Diseño geotécnico para cimentaciones de turbinas eólicas offshore

SOBRE EL DISEÑO GEOTÉCNICO DE CIMENTACIONES PARA AEROGENERADORES OFFSHORE

La industria de energía proveniente de aerogeneradores offshore se encuentra en un momento óptimo desde su aparición. Tras haber dependido varias décadas de subsidios europeos, los avances tecnológicos y la estandarización de conocimientos debido a la inmensa cantidad de recursos invertidos en la industria han permitido rebajar el coste de esta energía verde hasta un punto en el que es competitivo frente a la energía proveniente de los combustibles fósiles. Sin embargo, el hecho de que sean los gobiernos nacionales los que cedan el terreno marino para el desarrollo del parque, significa que este tipo de energía aún está sujeta a decisiones políticas.

En este artículo se trata de introducir al lector en el diseño geotécnico de cimentaciones para aerogeneradores offshore. El comportamiento de este tipo de estructuras es de alta complejidad debido a la peculiaridad de las cargas a las que la estructura está sometida. Las tormentas, los tifones y los terremotos provocan cargas cíclicas complejas sobre la estructura y éstas son transmitidas por la subestructura a la cimentación, que está en contacto directo con el subsuelo marino. Generalmente el tipo de cimentación es elegido tras una serie de fases de estudios preliminares y de concepto en las que el subsuelo marino y la profundidad del mar tienen gran importancia.

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Figura 1 Representación conceptual de un aerogenerador offshore en un terreno aleatorio y con subestructura y cimentación indeterminadas.

La estructura donde se apoyan los aerogeneradores marinos consta de una parte llamada subestructura y de la cimentación. Existen diferentes tipos de subestructuras que soportan los aerogeneradores y están anclados al suelo marino mediante las cimentaciones. Entre las subestructuras más utilizadas están el macro pilote, los trípodes y las chaquetas. La subestructura condiciona el modo en que las cargas son transmitidas a la cimentación. Los diferentes tipos de cimentaciones que son utilizados en la industria son los (macro) pilotes, los cimientos de gravedad y las cubetas de succión En el caso de los cimientos de gravedad, un gran esfuerzo cortante es transmitido y debe ser resistido por la base. Este tipo de cimientos son generalmente instalados en terrenos competentes para resistir las grandes cargas de compresión. En el caso de los macro pilotes una gran carga horizontal y momento son transmitidos al terreno mediante el movimiento lateral del mismo. Por último, las chaquetas transmiten a la cimentación cargas axiales de compresión y de tensión.

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Figura 2 Representación conceptual de varios de los diferentes tipos de cimientos y subestructuras más conocidos para aerogeneradores offshore.

El diseño de cimentaciones para aerogeneradores offshore requiere de un detallado conocimiento geofísico y geotécnico del suelo y subsuelo marinos, por lo que se lleva a cabo una o varias campañas de investigación realizadas desde un buque.

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Figura 3 Buque “Fugro Synergy”, especializado en investigaciones geofísicas y geotécnicas (https://www.fugro.com).

En la campaña geofísica se investiga la batimetría del suelo, la profundidad marina, la estratigrafía, las posibles fallas y otros peligros geotécnicos que se puedan encontrar en el parque por medio de técnicas geofísicas como las investigaciones sísmicas multicanal o los ecosondas.

Figura 4 Ejemplo de batímetría de un parque de aerogeneradores offshore en el mar del norte (https://infrastructure.planninginspectorate.gov.uk).

En la campaña geotécnica se investiga la estratigrafía del suelo del parque y las características geotécnicas de las diferentes formaciones, que son identificadas mediante perforaciones, obtención de muestras del

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terreno y/o mediante la técnica de penetración de cono o CPT. Diferentes ensayos en el laboratorio en las muestras obtenidas son llevados a cabo para identificar las características geotécnicas del terreno. Entre los más avanzados destacan tests triaxiales cíclicos y tests de columna resonante.

Figura 5 Ejemplo de hoja de registro de una perforación en el mar báltico (Confidencial).

El diseño geotécnico de cimientos para aerogeneradores offshore requiere de una clara identificación de las cargas que actúan sobre la cimentación en diferentes escenarios como el estado límite último, el estado límite de servicio, en algunos países como en Alemania se requiere asumir un estado de tormenta de 35 horas y en países con riesgo sísmico como Estados Unidos o Taiwán se requiere asumir el estado de cargas ante un terremoto. Además, el diseñador debe de asegurar que el sistema completo no entrará en resonancia con las frecuencias de rotación de las aspas, teniendo una banda muy limitada de frecuencias de respuesta de la estructura. Todo lo explicado anteriormente requiere una serie de iteraciones con el fabricante de aerogeneradores, que suelen tener una duración de 3 a 6 semanas, individualmente.

El diseñador también tiene que tener en cuenta que los cimientos puedan ser instalados en el subsuelo marino, para ello utilizando diferentes técnicas que pueden influir en la interacción de la estructura con el terreno y alterando su rigidez, teniendo un impacto directo en la frecuencia del sistema.

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Figura 6 Representación conceptual de la delgada franja de frecuencias (soft-stiff) en las que se diseñan el sistema aerogeneradorsubestructura+cimiento (ref. /1/).

Generalmente el sistema es diseñado para la franja “soft-stiff”, ya que el diseño en “stiff-stiff” sería altamente costoso y el diseño en la franja” soft-soft” tendría una gran amplificación dinámica de de las cargas por oleaje.

En general, en la industria de cimientos para aerogeneradores offshore el coste de realizar modelos 3D en softwares comerciales de elementos finitos y la optimización de los diseños es demasiado alto. Por ello, se recurre a estos modelos en casos muy concretos. Los diseñadores deben tener una herramienta rápida, segura y eficaz para analizar el comportamiento de los cimientos en cada posición del parque. En el caso de los pilotes, la interacción de la estructura con el terreno se simula generalmente mediante modelos que están basados en la suposición de una viga sobre un terreno elástico, llamados modelos tipo Winkler. Esta viga está dividida en elementos, cuyos nodos asumen una rigidez que depende de la respuesta de la estructura, simulando el efecto no lineal del terreno. Las curvas de interacción del terreno-estructura aplicados en los nodos se llaman curvas p-y, y han sido utilizadas durante más de cinco décadas en la industria del petróleo y gas.

Figura 7 A la izquierda una representación conceptual del modelo tipo Winkler para analizar la capacidad lateral de un (macro) pilote, a la derecha ejemplo de curvas de reacción p-y en los nodos de una representación de un pilote como una viga (ref. /3/).

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En el estado límite último se diseña el cimiento para transmitir las cargas al terreno debido a un evento singular de altura de ola con un periodo de retorno de 50 años, en el que el aerogenerador se encuentra parado. Ha habido casos en los que este evento ha ocurrido durante los primeros meses de vida del parque eólico, incluso en algunos casos aislados la altura de ola experimentada en una estructura marina durante una tormenta ha sido muy superior a la altura de ola de diseño, llegando a los 18.5 metros de altura y causando daños importantes en la estructura (ref. /2/).

Figura 8 Video de “Monster Wave” en una plataforma petrolífera en el Mar del Norte en 1995 (https://www.youtube.com/watch?v=K_JOBOvJEOg ).

En el estado límite de servicio se diseña el cimiento para transmitir las cargas al terreno mientras el aerogenerador está en funcionamiento y las cargas cíclicas y transitorias producen una deformación permanente. El requerimiento en este caso viene por parte del fabricante de aerogeneradores, que no quiere ver cómo su aerogenerador está inclinado más de 0.5 grados con respecto a la vertical, debiendo tener en cuenta una tolerancia de inclinación durante la instalación del cimiento, que suele reducir este margen hasta los 0.25 grados. Este requerimiento se encuentra en un debate constante con todos los organismos involucrados, en el que los diseñadores y los clientes intentan elevar este límite ya que el aerogenerador está diseñado para funcionar con inclinaciones mayores, y el límite puede haber estado impuesto en los inicios más por un efecto visual, que sería más impactante en aerogeneradores onshore, que por una consecuencia técnica. Los macro pilotes generalmente disponen de una pieza de transición que se coloca entre el aerogenerador y el macro pilote que permite corregir la inclinación del mismo después de la instalación.

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Figura 9 Ejemplo de piezas de transición para London Array Offshore Wind Farm (http://www.cowi.com).

En los supuestos anteriores, además, el diseñador debe tener en cuenta el efecto de degradación del terreno debido a las cargas cíclicas. En países como en Alemania, la norma nacional obliga al diseñador, además, a considerar un supuesto adicional de una tormenta de una duración de 35 horas en las que la rotación no elástica acumulada en la estructura no debe sobrepasar el límite anteriormente mencionado. Las simulaciones de series temporales de cargas que actúan sobre la estructura durante la tormenta son calculadas en las iteraciones mencionadas anteriormente por el fabricante de aerogeneradores mediante modelos complejos.

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Figura 10 Ejemplo de momento actuando a nivel del lecho marino sobre una subestructura de un aerogenerador offshore durante una tormenta de 35h.

En la comprobación de que el sistema se encuentra en la estrecha banda permisible de frecuencias y en la comprobación contra un fallo estructural en estado límite último o en estado límite de fatiga estructurales, el comportamiento del terreno suele ser simplificado mediante una linealización de la interacción de la estructura con el terreno. Esto es debido a que los softwares comerciales de análisis de estructuras mediante el método de los elementos finitos que permiten el cálculo de la frecuencia natural de una estructura compleja, no incluyen modelos constitutivos del terreno avanzados.

Este artículo pretende dar una corta introducción a la parte geotécnica del diseño de cimentaciones de aerogeneradores offshore, y a cómo la industria hoy modela la interacción de las mismas con el terreno. Por este motivo, el objetivo de este artículo no es dar una explicación técnica y detallada de los diferentes tipos de cimentaciones y técnicas de instalación de los mismos, o de los modelos de interacción de estructuras con el terreno, o entrar en profundidad en el diseño de los mismos, sino proveer al lector de una base y de unas referencias que le motiven a profundizar en la materia y a leer futuros artículos más concretos y técnicos, así como a animar al lector a proponer y compartir sus ideas para una industria en continuo desarrollo.

Referencias/1/ Guo, Z., Yu, L., Wang, L., Bhattacharya, S., Nikitas, G., & Xing, Y. (2015). Model tests on the long-

term dynamic performance of offshore wind turbines founded on monopiles in sand. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 137(4), 041902.

/2/ Hansteen, O. E., Jostad, H. P., & Tjelta, T. I. (2003). Observed platform response to a ‘monster’wave. Field measurements in geomechanics, Oslo, Norway, 15-18.

/3/ DNVGL-ST-0126 “Support structures for wind turbines”, April 2016.