categorie di problemi geotecnici menzionate, la verifica del soddisfacimento delle condizioni di esercizio tipicamente richiede il ricorso a strumenti di calcolo avanzati, che permettano di tenere in considerazione la corretta interazione tra la fondazione e degli strati di terreno sottostanti.

A tal fine, dovrà essere scelto un opportuno modello costitutivo per il terreno, che consenta di includere nell'analisi la non-linearità delle terre, i fenomeni di consolidazione primaria e secondaria (creep), il comportamento di terreni rigonfianti e collassabili, e qualunque altro aspetto particolare legato ad aspetti meccanici e idraulici che possa influenzare l'interazione terreno-struttura a breve e lungo termine. 

Il contatto tra gli elementi strutturali (pali e piastra di fondazione) e il terreno necessita di particolari algoritmi di contatto o elementi interfaccia per far sì che la banda di taglio che si crea al contatto abbia una dimensione indipendente dalla discretizzazione degli elementi. Per tali interfacce viene generalmente assunto un comportamento elastico-perfettamente plastico. 

Ad ulteriore complicazione del problema, a causa dei carichi orizzontali e del notevole momento ribaltante in fondazione, la geometria del problema non si presta a una modellazione di tipo bidimensionale, implicando un necessario ricorso ad analisi tridimensionali.

WeSI Geotecnica ha sviluppato negli anni modelli numerici di progetto e di verifica di stabilità e condizioni in esercizio di torri eoliche per parchi in Europa, USA e America Latina, in presenza di terreni dalle caratteristiche meccaniche che includono il range completo di geomateriali dalle rocce intatte a argille e limi espandenti e collassabili (loess).