6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
6.8 SUJECIÓN DE LA ESTRUCTURA
El fabricante de acero S355 NL laminado es Accermittal. Las dimensiones máximas trabajadas por esta empresa son apropiadas para los diámetros y espesores seleccionados en el cuadro 23. Para mayor información se puede observar el anexo Q.
El diseño de la estructura de aerogeneradores se basa en el número de virolas que puede tener la torre, cada sección está compuesta por un número de virolas tubulares de diferentes diámetros que se unen mediante soldadura de arco sumergido. Gamesa una de las principales empresas del sector eólico recomienda un máximo de 29 metros de altura para una sección. Las secciones se componen de 4 a 12 virolas y la unión entre secciones se hace mediante bridas, las cuales se sujetan mediante pernos entre extremo y extremo, estas bridas son soldadas a los extremos de las virolas. Sin embargo, es posible utilizar menos de cuatro virolas por cada sección con el fin disminuir el número de tramos, evitando nuevos concentradores de esfuerzos en las uniones soldadas.
Ítem Valores Condición
Tensión máxima 102,84 Mpa Si
Desplazamiento horizontal 0,19 m Si Desplazamiento vertical Si Pandeo 2.546,52 kN Si Frecuencia Natural 6,41 Hz Si
Dsuperior = 0,650 m Dinferior = 1 m Espesor = 0,040 m
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Para este caso y tomando como base el anexo P donde se encuentran las dimensiones para las chapas de acero S355 NL, se plantea diseñar 2 secciones: la primera sección compuesta por tres virolas de 4 metros cada una y la segunda de dos virolas también de 4 metros de altura. En los siguientes cuadros se puede observar las especificaciones de cada sección;
Cuadro 25. Especificaciones de la sección 1
Cuadro 26. Especificaciones de la sección 2
6.8.1 Unión soldada. Como se mencionó anteriormente la soldadura entre tramos para armar las secciones se da por arco sumergido. Siguiendo el procedimiento general para diseñar uniones soldadas del libro Diseño de Elementos de Máquinas de Mott. Como en el ítem 4.9.1, hay que tener en cuenta que para este caso a diferencia de dicho ítem solo se tienen en cuenta las fuerzas flexionante y cortante con el fin de calcular el tamaño del chaflán óptimo.
El electrodo utilizado para este caso es el E-70 el cual es especial para la unión de edificaciones y estructuras. Con la anterior información se obtiene un tamaño de chaflán de 0,36 in, normalizando este tamaño en base al espesor de la chapa se plantea utilizar 3/8 in como se muestra en la siguiente figura;
Figura 48. Tamaño de chaflán respecto a espesor
Fuente: MOTT, Robert. Diseño de elementos de máquinas, Cuarta edición.
Número de virolas Diámetro inferior(m) Diámetro superior (m) Espesor (m) Altura a nivel del suelo (m) 1 1 0,93 0,04 4 2 0,93 0,86 0,04 8 3 0,86 0,79 0,04 12 Número de virolas Diámetro inferior(m) Diámetro superior (m) Espesor (m) Altura a nivel del suelo (m) 1 0,79 0,72 0,04 16 2 0,72 0,65 0,04 20
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6.8.2 Sujeción por bridas. Para este caso se tienen dos sujeciones por medio de bridas, donde una de ellas es utilizada para la unión de las dos secciones y la otra es utilizada para la unión entre la cimentación y la torre. Para garantizar que la torre quede completamente plana en sus uniones, se utilizará un empaque de neopreno que también ayuda a prevenir la humedad provocada por las condiciones ambientales.
Las dimensiones de las bridas mencionadas anteriormente se muestran en el cuadro 27;
Cuadro 27.Bridas de sujeción entre secciones
6.8.3 Unión pernada. Los pernos utilizados en la cimentación son pernos de anclaje56, la selección de estos se realiza teniendo en cuenta la siguiente figura 49;
Figura 49.Diagrama pernos de anclaje
56PÁEZ, Juliana. SÁNCHEZ, Juan. Diseño de una máquina giratoria de tanques para la soldadura de sus hemisferios. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Bogotá D.C.: Universidad de América. Facultad de Ingenierías, 2016. p. 115
Material Diámetro Brida a la
cimentación Acero calmado 1.105 m Brida en
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De acuerdo a la anterior figura y utilizando la siguiente ecuación se calcula el esfuerzo de tensión a los que se someten los pernos;
𝜎 = 𝑀 − 𝑁 ∗ 𝑑𝑐 𝑛 ∗ 𝜋 (∅2) 2 ∗ (𝑑𝑡+ 𝑑𝑐) Donde; 𝑀 = Momento de la torre 𝑁 = Peso del aerogenerador
𝑑𝑐 = Distancia del centro de la torre al centro del perno 𝑛 = Número de pernos
∅ = Diámetro del perno
𝑑𝑡= Distancia del centro de la torre al extremo del apoyo
Reemplazando; 𝜎 =650.915,28 𝑁 𝑚 − (16.527,7 𝑘𝑔 ∗ 9,82 𝑚 𝑠2∗ 0,5525 𝑚) 18 ∗ 𝜋 (0,0254 𝑚2 ) 2 ∗ (0,525 𝑚 + 0,5525 𝑚) 𝜎 = 57.118.22 ,42 𝑃𝑎
Se calcula la fuerza a tensión a la cual se somete cada perno, a partir de la siguiente ecuación; 𝑃𝑎 = 𝜎 ∗ 𝜋 (∅ 2) 2 𝑃𝑎 = 57.118.22 ,42 𝑃𝑎 ∗ 𝜋 (0,0254 𝑚 2 ) 2 𝑃𝑎 = 28.942,2 𝑁
Con esta fuerza y utilizando el catálogo de pernos de anclaje de la empresa HILTI, se selecciona un perno de anclaje con la siguiente designación Kwik Bolt 3 (KB3), para mayor información véase el anexo R.
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Los pernos ubicados entre sección y sección están sometidos a una fuerza de tensión y cortante. La tensión sufrida por el perno se debe a la fuerza del viento sobre el rotor y sobre la torre, en cambio el cortante solo se debe a la carga del viento sobre la torre.
Para el cálculo de la fuerza a tensión se utiliza el momento flector máximo calculado en el capítulo 4, de la siguiente manera;
=𝑀 𝑑
El valor de la distancia es el diámetro de la brida, ya que esta es la que debe soportar las cargas, reemplazando;
=650.915,28 𝑁 𝑚
0,920 𝑚 = 158.668, 5 𝑁
Para hallar la fuerza que debe soportar cada perno, se plantea el uso de 24 pernos57
de 1 pulgada de diámetro; 𝑝 = 𝑁𝑝 𝑟𝑛𝑜𝑠 Reemplazando; 𝑝 =158.668, 5 𝑁 24 = 29.479,86𝑁 ≈ 6.611,18 𝑙𝑏𝑓
Con el valor de la fuerza que debe soportar cada perno, se halla el esfuerzo del mismo, para esto es necesario usar el sistema inglés;
𝜏 = 𝐴 Resolviendo; 𝜏 =6.611,18 𝑙𝑏𝑓 𝜋 ∗ (0, 5 𝑖𝑛)2 𝜏 = 8.417,61 𝑝𝑠𝑖 57SHIGLEY. Op. cit., p. 210
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Una vez conocido el esfuerzo de tensión de cada tornillo y utilizando la ecuación de factor de seguridad se selecciona el material que soporte las cargas, de la siguiente manera;
𝑛 = 𝜏𝑦 𝜏𝑝 𝑟𝑚 Donde;
𝜎𝑦 = Límite de fluencia del material a un esfuerzo de tensión
El factor de seguridad recomendado por diferentes autores es 2, reemplazando y despejando de la anterior ecuación;
𝜏𝑦 = 2 ∗ 8.417,61 𝑝𝑠𝑖 𝜎𝑦 = 16.8 5,2 𝑝𝑠𝑖
Encontrando este valor con el límite de fluencia a tensión; 𝜎𝑦 =16.8 5,2 𝑝𝑠𝑖
0,577 = 29.177,18 𝑝𝑠𝑖
Realizando el procedimiento para la fuerza ejercida a tensión se obtiene un valor de 16.835,23 psi, sumando estos dos últimos se obtiene un valor de límite de fluencia de 46,44 kpsi. Observando las tablas de especificaciones ASTM anteriormente nombradas se selecciona un material de acero de medio carbono, T y R, con un número de grado A325, tipo 1.