ALGUNOS ASPECTOS RELEVANTES EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE BASES AISLADAS PARA MOLINOS AEROGENERADORES

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1 ALGUNOS ASPECTOS RELEVANTES EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE BASES AISLADAS PARA MOLINOS AEROGENERADORES Ing. Hugo Donini 1 - Ing. Rodolfo Orler 2 RESUMEN El presente trabajo expone algunos aspetos relevantes en el diseño y onstruión de bases aisladas para molinos aerogeneradores. Se indian riterios de diseño y tareas en la etapa onstrutiva. Se desarrolla un análisis de la geometría y su inidenia en las variables de diseño, evaluando presiones, armadura requerida, rigidez rotaional, fatiga de materiales, entre otras. Finalmente, se extraen onlusiones referidas a las gráfias obtenidas y tareas relaionadas on la onstruión. ABSTRACT This paper presents some relevant aspets in the design and onstrution of foundations for wind turbines. Design riteria are exposed and tasks in the onstrution stage. It develops an analysis of the geometry and its impat on the design variables, evaluating pressures, steel required, rotational stiffness, fatigue of materials, among others. Finally, onlusions are drawn regarding the graphs obtained and onstrution-related tasks. 1 Ingeniero Civil e Hidráulio. Investigador y doente de las Cátedras de Hormigón I, Hormigón II y Puertos y Vías Navegables, y Auxiliar de la Cátedra Programaión Básia y Métodos Numérios de la Carrera de Ingeniería Civil de la U.N.P.S.J.B. (Sede Trelew). Miembro Plenario de la Asoiaión de Ingenieros Estruturales. hugo.donini@gmail.om. 2 Ingeniero en Construiones. Diretor de la Unidad Ejeutora Provinial S.C.O.M.C. Chubut. Investigador y profesor Adjunto de la Cátedra de Hormigón I y Hormigón II, y Jefe de Trabajos Prátios de la Cátedra de Construiones Metálias y en Madera de la Carrera de Ingeniería Civil de la U.N.P.S.J.B. (Sede Trelew). Ex Doente Jefe de Trabajos Prátios Cátedras de Hormigón I y Hormigón II. Faultad de Ingeniería Universidad Naional del Comahue Neuquén. Miembro Plenario de la Asoiaión de Ingenieros Estruturales. Autores del libro Introduión al Cálulo de Hormigón Estrutural Ed. Nobuko 2º Ediión ISBN Página 1 de 22

2 INTRODUCCIÓN En materia eólia, la potenia instalada existente en el país aumentó de 26,5 MW en 2003 a 141,8 MW en 2012, un inremento del 435% 3. Las bases superfiiales son una tipología usual en la fundaión de molinos eólios para suelos on adeuada apaidad portante. El presente trabajo proura abordar los aspetos más relevantes relaionados on el diseño y la ejeuión de bases aisladas de hormigón armado para este tipo de estruturas, teniendo en uenta las obras de la provinia del Chubut. ASPECTOS TEÓRICOS DEL DISEÑO Los prinipales pasos a seguir en el diseño resistente de la fundaión se pueden sintetizar en la Figura 1. Cargas transmitidas por el fuste del molino Determinaión de la resistenia del hormigón y aero para la base Cálulo de las dimensiones en planta de la base de auerdo a la tensión admisible del suelo Cálulo del espesor de la base según orte y punzonado Verifiaión al vuelo y al deslizamiento Verifiaión de las tensiones generadas en el suelo inluyendo el peso propio de la base Diseño del armado longitudinal y transversal de la base según riterios de flexión, orte y punzonado Verifiaión a fatiga de los materiales Cálulo de las longitudes de anlaje y empalme de las armaduras Verifiaión a fisuraión Figura 1: Diagrama que sintetiza los prinipales pasos a seguir en el diseño resistente de una base aislada de hormigón armado para aerogeneradores 3 (Fuente: Ministerio de Planifiaión Federal) Página 2 de 22

3 Geometría en planta La geometría en planta de las bases aisladas resulta un aspeto importante al momento de definir el diseño de las mismas, presentándose distintas variantes. Las bases de seión irular permiten absorber de manera más adeuada el ambio de direión de los esfuerzos transmitidos por los molinos eólios, pero presentan en ontrapartida difiultades para el enofrado y oloaión de las barras. Las armaduras se ubian usualmente en direión radial y irunferenial (Figura 2). Como alternativa, es posible efetuar un armado ortogonal para simplifiar el trazado de las mismas (Figura 3). (a) (b) Figura 2: Esquema de armado irunferenial inferior (a) y superior (b). (a) (b) Figura 3: Esquema de armado ortogonal inferior (a) y superior (b). Las fundaiones de seión uadrada son más senillas de enofrar y tienen armaduras inferiores dispuestas en dos direiones ortogonales. Para el aso de insertos metálios, la armadura superior se oloa radialmente atravesando el mismo, mientras que el resto oinide en direión on la inferior (Figura 4). Página 3 de 22

4 (a) (b) Figura 4: Esquema de armado inferior (a) y superior (b) de bases uadradas Las bases otogonales resultan una alternativa a las de seión irular, puesto que presentan un armado y enofrado de mayor simpliidad (Figura 5). (a) (b) Figura 5: Esquema de armado inferior (a) y superior (b) de bases otogonales Seión transversal La seión transversal de este tipo de bases puede ser de espesor onstante o variable. La seión de espesor variable permite optimizar la rigidez on una mayor altura en la zona que rodea al fuste del molino, prourando una mayor resistenia al punzonado y al orte. Sin embargo, es neesario tener espeial preauión al momento de alular las seiones rítias para dihos esfuerzos según la alternativa seleionada, omo se desarrollará posteriormente. El espesor y la forma transversal de la base dependen también del medio de unión on el aerogenerador. Existen básiamente tres métodos de vinulaión: 1. Inserto anular embebido: onsiste en un anillo metálio de una pieza que debe ser oloada y nivelada previamente al hormigonado de la base. El anillo uenta on una brida inferior y otra superior, y un meanismo de ajuste para su nivelaión, on una desviaión máxima permitida respeto del plano horizontal del orden de ± 4 mm. La brida superior es la que vinula a la base on el fuste del molino. La brida inferior es la enargada de transmitir los esfuerzos de flexión, orte y punzonado a la base. Entre las bridas existe una serie de orifiios por los que pasa la armadura longitudinal superior. (Figura 6 a). 2. Adaptador de aero on pernos a presión: es un adaptador ilíndrio Página 4 de 22

5 ompuesto por una serie de pernos fijos a una brida inferior. En algunos asos la brida inferior se oloa por enima de la armadura y otras por debajo. Es omún observar un inremento del espesor de la base en la zona entral por debajo del adaptador (Figura 6 b). 3. Adaptador de aero on pernos a presión on pedestal: onsiste en una serie de pernos de anlaje on una brida inferior pero on un pedestal on una altura superior al de las alternativas anteriores (Figura 6 ). (1) (2) (3) Figura 6: Esquema ilustrativo de las seiones típias y de los medios de unión Cálulos y verifiaiones bajo ondiiones de serviio 1. Verifiaión de tensiones admisibles en el suelo Las bases de aerogeneradores se enuentran sometidas a fuertes momentos fletores, lo que origina diagramas triangulares de presiones, desaprovehando la superfiie de apoyo sobre el suelo. Según la referenia 1, es posible alular la apaidad resistente del suelo de una fundaión irular en funión del área efetiva A eff de forma elíptia, según la expresión (1). 2 e 2 2 A eff = 2. R.aros e. R e (1) R donde e es la exentriidad del entro de apliaión de argas medida respeto del entro de la base y R es el radio de la irunferenia de la base. Figura 7: Área efetiva para fundaiones irulares y otogonales (referenia 1) Página 5 de 22

6 El eje mayor l e y el menor b e de la elipse se alulan on las euaiones (2) y (3). l e b e 2 b = 2.R. 1 1 (2) 2R ( R e) = 2. (3) El área efetiva puede ser representada por un retángulo equivalente de las siguientes dimensiones: l e l eff = A eff. (4) be l eff b eff =. b e (5) le La menionada publiaión establee que el diagrama de presiones tiene la misma forma para el aso de polígonos on doble simetría (otógonos, por ejemplo), si se los insribe por dentro de la irunferenia equivalente (Figura 7). También es posible alular la presión sobre el suelo bajo la ondiión de un diagrama triangular según los lineamientos expuestos en la referenia 4 (Figura 8). Figura 8: Coefiientes para determinar la presión máxima sobre el suelo de una base irular y on una distribuión triangular de presiones (referenia 4) 2. Verifiaión al volamiento La verifiaión al volamiento es uno de los prinipales aspetos a evaluar en el diseño de las bases para molinos eólios. Los datos mínimos requeridos para esta verifiaión son: - Lado de la base (b) Página 6 de 22

7 - Atura del fuste (h f ) - Altura del anillo respeto del fuste de hormigón (h f1 ) - Diámetro del fuste () - Altura máxima (en aso de elegir una seión de espesor variable) (h) - Altura mínima o de talón (h 1 ) - Altura del suelo sobre la base junto al fuste - Volumen del terreno - Densidad del suelo - Peso propio de la base, inluido el fuste (D ) - Peso propio del suelo de relleno, desontando el fuste (D s ) - Fuerza axil de serviio transmitida por el molino (F z ) - Fuerza horizontal de serviio transmitida por el molino (F x ) - Momento fletor de serviio transmitido por el molino (M y ) h f1 h f h 1 h Figura 9: Esquema de una base irular b La verifiaión al volamiento se efetúa onsiderando el momento fletor total externo M e de la forma: on h T = h + h f + h f1. M e = M y + F x. h T (6) ( F + D ).R z T γ v = (7) Me donde: D T = D + D s, R = b / 2 y γ v 1,8. Para el álulo del peso propio D de una base de seión irular y del suelo D s (desontando el fuste h f1 ), pueden utilizarse las siguientes expresiones: π. π ( ) ( b ) π( b ) ( h h ) 1 D = γ. h + hf1 + hf +.h 1 +. (8) ( b ) π( b ) ( h h ) π 1 Ds = γ s..h f +. (9) Página 7 de 22

8 3. Verifiaión al deslizamiento 2 ( DT + Fz ).tan φ 3 γ d = (10) F on γ d 1,5 y φ el ángulo de friión interna del suelo. A su vez, la referenia 1 india que las fundaiones sujetas a argas horizontales deben verifiar para ondiiones drenadas la euaión (11): x F x < A eff. + F x. tan φ (11) on el oefiiente de ohesión del suelo. Para ondiiones no drenadas en arillas, debe verifiarse: Adiionalmente, debe onstatarse: 4. Verifiaión a fisuraión F x < A eff. ud (12) F x < 4 (13) F z Según la referenia 1, es posible alular el anho de fisura w en mm según la expresión (14): w = σ s. a w (14) on A ef a w = y Σd w la suma de los diámetros de barra en la zona traionada. d w Figura 10: Área ativa sometida a traión del hormigón para el álulo a fisuraión σ. σ (15) smáx = α γ. b máx M σ máx = (16) ϕ.b.h Para el álulo de las argas externas, suele utilizarse el 60% de las máximas argas operativas de los aerogeneradores. Los parámetros α, ϕ b y γ se obtienen por iteraiones de: 2 ef Página 8 de 22

9 α. ϕ = α. A b.h s ef A s = seión de armadura M = momento fletor de serviio 2 β = α ϕ α. ϕ 1 6. ϕ =. β. ( 3 β) b 1 β γ = β El valor alulado de w debe estar omprendido en un intervalo de 0,2-0,3 mm. Para ondiiones de exposiión más severas entre 0,1-0,2 mm. 5. Verifiaión a fatiga de los materiales El álulo a fatiga de los materiales que omponen el hormigón de las bases suele efetuarse mediante el Model Code CEB-FIP 90 (artíulo 6.7.3). El proedimiento simplifiado es apliable a estruturas sometidas a no más de 10 8 ilos. Los esfuerzos a onsiderar son los momentos no mayorados y generados por la aión del viento, el peso propio de la base y el peso del suelo. 5.1 Aero Se verifian los requerimientos a fatiga si el intervalo de tensiones máximas aluladas, max σ Ss, para una ombinaión freuente de estados de arga satisfae la expresión (17). γ γ (17) sd max σss σrsk / donde σ Rsk es la resistenia araterístia a fatiga para 10 8 ilos que surge de la Tabla del Model Code CEB-FIP 90 (Tabla 1). s,fat Tabla 1: Parámetros de las urvas de resistenia araterístia a fatiga para las armaduras en hormigón armado (referenia 3) Página 9 de 22

10 Considerando los diámetros usuales utilizados en las bases de molinos eólios y el número de ilos, se utiliza omúnmente un valor de σ Rsk de 95 MPa. La verifiaión a fatiga debe efetuarse tanto para las armaduras a flexión omo para las de punzonado. 5.2 Hormigón No es neesario llevar a abo un álulo a fatiga más preiso si se verifian las siguientes expresiones para las tensiones de ompresión σ,máx y de traión σ t,máx bajo ombinaiones freuentes de estados de arga Compresión γ σ η 0,45 f (18) Sd,max d,fat donde η es el fator promedio que onsidera el gradiente de tensiones. on: 1 η = (19) σ1 1,5 0,5 σ σ 1 = la menor tensión de ompresión en valor absoluto medida a una distania no mayor a 300 mm de la superfiie sometida a ombinaiones de arga freuentes. σ 2 = la mayor tensión de ompresión en valor absoluto medida a una distania no mayor a 300 mm de la superfiie sometida a la misma ombinaión de estados de arga que σ 1. 2 Figura 11: Definiión de las tensiones σ 1 y σ 2 En general, teniendo en uenta la altura total de las bases a las que se hae referenia, es posible simplifiar el álulo haiendo al oefiiente η =1. f d,fat = 0,85. β (t) fk.fk MPa γ,fat 28 s. 1 t (t) e β 1/ 2 Página 10 de 22

11 s = oefiiente que depende del tipo de emento. s = 0,25 para ementos normales. t = edad en días. Para onsiderar el aso más desfavorable t Traión γ σ η 0,33 f (20) Sd t,max td,fat f td,fat = f tk / γ fat f = 3 2 tk 0,39 f k γ Sd = 1,1 γ,fat = 1,5 γ s,fat = 1,15 Un aspeto importante es onsiderar que en los álulos anteriores, la resistenia araterístia del hormigón según CIRSOC 201/05 orresponde a un uantil del 10%, mientras el Model Code CEB-FIP 90 utiliza un uantil del 5% (Art ). Ello onlleva a ajustes en el valor a asignar a f k. 6. Verifiaión de la rigidez de la base La rigidez total de la fundaión depende de la resistenia y araterístias del suelo, así omo de los elementos que la omponen. La mayoría de los proveedores de molinos eólios plantean requisitos mínimos en este sentido para las bases de hormigón armado, y en espeial, de la omponente rotaional. Su importania radia en la respuesta estrutural dinámia ante la aión del viento y los sismos. En la referenia 1 se inluyen expresiones para la determinaión de la rigidez estátia de las bases que dependen prinipalmente del módulo de orte dinámio G, el oefiiente de Poisson ν, el radio de la fundaión R y la profundidad H del/los estrato/s analizado/s. El proedimiento responde a álulos estátios, aproximándose a freuenias de vibraiones nulas. La rigidez dinámia se aparta de este análisis para altas freuenias de vibraión. Sin embargo, el álulo estátio es representativo para fundaiones de aerogeneradores sometidos a argas generadas por el viento. En zonas sísmias, se suelen efetuar reduiones de los resultados. Página 11 de 22

12 Figura 12: Expresiones para evaluar la rigidez de las bases irulares según el suelo de fundaión (referenia 1) Cálulos y verifiaiones bajo ondiiones últimas 7. Cálulo por punzonado Según CIRSOC 201/05, la euaión que expresa la resistenia al punzonado (o orte en dos direiones) es la siguiente: Donde debe umplirse: on: V = resistenia a orte desarrollada por el hormigón. V s = aporte que absorbe la armadura de orte. V n = V + V s (21) V u φ. V n (22) Es usual el armado on barras de armadura para absorber el punzonado omo onseuenia de los valores de los esfuerzos transmitidos y de los propios generados. Bajo esta ondiión, la altura útil d a reemplazar en las euaiones anteriores orresponde a la distania existente entre la brida inferior de anho t del inserto metálio o de la jaula de pernos de radio R anillo y la armadura oloada para tomar los esfuerzos de flexión. 1,6.F 1,6.M z y τ umáx,mín = ± (23) 2 2. π.r.t π.r.t V umáx,mín anillo anillo = τ.2. π.r.t (24) Se pueden usar barras en forma de horquillas o estribos de múltiples ramas. La u anillo Página 12 de 22

13 armadura de orte y de punzonado, debe estar vinulada a la armadura longitudinal tanto en la parte superior omo en la parte inferior. Los estribos deben estar adeuadamente anlados. El área de la armadura de orte, A v, se alula on la euaión (25) y es igual al área de la seión transversal de todas las ramas de armadura. V.s A = s v f.d (25) y donde s es la separaión entre dos líneas onseutivas de estribos u horquillas. La primera línea de estribos alrededor del fuste del aerogenerador se debe oloar a una distania no mayor que d/2 medida a partir de la ara del fuste. La separaión entre líneas suesivas de armadura de orte alrededor del fuste no debe ser mayor que d/2 y se puede terminar uando se verifia la euaión (26). 1 φ.. f.b.d (26) 6 Vu 0 Cuando se utiliza armadura de orte, la resistenia proporionada por el hormigón 1 V, no debe ser mayor que V. f.b 0. d, y la resistenia nominal al orte, V n está 6 1 limitada a Vn. f.b 0. d Cálulo a orte Es habitual que luego de la armadura de punzonado adyaente al núleo de la base, se prosiga on armadura de orte. Tal disposiión dependerá de la altura de la base (rigidez), para uando sea variable on el diámetro. Las piezas sometidas a orte deben verifiar la siguiente expresión: V u φ.v n = φ. (V + V s ) (27) V u : resistenia requerida alulada on argas mayoradas V n : resistenia nominal de ada seión φ = 0,75 (oefiiente de reduión de auerdo al tipo de rotura) V es la resistenia a orte aportada por el hormigón, que para bases de espesor onstante tiene la forma de la euaión (28): V s es resistenia a orte aportada por el aero: 1 V =. f.b w.d 6 (28) A.f.d V = v v s s (29) El esfuerzo absorbido por la armadura debe estar limitado por la expresión (30) para evitar la rotura de las bielas omprimidas del hormigón. Página 13 de 22

14 La separaión máxima de los estribos es: Si V s 2 3. f.b w.d (30) V s 1 3. f.b w. d, d / 2 s Si Vs 1 3. f.b w. d 40m >, d / 4 s 20m La uantía mínima de estribos de orte resulta de las expresiones (31) y (32). 9. Cálulo a flexión A v 1 b w f. (31) s 16 fy A v b w 0,33 (32) s La flexión en una base para aerogeneradores debe analizarse tanto para la superfiie inferior omo la superior. El armado de la ara inferior de la fundaión se obtiene a partir del momento fletor último generado por el diagrama de presiones y la aión estabilizadora minorada del peso propio del hormigón y del suelo por sobre ella (D + D s ) (33). Para el aso de seiones de altura variable, es posible optimizar el uso de aero onsiderando distintas seiones de álulo, on variaión de la altura útil y de los esfuerzos externos. f y U = 1,6 H 0,9 (D + D s ) (33) El armado de la porión superior de la base toma en uenta la separaión del suelo a ausa de las exentriidades que se presentan por el momento externo. Debido a esa separaión, el peso propio del hormigón y del suelo (D + D s ) genera un momento fletor último que traiona la porión superior de ese voladizo. U = 1,4. (D + D s ) (34) El álulo a flexión según CIRSOC 201/05 puede ser desarrollado mediante las siguientes expresiones, en las uales y para bases de altura variable, debe analizarse el valor dado al anho b w y la altura útil d: m n = M n / (0,85 f. b w. d 2 ) (35) K a = 1 (1 2.m n ) (36) A s = 0,85 f. b w. k a. d/f y (37) Para la verifiaión de la uantía mínima el artíulo 7.12 del Reglamento CIRSOC 201/05 establee un valor de 0,18%, mientras que la referenia 1 india valores entre 0,25% y 0,50%, para evitar fisuras por ontraión y temperatura. En estas estruturas on importantes volúmenes de hormigón, las diferenias de temperatura pueden originarse en el alor de hidrataión y las variaiones de la Página 14 de 22

15 veloidad de disipaión. El hormigón del elemento erano a la superfiie tiene la posibilidad de disipar alor on mayor failidad que el hormigón interior de la masa, y en poo tiempo alanza la temperatura del aire. Por su parte, la zona interior del hormigón tarda varios días en uniformar su temperatura on el medio ambiente, en general, y en funión de la lase y ontenido de emento, en un plazo de 4 a 6 días. Es estos asos se realizan programas de hormigonado que espeifian, entre otras osas, las alturas máximas de tongadas (o apas de hormigón oloadas en una etapa) y los tiempos mínimos de llenado de las mismas. En oasiones se dejan serpentinas en el interior de la masa y por ellas se hae irular agua para regular la elevaión de la temperatura. Para las bases on espesores mayores a 2,5 m, es reomendable el hormigonado en tongadas, disponiendo en la ara superior de la primer tongada una armadura en forma de malla on una uantía A sx =A sy 0,0018.b w.h*, on h* la altura de la apa tongada del hormigón. Para la ubiaión de las seiones rítias orrespondientes a momentos, orte y longitud de anlaje de la armadura en las bases, el Reglamento CIRSOC 201/05 establee (artíulo 15.3) que es posible onsiderar a las olumnas o pedestales de hormigón on seión transversal irular de diámetro b o on forma de polígono regular, omo elementos de seión uadrada de igual área de lado, es deir: π.b 4 2 = 2 π =. b = 0,886. b (38) 4 Nuestro aso no orresponde al de una olumna de hormigón, por lo que para determinar la forma de la seión equivalente y la posiión de los planos de falla a flexión, orte y punzonado deberá apliarse un riterio más onservador que el aquí expuesto. Esta afirmaión se basa en la diferenia de rigidees entre el fuste metálio del aerogenerador y la base de hormigón armado. Interaión suelo-fundaión Respeto a la modelaión de la fundaión y su interaión on el suelo, es reomendable apliar métodos alternativos al de Winkler. A pesar de la failidad de su apliaión y la simplifiaión en la modelaión del suelo, el método de Winkler posee objeiones al momento de evaluar la interaión suelo-estrutura. Se menionan algunas: - Los resortes que simulan el suelo no atúan independientemente. - El omportamiento asentamiento argas no es lineal, mientras que el oefiiente de balasto k asume diha linealidad. - Los esfuerzos y deformaiones se pueden enontrar por debajo de los reales. - No se permite evaluar la influenia de una fundaión sobre el entorno. - No es posible evaluar las variaiones estratigráfias del suelo y la influenia de la fundaión en estratos profundos. Página 15 de 22

16 Por otra parte, el heho de elegir un únio valor k en una base de la extensión de las tratadas en este trabajo no paree aertado, ya que éste depende de varios fatores: - Tamaño de la fundaión. - Área tributaria del nudo sobre el que se aplia. - Variaiones on la profundidad. - Dependenia del tiempo debido a asentamientos por onsolidaión y por onsolidaión parial. Por ejemplo, bajo las ondiiones del método de Winkler, una base extensa sometida a una arga uniforme emplazada sobre un suelo perfetamente uniforme se asentaría on los resortes igualmente omprimidos. Sin embargo, el omportamiento real es el de asentamientos mayores en la zona entral y menores en el perímetro. Como alternativas, se sugiere el método de resortes pseudoaoplados (ACI 336.2R-88), resortes aoplados, resortes lineales (Kempfert, Hans Georg-2006) o bien el de elementos finitos. Éste último es el que mejor se aproxima al omportamiento real, pudiendo modelar la estratigrafía del suelo, la variaión de sus parámetros y visualizar la distribuión de presiones en profundidad, entre otros aspetos. Modelaión de las bases Es onveniente que la fundaión sea modelada por elementos finitos omo sólidos, evitando utilizar elementos lámina, puesto que impiden onoer la distribuión interna de las tensiones, el omportamiento espaial de la fundaión, et. (Figura 13). Es neesario reordar siempre que estos modelos sólo representan una aproximaión para el hormigón estrutural, el que no posee un omportamiento elástio para altos niveles de esfuerzos. Figura 13: Modelos de elementos finitos en bases de distinta geometría y espesor CONSTRUCCIÓN Materiales omponentes del hormigón Hormigón En varias oasiones es neesario el uso de ementos puzolánios omo medida Página 16 de 22

17 de proteión a la agresividad de los áridos. En estos asos es importante definir adeuadamente las urvas de evoluión de resistenias. Esto es a los efetos de onoer los momentos para los uales se pueden transferir las argas a la fundaión, sea por el propio aerogenerador, omo las que surgen del proeso onstrutivo (peso propio del suelo, ompataión, montaje, et.). En el hormigonado del hormigón de limpieza es importante verifiar los espesores y niveles de terminaión para lograr superfiies uniformes de ontato de la base on el suelo y umplir las toleranias de los insertos metálios. Armaduras En el proeso de armado de las bases debe verifiarse entre otros aspetos: - Reubrimientos mínimos inferiores y laterales. - Separaiones entre barras, ya que por debajo de los insertos metálios existe una alta densidad de armaduras. Debe busarse que exista una separaión mínima para que el hormigón pueda embeber toda la armadura. - En aso de bases de seión y armado irular, debe verifiarse que no se solapen los empalmes de anillos onseutivos. - Evitar que las armaduras oloadas en adyaenias al inserto no tomen ontato on él. - Verifiar el orreto atado de las armaduras, en espeial el de las de punzonado por su disposiión y forma. - Coloar armaduras superiores de vinulaión dispuestas en forma de ruz para evitar desplazamientos relativos de las restantes durante las tareas de inspeión y hormigonado. Coloaión del hormigón Para afetar lo menos posible el omportamiento estrutural, generalmente el olado de este tipo de bases se realiza en una sola etapa. Puesto que se trata de grandes volúmenes de hormigón, es neesario llevar un estrito ontrol de la temperatura. Para el ontrol de la temperatura del hormigón es reomendable oloar un mínimo de 2 termopares en la base, uno erano a la superfiie (alrededor de 0,2 m) y del borde lateral (en el orden de los 0,50 m); y el otro a 1,50 metros de la superfiie y a aproximadamente 3 metros del lateral. Estos valores pueden requerir modifiaiones según las dimensiones totales de la base. Los termopares deben ser fijados a la armadura vertial para evitar que los mismos sean desplazados o doblados durante el olado y la ompataión del hormigón. El proeso de hormigonado debe desarrollarse de forma ontinua y en una sola operaión hasta ompletar el volumen de la base. El hormigón puede ser olado en apas de 0,50 metros de espesor máximo. El iniio del vertido del hormigón de la primera apa debe omenzar en el entro de la base onformando un ono de desarga que se expanda hasta ompletar una altura de 0,50 metros. La altura de olado del hormigón no debe superar 1,50 metros de altura por gravedad. Durante la primera etapa debe busarse que el hormigón vertido desde el entro penetre en Página 17 de 22

18 primer lugar por debajo de las armaduras inferiores de la zona entral de la base hasta reubrirlas ompletamente, asegurando de esta manera que no queden oquedades debajo del inserto metálio. Completada esta tarea se ontinúa on la tarea de hormigonado en forma irunferenial y on un sentido de avane radial desde el entro haia los laterales. Una vez terminada esta primera etapa, se proede de igual manera on las etapas siguientes hasta el hormigonado total. Respeto del asentamiento, es omún un valor de 16 m bajo ensayo de Cono de Abrams, on inorporaión de aditivos fluidifiantes por el uso de los equipos de bombeo. Sin embargo, la primera etapa de olado del hormigón se emplean asentamientos máximos de 18 m para lograr un buen hormigonado en la zona inferior ante el alto grado de ongestión de armaduras, y un mínimo de 14 m en la etapa final y por fuera del inserto metálio. Análisis de la geometría y su inidenia en las variables de diseño Proedimiento A partir de las expresiones y aspetos indiados en los párrafos preedentes, se efetuó el análisis de sensibilidad de los prinipales parámetros que definen el diseño de una fundaión de hormigón armado de un aerogenerador. A modo de ejemplo, se anexan los valores de una base irular de seión trono-ónia para un aerogenerador de 1,8 MW, a la ual se han variado b, h, h f, h f1 y h 1. Para el álulo a flexión se ha utilizado un proedimiento aproximado a los efetos de poder uantifiar la mayor antidad de variables intervinientes. Propiedades de la base f = 35 MPa = 4,18 m γ Hº = 24,00 KN/m³ Esfuerzos transmitidos por el aerogenerador Radio del anillo = 2,09 m Altura del anillo = 2,30 m M molino = KNm Anho de la virola = 0,33 m N molino = 2457 KN V molino = 712 KN Propiedades del suelo γ s = 16,00 KN/m³ φ = 30º G = 80 MPa ν = 0,20 H (espesor del estrato blando) = 15,90 m Página 18 de 22

19 hf1 hf hf1 hf hf1 hf Resultados 600 KN/m² 10.0 h1 h 9.0 Presión transmitida al suelo 500 KN/m² 400 KN/m² 300 KN/m² 200 KN/m² 100 KN/m² Presiones b Coef. de seguridad al volamiento Coef. de seguridad al deslizamiento Coef. de seguridad mínimo al volamiento Coefiientes de seguridad al volamiento y deslizamiento 0 KN/m² m m m m m m m m m m m Diámetro de la base Figura 14: Presiones y estabilidad de una base irular de 2,3 m de altura 600 KN/m² 10.0 h1 h KN/m² b 8.0 Presión transmitida al suelo 400 KN/m² 300 KN/m² 200 KN/m² Presiones Coef. de seguridad al deslizamiento Coef. de seguridad al volamiento Coefiientes de seguridad al volamiento y deslizamiento KN/m² Coef. de seguridad mínimo al volamiento KN/m² m 2.15 m 2.30 m 2.45 m 2.60 m 2.75 m 2.90 m 3.05 m 3.20 m 3.35 m 3.50 m Altura total de la base Figura 15: Presiones y estabilidad de una base irular de 16 m de diámetro 4.5E+11 Nm/rad 100 MPa 4.0E+11 Nm/rad h1 h 90 MPa b 3.5E+11 Nm/rad 80 MPa σ Rsk/(γ s,fat.γ sd) 70 MPa 3.0E+11 Nm/rad Rigidez rotaional 2.5E+11 Nm/rad 2.0E+11 Nm/rad Rigidez rotaional 60 MPa 50 MPa 40 MPa Tensiones 1.5E+11 Nm/rad 1.0E+11 Nm/rad σ sf 30 MPa 20 MPa 5.0E+10 Nm/rad 0,45.ffat/1,1 10 MPa σ f,máx 0.0E+00 Nm/rad 0 MPa m m m m m m m m m m m Diámetro de la base Figura 16: Rigidez rotaional y tensiones de fatiga de una base irular de 2,3 m de altura Página 19 de 22

20 hf1 hf h1 h1 hf1 hf hf1 hf Rigidez rotaional de una base irular de 16 m de diámetro para un aerogenerador 3.5E+11 Nm/rad 100 MPa 3.0E+11 Nm/rad h1 b h Rigidez rotaional 90 MPa 80 MPa 2.5E+11 Nm/rad σ Rsk/(γ s,fat.γ sd) 70 MPa Rigidez rotaional 2.0E+11 Nm/rad 1.5E+11 Nm/rad 60 MPa 50 MPa 40 MPa Tensiones 1.0E+11 Nm/rad 30 MPa σ sf 5.0E+10 Nm/rad 0,45.ffat/1,1 20 MPa 10 MPa σ f,máx 0.0E+00 Nm/rad 0 MPa 2.00 m 2.15 m 2.30 m 2.45 m 2.60 m 2.75 m 2.90 m 3.05 m 3.20 m 3.35 m 3.50 m Altura total de la base Figura 17: Rigidez rotaional de una base irular de 16 m de diámetro h 400 As radial inferior a flexión b Cantidad de barras de 25 mm As punzonado As radial superior a flexión As,mín a flexión m m m m m m m m m m m Diámetro de la base Figura 18: Armadura radial inferior, superior y de punzonado (h = 2,3 m) h 400 As radial inferior a flexión b Cantidad de barras de 25 mm As radial superior a flexión As punzonado As,mín a flexión m 2.15 m 2.30 m 2.45 m 2.60 m 2.75 m 2.90 m 3.05 m 3.20 m 3.35 m 3.50 m Altura total de la base Figura 19: Armadura radial inferior, superior y de punzonado (b = 16 m) Página 20 de 22

21 Conlusiones A partir del análisis aproximado efetuado de los esfuerzos de un aerogenerador sobre una base irular se puede onluir los siguientes aspetos: - La geometría óptima de una base para aerogeneradores resulta la irular para los ambios de direión generados por los esfuerzos transmitidos por la superestrutura. Las restantes geometrías produen onentraión de tensiones en las esquinas que deben ser evaluadas y absorbidas por armaduras adiionales. En ontrapartida, la seión irular presenta mayor difiultad en los enofrados y la oloaión de la armadura. - Una alternativa es la base otogonal, aproximando on oho lados a la irunferenia insripta equivalente. Tal alternativa presenta una simplifiaión en el armado y enofrado, aunque posee onentraión de presiones en las esquinas. Ello produe un mayor onsumo de armaduras que una base de seión irular. - Se desaonseja el uso de la seión uadrada, por la existenia en las esquinas de mayores inrementos de tensiones sobre el suelo que las restantes geometrías. A su vez, no presenta una simetría aonsejable frente a los ambios de direión de las aiones generadas por el viento sobre el aerogenerador. Para ubrir la superfiie equivalente de una superfiie irular es neesario un mayor volumen de hormigón. - La presenia de grandes momentos fletores se tradue en tensiones exéntrias en el suelo que desaprovehan buena parte de la superfiie de la base. Para lograr dimensiones óptimas de la misma es neesario efetuar un análisis de sensibilidad de los prinipales parámetros que las definen, omo lo es la altura y el diámetro de la fundaión para una misma ombinaión de argas. - Las presiones transmitidas al suelo se reduen on el aumento del diámetro de la base por ontar on mayor superfiie de distribuión para las argas. Con el inremento de la altura de la base, las presiones tienen un mínimo uando el peso propio de la fundaión logra reduir la exentriidad generada por el momento fletor externo. Para mayores valores de altura, la tendenia se invierte ya que el peso propio inrementa las presiones máximas en mayor proporión al de la reduión de la exentriidad. - El oefiiente de seguridad al vuelo tiene mayor inidenia en el diseño de la fundaión que el de deslizamiento. El aumento del peso propio de la base (altura y diámetro), mejoran la estabilidad global. De igual manera ourre on la rigidez rotaional de la base embebida en un estrato resistente de suelo. - Una adeuada distribuión de armaduras para una base de seión irular orresponde aproximadamente entre un 60-40% a la radial inferior, entre un 15-20% la superior, y entre un 20-30% la de punzonado. - A pesar de no tener el mayor porentaje de inidenia omo material, la armadura de punzonado implia mayor mano de obra, mayor difiultad en la Página 21 de 22

22 oloaión y en el hormigonado. - El inremento de la altura total redue el onsumo de armadura radial inferior, pero inrementa la superior a ausa del mayor peso propio del hormigón. - La armadura de punzonado se puede reduir si se inrementa la altura total de la base, siempre que el inremento se logre permitiendo mayor altura de hormigón por debajo de la brida del inserto del aerogenerador. - Es aonsejable evitar el uso de diámetros de barra dispares para ompletar la seión requerida por álulo (φ25mm y φ12mm, por ejemplo). Tal situaión se tradue en asimetrías en las argas absorbidas y en las tensiones de serviio de las armaduras, ausando inrementos loalizados de estas tensiones, desfavoreiendo la fisuraión y la fatiga. REFERENCIAS 1. Guidelines for Design of Wind Turbines Segunda Ediión Det Norske Veritas, Copenhagen and Wind Energy Department, Risø National Laboratory, ISBN Denmark (2002). 2. Reglamento Argentino de Estruturas de Hormigón CIRSOC 201/05 (2005). 3. CEB-FIP Model Code 1990 Design Code Thomas Telford (1991). 4. Curso Apliado de Cimentaiones, Ortiz, Gesta y Mazo Colegio Ofiial de Arquitetos de Madrid Cuarta Ediión (1989). 5. Introduión al Cálulo de Hormigón Estrutural Segunda Ediión Rodolfo Orler, Hugo Donini - Editorial Nobuko - ISBN Nota: este trabajo fue desarrollado mediante métodos aproximados para el álulo de las variables a los efetos de generar un mayor número de omparaiones de geometrías de bases. Su finalidad no es el proyeto o álulo de las mismas, sino evaluar la sensibilidad de los parámetros que intervienen en su omportamiento. Página 22 de 22