UPV



Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria


Publicada By  Víctor Yepes Piqueras - Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria, MAQUINARIA Y PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS DE CIMENTACIONES Y ESTRUCTURAS, Procedimientos constructivos de cimentaciones, sistemas de retención de tierras y anclajes, TIPOLOGÍAS DE OBRAS Y PLANTEAMIENTOS CONSTRUCTIVOS    

Aerogeneradores Bazan Bonus Mk. IV situados en el Parque éolico de Vicedo, a caballo entre el límite de los municipios de Viveiro y Vicedo (provincia de Lugo, España). Fotografía: Enrique Pernas Rouco. Wikipedia.

La demanda de energía renovable a nivel mundial se incrementa con la conciencia medioambiental. La energía eólica es una energía renovable que se está implantando fuertemente a nivel mundial. Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que alcanza la tierra, lo que supone casi dos billones de toneladas equivalentes de petróleo al año (200 veces mayor de la que consumen todos los países del planeta), aunque en la práctica solamente podría ser utilizada una parte muy pequeña de esa cifra, por su aleatoriedad y dispersión, del orden del 5%. Según “The World Wind Energy Association”, la capacidad mundial eólica instalada alcanzó un nivel sin precedentes de más de 318 GW a finales de 2013, de los cuales aproximadamente 35 GW se añadieron en 2013, el nivel más alto registrado hasta la fecha. La energía eólica contribuye en cerca de un 4% en satisfacer la demanda de energía eléctrica mundial. Un total de 103 países están utilizando este tipo de energía desde el punto de vista comercial y se espera que la capacidad de generación de energía eólica pueda aumentar hasta 700 GW en el horizonte del año 2020. En España, la contribución de la eólica a la demanda eléctrica en el año 2010 representó el 16% del total y su objetivo es aumentar ese porcentaje en un futuro. Una sola turbina puede abastecer de electricidad a 500 hogares. Recientemente Huang y McElroy (2015) han realizado una revisión de las perspectivas de este tipo de energía en relación al cambio climático.

El aerogenerador se compone de tres partes: torre, rotor y álabes. En el generador eléctrico es donde se transforma el movimiento mecánico del rotor en energía eléctrica. Suele ser un generador asíncrono o de inducción, con una potencia máxima entre 500 y 1500 kW. Están diseñados generalmente para rendir al máximo a velocidades alrededor de 15 m/s. En el caso de vientos más fuertes es necesario gastar parte del exceso de la energía del viento para evitar daños en el aerogenerador. En consecuencia todos los aerogeneradores están diseñados con algún tipo de control de potencia. Los componentes de un aerogenerador están diseñados para durar 20 años. Esto significa que tendrán que resistir más de 120.000 horas de funcionamiento, a menudo bajo condiciones climáticas adversas (Gálvez, 2005). Respecto a las torres eólicas, se distinguen las “onshore”, instaladas en tierra, normalmente en grandes llanos o zonas elevadas y las “offshore”, cuya localización es dentro del mar, en zonas próximas a la costa.

aerogenerador

http://e-ducativa.catedu.es

Los aerogeneradores operan bajo regímenes de carga muy exigentes (Burton et al., 2001), cuyos efectos podrían disminuir la integridad estructural y llevar a costes de mantenimiento y reparación que podrían ser inaceptables. Rebelo et al (2014) abordan el estudio comparativo relativo la influencia del aumento de altura en el diseño estructural y los resultados de diferentes soluciones estructurales de un aerogenerador. Sus conclusiones son que el uso de secciones tubulares de acero y conexiones de brida son adecuadas para torres de hasta 80 m, mientras que las conexiones de fricción son mejores para torres más altas. En cuanto a las torres de hormigón, éstas dejan de ser competitivas por encima de 100 m de altura, especialmente por las dimensiones necesarias de la cimentación ante riesgo sísmico, que pueden incrementar el volumen de hormigón en cimientos hasta un 75%. Sin embargo, según refiere Lofty (2012), la prefabricación de la torre con hormigón es de gran interés a partir de los 75 m de altura. La fuerza vertical que actúa sobre la cimentación se debe fundamentalmente al peso propio de la torre, la góndola y las palas del rotor, incluso cierta fuera vertical provocada por el viento. Sin embargo, son preponderantes las fuerzas horizontales provocadas por el viento, generando un gran momento flector en la base debido a la gran altura de la torre. La torre suele ser prefabricada, en forma troncocónica, conectándose a la cimentación a través de una interfaz que suele ser un tubo de acero de grandes dimensiones insertado en el hormigón de la cimentación, aunque existen múltiples variantes en estos conectores.

http://www.inproin.com

Una de las partes fundamentales de un aerogenerador es la forma en que la torre se sujeta al terreno. La selección del tipo de cimiento dependerá fundamentalmente de la ubicación del aerogenerador y las condiciones del terreno. Según la European Wind Energy Association (2013), la cimentación supone aproximadamente el 6,5% del coste total para proyectos onshore y el 34% para proyectos offshore, lo que justifica una optimización de este tipo de estructuras (Horgan, 2013). Hoy en día, construimos la mayoría de las turbinas eólicas en tierra en suelos firmes y rígidos, pero probablemente las futuras torres eólicas se construirán sobre suelos con propiedades menos favorables. El cálculo de la cimentación depende de las cargas producidas por el rotor eólico en diferentes condiciones de operación, por esto la tecnología del aerogenerador juega un papel fundamental. La forma más habitual de cimentar un aerogenerador es una zapata de hormigón (Hassanzadeh, 2012). Tal y como indica Svensson (2010), las cimentaciones sobre losas de hormigón podrían dejar de ser adecuadas, pues grandes dimensiones provocan asientos diferenciales inaceptables. La altura de las torres puede variar mucho, entre 40 y 130 m. Cuanta más alta sea la torre, mayor velocidad de viento, y por tanto, mayor generación de energía.

Las torres de aerogeneradores se localizan en áreas con buenas condiciones de viento pero que, en numerosas ocasiones, se encuentran en terrenos inhóspitos o con malas condiciones de acceso, lo cual dificulta la ejecución de las cimentaciones de estas estructuras. Para anclar estas torres normalmente se utilizan los métodos: cimentaciones o zapatas que sujetan la estructura al terreno mediante gravedad, o bien mediante anclajes realizados sobre terrenos competentes. Se busca garantizar la estabilidad de la estructura y asegurar una transmisión de cargas al terreno con la adecuada intensidad para que este no colapse. En numerosas ocasiones los terrenos no permiten dicho anclaje, por lo que es habitual el uso de zapatas masivas realizadas con hormigón armado. No obstante, las geometrías empleadas en planta son muy diversas. Se utilizan soluciones con planta poligonal, circular e incluso cruciforme, siendo esta ultima un caso muy aislado. Herrando (2012) ha comprobado cómo para un aerogenerador tipo de 100 m de altura y 3,5MW de potencia, la cimentación superficial con geometría en planta circular es la que mejores resultados ofrece a nivel estructural y económico.

Cimentación prefabricada para torre eólica de la empresa Artepref. Fuente: Diario de Burgos

Cimentación prefabricada para torre eólica de la empresa Artepref. Fuente: Diario de Burgos

Las ventajas de la prefabricación son evidentes, reduciéndose incluso la cantidad de material necesario respecto a cimentaciones ejecutadas “in situ”. La prefabricación reduce los problemas de hormigonado in situ de grandes volúmenes, que no sólo generan problemas importantes cuando los accesos se encuentran alejados de las plantas de fabricación de hormigón e incrementan considerablemente el calor de hidratación en el fraguado del hormigón, sino que las temperaturas extremas pueden reducir el número de días de trabajo efectivo. Además, teniendo en cuenta que la vida útil de un aerogenerador puede ser de 20 a 25 años, la prefabricación facilita la fase de desmantelamiento de las instalaciones. Se han generado en el mercado cimentaciones alternativas donde una parte o la totalidad de la cimentación se realizan con piezas prefabricadas. Así, algunas patentes europeas y americanas, como por ejemplo, DK200100030 (2001) y WO2004101898A2 (2004), han desarrollado soluciones de cimentación prefabricadas para el caso de pequeñas instalaciones, no quedando claro que alguna de estas soluciones se hayan construido realmente (Nilsson, 2012). Empresas como Gestamp Hybrid Towers ofrecen diseños de cimentaciones prefabricadas para torres en forma de T invertida que pretende ofrecer eficiencia y ductilidad a la solución. La empresa burgalesa ARTEPREF patentó también una cimentación prefabricada para este tipo de torres. Además, estas soluciones suelen unir las piezas prefabricadas mediante hormigón fresco. Por tanto, el elemento clave en el diseño de este tipo de cimentaciones son la forma con la que se resuelven las juntas para convertir las piezas en un conjunto monolítico y también la conexión o “brida” de la torre con la cimentación (Hassanzadeh, 2012). Bellmer (2010) advierte de que gran parte de los problemas de durabilidad de los aerogeneradores se deben a un mal diseño de la cimentación. Currie et al (2013) presentan una solución para monitorizar las cimentaciones de estas torres. Eneland y Mallberg (2013) advierten de la gran dificultad que existe en diseñar un método de cálculo para las juntas de las piezas prefabricadas de este tipo de cimentaciones. Asimismo, una de las claves es la justificación de la viabilidad económica de los elementos frente a las cimentaciones ejecutadas “in situ”.

Referencias:

  • BURTON, T.; SHARPE, S.; JENKINS, N.; BOSSANYI, E. (2001). Wind Energy Handbook. Wiley, Chichester, UK, pp. 211–219.
  • BELLMER, H. (2010). Probleme im Bereich Stahlturm – Fundament, 3rd Technical Conference – Towers and Foundations for Wind Energy Converters, HAUS DER TECHNIK, Essen, Germany.
  • CURRIE, M.; SAAFI, M.; TACHTATZIS, C.; QUALI, F. (2013). Structural health monitoring for wind turbine foundations. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Paper 1200008.
  • DK200100030 (2001). Stjernefundament med elementer til foundering af tårne. Patent
  • ENELAND, E.; MALLBERG, L. (2013). Prefabricated foundation for wind power plants. A conceptual design study. Thesis in the Master’s Programme Structural Engineering and Building Technology, Chalmers University of Technology, Sweden.
  • GÁLVEZ, R. (2005). Diseño y cálculo preliminar de la torre de un aerogenerador. Proyecto Fin de Carrera, Universidad Carlos III de Madrid, Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras.
  • HASSANZADEH, M. (2012). Cracks in onshore wind power foundations. Causes and consequences. Stockholm: Elforsk (Elforsk Rapport, 11.56).
  • HERRANDO, V. (2012). Optimización del diseño de la cimentación para un aerogenerador de gran altura. Trabajo Fin de Carrera, Universitat Politècnica de Calalunya.
  • HORGAN, C. (2013). Using energy payback time to optimise onshore and offshore wind turbine foundations. Renewable Energy, 53:287-298.
  • HUANG, J.; McELROY, M.B. (2015). A 32-year perspective on the origin of wind energy in a warming climate. Renewable Energy, 77:482-492.
  • LOFTY, I. (2012). Prestressed concrete wind turbine supporting system. Master’s Dissertation, University of Nebraska, USA.
  • NILSON, M. (2012). Prefabricated foundations with cell reinforcement for land-based wind turbines. . Stockholm: Elforsk (Elforsk Rapport, 13:06).
  • REBELO, C.; MOURA, A.; GERVÁSIO, H.; VELJKOVIC, M.; SIMOES DA SILVA, L. (2014). Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations – Part 1: Structural design. Engineering Structures, 74:283-291.
  • SVENSSON, H. (2010). Design of foundations for wind turbines. Master’s Dissertation, Department of Construction Sciences, Lund University, Sweden.
  • The World wind energy association 2013 report. April 2014. Bonn, Germany. http://refhub.elsevier.com/S0960-1481(14)00872-6/sref1
  • WO2004101898A2 (2004). Foundation for a wind energy plant. Patent

Licencia de Creative Commons
Este obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

13 octubre, 2017
 

Publicada By  Víctor Yepes Piqueras - HISTORIA DE LA INGENIERÍA CIVIL, Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria, TIPOLOGÍAS DE OBRAS Y PLANTEAMIENTOS CONSTRUCTIVOS    

El valle de Vajont tras el derrumbe del monte Toc que causó el desastre. Wikipedia

La presa de Vajont fue construida el año 1961 en los Pre-Alpes italianos a unos 100 kms al norte de Venecia, Italia. Era una de las presas más altas del mundo, con 262 m de altura, 27 m de grosor en la base y 3,4 m en la cima. Desde el principio, los técnicos ya detectaron problemas por corrimientos de tierras, por lo que recomendaban no llenar el embalse por encima de cierto nivel de agua. A las 22.39 h del día 9 de octubre de 1963, la combinación del tercer rellenado del depósito produjo un gigantesco deslizamiento de unos 260 millones de m3 de tierra y roca, que cayeron en el embalse, prácticamente lleno, a unos 110 km/h. El agua desplazada resultante produjo que 50 millones de m3 de agua sobrepasasen la presa en una ola de 90 m de altura. A pesar de eso, la estructura de la presa no recibió daños importantes. La tragedia podría haber sido aún mayor si la presa se hubiera derrumbado, vertiendo otros 50 millones de m3 que a pesar de todo permanecieron embalsados. El formidable tsunami consecuencia del deslizamiento destruyó totalmente el pueblo de Longarone y las pequeñas villas de Pirago, Rivalta, Villanova y Faè. Varios pueblos del territorio de Erto y Casso y el pueblo de Codissago, cerca de Castellavazzo, sufrieron daños de importancia. Unas 2.000 personas fallecieron. Los destrozos fueron producidos exclusivamente por el desplazamiento de aire al explotar la ola en los pueblos colindantes.

Animación del deslizamiento. Fuente: http://ireneu.blogspot.com.es

¿Cómo pudo suceder un desastre de tales proporciones? ¿Se pudo evitar? Es mucha la información en distintas webs sobre la tragedia de Vajont. Nos pone en guardia sobre los límites de la técnica y del sentido común. Desgraciadamente, se ha convertido en un ejemplo en el que el hombre decidió retar a la naturaleza y esta le avisó de lo que podía suceder, pero cuando los responsables decidieron mirar hacia otro lado, el desastre llegó con sus mayores consecuencias.

En un documental emitido por el canal Historia, una de las víctimas relata que un ingeniero dijo a su abuela: “Recuerde que la presa no se caerá porque está muy bien hecha, pero la montaña cederá, y acabarán atrapados como ratas”. A continuación os dejo varios de estos vídeos al respecto para la reflexión.

 

 

 

 

31 agosto, 2017
 
|   Etiquetas: ,  ,  |  

Publicada By  Víctor Yepes Piqueras - Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria, TIPOLOGÍAS DE OBRAS Y PLANTEAMIENTOS CONSTRUCTIVOS    

Corte transversal de una represa hidroeléctrica

En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.

Podemos clasificar las centrales hidroeléctricas en tres tipos: de embalse, fluyentes o de pasada, y de bombeo:

 

  • En las centrales de embalse el esquema funcional incluye una presa, que intercepta la corriente de agua y permite que se acumule el agua alcanzando la misma una determinada cota o altura. El agua fluye del embalse, por acción de la gravedad, viaja a través de una tubería de descarga hasta las máquinas de la central, donde mediante turbinas hidráulicas se produce la electricidad en alternadores.
  • Las centrales fluyentes o de pasada. Éstas funcionan igual que las centrales hidroeléctricas de embalse pero no tienen capacidad de almacenamiento del agua.
  • Las centrales reversibles o de bombeo, constan de dos embalses situados a distintas cotas y sus máquinas tienen la peculiaridad de poder funcionar indistintamente como turbinas y como bombas.  En los momentos en que el sistema eléctrico demanda más electricidad el agua del embalse superior se turbina al embalse inferior generando electricidad. Cuando la demanda de energía eléctrica es baja, el agua es bombeada al embalse superior.

 

Pero quizás sea mejor ver unos vídeos explicativos sobre el tema. Espero que os gusten.

(más…)

17 enero, 2015
 

Publicada By  Víctor Yepes Piqueras - Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria, TIPOLOGÍAS DE OBRAS Y PLANTEAMIENTOS CONSTRUCTIVOS    

La ósmosis ocurre cuando se ponen en contacto dos fluidos con diferentes concentraciones de sólidos disueltos se mezclarán hasta que la concentración sea uniforme. Si estos fluidos están separados por una membrana permeable (la cual permite el paso a su través de uno de los fluidos), el fluido que se moverá a través de la membrana será el de menor concentración de tal forma que pasa al fluido de mayor concentración.

Esto ocurre en situaciones normales, en que los dos lados de la membrana estén a la misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración de sales. Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Téngase en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración. (más…)

31 enero, 2014
 
|   Etiquetas: ,  ,  ,  ,  |  

Publicada By  Víctor Yepes Piqueras - HISTORIA DE LA INGENIERÍA CIVIL, Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria, TIPOLOGÍAS DE OBRAS Y PLANTEAMIENTOS CONSTRUCTIVOS    

Sistema hidráulico de Jawa (Jordania)

¿Una presa en la Edad del Bronce? Como vamos a comprobar a continuación en este breve post, resulta sorprendente ver cómo en aquella época se empezaron a manejar, de forma totalmente intuitiva, conceptos básicos en ingeniería de presas como el de núcleo, impermeabilización, etc.  Lo cierto es que, hace 5000 años, apareció una ciudad en medio del desierto que pudo tener perfectamente 2000 habitantes y cuya supervivencia se debió a una gestión inteligente del agua. Y cuya desaparición ocurrió cuando este sistema de suministro sucumbió.

Siempre resulta arriesgado afirmar cuál ha sido la primera vez que alguien ha hecho algo. Lo mismo ocurre con las construcciones, y en particular, las presas. En este caso, vamos a dedicar unas líneas a las presas más antiguas conocidas, localizadas en Jawa, a unos 100 km al nordeste de la capital jordana de Ammán. Se trata de un sistema de suministro de agua que se construyó alrededor del 3000 a.C. que tuvo un breve pero intenso esplendor en aquella época. Realmente se trataba de cinco embalses, con una capacidad conjunta próxima a 46.000 m3, capaces de generar un espacio habitable en medio del desierto. La idea era captar las escorrentías de lluvias en los cortos inviernos y de las pequeñas cuencas hidrográficas a través de Wadi Rajil, que alcanza a recoger 2.000.000 m3 en la actualidad y es probable suponer que en el pasado manejaban los mismos volúmenes, de los cuales solo el 3% s distribuía para la ciudad de Jawa.

Pero quizá lo que más nos interesa, por ser una construcción innovadora en su momento, es la presa mayor, de gravedad. Las presas y canales, aunque rudimentarias para los estándares modernos, estaban más allá de la capacidad de los agricultores y fueron construidas por sociedades organizadas en comunidad. Otras obras de gran escala, incluyeron sistemas de diques para minimizar los daños de las inundaciones. Su construcción se basa en una estructura de dos muros de mampostería seca con un núcleo de tierra. Tenía una altura de 4,50 m, una longitud de 80 m en coronación y un grosor en el núcleo de la presa de 2 m. En el frente del talón, aguas arriba de la presa, se dispuso una capa impermeable. La estabilidad de la estructura se consiguió con un terraplén aguas abajo. La elevación de la presa un metro más fue siguiendo los mismos principios, aunque el ancho del núcleo de tierra se incrementó a unos 7 m. Se dispuso un relleno de roca detrás del muro de aguas arriba para facilitar el drenaje durante el vaciado del embalse. De esta manera la pared fue protegida contra los riesgos de presiones traseras del agua.

Sección transversal de la presa Jawa

Por razones aún desconocidas, la ciudad sucumbió tan rápido como creció, quizá víctima de su propio éxito, por una presión demográfica excesiva sobre los sistemas de abastecimiento de agua.

 

3 noviembre, 2013
 

Publicada By  Víctor Yepes Piqueras - Infraestructuras hidráulicas, energéticas y de ingeniería sanitaria, TIPOLOGÍAS DE OBRAS Y PLANTEAMIENTOS CONSTRUCTIVOS    

La Compañía IBERDROLA ha invertido en el complejo Cortes-La Muela más de 1.500 millones de euros, 165 millones al área de Generación, cuyo principal proyecto es la construcción de La Muela II. Gracias a la puesta en marcha de los cuatro grupos reversibles que se van a instalar en la central de La Muela II, de cara a aprovechar el desnivel de 500 metros existente entre el depósito artificial de La Muela y el embalse de Cortes de Pallás. La caverna alberga cuatro grupos reversibles que suman 850 MW de potencia total en turbinación y 740 MW en bombeo. De este modo se amplia la potencia del aprovechamiento de los 630 MW actuales en turbinación a 1720, y los 555 MW de bombeo a 1280 MW.

Os dejo un vídeo sobre la construcción de esta central hidráulica de bombeo. Espero que os guste.

14 mayo, 2013
 
|   Etiquetas: ,  ,  |  

Universidad Politécnica de Valencia