algunos aspectos relevantes en el diseño yconstruccion de bases

ALGUNOS ASPECTOS RELEVANTES EN EL DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE BASES AISLADAS PARA MOLINOS
AEROGENERADORES
Ing. Hugo Donini1 - Ing. Rodolfo Orler 2
RESUMEN
El presente trabajo expone algunos aspectos relevantes en el diseño y
construcción de bases aisladas para molinos aerogeneradores. Se indican criterios
de diseño y tareas en la etapa constructiva. Se desarrolla un análisis de la geometría
y su incidencia en las variables de diseño, evaluando presiones, armadura
requerida, rigidez rotacional, fatiga de materiales, entre otras. Finalmente, se extraen
conclusiones referidas a las gráficas obtenidas y tareas relacionadas con la
construcción.
ABSTRACT
This paper presents some relevant aspects in the design and construction of
foundations for wind turbines. Design criteria are exposed and tasks in the
construction stage. It develops an analysis of the geometry and its impact on the
design variables, evaluating pressures, steel required, rotational stiffness, fatigue of
materials, among others. Finally, conclusions are drawn regarding the graphs
obtained and construction-related tasks.
1
Ingeniero Civil e Hidráulico. Investigador y docente de las Cátedras de Hormigón I, Hormigón II y Puertos y Vías Navegables,
y Auxiliar de la Cátedra Programación Básica y Métodos Numéricos de la Carrera de Ingeniería Civil de la U.N.P.S.J.B. (Sede
Trelew). Miembro Plenario de la Asociación de Ingenieros Estructurales. E-mail: [email protected].
2
Ingeniero en Construcciones. Director de la Unidad Ejecutora Provincial – S.C.O.M.C. Chubut. Investigador y profesor Adjunto
de la Cátedra de Hormigón I y Hormigón II, y Jefe de Trabajos Prácticos de la Cátedra de Construcciones Metálicas y en
Madera de la Carrera de Ingeniería Civil de la U.N.P.S.J.B. (Sede Trelew). Ex – Docente Jefe de Trabajos Prácticos Cátedras
de Hormigón I y Hormigón II. Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional del Comahue – Neuquén. Miembro Plenario de la
Asociación de Ingenieros Estructurales.
Autores del libro “Introducción al Cálculo de Hormigón Estructural” Ed. Nobuko 2º Edición – ISBN 978-987-584-362-2.
Página 1 de 22
INTRODUCCIÓN
En materia eólica, la potencia instalada existente en el país aumentó de 26,5 MW
en 2003 a 141,8 MW en 2012, un incremento del 435%3. Las bases superficiales son
una tipología usual en la fundación de molinos eólicos para suelos con adecuada
capacidad portante. El presente trabajo procura abordar los aspectos más relevantes
relacionados con el diseño y la ejecución de bases aisladas de hormigón armado
para este tipo de estructuras, teniendo en cuenta las obras de la provincia del
Chubut.
ASPECTOS TEÓRICOS DEL DISEÑO
Los principales pasos a seguir en el diseño resistente de la fundación se pueden
sintetizar en la Figura 1.
Cargas transmitidas por el fuste del molino
Determinación de la resistencia del hormigón y acero
para la base
Cálculo de las dimensiones en planta de la base de
acuerdo a la tensión admisible del suelo
Cálculo del espesor de la base según corte y
punzonado
Verificación al vuelco y al deslizamiento
Verificación de las tensiones generadas en el suelo
incluyendo el peso propio de la base
Diseño del armado longitudinal y transversal de la
base según criterios de flexión, corte y punzonado
Verificación a fatiga de los materiales
Cálculo de las longitudes de anclaje y empalme de las
armaduras
Verificación a fisuración
Figura 1: Diagrama que sintetiza los principales pasos a seguir en el diseño resistente de
una base aislada de hormigón armado para aerogeneradores
3
(Fuente: Ministerio de Planificación Federal)
Página 2 de 22
Geometría en planta
La geometría en planta de las bases aisladas resulta un aspecto importante al
momento de definir el diseño de las mismas, presentándose distintas variantes. Las
bases de sección circular permiten absorber de manera más adecuada el cambio de
dirección de los esfuerzos transmitidos por los molinos eólicos, pero presentan en
contrapartida dificultades para el encofrado y colocación de las barras. Las
armaduras se ubican usualmente en dirección radial y circunferencial (Figura 2).
Como alternativa, es posible efectuar un armado ortogonal para simplificar el trazado
de las mismas (Figura 3).
(a)
(b)
Figura 2: Esquema de armado circunferencial inferior (a) y superior (b).
(a)
(b)
Figura 3: Esquema de armado ortogonal inferior (a) y superior (b).
Las fundaciones de sección cuadrada son más sencillas de encofrar y tienen
armaduras inferiores dispuestas en dos direcciones ortogonales. Para el caso de
insertos metálicos, la armadura superior se coloca radialmente atravesando el
mismo, mientras que el resto coincide en dirección con la inferior (Figura 4).
Página 3 de 22
(a)
(b)
Figura 4: Esquema de armado inferior (a) y superior (b) de bases cuadradas
Las bases octogonales resultan una alternativa a las de sección circular, puesto
que presentan un armado y encofrado de mayor simplicidad (Figura 5).
(a)
(b)
Figura 5: Esquema de armado inferior (a) y superior (b) de bases octogonales
Sección transversal
La sección transversal de este tipo de bases puede ser de espesor constante o
variable. La sección de espesor variable permite optimizar la rigidez con una mayor
altura en la zona que rodea al fuste del molino, procurando una mayor resistencia al
punzonado y al corte. Sin embargo, es necesario tener especial precaución al
momento de calcular las secciones críticas para dichos esfuerzos según la
alternativa seleccionada, como se desarrollará posteriormente. El espesor y la forma
transversal de la base dependen también del medio de unión con el aerogenerador.
Existen básicamente tres métodos de vinculación:
1.
Inserto anular embebido: consiste en un anillo metálico de una pieza que
debe ser colocada y nivelada previamente al hormigonado de la base. El
anillo cuenta con una brida inferior y otra superior, y un mecanismo de ajuste
para su nivelación, con una desviación máxima permitida respecto del plano
horizontal del orden de ± 4 mm. La brida superior es la que vincula a la base
con el fuste del molino. La brida inferior es la encargada de transmitir los
esfuerzos de flexión, corte y punzonado a la base. Entre las bridas existe
una serie de orificios por los que pasa la armadura longitudinal superior.
(Figura 6 a).
2.
Adaptador de acero con pernos a presión: es un adaptador cilíndrico
Página 4 de 22
compuesto por una serie de pernos fijos a una brida inferior. En algunos
casos la brida inferior se coloca por encima de la armadura y otras por
debajo. Es común observar un incremento del espesor de la base en la zona
central por debajo del adaptador (Figura 6 b).
3.
Adaptador de acero con pernos a presión con pedestal: consiste en una
serie de pernos de anclaje con una brida inferior pero con un pedestal con
una altura superior al de las alternativas anteriores (Figura 6 c).
(1)
(2)
(3)
Figura 6: Esquema ilustrativo de las secciones típicas y de los medios de unión
Cálculos y verificaciones bajo condiciones de servicio
1. Verificación de tensiones admisibles en el suelo
Las bases de aerogeneradores se encuentran sometidas a fuertes momentos
flectores, lo que origina diagramas triangulares de presiones, desaprovechando la
superficie de apoyo sobre el suelo. Según la referencia 1, es posible calcular la
capacidad resistente del suelo de una fundación circular en función del área efectiva
Aeff de forma elíptica, según la expresión (1).


e
A eff = 2.R 2 .arcos  − e. R 2 − e 2 
R 


(1)
donde e es la excentricidad del centro de aplicación de cargas medida respecto
del centro de la base y R es el radio de la circunferencia de la base.
Figura 7: Área efectiva para fundaciones circulares y octogonales (referencia 1)
Página 5 de 22
El eje mayor le y el menor be de la elipse se calculan con las ecuaciones (2) y (3).
b 

l e = 2.R. 1 −  1 −

2R 

b e = 2.(R − e )
2
(2)
(3)
El área efectiva puede ser representada por un rectángulo equivalente de las
siguientes dimensiones:
l eff = A eff .
b eff =
le
be
l eff
.b e
le
(4)
(5)
La mencionada publicación establece que el diagrama de presiones tiene la
misma forma para el caso de polígonos con doble simetría (octógonos, por ejemplo),
si se los inscribe por dentro de la circunferencia equivalente (Figura 7). También es
posible calcular la presión sobre el suelo bajo la condición de un diagrama triangular
según los lineamientos expuestos en la referencia 4 (Figura 8).
Figura 8: Coeficientes para determinar la presión máxima sobre el suelo de una base
circular y con una distribución triangular de presiones (referencia 4)
2. Verificación al volcamiento
La verificación al volcamiento es uno de los principales aspectos a evaluar en el
diseño de las bases para molinos eólicos. Los datos mínimos requeridos para
esta verificación son:
- Lado de la base (b)
Página 6 de 22
- Atura del fuste (hf)
- Altura del anillo respecto del fuste de hormigón (hf1)
- Diámetro del fuste (c)
- Altura máxima (en caso de elegir una sección de espesor variable) (h)
- Altura mínima o de talón (h1)
- Altura del suelo sobre la base junto al fuste
- Volumen del terreno
- Densidad del suelo
- Peso propio de la base, incluido el fuste (Dc)
- Peso propio del suelo de relleno, descontando el fuste (Ds)
- Fuerza axil de servicio transmitida por el molino (Fz)
- Fuerza horizontal de servicio transmitida por el molino (Fx)
- Momento flector de servicio transmitido por el molino (My)
c
hf1
hf
h
h1
b
Figura 9: Esquema de una base circular
La verificación al volcamiento se efectúa considerando el momento flector total
externo Me de la forma:
Me = My + Fx . hT
(6)
con hT = h + hf + hf1.
γv =
(Fz + D T ).R
(7)
Me
donde: DT = Dc + Ds, R = b / 2 y γv ≥ 1,8. Para el cálculo del peso propio Dc de una
base de sección circular y del suelo Ds (descontando el fuste hf1), pueden
utilizarse las siguientes expresiones:
(
)
(
)
2
2
2
2
 π.c 2

D c = γ c .
(h + h f 1 + h f ) + π b − c .h1 + π b − c . (h − h1 )
4
4
2 
 4
(
)
(
)
 π b2 − c 2
π b 2 − c 2 (h − h1 ) 
D s = γ s .
.h f +
.

4
4
2 

(8)
(9)
Página 7 de 22
3. Verificación al deslizamiento
(D T + Fz ). tan 2 φ 
γd =
3 
(10)
Fx
con γd ≥ 1,5 y φ el ángulo de fricción interna del suelo. A su vez, la referencia 1
indica que las fundaciones sujetas a cargas horizontales deben verificar para
condiciones drenadas la ecuación (11):
Fx < Aeff . c + Fx . tan φ
(11)
con c el coeficiente de cohesión del suelo. Para condiciones no drenadas en
arcillas, debe verificarse:
Fx < Aeff . cud
(12)
Fx
<4
Fz
(13)
Adicionalmente, debe constatarse:
4. Verificación a fisuración
Según la referencia 1, es posible calcular el ancho de fisura w en mm según la
expresión (14):
w = 5.10 −5.σ s . a w
con a w =
(14)
A cef
y Σdw la suma de los diámetros de barra en la zona traccionada.
∑ dw
Figura 10: Área activa sometida a tracción del hormigón para el cálculo a fisuración
σ smáx = α.γ.σ cmáx
σ cmáx =
M
ϕ b .b.h 2ef
(15)
(16)
Para el cálculo de las cargas externas, suele utilizarse el 60% de las máximas
cargas operativas de los aerogeneradores. Los parámetros α, ϕb y γ se obtienen por
iteraciones de:
Página 8 de 22
α.ϕ = α.
As
b.h ef
 2

β = α.ϕ
+ 1 − 1
 α.ϕ

ϕb =
1
.β.(3 − β )
6
γ=
1− β
β
As = sección de armadura
M = momento flector de servicio
El valor calculado de w debe estar comprendido en un intervalo de 0,2-0,3 mm.
Para condiciones de exposición más severas entre 0,1-0,2 mm.
5. Verificación a fatiga de los materiales
El cálculo a fatiga de los materiales que componen el hormigón de las bases
suele efectuarse mediante el Model Code CEB-FIP 90 (artículo 6.7.3). El
procedimiento simplificado es aplicable a estructuras sometidas a no más de 108
ciclos. Los esfuerzos a considerar son los momentos no mayorados y generados por
la acción del viento, el peso propio de la base y el peso del suelo.
5.1 Acero
Se verifican los requerimientos a fatiga si el intervalo de tensiones máximas
calculadas, max∆σSs, para una combinación frecuente de estados de carga satisface
la expresión (17).
γ sd max ∆σ Ss ≤ ∆σ Rsk / γ s,fat
(17)
donde ∆σRsk es la resistencia característica a fatiga para 108 ciclos que surge de
la Tabla 6.7.1 del Model Code CEB-FIP 90 (Tabla 1).
Tabla 1: Parámetros de las curvas de resistencia característica a fatiga para las
armaduras en hormigón armado (referencia 3)
Página 9 de 22
Considerando los diámetros usuales utilizados en las bases de molinos eólicos y
el número de ciclos, se utiliza comúnmente un valor de ∆σRsk de 95 MPa. La
verificación a fatiga debe efectuarse tanto para las armaduras a flexión como para
las de punzonado.
5.2 Hormigón
No es necesario llevar a cabo un cálculo a fatiga más preciso si se verifican las
siguientes expresiones para las tensiones de compresión σc,máx y de tracción σct,máx
bajo combinaciones frecuentes de estados de carga.
5.2.1. Compresión
γ Sd σ c,max ηc ≤ 0,45 fcd,fat
(18)
donde ηc es el factor promedio que considera el gradiente de tensiones.
ηc =
1
1,5 − 0,5
σ c1
(19)
σc2
con:
|σc1| = la menor tensión de compresión en valor absoluto medida a una distancia
no mayor a 300 mm de la superficie sometida a combinaciones de carga frecuentes.
|σc2| = la mayor tensión de compresión en valor absoluto medida a una distancia
no mayor a 300 mm de la superficie sometida a la misma combinación de estados
de carga que |σc1|.
Figura 11: Definición de las tensiones |σc1| y |σc2|
En general, teniendo en cuenta la altura total de las bases a las que se hace
referencia, es posible simplificar el cálculo haciendo al coeficiente ηc =1.
f cd,fat

f ck



0,85.β cc( t ) .f ck .1 −
 250MPa 

=
γ c,fat
β cc( t ) ≅ e
  28 1 / 2 
s. 1−
 
  t  
Página 10 de 22
s = coeficiente que depende del tipo de cemento. s = 0,25 para cementos
normales.
t = edad en días. Para considerar el caso más desfavorable t → ∞.
5.2.2. Tracción
γ Sd σ ct,max η c ≤ 0,33 f ctd,fat
(20)
fctd,fat = fctk / γcfat
fctk = 0,39 3 fck
2
γSd = 1,1
γc,fat = 1,5
γs,fat = 1,15
Un aspecto importante es considerar que en los cálculos anteriores, la resistencia
característica del hormigón según CIRSOC 201/05 corresponde a un cuantil del
10%, mientras el Model Code CEB-FIP 90 utiliza un cuantil del 5% (Art. 2.1.3.2). Ello
conlleva a ajustes en el valor a asignar a fck.
6. Verificación de la rigidez de la base
La rigidez total de la fundación depende de la resistencia y características del
suelo, así como de los elementos que la componen. La mayoría de los proveedores
de molinos eólicos plantean requisitos mínimos en este sentido para las bases de
hormigón armado, y en especial, de la componente rotacional. Su importancia radica
en la respuesta estructural dinámica ante la acción del viento y los sismos. En la
referencia 1 se incluyen expresiones para la determinación de la rigidez estática de
las bases que dependen principalmente del módulo de corte dinámico G, el
coeficiente de Poisson ν, el radio de la fundación R y la profundidad H del/los
estrato/s analizado/s. El procedimiento responde a cálculos estáticos,
aproximándose a frecuencias de vibraciones nulas. La rigidez dinámica se aparta de
este análisis para altas frecuencias de vibración. Sin embargo, el cálculo estático es
representativo para fundaciones de aerogeneradores sometidos a cargas generadas
por el viento. En zonas sísmicas, se suelen efectuar reducciones de los resultados.
Página 11 de 22
Figura 12: Expresiones para evaluar la rigidez de las bases circulares según el suelo de
fundación (referencia 1)
Cálculos y verificaciones bajo condiciones últimas
7. Cálculo por punzonado
Según CIRSOC 201/05, la ecuación que expresa la resistencia al punzonado (o
corte en dos direcciones) es la siguiente:
Vn = Vc + Vs
(21)
Vu ≤ φ . Vn
(22)
Donde debe cumplirse:
con:
Vc = resistencia a corte desarrollada por el hormigón.
Vs = aporte que absorbe la armadura de corte.
Es usual el armado con barras de armadura para absorber el punzonado como
consecuencia de los valores de los esfuerzos transmitidos y de los propios
generados. Bajo esta condición, la altura útil d a reemplazar en las ecuaciones
anteriores corresponde a la distancia existente entre la brida inferior de ancho t del
inserto metálico o de la jaula de pernos de radio Ranillo y la armadura colocada para
tomar los esfuerzos de flexión.
τ u máx,mín =
1,6.M y
1,6.Fz
±
2.π.R anillo .t π.R anillo 2 .t
Vu máx,mín = τ u .2.π.R anillo .t
(23)
(24)
Se pueden usar barras en forma de horquillas o estribos de múltiples ramas. La
Página 12 de 22
armadura de corte y de punzonado, debe estar vinculada a la armadura longitudinal
tanto en la parte superior como en la parte inferior. Los estribos deben estar
adecuadamente anclados. El área de la armadura de corte, Av, se calcula con la
ecuación (25) y es igual al área de la sección transversal de todas las ramas de
armadura.
Av =
Vs .s
f y .d
(25)
donde s es la separación entre dos líneas consecutivas de estribos u horquillas.
La primera línea de estribos alrededor del fuste del aerogenerador se debe colocar a
una distancia no mayor que d/2 medida a partir de la cara del fuste. La separación
entre líneas sucesivas de armadura de corte alrededor del fuste no debe ser mayor
que d/2 y se puede terminar cuando se verifica la ecuación (26).
1
Vu ≤ φ. . f´ c .b 0 .d
6
(26)
Cuando se utiliza armadura de corte, la resistencia proporcionada por el hormigón
1
Vc, no debe ser mayor que Vc ≤ . f´ c .b 0 .d , y la resistencia nominal al corte, Vn está
6
1
limitada a Vn ≤ . f´ c .b 0 .d .
2
8. Cálculo a corte
Es habitual que luego de la armadura de punzonado adyacente al núcleo de la
base, se prosiga con armadura de corte. Tal disposición dependerá de la altura de la
base (rigidez), para cuando sea variable con el diámetro. Las piezas sometidas a
corte deben verificar la siguiente expresión:
Vu ≤ φ .Vn = φ . (Vc + Vs)
(27)
Vu: resistencia requerida calculada con cargas mayoradas
Vn: resistencia nominal de cada sección
φ = 0,75 (coeficiente de reducción de acuerdo al tipo de rotura)
Vc es la resistencia a corte aportada por el hormigón, que para bases de espesor
constante tiene la forma de la ecuación (28):
Vc =
1
. f´ c .b w .d
6
(28)
Vs es resistencia a corte aportada por el acero:
Vs =
A v .f v .d
s
(29)
El esfuerzo absorbido por la armadura debe estar limitado por la expresión (30)
para evitar la rotura de las bielas comprimidas del hormigón.
Página 13 de 22
Vs ≤ 2 3 . f´ c .b w .d
(30)
La separación máxima de los estribos es:
d / 2
Si Vs ≤ 1 3 . f´ c .b w .d , s ≤ 
40cm
d / 4
Si Vs > 1 3 . f´ c .b w .d , s ≤ 
20cm
La cuantía mínima de estribos de corte resulta de las expresiones (31) y (32).
Av
b
1
≥
f´ c . w
s
16
fy
(31)
Av
b
≥ 0,33 w
s
fy
(32)
9. Cálculo a flexión
La flexión en una base para aerogeneradores debe analizarse tanto para la
superficie inferior como la superior. El armado de la cara inferior de la fundación se
obtiene a partir del momento flector último generado por el diagrama de presiones y
la acción estabilizadora minorada del peso propio del hormigón y del suelo por sobre
ella (Dc + Ds) (33). Para el caso de secciones de altura variable, es posible optimizar
el uso de acero considerando distintas secciones de cálculo, con variación de la
altura útil y de los esfuerzos externos.
U = 1,6 H – 0,9 (Dc + Ds)
(33)
El armado de la porción superior de la base toma en cuenta la separación del
suelo a causa de las excentricidades que se presentan por el momento externo.
Debido a esa separación, el peso propio del hormigón y del suelo (Dc + Ds) genera
un momento flector último que tracciona la porción superior de ese “voladizo”.
U = 1,4 . (Dc + Ds)
(34)
El cálculo a flexión según CIRSOC 201/05 puede ser desarrollado mediante las
siguientes expresiones, en las cuales y para bases de altura variable, debe
analizarse el valor dado al ancho bw y la altura útil d:
2
mn = Mn / (0,85 f´c . bw . d )
(35)
Ka = 1 – √(1 – 2.mn)
(36)
As = 0,85 f´c . bw . ka . d/fy
(37)
Para la verificación de la cuantía mínima el artículo 7.12 del Reglamento CIRSOC
201/05 establece un valor de 0,18%, mientras que la referencia 1 indica valores
entre 0,25% y 0,50%, para evitar fisuras por contracción y temperatura. En estas
estructuras con importantes volúmenes de hormigón, las diferencias de
temperatura pueden originarse en el calor de hidratación y las variaciones de la
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velocidad de disipación. El hormigón del elemento cercano a la superficie tiene la
posibilidad de disipar calor con mayor facilidad que el hormigón interior de la
masa, y en poco tiempo alcanza la temperatura del aire. Por su parte, la zona
interior del hormigón tarda varios días en uniformar su temperatura con el medio
ambiente, en general, y en función de la clase y contenido de cemento, en un
plazo de 4 a 6 días. Es estos casos se realizan programas de hormigonado que
especifican, entre otras cosas, las alturas máximas de “tongadas” (o capas de
hormigón colocadas en una etapa) y los tiempos mínimos de llenado de las
mismas. En ocasiones se dejan serpentinas en el interior de la masa y por ellas
se hace circular agua para regular la elevación de la temperatura. Para las bases
con espesores mayores a 2,5 m, es recomendable el hormigonado en tongadas,
disponiendo en la cara superior de la primer tongada una armadura en forma de
malla con una cuantía Asx=Asy≥0,0018.bw.h*, con h* la altura de la capa tongada
del hormigón.
Para la ubicación de las secciones críticas correspondientes a momentos, corte y
longitud de anclaje de la armadura en las bases, el Reglamento CIRSOC 201/05
establece (artículo 15.3) que es posible considerar a las columnas o pedestales de
hormigón con sección transversal circular de diámetro b o con forma de polígono
regular, como elementos de sección cuadrada de igual área de lado c, es decir:
π.b 2
= c2
4
⇒
c=
π
.b
4
⇒
c = 0,886 . b
(38)
Nuestro caso no corresponde al de una columna de hormigón, por lo que para
determinar la forma de la sección equivalente y la posición de los planos de falla a
flexión, corte y punzonado deberá aplicarse un criterio más conservador que el aquí
expuesto. Esta afirmación se basa en la diferencia de rigideces entre el fuste
metálico del aerogenerador y la base de hormigón armado.
Interacción suelo-fundación
Respecto a la modelación de la fundación y su interacción con el suelo, es
recomendable aplicar métodos alternativos al de Winkler. A pesar de la facilidad de
su aplicación y la simplificación en la modelación del suelo, el método de Winkler
posee objeciones al momento de evaluar la interacción suelo-estructura. Se
mencionan algunas:
- Los resortes que simulan el suelo no actúan independientemente.
- El comportamiento asentamiento – cargas no es lineal, mientras que el
coeficiente de balasto k asume dicha linealidad.
- Los esfuerzos y deformaciones se pueden encontrar por debajo de los reales.
- No se permite evaluar la influencia de una fundación sobre el entorno.
- No es posible evaluar las variaciones estratigráficas del suelo y la influencia de
la fundación en estratos profundos.
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Por otra parte, el hecho de elegir un único valor k en una base de la extensión de
las tratadas en este trabajo no parece acertado, ya que éste depende de varios
factores:
- Tamaño de la fundación.
- Área tributaria del nudo sobre el que se aplica.
- Variaciones con la profundidad.
- Dependencia del tiempo debido a asentamientos por consolidación y por
consolidación parcial.
Por ejemplo, bajo las condiciones del método de Winkler, una base extensa
sometida a una carga uniforme emplazada sobre un suelo perfectamente uniforme
se asentaría con los resortes igualmente comprimidos. Sin embargo, el
comportamiento real es el de asentamientos mayores en la zona central y menores
en el perímetro. Como alternativas, se sugiere el método de resortes pseudoacoplados (ACI 336.2R-88), resortes acoplados, resortes lineales (Kempfert, Hans
Georg-2006) o bien el de elementos finitos. Éste último es el que mejor se aproxima
al comportamiento “real”, pudiendo modelar la estratigrafía del suelo, la variación de
sus parámetros y visualizar la distribución de presiones en profundidad, entre otros
aspectos.
Modelación de las bases
Es conveniente que la fundación sea modelada por elementos finitos como
sólidos, evitando utilizar elementos lámina, puesto que impiden conocer la
distribución interna de las tensiones, el comportamiento espacial de la fundación,
etc. (Figura 13). Es necesario recordar siempre que estos modelos sólo representan
una aproximación para el hormigón estructural, el que no posee un comportamiento
elástico para altos niveles de esfuerzos.
Figura 13: Modelos de elementos finitos en bases de distinta geometría y espesor
CONSTRUCCIÓN
Materiales componentes del hormigón
Hormigón
En varias ocasiones es necesario el uso de cementos puzolánicos como medida
Página 16 de 22
de protección a la agresividad de los áridos. En estos casos es importante definir
adecuadamente las curvas de evolución de resistencias. Esto es a los efectos de
conocer los momentos para los cuales se pueden transferir las cargas a la
fundación, sea por el propio aerogenerador, como las que surgen del proceso
constructivo (peso propio del suelo, compactación, montaje, etc.). En el hormigonado
del hormigón de limpieza es importante verificar los espesores y niveles de
terminación para lograr superficies uniformes de contacto de la base con el suelo y
cumplir las tolerancias de los insertos metálicos.
Armaduras
En el proceso de armado de las bases debe verificarse entre otros aspectos:
- Recubrimientos mínimos inferiores y laterales.
- Separaciones entre barras, ya que por debajo de los insertos metálicos existe
una alta densidad de armaduras. Debe buscarse que exista una separación mínima
para que el hormigón pueda embeber toda la armadura.
- En caso de bases de sección y armado circular, debe verificarse que no se
solapen los empalmes de anillos consecutivos.
- Evitar que las armaduras colocadas en adyacencias al inserto no tomen contacto
con él.
- Verificar el correcto atado de las armaduras, en especial el de las de punzonado
por su disposición y forma.
- Colocar armaduras superiores de vinculación dispuestas en forma de cruz para
evitar desplazamientos relativos de las restantes durante las tareas de inspección y
hormigonado.
Colocación del hormigón
Para afectar lo menos posible el comportamiento estructural, generalmente el
colado de este tipo de bases se realiza en una sola etapa. Puesto que se trata de
grandes volúmenes de hormigón, es necesario llevar un estricto control de la
temperatura. Para el control de la temperatura del hormigón es recomendable
colocar un mínimo de 2 termopares en la base, uno cercano a la superficie
(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 superficie y a aproximadamente 3 metros del lateral. Estos valores
pueden requerir modificaciones según las dimensiones totales de la base. Los
termopares deben ser fijados a la armadura vertical para evitar que los mismos sean
desplazados o doblados durante el colado y la compactación del hormigón. El
proceso de hormigonado debe desarrollarse de forma continua y en una sola
operación hasta completar el volumen de la base. El hormigón puede ser colado en
capas de 0,50 metros de espesor máximo. El inicio del vertido del hormigón de la
primera capa debe comenzar en el centro de la base conformando un cono de
descarga que se expanda hasta completar una altura de 0,50 metros. La altura de
colado del hormigón no debe superar 1,50 metros de altura por gravedad. Durante la
primera etapa debe buscarse que el hormigón vertido desde el centro penetre en
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primer lugar por debajo de las armaduras inferiores de la zona central de la base
hasta recubrirlas completamente, asegurando de esta manera que no queden
oquedades debajo del inserto metálico. Completada esta tarea se continúa con la
tarea de hormigonado en forma circunferencial y con un sentido de avance radial
desde el centro hacia los laterales. Una vez terminada esta primera etapa, se
procede de igual manera con las etapas siguientes hasta el hormigonado total.
Respecto del asentamiento, es común un valor de 16 cm bajo ensayo de Cono de
Abrams, con incorporación de aditivos fluidificantes por el uso de los equipos de
bombeo. Sin embargo, la primera etapa de colado del hormigón se emplean
asentamientos máximos de 18 cm para lograr un buen hormigonado en la zona
inferior ante el alto grado de congestión de armaduras, y un mínimo de 14 cm en la
etapa final y por fuera del inserto metálico.
Análisis de la geometría y su incidencia en las variables de diseño
Procedimiento
A partir de las expresiones y aspectos indicados en los párrafos precedentes, se
efectuó el análisis de sensibilidad de los principales parámetros que definen el
diseño de una fundación de hormigón armado de un aerogenerador. A modo de
ejemplo, se anexan los valores de una base circular de sección tronco-cónica para
un aerogenerador de 1,8 MW, a la cual se han variado b, h, hf, hf1 y h1. Para el
cálculo a flexión se ha utilizado un procedimiento aproximado a los efectos de poder
cuantificar la mayor cantidad de variables intervinientes.
Propiedades de la base
f´c = 35 MPa
c = 4,18 m
γHº = 24,00 KN/m³
Esfuerzos transmitidos por el aerogenerador
Radio del anillo = 2,09 m
Ancho de la virola = 0,33 m
Altura del anillo = 2,30 m
Nmolino = 2457 KN
Mmolino = 50600 KNm
Vmolino = 712 KN
Propiedades del suelo
γs = 16,00 KN/m³
ν = 0,20
φ = 30º
G = 80 MPa
H(espesor del estrato blando) = 15,90 m
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Resultados
600 KN/m²
10.0
c
h f1
hf
h
9.0
h1
b
500 KN/m²
Coeficientes de seguridad al volcamiento y
deslizamiento
8.0
Presiones
Presión transmitida al suelo
Coef. de seguridad al deslizamiento
7.0
400 KN/m²
6.0
300 KN/m²
5.0
4.0
200 KN/m²
3.0
Coef. de seguridad al volcamiento
2.0
100 KN/m²
Coef. de seguridad mínimo al volcamiento
1.0
0 KN/m²
14.00 m
14.50 m
15.00 m
15.50 m
16.00 m
16.50 m
17.00 m
17.50 m
18.00 m
18.50 m
0.0
19.00 m
Diámetro de la base
Figura 14: Presiones y estabilidad de una base circular de 2,3 m de altura
600 KN/m²
10.0
c
hf1
hf
h
9.0
h1
8.0
Presión transmitida al suelo
Coef. de seguridad al deslizamiento
7.0
400 KN/m²
6.0
300 KN/m²
5.0
Presiones
4.0
200 KN/m²
Coef. de seguridad al volcamiento
3.0
Coeficientes de seguridad al volcamiento y
deslizamiento
b
500 KN/m²
2.0
100 KN/m²
Coef. de seguridad mínimo al volcamiento
1.0
0 KN/m²
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
0.0
3.50 m
Altura total de la base
Figura 15: Presiones y estabilidad de una base circular de 16 m de diámetro
4.5E+11 Nm/rad
100 MPa
c
h f1
hf
4.0E+11 Nm/rad
90 MPa
h
h1
b
80 MPa
3.5E+11 Nm/rad
∆σRsk/(γs,fat.γsd)
70 MPa
60 MPa
2.5E+11 Nm/rad
50 MPa
Rigidez rotacional
2.0E+11 Nm/rad
Tensiones
Rigidez rotacional
3.0E+11 Nm/rad
40 MPa
1.5E+11 Nm/rad
30 MPa
∆σsf
1.0E+11 Nm/rad
20 MPa
5.0E+10 Nm/rad
0,45.fcfat/1,1
10 MPa
σcf,máx
0.0E+00 Nm/rad
14.00 m
14.50 m
15.00 m
15.50 m
16.00 m
16.50 m
17.00 m
17.50 m
18.00 m
18.50 m
0 MPa
19.00 m
Diámetro de la base
Figura 16: Rigidez rotacional y tensiones de fatiga de una base circular de 2,3 m de altura
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Rigidez rotacional de una base circular de 16 m de diámetro para un aerogenerador
3.5E+11 Nm/rad
100 MPa
c
hf1
hf
Rigidez rotacional
h
3.0E+11 Nm/rad
90 MPa
h1
b
80 MPa
70 MPa
∆σRsk/(γs,fat.γsd)
60 MPa
2.0E+11 Nm/rad
50 MPa
1.5E+11 Nm/rad
Tensiones
Rigidez rotacional
2.5E+11 Nm/rad
40 MPa
30 MPa
1.0E+11 Nm/rad
∆σsf
20 MPa
5.0E+10 Nm/rad
0,45.fcfat/1,1
10 MPa
σcf,máx
0.0E+00 Nm/rad
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
0 MPa
3.50 m
Altura total de la base
Figura 17: Rigidez rotacional de una base circular de 16 m de diámetro
500
c
hf1
hf
450
h
h1
Cantidad de barras de 25 mm
b
As radial inferior a flexión
400
350
300
250
As radial superior a flexión
As punzonado
200
As,mín a flexión
150
100
50
0
14.00 m
14.50 m
15.00 m
15.50 m
16.00 m
16.50 m
17.00 m
17.50 m
18.00 m
18.50 m
19.00 m
Diámetro de la base
Figura 18: Armadura radial inferior, superior y de punzonado (h = 2,3 m)
500
c
hf1
hf
450
h
h1
b
400
Cantidad de barras de 25 mm
As radial inferior a flexión
350
300
As radial superior a flexión
250
200
As punzonado
150
As,mín a flexión
100
50
0
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 19: Armadura radial inferior, superior y de punzonado (b = 16 m)
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Conclusiones
A partir del análisis aproximado efectuado de los esfuerzos de un aerogenerador
sobre una base circular se puede concluir los siguientes aspectos:
-
La geometría óptima de una base para aerogeneradores resulta la circular
para los cambios de dirección generados por los esfuerzos transmitidos por la
superestructura. Las restantes geometrías producen concentración de
tensiones en las esquinas que deben ser evaluadas y absorbidas por
armaduras adicionales. En contrapartida, la sección circular presenta mayor
dificultad en los encofrados y la colocación de la armadura.
-
Una alternativa es la base octogonal, aproximando con ocho lados a la
circunferencia inscripta equivalente. Tal alternativa presenta una
simplificación en el armado y encofrado, aunque posee concentración de
presiones en las esquinas. Ello produce un mayor consumo de armaduras
que una base de sección circular.
-
Se desaconseja el uso de la sección cuadrada, por la existencia en las
esquinas de mayores incrementos de tensiones sobre el suelo que las
restantes geometrías. A su vez, no presenta una simetría aconsejable frente
a los cambios de dirección de las acciones generadas por el viento sobre el
aerogenerador. Para cubrir la superficie equivalente de una superficie circular
es necesario un mayor volumen de hormigón.
-
La presencia de grandes momentos flectores se traduce en tensiones
excéntricas en el suelo que desaprovechan buena parte de la superficie de la
base. Para lograr dimensiones óptimas de la misma es necesario efectuar un
análisis de sensibilidad de los principales parámetros que las definen, como
lo es la altura y el diámetro de la fundación para una misma combinación de
cargas.
-
Las presiones transmitidas al suelo se reducen con el aumento del diámetro
de la base por contar con mayor superficie de distribución para las cargas.
Con el incremento de la altura de la base, las presiones tienen un mínimo
cuando el peso propio de la fundación logra reducir la excentricidad generada
por el momento flector externo. Para mayores valores de altura, la tendencia
se invierte ya que el peso propio incrementa las presiones máximas en mayor
proporción al de la reducción de la excentricidad.
-
El coeficiente de seguridad al vuelco tiene mayor incidencia en el diseño de la
fundación que el de deslizamiento. El aumento del peso propio de la base
(altura y diámetro), mejoran la estabilidad global. De igual manera ocurre con
la rigidez rotacional de la base embebida en un estrato resistente de suelo.
-
Una adecuada distribución de armaduras para una base de sección circular
corresponde 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 porcentaje de incidencia como material, la
armadura de punzonado implica mayor mano de obra, mayor dificultad en la
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colocación y en el hormigonado.
-
El incremento de la altura total reduce el consumo de armadura radial inferior,
pero incrementa la superior a causa del mayor peso propio del hormigón.
-
La armadura de punzonado se puede reducir si se incrementa la altura total
de la base, siempre que el incremento se logre permitiendo mayor altura de
hormigón por debajo de la brida del inserto del aerogenerador.
-
Es aconsejable evitar el uso de diámetros de barra dispares para completar la
sección requerida por cálculo (φ25mm y φ12mm, por ejemplo). Tal situación
se traduce en asimetrías en las cargas absorbidas y en las tensiones de
servicio de las armaduras, causando incrementos localizados de estas
tensiones, desfavoreciendo la fisuración y la fatiga.
REFERENCIAS
1.
Guidelines for Design of Wind Turbines – Segunda Edición – Det Norske
Veritas, Copenhagen and Wind Energy Department, Risø National
Laboratory, ISBN 87-550-2870-5. Denmark (2002).
2.
Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón – CIRSOC 201/05
(2005).
3.
CEB-FIP Model Code 1990 Design Code – Thomas Telford (1991).
4.
Curso Aplicado de Cimentaciones, Ortiz, Gesta y Mazo – Colegio Oficial de
Arquitectos de Madrid – Cuarta Edición (1989).
5.
Introducción al Cálculo de Hormigón Estructural – Segunda Edición –
Rodolfo Orler, Hugo Donini - Editorial Nobuko - ISBN 978-987-584-362-2
Nota: este trabajo fue desarrollado mediante métodos aproximados para el cálculo de las
variables a los efectos de generar un mayor número de comparaciones de geometrías de
bases. Su finalidad no es el proyecto o cálculo de las mismas, sino evaluar la sensibilidad de
los parámetros que intervienen en su comportamiento.
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