CIMENTACIÓN DE AEROGENERADORES MARINOS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL (MECÁNICO)

CIMENTACIÓN DE

AEROGENERADORES MARINOS

Autor: Pablo Aparicio Gallego

Director: Dr. Juan Antonio Talavera Martín

Madrid

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Pablo Aparicio Gallego, como alumno de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra “Proyecto Fin de Carrera: Cimentación de Aerogeneradores Marinos”¹, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro trabajo que deba ser objeto de evaluación académica

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.²

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. ³

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 30 de Mayo de 2012

ACEPTA

Fdo………

Autorizada la entrega del proyecto del alumno:

Pablo Aparicio Gallego

Fdo.: Fecha: / /

EL DIRECTOR DEL PROYECTO Dr. Juan Antonio Talavera Martín

Fdo.: Fecha: / /

Vº Bº del Coordinador de Proyectos Dr. José Ignacio Linares Hurtado

Fdo.: Fecha: / /

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL (MECÁNICO)

CIMENTACIÓN DE

AEROGENERADORES MARINOS

Autor: Pablo Aparicio Gallego

Director: Dr. Juan Antonio Talavera Martín

Madrid

I

RESUMEN

El objetivo principal de este proyecto es diseñar la cimentación y la estructura de la torre de un aerogenerador marino. Como objetivo complementario, también se pretende ofrecer soluciones para llevar a cabo las tareas de transporte e instalación del aerogenerador.

Un estudio del estado del arte permitirá tener una idea clara sobre en qué punto se encuentran los métodos actuales para fijar una torre al fondo marino, prestando especial atención a las técnicas más utilizadas, como son: cimentación por gravedad;

cimentación con monopilote, trípode o tripilote; cimentación jacket; y estructura flotante.

A partir de estos conocimientos, y en función de las características particulares de este proyecto, se realizará una rápida comparativa cuya conclusión indicará que será necesario un método diferente a los habituales, y se propondrá una estructura que estando simplemente apoyada en el fondo marino, mantenga su posición vertical por medio de tirantes.

No obstante, y para poder justificar la elección, se llevarán a cabo dos análisis:

en el primero, se calcularán los parámetros necesarios suponiendo que la cimentación escogida fuese por monopilote (uno de los métodos tradicionales); en el segundo, se analizará la estructura apoyada y atirantada. En ambos casos el material elegido para la construcción de la torre sería acero, por ser simple de modelar tanto analíticamente como por medio de programas informáticos. Los resultados de esta comparativa se recogen en la siguiente tabla:

Cimentación con monopilote Estructura apoyada y atirantada Sistema de fijación Empotramiento Sistema de fijación Tirantes Diámetro interior 5.7 m Diámetro interior 5.7 m Espesor de pared 60.5 mm Espesor de pared 21.5 mm Masa total de acero 1485 tons Masa total de acero 458 tons

II

fondo marino, el siguiente paso será elegir el material a emplear en la construcción de la estructura. Los materiales propuestos para este fin son el acero y el hormigón armado.

Tras analizar las posibles ventajas e inconvenientes de estos materiales, se decidirá trabajar con el hormigón armado. Las razones principales para tomar esta decisión son el bajo coste por utilizar mucho menos acero, y el reducido mantenimiento necesario para asegurar el correcto funcionamiento de la estructura.

Para justificar esta elección, se realizará una comparativa entre los dos modelos.

El modelo en acero ya está calculado, puesto que para hacer la comparativa de cimentaciones el material de estudio era el acero, siendo únicamente necesario realizar el análisis de la torre de hormigón armado.

Realizar un modelo de hormigón armado implica elegir los tipos de armaduras que se utilizarían, así como el tipo de hormigón. En base a los criterios de la normativa vigente, se obtendrán los parámetros mínimos exigidos, tales como los recubrimientos o los espaciados, a partir de los cuales se calculará todo lo demás. Los resultados se muestran a continuación:

Torre de acero Torre de hormigón armado

Diámetro interior 5.7 m Diámetro interior 5.700 m Espesor de pared 60.5 mm Espesor de pared 310 mm

Masa total de acero 458 tons Masa de acero 215.5 tons

Masa de hormigón 2039.5 tons Masa total de la torre 2255 tons

A pesar de que la torre de hormigón armado sería más pesada, la cantidad de acero necesaria se reduciría a la mitad, y dado que el hormigón es muy barato, el coste total sería en torno a un 40% menor.

Habiendo elegido el tipo de cimentación y el material de la torre, lo siguiente será estudiar las operaciones de transporte e izamiento de la torre.

Una introducción a las técnicas actuales de transporte terminará por concluir que el mejor método sería el traslado por flotación. Sellando la torre con unas tapas especiales, que evitasen la entrada de agua en la misma, se conseguiría que la torre

III la torre para izarla.

En primer lugar, una vez la torre ha sido trasladada hasta su punto de instalación, se procedería a la utilización de bombas de fluido para introducir agua en la base de la torre, haciendo que ésta se fuese hundiendo hasta alcanzar el fondo marino. Una vez hecho esto, la torre quedaría flotando inclinada y apoyada en el suelo en su base.

Entonces, se emplearían gatos hidráulicos para tensar los tirantes hasta conseguir la verticalidad de la torre.

Los análisis de flotabilidad e izamiento de la torre concluyen que sería necesario que la torre flotase al menos a 30º de la horizontal, para que los cables fuesen capaces de salvar los 60º restantes. Este enfoque conducirá a ensanchar la parte inferior de la torre. Los resultados obtenidos son los siguientes:

Parámetros de la torre Diámetro interior (zona inferior)

-Desde la base hasta una altura de 73m 8.782 m Diámetro interior (zona superior)

-Desde los 73m de altura hasta los 150m 5.700 m Espesor de la pared en todo el rango de altura 310 mm

Esta modificación de las dimensiones de la torre exigirá un cambio de diseño en la misma para resolver la transición entre la parte inferior de mayor diámetro y la superior del tamaño inicial. La solución propuesta pasa por adaptar el modelo a un diseño cónico que respete las condiciones de flotabilidad e izamiento. Así, el diseño final de la torre, tendría las siguientes características:

Parámetros de la torre cónica Diámetro interior a 0m 9.780 m Diámetro interior a 150m 5.700 m Espesor de la pared 310 mm

IV

Suponiendo que dichos elementos se desplazaran por separado, la carga máxima a izar sería de 200 toneladas, y es por eso que la grúa gigante seguiría siendo requerida.

La solución propuesta para evitar este problema sería utilizar una grúa auxiliar ligera que se colocaría en la parte superior de la torre para, desde allí, realizar todos los desplazamientos de material. Utilizando tubos de acero de alta resistencia se llegará a una estructura en forma de celosía que cumpliría todos los requisitos de carga, y que tan sólo pesaría algo más de 3.3 toneladas.

Después de todos estos cálculos, centrados únicamente en soportar las cargas, es indispensable realizar un estudio de la frecuencia natural de la torre, para asegurar que ésta no entraría en resonancia, sabiendo que los límites de diseño los marcan las frecuencias de paso de las palas. Un estudio analítico de la resonancia de la torre dará como resultado una frecuencia natural superior a la admisible, y se propondrá como solución añadir peso en la parte superior de la torre para conseguir rebajar la frecuencia de resonancia.

Finalmente, se diseñará la plataforma de acceso a la torre desde el mar, de acuerdo con los modelos existentes, con el fin de facilitar las operaciones de inspección y mantenimiento.

I

ABSTRACT

The main objective of this project is to design the foundations and the structure of an offshore wind turbine tower. As a complementary target, it also tries to offer solutions to carry out the wind turbine transporting and installing tasks.

An investigation of the state of art will allow to have a clear idea about which are the current methods to fix a tower to the seabed, paying special attention to the most common techniques, such us: gravity-base foundation; monopile, tripod or tripile foundation; jacket foundation; and floating structures.

From this knowledge, and taking into account the particular characteristics of this project, a simple comparison will be done, and its conclusion will indicate that a method different from those traditional ones will be necessary, thus suggesting a cable supported structure to sustain the tower, which would be standing on the seabed.

Nevertheless, and in order to justify the election, two analyses will be carried out: in the first one, the necessary parameters will be calculated, supposing the foundation chosen was the monopile one; in the second one, the cable supported structure will be analyzed. In both cases, steel would be the chosen material for the construction of the tower, because of being simple to analyze by hand calculations and also with structures software. The results of this comparison are shown in the following table:

Monopile foundation Cable supported structure

Fixing system Fully fixed Fixing system Cables

Inner diameter 5.7 m Inner diameter 5.7 m

Wall thickness 60.5 mm Wall thickness 21.5 mm

Total steel mass 1485 tons Total steel mass 458 tons

The total steel mass that a fully fixed structure would require is three times bigger than the one needed for the cable fixing system.

II

are the low cost associated to be less steel-dependant, and the reduced maintenance needed to ensure the appropriated performance of the structure.

In order to justify this selection, a comparison between both models will be done. The design in steel is already calculated, because steel was the material chosen to do the foundations comparison, thus being only necessary to carry out the analysis of the reinforced concrete tower.

Developing a reinforced concrete model involves choosing what kind of reinforcement will be utilized, as well as the short of concrete. According to the current standards criterions, the minimum required parameters will be obtained, such as coating and spacing, from which everything else will be calculated. Results are shown in this table:

Steel tower Reinforced concrete tower

Inner Diameter 5.7 m Inner diameter 5.700 m

Wall thickness 60.5 mm Wall thickness 310 mm

Total steel mass 458 tons Steel mass 215.5 tons

Concrete mass 2039.5 tons Total tower’s mass 2255 tons

Despite the fact that the reinforced concrete tower would be heavier, the amount of steel required would be halved, and due to the cheap price of concrete, the total cost would be around 40% less.

Having chosen the foundation type and the material for the tower, the next thing to do is to study the transporting and raising operations.

An introduction to the current transporting techniques will end up concluding that the best way to do it would be to move the tower taking advantage of its floatability. Closing the tower with special covers, which would avoid water inlet, the floatability of the tower would be achieved, thus making it possible to move it using only two motor boats, intended to pull the tower and guide it.

III

would be to use fluid bombs to introduce water into the tower base, making it sink until it got in contact with the seabed. Once this is done, the tower would stay floating inclined and standing at the seabed on its base. Then, by means of hydraulic cylinders, cables would be stressed in order to achieve the vertical position.

Floatability and rising analyses of the tower conclude that it would be necessary to achieve at least 30º with the horizontal, so that the cables were able to save the 60º left. This approach will lead the design to widen the lower part of the tower. The obtained results are shown:

Tower parameters Inner diameter (lower part)

-From the base to 73m height 8.782 m Outer diameter (upper part)

-From the 73m height to the tower top 5.700 m Wall thickness in all the height range 310 mm

This dimensional modification of the tower will require a design change on it to solve the transition between the lower- wider and the upper-narrower parts of the tower.

The suggested solution involves adapting the model to a conical design which respects the floating and raising conditions. The tower final design would have the following characteristics:

Conical tower parameters Inner diameter at 0m 9.780 m Inner diameter at 150m 5.700 m

Wall thickness 310 mm

Achieving the tower rising without using big dimensions cranes, does not involve that they are not needed anymore, because it would still be necessary to move all the elements coupled to the top of the tower, such us the nacelle, the transformer or the hub.

IV that would only weigh a bit more than 3.3 tons.

After all these calculations, focused only on resisting the loads, it is indispensable to do a study about the natural frequency of the tower, in order to ensure that it will not resonate, knowing that the design limits are established by the passing frequency of the blades. An analytical research about the tower’s resonance will give as a result a natural frequency bigger than the admissible, and adding weigh on the top of the tower will be suggested as a possible solution to achieve a reduction of the resonance frequency.

Finally, the access platform will be designed to ease the Access from the boat to the tower, according to the existing models.

Agradezco a Dios y a mis padres el apoyo incondicional que me han ofrecido siempre, y este año en particular, ya que con su ayuda me ha resultado mucho más llevadera la realización de este proyecto.

Me gustaría también agradecer a mi director Juan Antonio, por lo mucho que me ha hecho aprender este año, así como por la ayuda que me ha ofrecido para reorientar los modelos cuando eran erróneos.

Finalmente, agradecer a mis compañeros de piso y al resto de amigos su apoyo durante el transcurso del proyecto.

Índice

Parte I Memoria ... 1

Capítulo 1 Introducción ... 3

1.1 Estudio de las tecnologías existentes... 3

1.2 Motivación del proyecto ... 7

1.3 Objetivos ... 8

1.4 Metodología / Solución desarrollada ... 9

1.5 Recursos / herramientas empleadas ... 9

Capítulo 2 Selección de la cimentación ... 11

2.1 Datos de partida ... 11

2.1.1 Factores que condicionan el diseño. ... 11

2.1.2 Parámetros particulares de este proyecto. ... 12

2.1.3 Traslado de cargas desde el buje a la torre. ... 14

2.2 Propuestas de cimentación ... 16

2.3 Análisis de cimentación por monopilote. ... 17

2.3.1 Hipótesis para la simplificación del modelo. ... 17

2.3.2 Solución analítica. ... 18

2.3.3 Solución con Catia ... 22

2.4 Análisis de estructura atirantada ... 27

2.4.1 Consideraciones previas determinantes. ... 27

2.4.2 Elección del número de haces de cables por nivel ... 29

2.4.2.1 Los dos modelos a elegir. Hipótesis previas a los cálculos. ... 29

2.4.2.2 Fuerzas de reacción necesarias en los dos niveles. ... 30

2.4.2.3 Fuerzas soportadas por los haces de cables en ambos modelos. ... 31

2.4.3 Solución analítica ... 33

2.4.4 Solución con Catia ... 34

2.5 Comparativa: monopilote vs. modelo atirantado ... 40

Capítulo 3 Torre de hormigón armado ... 43

3.1 Conceptos básicos sobre el hormigón armado. ... 43

3.1.1 Definición. Componentes y características. ... 43

3.1.2 Las claves del éxito del hormigón armado ... 44 3.1.3 Aplicar tensión en el hormigón ... 44

3.2 Selección del material para la torre ... 45 3.2.1 Ventajas e inconvenientes del acero ... 45 3.2.2 Ventajas e inconvenientes del hormigón armado ... 46 3.2.3 Elección del hormigón armado ... 48

3.3 Análisis de la torre de hormigón armado ... 48 3.3.1 Hipótesis para la simplificación del modelo ... 48 3.3.2 La geometría equivalente a la armadura ... 50 3.3.2.1 Consideraciones previas ... 50 3.3.2.2 Área y momento de inercia equivalentes. ... 53 3.3.2.3 Geometría equivalente: un cilindro hueco ... 54 3.3.3 Solución analítica ... 55 3.3.4 Solución con Catia ... 57 3.3.4.1 Simplificación de la estructura. ... 57 3.3.4.2 Análisis y resultados... 58

3.4 Comparativa: acero vs. hormigón armado ... 61 Capítulo 4 Transporte e instalación ... 63 4.1 Exposición de los métodos actuales. ... 63

4.1.1 Operaciones de transporte ... 63 4.1.1.1 Transporte en barco ... 63 4.1.1.2 Plataformas flotantes ... 64 4.1.1.3 Por flotación propia ... 65 4.1.2 Operaciones de instalación de las fijaciones ... 65 4.1.2.1 Anclaje al fondo marino ... 66 4.1.2.2 Pilotaje dirigido con martillo hidráulico... 66 4.1.2.3 Taladrado y cementado ... 67 4.1.3 Operaciones de izamiento de la torre ... 68

4.2 Selección del método general de instalación ... 69 4.2.1 Características del proyecto a tener en cuenta ... 69 4.2.2 Técnicas elegidas para este proyecto ... 69

4.3 Análisis de flotabilidad de la torre... 71 4.3.1 Hipótesis de simplificación del modelo ... 71 4.3.2 Solución analítica ... 73

4.4 Análisis de izamiento ... 75 4.4.1 Fuerza límite realizable sobre los cables. ... 75 4.4.2 Incremento del diámetro en la zona inferior de la torre ... 76

4.5 Análisis del diseño final: torre cónica ... 80 4.5.1 Consideraciones previas ... 81 4.5.2 Características de la nueva geometría ... 83 4.5.3 Solución analítica ... 84 4.5.4 Solución con catia ... 85

Capítulo 5 Grúa de elevación ... 89 5.1 Hipótesis de trabajo para diseñar la grúa auxiliar ... 89 5.2 Posibles planteamientos para la estructura ... 91 5.2.1 Pórtico simple para diseñar la grúa auxiliar ... 91 5.2.2 Celosía como método de diseño ... 92 5.2.2.1 Hipótesis de simplificación de la celosía ... 93 5.2.2.2 Criterio para el dimensionado de las barras. ... 94 5.2.2.3 Sección para soportar flexiones. ... 94 5.2.2.4 Sección para soportar los esfuerzos axiales. ... 95 5.2.2.5 Parámetros de la celosía para la grúa auxiliar ... 98 5.2.3 Comprobación de la celosía en el entorno RISA-3D ... 98 5.2.3.1 La sección por esfuerzos axiales ... 99 5.2.4 La sección por esfuerzos flectores ... 102

Capítulo 6 Estudio sobre la resonancia ... 103 6.1 Hipótesis de simplificación del modelo ... 103 6.2 Solución analítica ... 104 6.3 Posibilidades de rebajar la frecuencia natural ... 106 Capítulo 7 Plataforma de acceso ... 107 7.1 Plataformas de acceso por mar ... 108 7.2 Selección de la plataforma para este proyecto ... 110 Capítulo 8 Cálculos desarrollados ... 113 8.1 Cálculos del modelo empotrado ... 113

8.1.1 Planteamiento del problema ... 113 8.1.2 Resolución del Eje X ... 114

8.1.2.1 Cálculo de las reacciones Rx y Qy. ... 115 8.1.2.2 Cálculo de los cortantes (Tx) y los flectores (My) según la altura. ... 115 8.1.3 Resolución del Eje Y ... 115 8.1.4 Optimización del diámetro exterior ... 115 8.1.5 Resolución del Eje Z ... 118 8.1.6 Generalización del cálculo de la tensión para cualquier altura ... 118

8.2 Cálculos de los modelos atirantados ... 118 8.2.1 Resolución común de los niveles superior e inferior. ... 118 8.2.2 Fuerzas que se producen en los haces de cables ... 120 8.2.2.1 Fuerzas en la estructura de 3 haces por nivel. ... 120 8.2.2.2 Fuerzas en la estructura de 4 haces por nivel. ... 122 8.2.3 Comparativa del número de cables necesarios por haz ... 122 8.2.4 Esfuerzos en la torre con estructura de 3 haces por nivel ... 124 8.2.4.1 Cálculo de las expresiones Mx(z), My(z) y N(z). ... 124 8.2.5 Optimización del diámetro exterior ... 125 8.2.6 Generalización del cálculo de la tensión para cualquier altura ... 126

8.3 Cálculos de la estructura de hormigón armado ... 127 8.3.1 Obtención de la geometría equivalente para torre cilíndrica ... 127 8.3.2 Obtención de la geometría equivalente para torre cónica ... 128

Bibliografía ...131 Parte II Planos ... 133 Listado de planos ... 135 Parte III Pliego de condiciones ... 143 Capítulo 1 Pliego de condiciones ... 145 1.1 Disposiciones generales ... 145 1.2 Seguridad en el trabajo ... 145 1.3 Seguridad pública ... 146 1.4 Organización del trabajo ... 146 1.5 Datos de fabricación ... 146 1.6 Mejoras y variaciones sobre el proyecto ... 147 1.7 Recepción del material ... 147

1.8 Organización ... 147 1.9 Ejecución de las obras ... 148 1.10 Subcontratación ... 148 1.11 Plazo de ejecución ... 148 1.12 Recepción provisional ... 149 1.13 Periodo de garantía ... 149 1.14 Recepción definitiva ... 150 Parte IV Presupuesto ... 151 Capítulo 1 Presupuesto ... 153 1.1 Construcción de la torre ... 153 1.2 Instalación de la torre ... 154 1.3 Coste total para la torre ... 155

Índice de figuras

Ilustración 1.1. Subestructura de cimentación por gravedad ^[1] ... 4 Ilustración 1.2. Cimentación con monopilote ^[2]... 5 Ilustración 1.3. Subestructuras tipo trípode apiladas en puerto ^[3] ... 5 Ilustración 1.4. Parque offshore con subestructura tipo tripilote ^[4] ... 6 Ilustración 1.5. Parque offshore con subestructura tipo jacket ^[5] ... 6 Ilustración 1.6. Prototipo de cimentación flotante ^[6] ... 7 Ilustración 2.1. Zonificación ambiental marina en España ^[8] ... 11 Ilustración 2.2. Relación entre potencia generada y diámetro de rotor ^[9] ... 12 Ilustración 2.3. Distintos sistemas de ejes para situar las cargas ^[10] ... 13 Ilustración 2.4. Distancias horizontal y vertical del buje al centro de la torre ... 14 Ilustración 2.5. Desplazamiento de esfuerzos en el conjunto torre-buje ... 15 Ilustración 2.6. Distintas posibilidades para modelar un empotramiento ^[11] ... 18 Ilustración 2.7. Proceso de resolución de los esfuerzos en función de la altura ... 19 Ilustración 2.8. Momentos flectores medidos en MPa en función de la altura... 20 Ilustración 2.9. Tensión medida en MPa en función de la altura ... 21 Ilustración 2.10. Propiedades mecánicas de la torre en Catia ... 22 Ilustración 2.11. Gráfica de las tensiones principales obtenidas en Catia ... 23 Ilustración 2.12. Detalle del tamaño del mallado en Catia ... 25 Ilustración 2.13. Error estimado global para el modelo de la torre ... 25 Ilustración 2.14. Detalle de la compensación de picos de tensión en Catia ... 26 Ilustración 2.15. Factores de diseño para estructuras arriostradas. ... 27 Ilustración 2.16. Modelos con 3 y 4 haces por nivel respectivamente ... 29 Ilustración 2.17. Diagramas de fuerzas en ejes separados ... 30

Ilustración 2.18. Haces de cables que actúan para contrarrestar las cargas... 31 Ilustración 2.19. Momentos flectores medidos en MPa en función de la altura... 33 Ilustración 2.20. Tensión medida en MPa en función de la altura ... 34 Ilustración 2.21. Propiedades mecánicas del modelo de la torre en Catia ... 35 Ilustración 2.22. Gráfica de las tensiones principales obtenidas en Catia ... 36 Ilustración 2.23 Detalle de la unión entre los segmentos de la torre en Catia ... 37 Ilustración 2.24. Error estimado global para el modelo de la torre ... 38 Ilustración 2.25 Detalle del error local en Catia ... 39 Ilustración 3.1. Estructura de la armadura pasiva ... 49 Ilustración 3.2. Esquema de la distribución de los refuerzos verticales ... 53 Ilustración 3.3. Geometría cilíndrica equivalente a los refuerzos verticales ... 54 Ilustración 3.4. Tensión medida en MPa en función de la altura ... 55 Ilustración 3.5. Tensión según la altura utilizando tendones ... 56 Ilustración 3.6 Propiedades mecánicas del modelo de la torre en Catia... 58 Ilustración 3.7. Gráfica de la tensión principal en Catia ... 59 Ilustración 3.8. Detalle del error de localización del pico de tensión ... 60 Ilustración 4.1. Embarcación empleada para el transporte de componentes ^[12]... 64 Ilustración 4.2. Utilización de una balsa para transportar estructuras jacket ^[13] ... 64 Ilustración 4.3. Transporte de un monopilote por flotación ^[14] ... 65 Ilustración 4.4. Principales tipos de anclajes en el fondo marino ^[15] ... 66 Ilustración 4.5. Martillo hidráulico empleado para el pilotaje dirigido ^[16] ... 67 Ilustración 4.6. Vehículo y robot submarinos perforadores ^[17] ... 68 Ilustración 4.7. Grúas empleadas en las operaciones de izamiento de torres ^[18] ... 68 Ilustración 4.8. Evolución del modelo al aplicar las simplificaciones ... 72 Ilustración 4.9. Esquema del problema de flotabilidad ... 73 Ilustración 4.10. Diagrama del problema del izamiento de la torre ... 77 Ilustración 4.11. Fuerza de tensado necesaria en los cables para izar la torre ... 78

Ilustración 4.12. Soluciones para el cambio brusco de sección en la torre ... 80 Ilustración 4.13. Esquema con las consideraciones de diseño de la torre cónica ... 82 Ilustración 4.14. Tensión medida en MPa en función de la altura ... 85 Ilustración 4.15. Propiedades mecánicas del modelo cónico en Catia ... 85 Ilustración 4.16. Gráfica de las tensiones principales en Catia ... 86 Ilustración 4.17. Error estimado global en el modelo cónico ... 87 Ilustración 4.18. Detalle del error local en Catia ... 87 Ilustración 5.1. Esquema básico de las especificaciones de la grúa auxiliar ... 90 Ilustración 5.2. Situación crítica en el pórtico simple para la grúa auxiliar ... 91 Ilustración 5.3. Comparación entre el diseño tipo pórtico, y la celosía. ... 93 Ilustración 5.4. Especificaciones de la celosía ... 96 Ilustración 5.5. Diagrama de la parte horizontal de la grúa auxiliar ... 96 Ilustración 5.6. Estado tensional de las distintas barras del voladizo ... 97 Ilustración 5.7 Estado tensional de las barras situadas entre las columnas ... 97 Ilustración 5.8. Reacciones ante el peso en subida, analizadas en RISA-3D ... 99 Ilustración 5.9. Denominación de las barras de la grúa auxiliar... 100 Ilustración 5.10. Resumen del estado tensional de la barra más crítica ... 100 Ilustración 5.11. Resumen del estado tensional de la barra aumentada ... 101 Ilustración 5.12. Análisis en RISA 3-D de la barra crítica en cuanto a flexión ... 102 Ilustración 5.13. Resumen del estado tensional de la barra crítica flexionada ... 102 Ilustración 6.1. Diagrama del modelo para analizar la frecuencia natural. ... 104 Ilustración 7.1. Acceso por mar a un aerogenerador ^[24] ... 107 Ilustración 7.2. Acceso por aire a un aerogenerador ^[25] ... 107 Ilustración 7.3. Acceso directo a la torre desde el barco ^[26] ... 108 Ilustración 7.4. Sistema hidráulico para contrarrestar los balanceos ^[27] ... 109 Ilustración 7.5. Plataforma de acceso con nivel intermedio y grúa auxiliar ^[28] ... 109 Ilustración 7.6 ... 111

Ilustración 8.1 Diagrama de la distribución de cargas y reacciones en la torre ... 113 Ilustración 8.2 Proceso de resolución de esfuerzos en función de la altura ... 114 Ilustración 8.3. Momentos flectores en MPa, en función de la altura ... 117 Ilustración 8.4. Tensión en función de la altura ... 118 Ilustración 8.5. Planteamiento general y separación en ejes perpendiculares ... 119 Ilustración 8.6. Cables que actúan en función del ángulo de la carga exterior ... 120 Ilustración 8.7. Diagrama con ángulos de las fuerzas para su descomposición ... 121 Ilustración 8.8. Momentos flectores medidos en MPa, en función de la altura... 125 Ilustración 8.9. Tensión medida en MPa en función de la altura ... 126 Ilustración 8.10. Esquema de la distribución de los refuerzos verticales ... 127 Ilustración 8.11. Parámetros de la geometría real y la equivalente ... 127

Índice de tablas

Tabla 2.1. Parámetros de diseño del proyecto ... 12 Tabla 2.2. Cargas de diseño expresadas en ejes fijos y móviles respectivamente ... 13 Tabla 2.3. Fuerzas trasladadas del buje a la parte superior de la torre ... 16 Tabla 2.4. Parámetros característicos de la cimentación por monopilote ... 21 Tabla 2.5. Reacciones obtenidas en Catia en el empotramiento. ... 22 Tabla 2.6. Valores calculados para los dos niveles de cableado ... 31 Tabla 2.7. Valores calculados para la fuerza soportada por los haces... 32 Tabla 2.8. Resumen de resultados para el modelo atirantado ... 34 Tabla 2.9. Reacciones obtenidas en el nivel inferior en Catia ... 36 Tabla 2.10. Resumen de características fundamentales de los modelos analizados... 40 Tabla 3.1. Recubrimiento mínimo en función del tipo de exposición ambiental ... 51 Tabla 3.2. Características principales de las armaduras pasiva y activa ... 52 Tabla 3.3. Resumen de resultados para el modelo de hormigón armado ... 57 Tabla 3.4. Reacciones obtenidas en el nivel inferior en Catia ... 59 Tabla 3.5 Resumen de las características fundamentales en función del material ... 61 Tabla 4.1. Resumen de situaciones límites en el estudio de la flotabilidad ... 74 Tabla 4.2. Catálogo de características de los gatos de tensado de cables ^[21] ... 76 Tabla 4.3. Parámetros calculados para el modelo cónico ... 82 Tabla 4.4. Parámetros calculados para la geometría equivalente ... 84 Tabla 5.1. Resumen de las especificaciones de las barras de la grúa auxiliar ... 98 Tabla 8.1. Resumen de propiedades mecánicas del acero ... 116

Tabla 8.2. Cables que actúan contrarrestando las cargas de diseño ... 120 Tabla 8.3. Datos técnicos de los cables estructurales prEN 10138 ^[20] ... 123 Tabla 8.4. Número mínimo de cables usando 3 y 4 haces respectivamente... 123 Tabla 1.1 Desglose de costes de material para la construcción de la torre... 153 Tabla 1.2 Desglose del coste de las operaciones de traslado y fijación de la torre ... 154 Tabla 1.3. Resumen de costes. Cálculo del coste total del proyecto ... 155

Parte I M ^EMORIA

Capítulo 1 I NTRODUCCIÓN

El aprovechamiento de la energía eólica para la obtención de electricidad está alcanzando niveles muy elevados en los últimos años, gracias al continuo desarrollo de los aerogeneradores y su investigación. Partiendo de unos modelos sencillos se fueron implementando mejoras para aumentar el rendimiento en relación con las palas, el control de la orientación y también con la localización de los propios parques eólicos.

En un primer momento los parques estaban situados en tierra (onshore), pero debido al impacto medioambiental, a la limitación de espacio y a las altas rugosidades de la orografía, se comenzaron a construir parques marinos (offshore).

Este tipo de parques proporciona ventajas respecto de los parques tradicionales. Dos de las principales ventajas que los parques marinos aportan son: la posibilidad de diseñar con mayores dimensiones, ya que no hay limitaciones para el transporte por mar (en tierra se depende de los radios de curvatura en las carreteras, o de alturas en los túneles);

y la mayor estabilidad del viento en el mar debido a la escasa rugosidad que presenta la superficie del agua en comparación con el terreno firme por sus montañas, árboles o edificios.

Sin embargo, como contrapartida, los parques offshore presentan algunos inconvenientes. Por una parte, situar correctamente los elementos y posteriormente fijarlos al fondo marino es altamente difícil, puesto que requiere técnicas de construcción y emplazamiento muy costosas. Por otra parte, como es fácil de imaginar, las tareas de inspección y mantenimiento pueden verse entorpecidas por la limitada accesibilidad que el medio marino posibilita. Se podría afirmar que las condiciones extremas que pueden ocurrir en el mar superan las peores expectativas en tierra.

Por todo ello la implantación de parques offshore implica tener en cuenta estos detalles a la hora de diseñar, entre otras muchas cosas, las cimentaciones, estructuras, fijaciones, técnicas de construcción y los accesos del aerogenerador, que sería, en definitiva, el objeto de este proyecto.

1.1 E

Para poder tener algunas referencias con las que comenzar el diseño, es imprescindible llevar a cabo un estudio acerca del estado de la cuestión. En este caso nos interesa conocer las soluciones que se han planteado a lo largo del continuo desarrollo de los parques offshore en relación a la estructura y subestructura de los aerogeneradores, así como los materiales empleados, entre otros aspectos.

Principalmente se puede distinguir entre 5 tipos de cimentaciones: por gravedad, con monopilote, trípode o jacket, y flotante. Cada una de estas variantes de subestructura marina está pensada para determinados rangos de profundidad del fondo marino, tal y como se explica a continuación:

• Por gravedad

Este sistema de cimentación tiene por objeto contrarrestar el efecto de las mareas u otras fuerzas sobre la torre por medio de un peso de enorme magnitud situado en la base del aerogenerador.

Ilustración 1.1. Subestructura de cimentación por gravedad ^[1]

No hay que penetrar el suelo para poder implantar esta subestructura. Sin embargo, el peso necesario para contrarrestar las componentes sobre la torre aumenta en gran medida según aumenta la profundidad. Esta es la razón principal por la que la cimentación por gravedad está limitada a profundidades de menos de 20 metros.

• Con monopilote

Para poder fijar la torre a profundidades de entre 15 y 30 metros, puede que la solución óptima sea el monopilote. Consiste en “clavar” literalmente un pilote en el fondo marino, a unos 10 metros bajo el suelo, sobre el cual se instalarán los módulos de la torre.

Esta solución proporciona mucha estabilidad al modelo, pero para grandes alturas de torre se generarían esfuerzos enormes de flexión en la base de la misma. Por ello, cuando la cota superior prevista es demasiado elevada este método tiende a ser descartado.

Ilustración 1.2. Cimentación con monopilote ^[2]

• Trípode

Si se pretende instalar un aerogenerador en fondos de profundidades superiores a 30 metros, sería necesario reforzar la base de la torre. Por ello surge la solución conocida como “trípode”, que es, por explicarlo de forma simplificada, una subestructura consistente en tres “patas” que actúan como pilotes que se reparten los esfuerzos. Sobre el trípode se colocaría la torre.

Ilustración 1.3. Subestructuras tipo trípode apiladas en puerto ^[3]

• Tripilote

Basado en el mismo concepto que el trípode, este tipo de subestructura persigue mejorar el modelo de cimentación por monopilote para profundidades del entorno de los 50 metros. Consiste en instalar tres pilotes paralelos que se unen en la base de la torre. Aportan mucha estabilidad pero requieren una gran cantidad de acero. No obstante, la unión con la torre resulta más sencilla que la del sistema trípode.

Ilustración 1.4. Parque offshore con subestructura tipo tripilote ^[4]

• Jacket

Sacada de la ingeniería petrolífera, esta solución consiste en subestructuras más ligeras, de 4 columnas interconectadas triangularmente, que sería útil en casos en los que la implantación del trípode resultase inviable. Permite mayores profundidades y prueba de ello son las instalaciones de extracción de crudo que hay en el mar.

Ilustración 1.5. Parque offshore con subestructura tipo jacket ^[5]

• Flotantes

Se trata de la solución más novedosa para hacer frente a profundidades mayores a 100 metros, donde se encarecerían mucho la implantación de alguna de las anteriores posibilidades. Consiste en hacer flotar el aerogenerador al equilibrar el empuje sobre la torre y el peso del material con que se rellena parte de la misma. Así quedan contrarrestados los balanceos y el hundimiento de la torre. Sin embargo para que el aerogenerador no flote a la deriva, se fija su posición por medio de unos cables que hace las veces de tensores anclados al fondo marino.

Ilustración 1.6. Prototipo de cimentación flotante ^[6]

A propósito del material empleado para la torre, se dispone de dos posibilidades: el acero y el hormigón. Para el caso offshore, sería más lógico seleccionar una torre de hormigón armado, que permitiese resistir las cargas que se producirán sobre la torre, siendo menos sensible a la humedad que el acero, al que habría que someter a tratamientos o protecciones especiales.

1.2 M

A día de hoy las energía renovables parecen ser el futuro de la producción de energía, y sin duda, los aerogeneradores son la realidad material de un proyecto de calado mundial para reducir la contaminación, guiado por el creciente afán de llevar una vida sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

Empiezan a ser ya muchos los países que incorporan planes de energía nacionales en los que se establecen retos de producción de energía eléctrica a partir de fuentes renovables.

Inglaterra, por citar un ejemplo, ha aprobado tener para 2020 el 20% de la energía producida por fuentes renovables. Para ello se ha hablado de construir un aerogenerador cada 800 metros de costa.

Es por esto que el mundo de los aerogeneradores suscita un interés especial. Tanto por las implicaciones medioambientales y de sostenibilidad que conlleva, como por el prometedor futuro que le espera, el sector eólico es muy atractivo para los ingenieros en general.

Este proyecto ofrece la posibilidad de comprender de forma precisa la selección de los materiales y estructuras, así como la ejecución de las fases de instalación. Además se intentará implementar un tipo de cimentación algo diferente a los métodos convencionales, basado en una estructura soportada por cables sin ser flotante y sin estar empotrada la torre en el fondo marino. Esta opción permitiría evitar el costoso procedimiento de fijación de la subestructura correspondiente al monopilote o al trípode.

1.3 O

En este proyecto, se pretende cubrir las siguientes áreas de la tecnología offshore:

• Diseño de la torre: Selección del material y dimensiones óptimas para que pueda soportar las cargas que puedan llegar a producirse en la torre, afectadas además por un coeficiente de seguridad.

• Planteamiento del sistema de fijación al fondo marino: Se trata de diseñar una estructura atirantada, eligiendo el cableado que nos permita dar estabilidad a la torre, manteniendo fija su posición. Esto implica materiales y dimensiones de los cables.

• Elaborar un estudio sobre el transporte y la instalación de la torre, haciendo especial hincapié en el análisis de flotabilidad y los métodos de izamiento de la misma.

• Diseño de estructura de elevación: Se trata de una grúa auxiliar que se emplearía durante la propia construcción de la torre y que iría aumentando su alcance en la medida en que fuese creciendo la torre. Así se evitaría la costosa ayuda de las gigantescas grúas situadas sobre embarcaciones diseñadas para el efecto.

• Diseño de la plataforma de acceso la torre, de modo que los operarios correspondientes vean facilitadas las tareas de acceso para realizar inspecciones o mantenimiento.

1.4 M

/ S

Independientemente de la parte del proyecto que se esté diseñando, siempre que se requieran cálculos, se comenzará partiendo de un análisis “manual”, en el que se puedan dar unos valores que sean tan ajustados a la realidad como sea posible.

Para la comprobación de diseños estructurales se tendrán en cuenta las simulaciones hechas por ordenador.

1.5 R

/

En particular, para las fases de dibujos de piezas o modelos, se recurrirá a Solid Edge, por su fácil manejo. En cuanto a los análisis estructurales, para la mayoría de los casos se empleará Catia. En el caso de realizar algún estudio en relación a estructuras similares a celosías, el software a utilizar será RISA-3D, que resulta sencillo de manejar además de muy preciso para calcular este tipo de estructuras.

Capítulo 2 S ELECCIÓN DE LA CIMENTACIÓN 2.1 D

El diseño de la cimentación del aerogenerador está condicionado por una serie de factores que son a su vez el resultado de estudios anteriores. Al no ser el objeto principal de este proyecto, estos condicionantes se facilitan como datos directamente, pero es necesario al menos tener unas nociones básicas sobre cuál es su razón de ser.

2.1.1 F

.

En primer lugar, un estudio de selección y viabilidad del emplazamiento del aerogenerador dará como principal condicionante la profundidad a la que se encuentra el fondo marino. Este análisis se basa principalmente en estudiar si el flujo de viento en una determinada localización es el idóneo para su aprovechamiento como fuente de generación eléctrica, teniendo como parámetros fundamentales la estabilidad de dicho flujo a lo largo del año, la magnitud del mismo o la altura a la que se encuentra. Para ello es muy útil acudir a los mapas de viento, o a estudios de zonificación ambiental marina para parques eólicos como el de la Ilustración 2.1 . Una vez elegida la localización bastará con analizar las condiciones del fondo marino, tales como profundidad o tipo de suelo.

Ilustración 2.1. Zonificación ambiental marina en España ^[8]

En segundo lugar, algunas dimensiones del aerogenerador quedan condicionadas por el nivel de potencia que se quiera desarrollar, puesto que ésta depende en gran medida de la dimensión de las palas, como se muestra en la Ilustración 2.2. Con el diámetro del rotor, la altura del flujo de viento, y la profundidad, la altura de torre queda restringida.

Ilustración 2.2. Relación entre potencia generada y diámetro de rotor ^[9]

Delimitados estos parámetros se puede realizar una estimación de las cargas habituales así como de las cargas máximas que soportará el aerogenerador, que serán, sin duda alguna, condiciones esenciales en el diseño de la cimentación. Además, con esas cargas se diseña el generador, cuyas dimensiones marcan el diámetro interior de la torre.

2.1.2 P

.

Para este proyecto en particular, los principales parámetros y restricciones a tener en cuenta en el diseño están recogidos en la siguiente tabla:

Tabla 2.1. Parámetros de diseño del proyecto

Parámetro Valor Unidades

Profundidad 50 m

Diámetro del rotor 90 m

Altura total de la torre 150 m

Diámetro interior de la torre 5.7 m

Distancia horizontal de buje a torre 6 m

Distancia vertical de buje a torre 3 m

Tipo de suelo Arenoso/Rocoso [-]

En cuanto a las cargas, en la Tabla 2.2 quedan recogidos los valores máximos correspondientes a ejes fijos y móviles respectivamente. Los ejes móviles (ver dibujo

“a” en la Ilustración 2.3) son aquellos cuya referencia es el eje de la pala y que son solidarios al movimiento de la misma, mientras que los ejes “fijos” (ver dibujo “b” en la Ilustración 2.3) tienen por eje vertical el eje de la torre, a la vez que el eje x sigue la dirección del viento. Para el estudio de la cimentación es mucho más conveniente fijarse en los ejes fijos, ya que coinciden con los de la torre.

Tabla 2.2. Cargas de diseño expresadas en ejes fijos y móviles respectivamente

Tipo de carga Ejes fijos Ejes móviles

Valor Unidades Valor Unidades

Fuerza en eje X (fx) 1.070 MN 0,380 MN

Fuerza en eje Y (fy) -0.783 MN -0,539 MN

Fuerza en eje Z (fz) ¹ -1.200 MN -0,174 MN Momento en eje X (mx) 13.420 MN·m 21,62 MN·m

Momento en eje Y (my) -1.151 MN·m 2,77 MNm

Momento en eje Z (mz) 0.706 MN·m -0,791 MN·m

1 El valor de la fuerza en el eje Z incluye el peso de las palas y del buje, pero no el de la góndola.

Ilustración 2.3. Distintos sistemas de ejes para situar las cargas ^[10]

Finalmente, también se facilitan las fuerzas de las olas y las mareas, que para este proyecto, alcanzan magnitudes de 1.96 MN y 14.3 kN respectivamente. Ambas cargas se producen a 50 metros de altura, es decir, a la altura del nivel del mar en el emplazamiento. La magnitud de la carga por marea es relativamente baja, resultando incluso despreciable frente a la fuerza de las olas o las cargas máximas de la Tabla 2.2 (dos y tres órdenes de magnitud superiores). Aun así, al estar a la misma altura, se supondrá una única fuerza que se denominará Fmar, cuyo valor será la suma de ambas (1.974 MN) y que se producirá a la altura común de 50m.

2.1.3 T

.

A pesar de tener las cargas en ejes fijos, será necesario un paso más, ya que, en realidad, las cargas que interesan para estudiar las cimentaciones son las que se producen en la unión de la torre con la góndola, mientras que las facilitadas en la Tabla 2.2 son las que se producen en el centro del buje.

Para trasladar las cargas se emplea la información de la distancia horizontal y vertical entre el centro del buje y el eje de la torre (dh y dv respectivamente) que se aporta en la Tabla 2.1. En el dibujo siguiente se muestran en minúsculas los ejes fijos a los que están referidas las cargas de la Tabla 2.2 y en mayúsculas los ejes de la torre hacia los que se quieren desplazar.

Ilustración 2.4. Distancias horizontal y vertical del buje al centro de la torre

A continuación se muestra el diagrama del cuerpo equivalente a buje y góndola con las fuerzas y momentos que se producen en el centro del buje (señaladas en minúsculas) y lo que resulta de su traslado a la parte superior de la torre (indicado en mayúsculas).

Ilustración 2.5. Desplazamiento de esfuerzos en el conjunto torre-buje

Además, no se darían nunca simultáneamente máximos en el eje X y en el eje Y. Como mucho, se podría dar una de las cargas plenamente y la otra a la mitad, es decir, que se establecerá un coeficiente de simultaneidad de 0.5.

Al trasladar las fuerzas se mueven directamente en la misma magnitud al tope de la torre, compensando, eso sí, los momentos que ejercían en su posición inicial debido a la distancia a la que se encuentran. Sin embargo, el coeficiente de simultaneidad reduce la fuerza transversal máxima de menor magnitud a la mitad (según Tabla 2.2 fy se vería mermada). Además es necesario incluir el peso de la góndola en F_z, ya que f_z sólo incluye el peso de las palas y el buje. El traslado de los momentos es directo, y no es necesaria ninguna adaptación por el desplazamiento que conlleva.

Procediendo de acuerdo con lo indicado, se plantean las siguientes ecuaciones:

𝐹_𝑥 = 𝑓_𝑥 𝐹𝑦 = 𝑓𝑦· 𝑐𝑠𝑖𝑚

𝐹𝑧 = 𝑓𝑧− 𝑚𝑔ó𝑛𝑑𝑜𝑙𝑎· 𝑔 𝑀_𝑥= 𝑚_𝑥− 𝑓_𝑧· 𝑑_𝑣

𝑀𝑦 = 𝑚𝑦+ 𝑓𝑥· 𝑑𝑣+ 𝑓𝑧· 𝑑ℎ

𝑀_𝑧 = 𝑚_𝑧− 𝑓_𝑦· 𝑐_𝑠𝑖𝑚· 𝑑_ℎ Donde:

• 𝑐𝑠𝑖𝑚= 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑒𝑖𝑑𝑎𝑑 (0.5)

• 𝑔 = 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 (9.8)

Los resultados del traslado de fuerzas desde el buje hasta la parte superior de la torre quedan recogidos en la siguiente tabla:

Tabla 2.3. Fuerzas trasladadas del buje a la parte superior de la torre Tipo de carga Valor Unidades

Fuerza en eje X (Fx) 1,07 MN

Fuerza en eje Y (Fy) -0,3915 MN Fuerza en eje Z (Fz) -3,65 MN Momento en eje X (Mx) 14,5945 MN·m Momento en eje Y (My) -8,669 MN·m Momento en eje Z (Mz) 3,055 MN·m

2.2 P

De entre los diferentes tipos de cimentación descritos en el apartado 1.1 para este proyecto quedarían descartados algunos de ellos:

• La cimentación por gravedad, cuyo límite viable económicamente está en profundidades inferiores a 15 metros, ya que el volumen de material necesario para una profundidad de 50 metros se dispararía.

• La estructura flotante, para la cual 50 metros de profundidad es, cuanto menos, limitada para permitir todo el sistema de la boya flotante.

No obstante, cabe la posibilidad de acudir a otras técnicas también mencionadas en el apartado 1.1, como por ejemplo el monopilote, el tripilote, el trípode o la subestructura jacket. Sin embargo, todas ellas presentan tres problemas de base para este proyecto:

• El material empleado para la fabricación de estas subestructuras y los elementos de sus respectivas cimentaciones es acero. Esto implica una subida de los costes generales del proyecto que debe ser tenida en consideración.

• Las grandes secciones necesarias para soportar los esfuerzos que se generan en el apoyo de la torre, donde podríamos asemejar la cimentación a un empotramiento. Esta situación lleva a incrementar altamente las cantidades de acero a emplear, con la consiguiente subida adicional en el coste final.

• El coste de las operaciones requeridas en el fondo marino. Todas estas técnicas implican perforar el suelo con diámetros considerables para fijar por medio de unión cementada los elementos de la cimentación.

Con el objetivo de evitar en la medida de lo posible los grandes costes que conllevaría la selección de cualquiera de estos tipos de fijación al fondo marino, en este proyecto se propone una solución innovadora, que consiste en arriostrar la torre, es decir, apoyarla en el suelo y fijarla con cables al fondo marino. Este tipo de cimentación no se ha utilizado aún en ningún parque o modelo de prototipo, aunque existe algún estudio al respecto ^[7].

Para justificar las desventajas de los modelos “empotrados” (monopilote, tripilote, trípode y jacket) se analizará una estructura monopilote en el apartado 2.3, y a su vez, en el apartado 2.4, se comprobará la conveniencia del uso de tirantes. Seguidamente, se llevará a cabo una comparativa entre ambos sistemas, en el apartado 2.5 , para decantar finalmente la elección de la cimentación idónea.

2.3 A

.

2.3.1 H

.

De acuerdo con los datos de partida expuestos en el apartado 2.1, se planteará un modelo simplificado de cimentación por monopilote. Las hipótesis de trabajo asumidas para el análisis de este modelo son las siguientes:

• El material empleado para la torre será acero, ya que es más sencillo de modelar.

Además, independientemente del material con que se quiera construir la torre, la subestructura del monopilote es siempre de acero. Este criterio se empleará también en el estudio del arriostramiento (apartado 2.4) para poder comparar en igualdad de condiciones.

• Se planteará un diseño cilíndrico hueco de sección constante en vez de cónico por facilitar los cálculos, ya que sólo interesa el dimensionado a efectos comparativos. Al igual que antes, este criterio habrá que mantenerlo también para el análisis del apartado 2.4.

• Aproximar la unión entre el monopilote y el fondo marino a un empotramiento simple (modelo d de la Ilustración 2.6). En realidad, el subsuelo marino presenta cierta elasticidad, y por ello el modelo más adecuado consistiría en aproximar la unión a un conjunto de resortes de constantes muy elevadas (modelos a, b y c de

la Ilustración 2.6 ). Sin embargo, el error cometido será mínimo, mientras que analíticamente el problema queda muy simplificado.

Ilustración 2.6. Distintas posibilidades para modelar un empotramiento ^[11]

• Se dimensionará a efectos de flexión y no a efectos cortantes, puesto que en orden de magnitud los segundos son despreciables frente a los primeros.

2.3.2 S

.

El objetivo consiste en calcular, aunque sea de forma aproximada, la cantidad de acero que sería necesaria para resistir los esfuerzos que se produzcan en la torre. El diseño dependerá como es lógico de algunos de los datos indicados anteriormente en el apartado 2.1:

• Las cargas del buje trasladadas al rotor (ver Tabla 2.3), así como las cargas que genera el mar por medio de mareas y oleajes resumidas en Fmar (ver 2.1.2).

• El radio interior de 2.85 metros (ver Tabla 2.1).

El requisito indispensable que el modelo diseñado tiene obligación de cumplir es que en ningún punto de la estructura la tensión alcanzada supere la tensión admisible. Esta tensión es el resultado de minorar el límite elástico del acero por medio de un coeficiente de seguridad, mientras que la tensión alcanzada es el resultado de sumar las aportaciones de los esfuerzos normales y los flectores, tal y como recoge la siguiente expresión:

E. 1 ^{𝜎𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡}

𝑐_𝑠𝑒𝑔 = 𝜎_𝑎𝑑𝑚 ≥ ^𝑁(𝑧)_𝐴 +^�𝑀𝑥

2(𝑧)+𝑀𝑦2(𝑧)

𝐼 𝑅_𝑒𝑥𝑡

Donde:

• 𝜎𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡 = 230 𝑀𝑃𝑎 ∶= Límite elástico

• 𝑐_𝑠𝑒𝑔= 1.5 ∶= 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑

• 𝜎𝑎𝑑𝑚 = 156.8 𝑀𝑃𝑎 ∶= 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

• 𝑁(𝑧) = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑐𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑧)

• 𝑀_𝑥(𝑧) = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑥 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑐𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑧)

• 𝑀_𝑦(𝑧) = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑦 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑐𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑧)

• 𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒

• 𝐼 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

• 𝑅𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑓𝑎𝑣𝑜𝑟𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

En primer lugar se determinarán los momentos flectores en función de la altura. Estos flectores dependen directamente de las reacciones del empotramiento, que son el resultado de las fuerzas que se ejercen en la parte superior de la torre, así como del oleaje y la marea. Para estudiar la situación más crítica es necesario que la denominada Fmar (oleaje y marea) sea paralela a la resultante de Fx y Fy.

Ilustración 2.7. Proceso de resolución de los esfuerzos en función de la altura Teniendo en cuenta esta consideración se obtiene que Fx=1.854 MN y Fy=-0.678 MN, y procediendo a analizar cada eje por separado, tal y como se indica en la Ilustración 2.7 (ver apartado 8.1.1para más detalle), los resultados son los siguientes: