super-estructura de soporte de un aerogenerador marino

SUPER-ESTRUCTURA DE SOPORTE DE UN AEROGENERADOR
MARINO
Autor: Santana Santana, José.
Director: Talavera Martín, Juan Antonio.
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
El principal objetivo de este proyecto consiste en diseñar la super-estructura de
un aerogenerador marino. Ésta es el segmento estructural de la torre que se encuentra
por encima del mar, entre la infraestructura y la góndola. Además, también se ofrece
una solución para elevar la góndola hasta su posición final durante su instalación.
Tras un análisis del estado del arte sobre las tecnologías existentes, se han decidido las
opciones a seguir respecto a las cuestiones principales: el material a utilizar, la
necesidad de dividir la estructura en varios módulos y la cimentación de la torre.
Primero, respecto al material a escoger, se ha optado por el hormigón armado como
solución debido a su bajo coste comparado con el acero, el otro material usado en la
actualidad en este ámbito. Además, el acero se ve perjudicado en ambientes marinos
que le provocan una importante corrosión.
Debido a la elección del hormigón como material a utilizar, aumenta el peso de la superestructura. Para solucionar este problema, se decide dividir la torre en diversos módulos
de geometría semicilíndrica o cilíndrica. Esto reduce el peso de cada componente a
instalar, aunque aumenta su tiempo de instalación. Una vez se dimensionen estos
módulos, se tomará la decisión sobre el método de colocación de los mismos.
La última decisión tomada antes de comenzar el diseño ha sido el tipo de cimentación
del aerogenerador. Tras analizar las soluciones actuales, se ha escogido una opción
diferente a las mismas. La causa es la necesidad de reducir los costes de instalación del
aerogenerador; y la solución, una torre apoyada en el suelo por su propio peso y sujeta
al suelo por tres tirantes a 120º que eviten el movimiento de la estructura y aguanten las
tensiones sufridas.
Una vez decididas las directrices básicas a seguir, se ha comenzado con el
dimensionado de las armaduras del hormigón, siguiendo la instrucción vigente de
construcciones en hormigón en España, y las indicaciones comentadas por la norma
seguida por los constructores de aerogeneradores.
La armadura activa, formada por tendones de acero pretensado, soportará los esfuerzos
en cada módulo. El resultado obtenido indica que hacen falta 109 grupos de tendones
por cada módulo semicilíndrico; o 218 grupos de tendones, en el caso de los módulos
cilíndricos. Estos grupos estarían formados por 7 tendones con 7 alambres por tendón,
cada uno.
I
Por otro lado, para dimensionar la armadura pasiva, formada por refuerzos verticales, y
encargada de aguantar el peso del módulo durante su transporte, hace falta determinar el
tamaño de los módulos y, por lo tanto, el método de instalación de los mismos.
Tras comprobar la dificultad y/o elevado coste de los métodos actuales de montaje, se
ha optado por adaptar las grúas torre a esta aplicación debido a su reducido coste. Sujeta
a la infraestructura por barras de acero de alta resistencia, se han considerado varias
grúas de diversas capacidades de carga. Se dimensionará cada módulo para cada una de
las grúas y se decidirá cuál escoger, al final, en función del coste.
Al escoger las grúas torre como método de elevación, se obliga a tomar el módulo
semicilíndrico como solución, ya que el cilíndrico no se puede instalar con este método.
A continuación, teniendo en cuenta la masa de la super-estructura, se diseña la armadura
pasiva para cada tamaño de módulo, así como el espesor de la pared de hormigón
requerido.
Para finalizar el diseño de la super-estructura, se comparan los costes de las torres según
la carga de cada grúa con los de la torre de acero necesaria para soportar los esfuerzos
sufridos:
Tipo de super-estructura
Acero
De 5 Ton
De 10 Ton
Módulos de hormigón
De 20 Ton
De 40 Ton
Coste
963.207,86 €
405.994,36 €
379.457,63 €
355.709,12 €
357.874,50 €
Se comprueba que el menor coste, y por lo tanto, la opción elegida corresponde al uso
de 60 módulos de 20 Ton, aproximadamente. Su coste es un 63% más barato que el de
la torre de acero necesaria.
El número de refuerzos verticales es de 26 por semicilindro, colocados en dos hileras a
lo largo de su geometría. La masa total de la super-estructura, asciende a 1157,4
toneladas. El peso de cada componente se muestra en la siguiente tabla.
Módulo
Total
Hormigón
17.275 kg 1.036,5 Ton
Armadura activa 1.996,5 kg 119,79 Ton
Armadura pasiva
18,3 kg
1,10 Ton
Habiendo diseñado los módulos, se procede a diseñar la sujeción al suelo marino de los
tirantes necesarios para fijar la estructura así como los propios cables.
La sujeción al suelo marino depende, en gran medida, del tipo de suelo en el que se
quiera instalar el aerogenerador. Tras estudiar las posibles soluciones actuales (anclaje,
taladrado y penetración con martillo), se ha optado por el taladrado para suelos rocosos,
y el anclaje para suelos más arenosos.
II
La elección tomada se debe a la complejidad que presenta el método de penetración con
martillo hidráulico, y a la gran adherencia del taladrado con cementado en suelos duros,
así como la gran capacidad de penetración de los anclajes en suelos arenosos.
Las características exactas de cada tipo de sujeción dependerán del tipo específico de
suelo en el emplazamiento, por ello, la elección de las dimensiones de los mismos está
condicionada por un análisis del suelo necesario.
En el caso de los tirantes de sujeción, se ha decidido utilizar cables de acero por su gran
variedad en el mercado. Tomando datos de cables estructurales y la máxima fuerza
soportada por los mismos, se ha obtenido que la cantidad necesaria de cables, de 7
alambres de acero galvanizado, sea de 93 por cada tirante. Para protegerlos contra la
corrosión se añadirán grasa o cera y una vaina de polietileno.
El último apartado a tener en cuenta será el método de elevación de la góndola, que
encierra el sistema de generación del aerogenerador. Debido a que posee unas 200
toneladas de masa, y está situada a 100 metros de altura, no es tarea fácil ni barata
elevarla e instalarla.
La solución escogida para resolver este problema ha sido la de diseñar una grúa especial
que irá sujeta en lo alto de la estructura tras el montaje de los módulos. Ésta estará
formada por tubos de acero de alta resistencia. La grúa diseñada, mostrada a
continuación, asegura que ninguno de sus componentes pesa más de 1 tonelada, con el
fin de asegurar una mayor facilidad de instalación de la misma. La masa total de la grúa
asciende a las 7,7 toneladas.
Finalmente, tras tener en cuenta los materiales utilizados, las operaciones realizadas y la
investigación, se obtiene que el coste total de este proyecto sería de aproximadamente
medio millón de euros.
III