DRACE INFRAESTRUCTURAS. Av. Camino Santiago 50, Madrid.

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1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIMENTACIONES DE GRAVEDAD OFFSHORE MEDIANTE CAJONES DE HORMIGÓN EJECUTADOS EN CAJONERO PARA LOS CAMPOS DE MORAY FIRTH E INCH CAPE EN EL MAR DEL NORTE (ESCOCIA) CARLOS POLIMÓN 1, JESÚS MORENO, MIGUEL EGUIAGARAY 1 1 DRACE INFRAESTRUCTURAS. Av. Camino Santiago 50, Madrid. cjpolimono@drace.com; jmorenoj@drace.com; meguiagarayg@drace.com Resumen Dentro del marco de la tercera fase de desarrollo de la eólica marina en el Reino Unido, se adjudican en los años 2013 y 2014 la construcción de las torres meteorológicas para medición de viento de los campos de Moray Firth e Inch Cape (respectivamente) en Escocia. Las soluciones planteadas inicialmente en ambos casos para la cimentación de la torre habían sido diseñadas en estructura de acero, bien sea por monopilote hincado (Moray) o en jacket (Inch Cape). DRACE infraestructuras fue finalmente adjudicataria de ambos proyectos con un diseño de cimentación por gravedad mediante cajones de hormigón (CGF) autoflotantes y autofondeables; siendo, de esta forma, la primera empresa en desarrollar una solución en grandes calados (40-50 m) mediante los medios y procesos habituales de las obras marítimas españolas. 1. Introducción Las soluciones habituales en el sector offshore consisten en estructuras metálicas hincadas en el fondo marino, de mayor o menor capacidad en función de la profundidad a la que se cimenten. Así, de menos profundo a más profundo se diseñan monopilotes hincados, trípodes o jackets; todos ellos metálicos. En los últimos años viene realizándose un esfuerzo importante tanto por promotores como por constructoras para lanzar las soluciones por gravedad, que cubran el rango tanto de monopilotes como de trípodes, es decir, que cubran un rango que podría situarse entre los 30 y los 60 m de profundidad. En profundidades menores el monopilote seguiría siendo el más competitivo y en profundidades mayores, las cimentaciones por gravedad pierden sus ventajas. Las soluciones por gravedad tienen, además de la económica, dos ventajas fundamentales para los promotores de campos eólicos offshore: en primer lugar la instalación tiene una afección menor al medioambiente por no ser hincadas en el terreno, y en segundo lugar, al término de la vida útil de la estructura pueden ser retiradas del fondo devolviendo el entorno a su situación original. Medioambientalmente, por lo tanto, ofrecen ventajas considerables. Otro factor a tener en cuenta es que la solución por gravedad podría suponer una ventaja sustancial en el sector si evitase la utilización de grandes medios marítimos para su instalación. El diseño de la cimentación debería evitar el uso de cabrias, Jack up y grandes medios, por lo que la solución a diseñar debía ser, dentro de lo posible, transportable e instalable por sus propios medios, o bien, mediante la utilización de medios comerciales fácilmente disponibles y, por lo tanto, económicos. La ausencia de medios marítimos importantes sería de gran relevancia si no sólo se evitase en la instalación de la cimentación sino que se siguiese la misma política en la instalación de la superestructura, torre meteorológica en este caso. La ejecución de obras en aguas profundas del Reino Unido requiere el empleo de la metodología del Design Risk Assessment (análisis de los riesgos durante la fase de diseño), que implica la reducción de riesgos a límites tolerables, resultando, por ejemplo, que las operaciones offshore se realicen sin trabajos de buzos o que todas las operaciones sean comandadas por control remoto. Figura 1. Rango de utilización de las distintas soluciones para cimentaciones offshore habituales.

2 2. Diseño En mayo de 2013 EDPR contrata a DRACE infraestructuras la conversión de un monopilote hincado existente en cimentación por gravedad para la cimentación de la Torre Meteorológica del Campo Eólico de Moray Firth. Con posterioridad, en marzo de 2014 REPSOL contrata el diseño y la construcción de la Torre del Campo Eólico de Inch Cape. La solución dada para esta segunda torre fue gemela de la de Moray Firth, ajustando únicamente calados y alturas. La fecha de terminación y, por lo tanto, instalación en el Mar del Norte de ambos proyectos se estableció en septiembre de Figura 2. Monopilote existente a adaptar en el Campo de Moray Firth. La solución de diseño dada fue la de realizar una cimentación de hormigón mediante cajón construido en cajonero y utilizar el monopilote existente, previamente cortado y posteriormente conectado a la cimentación, como subestructura de la torre meteorológica. La solución así construida disfrutaría de las ventajas de la fabricación en cajonero y ampliaría las posibilidades de negocio de una tecnología básicamente española de construcción de obras marítimas. La construcción en cajonero ofrecía las siguientes ventajas ampliamente conocidas: - Rapidez de ejecución: en una semana el cajón podía botarse del cajonero y podía continuarse con las siguientes maniobras de instalación. - Trabajo en una instalación con amplias medidas de protección colectiva y personal especializado en la construcción. - Calidad del producto terminado. - Amplia experiencia en la construcción de cajones en cajonero, con más de unidades fabricadas por la empresa hasta la fecha. Los retos y respuestas que debía dar la solución eran los siguientes: - La ventaja principal y el mayor reto de la solución estribaba en la no utilización para su instalación de grandes medios auxiliares flotantes (Heavy Lift) como los empleados para el resto de soluciones del sector (Monopilotes, Jackets, Trípodes, ). La solución dada en el proyecto consistió en el diseño de un sistema innovador de fondeo autónomo. - Definición de todos los procesos sin la colaboración de buzos para su ejecución. - Montaje de todas las estructuras a flote, sin fondeos provisionales. - Definición del proceso de instalación final de la Torre sin ayuda de medios auxiliares de elevación flotantes ni helicópteros. La solución dada en el proyecto fue el diseño de una torre telescopable en alta mar. - Reducción del coste de fabricación y transporte de las cimentaciones. Fabricación en España (Cartagena) de los cajones y fuste metálico y transporte a Escocia donde se ensamblaron las torres de fabricación escocesa. - Transporte final desde puerto escocés a emplazamiento definitivo mediante remolque convencional. - Verificación mediante Entidad Certificadora (DNV-GL) de todas las fases del proyecto (diseño, fabricación, instalación y puesta en marcha). - Diseño e instalación de la torre en menos de un año. La segunda torre (Inch Cape) fue diseñada con todos los elementos nuevos con la misma filosofía que la primera (Moray Firth). Las diferencias entre ambos campos eran las siguientes: - El calado del Campo de Moray Firth era de 40 m, mientras que el de Inch Cape era de 50 m. - La cota a la que debía llegar el anemómetro principal en el caso de Moray Firth era de 100 m por encima del nivel del mar y en el caso de Inch Cape de 113 m por encima. En cuanto al oleaje de cálculo, por el contrario, ambos campos fueron calculados con el mismo: - Altura de ola significante: Hs = 8,5 m - Periodo de pico: Tp = 15 seg. La geotecnia de ambos emplazamientos era muy similar, si bien las capas de distintas rigideces tenían distinta ordenación. En Moray firth la capa menos competente estaba en superficie y en Inch Cape, se encontraba bajo otra capa más competente. Cabe, por último, destacar que la práctica totalidad de la ingeniería fue desarrollada por empresas españolas.

3 2.1. Descripción de la solución. La solución desarrollada para la CGF (Concrete Gravity Foundation) de las torres meteorológicas tenía los siguientes elementos principales: - La banqueta de la cimentación se resolvió sin dragado en ambos casos, apoyando directamente el cajón sobre banqueta de 2 m de espesor. - La cimentación de la torre la constituía un cajón de hormigón de 32,22 m de manga y 33,5 m de eslora construido en cajonero con los sistemas de ejecución propios de obras marítimas. El puntal del cajón era de 16 o 17 m, correspondiendo el menor puntal al menor calado. - El cajón de hormigón estaba cerrado en su zona superior por una losa de hormigón. - El fuste de la CGF se resolvió mediante un fuste metálico circular, quedando su unión con el cajón a 22 o 32 m de profundidad en función del parque. - Sobre el fuste apoyaba una plataforma de instrumentación (Deck) del que arrancaba la torre. - La torre meteorológica se resolvió mediante estructura metálica triangular en celosía. H = 85 m/93 m Figura 3. Vista de la torre de Inch Cape terminada y dimensiones principales de ambas Ensayos realizados. Para la validación de la solución se llevaron a cabo en la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de Madrid ensayos de tres naturalezas distintas: - Ensayo de interacción flujo-estructura y Scouring. En estos ensayos el objetivo consistía en verificar las condiciones últimas de la estructura frente a deslizamiento y vuelco, así como la definición y comprobación de la protección frente a Scouring (socavación) de la misma. - Ensayo de remolque. El ensayo de remolque tenía por objeto comprobar las condiciones de navegación de la cimentación tanto esperadas como de supervivencia. Se definieron los umbrales operativos de la travesía así como la velocidad de remolque óptima. Gracias al ensayo de remolque pudieron conocerse los periodos propios de la estructura y reducir el tiro del remolcador resultante de la formulación. - Ensayo de Fondeo. Dada la singularidad de la estructura se estimó necesario ensayar a escala reducida la maniobra de fondeo completo de la cimentación. La singularidad del ensayo de fondeo realizado consistió en la modelización de la maniobra completa. Hasta la fecha en los distintos laboratorios europeos una maniobra de este tipo se modelizaba por fases con una peculiaridad: la fase inicial se modelizaba con la cubierta del cajón 2 m

4 por debajo de la lámina de agua y la de apoyo en el fondo, de la misma forma, no podía representarse más allá de 2 m por encima del lecho. De esta forma, las dos maniobras críticas del fondeo no se reproducían. En este caso se decidió por una simulación continua ininterrumpida que pudiera resolver las incógnitas existentes: por un lado qué podía ocurrir al perder la cubierta del cajón y pasar de una superficie de m 2 a una de aproximadamente 5 m 2. Por otro lado despejar las incógnitas de la reacción del cajón y el fondo durante el posado de la estructura. Las incógnitas planteadas fueron resueltas muy satisfactoriamente mediante el empleo de un algoritmo de control novedoso que desembocó en una patente internacional. Figura 4. Ensayo de remolque en canal y modelización del interior del cajón para el ensayo de fondeo mediante simulación global operativa Proceso de verificación del Diseño/proyecto. En el sector offshore se recurre a la validación del proyecto completo por entidad independiente. En los dos proyectos que nos ocupan la verificación del proyecto completo fue realizado por la compañía DNV GL y cubría los siguientes aspectos: - Bases de Diseño: previamente a la redacción del Diseño de Detalle se verifica y aprueba las bases que van a regir el diseño. - Diseño de Detalle: proyecto estructural y de instrumentación (si es el caso) completo. - Fabricación: fase de fabricación y montajes si los hubiera. - Instalación: operaciones offshore para instalar la estructura. - Comisionado/ Puesta en marcha: de servicio de la estructura. Verificación del funcionamiento de la torre en este caso como elemento de medida meteorológico. Al terminar cada una de las fases la DNV emite un documento de conformidad con su normativa. En todos los detalles de cada una de las fases indicadas regía la normativa del cuerpo verificador, completándose con otras complementarias cuando ésta fuera insuficiente. 3. Contrucción. La construcción de las torres meteorológicas se dividió en tres partes: construcción en España, construcción en Escocia e instalación offshore. - Construcción en España: fabricación de los cajones de ambos proyectos y fuste metálico de la torre de Inch cape. El fuste de Moray Firth estaba acopiado en Holanda y desde allí se embarcó a Escocia. - Construcción en Escocia: construcción de ambas torres de celosía en fábricas escocesas y montaje de elementos en puerto. Los fustes, plataformas e instrumentación y torres de celosía se montaron en puerto. - Instalación Offshore: fondeo de las cimentaciones, telescopaje de las torres y comisionado Construcción en España y transporte a Escocia. Dado que la fabricación de las torres meteorológicas sólo consistía en dos unidades, la fabricación de los cajones (incluyendo su losa superior) se realizó en Cartagena, emplazamiento donde el dique flotante Tarifa I estaba atracado. La decisión de fabricar en un puerto del Mediterráneo, alejado del puerto de destino, pudo realizarse al transportar los dos cajones juntos en un Heavy Lift Vessel; económico en este caso. La construcción en España, por lo tanto comenzó con la fabricación de cada uno de los cajones mediante la tecnología habitual de construcción de obras marítimas y se llevó a cabo en el mes de marzo de Una vez botado del dique cada uno de los cajones se procedía a continuar la ejecución mediante las siguientes operaciones: - Colocación de elementos de remolque, amarre y fondeo. - Ejecución de la losa superior de hormigón de los cajones. - Ejecución de la zona de conexión entre cajón y fuste metálico. - Colocación de elementos auxiliares e instrumentación de fondeo.

5 - Preparación de maniobra de embarque en el Heavy Lift Vessel. Figura 5. Construcción de cajones en el Dique Flotante Tarifa I en Cartagena. Construcción de la losa superior del cajón mediante prelosas. Una vez completada la ejecución de los cajones se procedió a embarcarlos rumbo a Invergordon, el puerto escocés donde se decidió completar las operaciones de montaje. El transporte terminó con el desembarco en Invergordon de ambos cajones y su amarre a dique. Inicialmente se diseñó una maniobra de transporte que contemplaba el remolque de uno de las cimentaciones de gravedad desde puerto español a puerto escocés. Se modeló, como se ha visto, en laboratorio, se analizó la ruta y los puertos de guarda durante la travesía. Finalmente no fue necesario transportarlos de esta manera dado que con la contratación de la segunda torre el transporte en barco se hizo rentable. Figura 6. Transporte desde Cartagena a Invergordon (Escocia) mediante Heavy Lift vessel. El transporte mediante Heavy Lift Vessel posibilitó fabricar en puertos más lejanos, reducir el tiempo de navegación a un tercio del de remolque y, sobre todo, redujo sustancialmente el riesgo de la operación. Figura 7. Desembarco de cajones en el Cromarty Firth (Escocia).

6 3.2. Construcción en Escocia La elección de Invergordon como emplazmiento de montajes en Escocia se debió fundamentalente a dos cuestiones: en primer lugar porque de los disponibles era el de mayor calado (10,5 m) y en segundo lugar por el emplazamiento favorable para terminar los montajes en él y tener una distancia de navegación razonable. Una ventaja adicional de la zona del Cormarty Firth era que disponía de instalaciones adecuadas para la ejecución por ser una zona con actividad offshore, básicamente de reparación de plataformas. Figura 8. Localización del Puerto de Invergordon e instalaciones portuarias del Cromarty Firth. Como se ha apuntado anteriormente las dos celosías metálicas de la estructura de la torre fueron fabricadas en Escocia en dos talleres locales. Por lo tanto, una vez llegados los cajones a puerto las actividades que se realizaron fueron las siguientes: - Recepción de los dos fustes metálicos que conformaban el resto de la cimentación. Como se ha citado el fuste de Moray se transportó desde Holanda, donde estaba acopiado, y el fute de Inch Cape se transportó desde España, donde fue fabricado. - Montaje y conexión de los fustes metálicos a cada uno de los cajones. - Montaje de aceros secundarios en el fuste: escaleras, Boat Landing System (sistema de atraque de barcos contra la torre) y I-Tube (tubo para la colocación del sensor de temperatura del agua del mar). - Montaje de plataforma de instrumentación y soporte de la torre en celosía. - Montaje de la torre en celosía en dos mitades para su posterior telescopaje offshore. Una de las características más importantes de todos los montajes que se hicieron fue la de que todos ellos se realizaron a flote, es decir, el cajón no se fondeó provisionalmente para el replanteo y posicionamiento de ningún elemento. Esto implicó que no hubo ninguna afección al puerto de Invergordon y que, por otro lado, se pudieron reducir en gran medida los plazos de las operaciones al reducir el tiempo de fondeos y reflotes. Para poder llevar a cabo la maniobra se estudió en detalle el sistema de replanteo de las estructuras a ensamblar encima del cajón, en continuo movimiento. Figura 9. Montaje de fustes y torres en celosía con el cajón a flote. Una vez terminadas las operaciones en puerto se prepararon los conjuntos de cimentación y torres para su transporte mediante remolque convencional a su emplazamiento definitivo.

7 Figura 10. Remolque de cimentación por gravedad y torre del Campo de Moray Firth. Como se indicó anteriormente el remolque fue ensayado en canal para poder reducir el tiro del remolcador resultante del cálculo teórico. Las condiciones de remolque fueron fijadas por DNV GL y verificadas a su vez por el Marine Warranty Surveyor. La duración del remolque a Moray Firth fue de un día y el de Inch Cape de tres días. En este segundo caso se estudió la posibilidad de realizar un fondeo provisional antes de la instalación, pero finalmente no fue utilizado Instalación Offshore. La principal maniobra de instalación fue el fondeo (varado) de la estructura en el fondo marino. Los principales condicionantes de la operación fueron los siguientes: - Diseño de operaciones comandadas por control remoto y sin empleo de buzos en ninguna de ellas. - Estabilidad naval mínima en cualquier momento de la operación mayor de 1. Esta condición venía impuesta por la normativa de DNV GL. - Definición de umbrales operativos con valores de Hs hasta 2 m y T menor de 7 seg. - La maniobra se diseñó para ser llevada a cabo en 4 horas; de esta forma podría llevarse a cabo dos veces en un mismo día, teniendo así garantía de que habría tiempo suficiente en una jornada para absorber imprevistos. - Desde el punto de vista operativo en el citado ensayo de fondeo se introdujeron los remolcadores para poder así analizar la estrategia de posicionamiento y analizar las tolerancias respecto a la banqueta. Durante la fase de diseño se evaluaron en primer lugar las distintas fases del mismo y la duración que se requería para cada una de ellas. Se establecieron las siguientes fases: - Final de remolque y conexión de remolcadores auxiliares de fondeo. - Lastrado de celdas suficiente hasta pérdida de cubierta. - Lastrado hasta dos metros antes de posado en el fondo. - Posado. - Lastrado definitivo. Para cada secuencia se fijó una duración y se eligieron las celdas óptimas a lastrar para disponer en cada caso de la mayor estabilidad posible. Una vez fijados estos criterios se analizó en laboratorio mediante simulación operativa global para poder corregir, comprobar e incluso enseñar a los responsables de la operación el comportamiento esperable de la cimentación en el mar. Figura 11. Inicio de instalación offshore: remolcadores conectados y en posición. Tras el fondeo se procedía al telescopaje de la celosía que conformaba la torre, dado que se había transportado en dos mitades una dentro de otra. El objetivo de la operación era evitar tanto el uso de grandes cabrias (por coste), como el uso de helicópteros (por prevención de riesgos). Una vez telescopada se materializaba la unión entre ambos tramos de celosía, alcanzando así la altura definitiva.

8 La última de las operaciones del proyecto fue la puesta en marcha de la instrumentación, objetivo que se consiguió de manera satisfactoria. Figura 12. Fase inicial (final de remolque) y fase de pérdida de cubierta. 4. Conclusiones. La instalación de las torres meteorológicas de Moray e Inch Cape ha constituido un avance internacional importante de la ingeniería española, al haber sido la primera solución de este tipo a nivel mundial en el sector de eólica marina. Se han impulsado tanto la utilización de los medios y procesos de obra marítima española como el cumplimiento de plazos y calidades exigentes por parte de empresas nacionales. La totalidad del diseño se ha llevado a cabo tanto por empresas de ingeniería como por laboratorios e institutos españoles. 5. Agradecimientos. A EDPR y REPSOL, promotores de las dos obras por su voluntad de innovación; en especial a EDPR por haber sido pionero en la utilización de esta solución. Figura 13. Torre meteorológica de Inch Cape en servicio con la instrumentación colocada.