Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

La casa crecedera. El crecimiento programado de la vivienda con innovación europea y economía de medios latinoamericana

El concepto de casa crecedera, tal y como lo conocemos en la actualidad, se acuñó por primera vez en 1932 en el concurso Das Wachsende Haus organizado por Martin Wagner y Hans Poelzig dentro del marco de la Exposición Internacional Sonne, Luft und Haus für alle, promovida por la Oficina de Turismo de la ciudad de Berlín. En dicho concurso, se definía este tipo de vivienda como aquella célula básica o vivienda semilla que, dependiendo de las necesidades y posibilidades de los habitantes, podía crecer mediante otras estancias, conformando una vivienda completa en sí misma en cada fase de crecimiento. Numerosos arquitectos de primer orden, tales como Walter Gropius, Bruno Taut, Erich Mendelsohn o Hans Scharoun, participaron en este concurso, abriendo una nueva vía de exploración dentro de la vivienda flexible, la del crecimiento programado. A partir de ese momento, en Europa, y subsecuentemente en EEUU y otras regiones desarrolladas, se iniciaron numerosas investigaciones teóricas y prácticas en torno al fenómeno del crecimiento en la vivienda desde un enfoque vinculado a la innovación, tanto espacial como técnica. Por otro lado, aunque dentro del marco de la arquitectura popular de otros países, ya se ensayaban viviendas crecederas desde el siglo XVIII debido a que, por su tamaño, eran más asequibles dentro del mercado. Desde los años treinta, numerosos países en vías de desarrollo tuvieron que lidiar con migraciones masivas del campo a la ciudad, por lo que se construyeron grandes conjuntos habitacionales que, en numerosos casos, estaban conformados por viviendas crecederas. En todos ellos, la aproximación al crecimiento de la vivienda se daba desde una perspectiva diferente a la de los países desarrollados. Se primaba la economía de medios, el uso de sistemas constructivos de bajo costo y, en muchos casos, se fomentaba incluso la autoconstrucción guiada, frente a las construcciones prefabricadas ensambladas por técnicos especializados que se proponían, por ejemplo, en los casos europeos. Para realizar esta investigación, se recopiló información de estas y otras viviendas. A continuación, se identificaron distintas maneras de producir el crecimiento, atendiendo a su posición relativa respecto de la vivienda semilla, a las que se denominó mecanismos de ampliación, utilizados indistintamente sin tener en cuenta la ubicación geográfica de cada casa. La cuestión de porqué se prefiere un mecanismo en lugar de otro en un caso determinado, desencadenó el principal objetivo de esta Tesis: la elaboración de un sistema de análisis y diagnóstico de la vivienda crecedera que, de acuerdo a determinados parámetros, permitiera indicar cuál es la ampliación o sucesión de ampliaciones óptimas para una familia concreta, en una ubicación establecida. Se partió de la idea de que el crecimiento de la vivienda está estrechamente ligado a la evolución de la unidad de convivencia que reside en ella, de manera que la casa se transformó en un hábitat dinámico. Además se atendió a la complejidad y variabilidad del fenómeno, sujeto a numerosos factores socio-económicos difícilmente previsibles en el tiempo, pero fácilmente monitorizables según unos patrones determinados vinculados a la normatividad, el número de habitantes, el ahorro medio, etc. Como consecuencia, para el diseño del sistema de optimización de la vivienda crecedera, se utilizaron patrones evolutivos. Dichos patrones, alejados ya del concepto espacial y morfológico usualmente utilizado en arquitectura por figuras como C. Alexander o J. Habraken, pasaron a entenderse como una secuencia de eventos en el tiempo (espaciales, sociales, económicos, legales, etc.), que describen el proceso de transformación y que son peculiares de cada vivienda. De esta manera, el tiempo adquirió una especial importancia al convertirse en otro material más del proyecto arquitectónico. Fue en la construcción de los patrones donde se identificaron los mencionados mecanismos de ampliación, entendidos también como sistemas de compactación de la ciudad a través de la ocupación tridimensional del espacio. Al estudiar la densidad, mediante los conceptos de holgura y hacinamiento, se aceptó la congestión de las ciudades como un valor positivo. De esta forma, las posibles transformaciones realizadas por los habitantes (previstas desde un inicio) sobre el escenario del habitar (vivienda semilla), se convirtieron también en herramientas de proyecto urbano que responden a condicionantes del lugar y de los habitantes con distintas intensidades de crecimiento, ocupación y densidad. Igualmente, en el proceso de diseño del sistema de optimización, se detectaron las estrategias para la adaptabilidad y transformación de la casa crecedera, es decir, aquella serie de acciones encaminadas a la alteración de la vivienda para facilitar su ampliación, y que engloban desde sistemas constructivos en espera, que facilitan las costuras entre crecimiento y vivienda semilla, hasta sistemas espaciales que permiten que la casa altere su uso transformándose en un hábitat productivo o en un artefacto de renta. Así como los mecanismos de ampliación están asociados a la morfología, se descubrió que su uso es independiente de la localización, y que las estrategias de adaptabilidad de la vivienda se encuentran ligadas a sistemas constructivos o procesos de gestión vinculados a una región concreta. De esta manera, la combinación de los mecanismos con las estrategias caracterizan el proceso de evolución de la vivienda, vinculándola a unos determinados condicionantes sociales, geográficos y por tanto, constructivos. Finalmente, a través de la adecuada combinación de mecanismos de ampliación y estrategias de adaptabilidad en el proyecto de la vivienda con crecimiento programado es posible optimizar su desarrollo en términos económicos, constructivos, sociales y espaciales. Como resultado, esto ayudaría no sólo a mejorar la vida de los habitantes de la vivienda semilla en términos cualitativos y cuantitativos, sino también a compactar las ciudades mediante sistemas incluyentes, ya que las casas crecederas proporcionan una mayor complejidad de usos y diversidad de relaciones sociales. ABSTRACT The growing house concept -as we currently know it- was used for the first time back in 1932 in the competition Das Wachsende Haus organized by Martin Wagner and Hans Poelzig during the International Exhibition Sonne, Luft und Haus für alle, promoted by Berlin's Tourist Office. In that competition this type of housing was defined as a basic cell or a seed house unit, and depending on the needs and capabilities of the residents it could grow by adding rooms and defining itself as a complete house unit during each growing stage. Many world-top class architects such as Walter Gropius, Bruno Taut, Erich Mendelsohn or Hans Scharoun, were part of this competition exploring a new path in the flexible housing field, the scheduled grownth. From that moment and on, in Europe -and subsequently in the USA and other developed areas- many theorical and pragmatical researchs were directed towards the growing house phenomena, coming from an initial approach related to innovation, spacial and technical innovation. Furthermore -inside the traditional architecture frame in other countries, growing houses were already tested in the XVIII century- mainly due to the size were more affordable in the Real State Market. Since the 30's decade many developing countries had to deal with massive migration movements from the countryside to cities, building large housing developments were -in many cases- formed by growing housing units. In all of these developing countries the growing house approach was drawn from a different perspective than in the developed countries. An economy of means was prioritized, the utilization of low cost construction systems and -in many cases- a guided self-construction was prioritized versus the prefabricated constructions set by specialized technics that were proposed -for instance- in the European cases. To proceed with this research, information from these -and other- housing units was gathered. From then and on different ways to perform the growing actions were identified, according to its relative position from the seed house unit, these ways were named as addition or enlargement mechanisms indifferently utilized without adknowledging the geographic location for each house. The question of why one addition mechanism is preferred over another in any given case became the main target of this Thesis; the ellaboration of an analysis and diagnosis system for the growing house -according to certain parameters- would allow to point out which is the addition or addition process more efficient for a certain family in a particular location. As a starting point the grownth of the housing unit is directly linked to the evolution of the family unit that lives on it, so the house becomes a dynamic habitat. The complexity and the variability of the phenomena was taken into consideration related to a great number of socio-economic factors hardly able to be foreseen ahead on time but easy to be monitored according to certain patterns linked to regulation, population, average savings, etc As a consequence, to design the optimization system for the growing house, evolutionary patterns were utilized. Those patterns far away from the spatial and morphologic concept normally utilized in Architecture by characters like C. Alexander or J. Habraken, started to be understood like a sequence of events on time (spatial events, social events, economic events, legal events, etc) that describes the transformation process and that are particular for each housing unit. Therefore time became something important as another ingredient in the Architectural Project. The before mentioned addition or enlargement mechanisms were identified while building the patterns; these mechanisms were also understood as city's system of compactation through the tridimendional ocupation of space. Studying density, thorough the concepts of comfort and overcrowding, traffic congestion in the city was accepted as a positive value. This way, the possible transformations made by the residents (planned from the begining) about the residencial scenary (seed house), also became tools of the urban project that are a response to site's distinctive features and to the residents with different grownth intensities, activities and density Likewise, during the process of designing the optimization system, strategies for adaptations and transformation of the growing house were detected, in other words, the serial chain of actions directed to modify the house easing its enlargement or addition, and that comprehends from constructive systems on hold -that smooths the costures between grownth and housing seed- to spatial systems that allows that the house modify its utilization, becoming a productive habitat or a rental asset. Because the enlargement mechanisms are linked to the morphology, it was discovered that the use it's not related to the location, and that the adaptation strategies of the houses are linked to constructive systems or management processes linked to a particular area. This way the combination of mechanisms and strategies characterizes the process of housing evolution, linking it to certain social and geographic peculiarities and therefore constructives. At last, through the certain combination of enlargement mechanisms and adaptability strategies in the housing with scheduled grownth project is possible to optimize its development in economic, constructive, social and spatial terms. As a result, this would help not only to improve the life of the seed house residents in qualitative and quantitative terms but also to compact the cities through inclusive systems, given that the growing houses provide a larger complexity of uses and social relations.

Vivienda para un envejecimiento activo : el paradigma danés

El alojamiento para mayores ha estado presente en el discurso arquitectónico desde hace tiempo, pero ocupando una posición periférica vinculada a una concepción demasiado específica de dichos alojamientos. La tendencia general los encuadraba en los alojamientos colectivos dentro del grupo de aquellos que ofrecían cuidados sanitarios. Este enfoque ha sido ampliamente superado a favor de un modelo vivienda, aunque en España, por diversos motivos, no ha sido así. La complejidad del colectivo de personas mayores unida a la heterogénea evolución del proceso de envejecimiento, definen el amplio abanico de soluciones habitacionales existentes fuera de nuestro país, así como la constante revisión y adaptación de las mismas a las necesidades de los mayores. Pese al interés del tema y la demanda efectiva, no hay investigaciones concretas acerca del modelo vivienda para mayores. Es por ello que el objetivo principal de esta Tesis es recopilar las características que definen este modelo dentro del repertorio de alojamientos existente, así como, investigar su aportación en la mejora de las condiciones de vida de los mayores bajo el punto de vista del proyecto arquitectónico. Se han estudiado sus características, tipos, orígenes y evolución con el propósito de ilustrar las particularidades de este modelo de vivienda y su respuesta al reto del envejecimiento. En unos años los mayores serán uno de los colectivos mayoritarios, por lo que la aplicación de criterios de diseño acordes a sus necesidades influirá, necesariamente, en el conjunto de modelos de vivienda convencional. Esta Tesis no pretende definir un modelo concreto de implantación. Se trata de un ejercicio de síntesis y reflexión que muestra la situación actual en Dinamarca, debido a su dilatada experiencia en este campo, para poder así ofrecer pautas o criterios de diseño que tras una revisión, sean de aplicación y respondan a la demanda de cualquier país, y muy especialmente al contexto español. ABSTRACT The different solutions for housing the elderly have been part of the architect´s agenda by placing these models in a periphery position on the discussion. This is explained by its specific characteristics linked to the group of collective housing with health and care facilities. That approach has been largely surpassed in many countries by focusing on housing models. Unfortunately in Spain this approach never succeed due to diverse reasons. The complexity that characterizes the elderly as a social group and the heterogeneous evolution of the ageing process, explain the existing range of solutions as well as its constantly adaptation to the elderly demands. Neither the interest of this topic or the social demand has inspired specific research on housing for the elderly. According to this lack, the aim of this research is to compile the characteristics that define housing model for the elderly and to study its contribution on the improvement of elderly living conditions under the architectural approach. There have been studied the different types, characteristics, origins and evolution of the housing model to illustrate its distinctive features responding to the ageing challenge. In a few years the elderly will be one of the largest social groups, therefore the application of design criteria for their necessities will have a strong influence on the mainstream housing market. This work doesn’t pretend to define a specific model for its implementation; it’s a critical reflection explaining the Danish situation, due to its long trajectory on housing the elderly. The aim is to show some design criteria that, under a contextualisation process, can be used in any other country, especially in Spain.