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Hacia la sostenibilidad en la obra civil con soluciones prefabricadas de hormigón (I)

UNA PRIMERA APROXIMACIÓN HACIA LA SOSTENIBILIDAD EN LA OBRA CIVIL CON SOLUCIONES PREFABRICADAS DE HORMIGÓN (I)

Alejandro López-Vidal (ANDECE) y Víctor Yepes (Universitat Politècnica de València)

Introducción

Figura 1.- Ciclo de vida que ilustra el proceso complete de la construcción mediante el empleo de elementos Prefabricados de hormigón — Figura 1.- Ciclo de vida que ilustra el proceso completo de la construcción mediante el empleo de elementos prefabricados de hormigón

Mientras tanto, la obra civil no ha evolucionado igualmente en esta materia. Aunque generalmente se trata de construcciones de mayor envergadura, los impactos sobre la sostenibilidad son mucho más difusos y no tienen una repercusión tan directa sobre la vida diaria de los ciudadanos.

Por estas razones, puede explicarse que los métodos de evaluación de la sostenibilidad para la obra civil no estén tan desarrollados como los existentes en la edificación, incluso con cierta dificultad para encontrar referencias sobre este campo. Esto puede implicar de alguna forma un obstáculo para la promoción técnica de los elementos prefabricados de hormigón, en un área que suele estar dominado por ingenieros que, en general, saben apreciar mejor las ventajas funcionales que esta metodología constructiva ofrece con respecto a otras.

Este artículo pretende describir las fortalezas que la construcción con prefabricados de hormigón tendrá en el inminente marco reglamentario sobre la sostenibilidad en la obra civil, como vía para mejorar sus posibilidades y lograr una mayor cuota de mercado. También se analizarán algunos de los indicadores de la sostenibilidad que ya aparecen en los borradores de normas actuales.

La razón de la sostenibilidad

Los conceptos de sostenibilidad y desarrollo sostenible se mencionan en casi cualquier actividad que esté relacionada con el uso de recursos, consumo de energía o el ambiente exterior. Pero ninguno de ellos son términos nuevos, habiendo evolucionado notablemente en las últimas décadas hasta el punto de tener una enorme importancia en muchas decisiones que se toman actualmente, especialmente en aquellos países o economías más avanzadas en las que existe una creciente preocupación por las consecuencias del cambio climático, la escasez de energía o el crecimiento demográfico.

La construcción tiene una tremenda influencia analizada desde los puntos de vista económicos (por su peso en el PIB), sociales (como generador de empleos, o como medio para resolver algunas necesidades básicas como la vivienda, o la creación de infraestructuras) y medioambiental (uso de recursos naturales, energía, o posibles daños al ambiente).

Las administraciones públicas son cada vez más conscientes acerca de que el modelo actual y reciente de construir puede (y debe) mejorar mucho:

Gases de efecto invernadero: ↓ 30 – 40%
Consumo de agua: ↓ 12 – 20%
Consumo de energía primaria: ↓ 35 – 40%
Consumo de materias primas: ↓ 30 – 40%
Ocupación del suelo: ↓ 20%

Es evidente que construyendo de forma más ecológica se conseguirá una notable reducción del impacto para lograr los objetivos marcados por los gobiernos y la sociedad en su conjunto. Sin embargo, la mayoría de los criterios calificados como sostenibles en la construcción no son nuevos, siendo muchos de ellos ya utilizados desde el pasado cuando seguramente se hacía un consumo más responsable de los recursos disponibles, bien porque no había otra posibilidad o bien porque no existía esa cultura que ha llevado a ciertos excesos arquitectónicos tan habituales en tiempos recientes.

Hay que remarcar igualmente que el enfoque sostenible puede correr cierto riesgo de ser malinterpretado, si se utiliza de manera desproporcionada. Vivimos una época en la que muchos productos de construcción son presentados directamente como el adalid de la sostenibilidad, algo que conlleva a pensar que debería realizarse un uso más moderado del término. Debemos ser muy cautos con la interpretación del término, así como con todo aquello que se nos presente como sostenible, debiendo ponerse siempre en el contexto adecuado. Es el caso, por ejemplo, de la madera que se presenta (casi) siempre como el material de construcción más sostenible, sin tener en consideración ningún otro factor como el marco climático, social, económico e incluso cultural del lugar donde se emplee, lo que provoca escepticismo en muchas ocasiones acerca de la validez del propio concepto.

Métodos de evaluación de la sostenibilidad

Existen ya un buen número de metodologías para evaluar cuánto tiene de sostenible un edificio o una infraestructura. Éstas pueden clasificarse como metodologías privadas o bajo procedimientos normalizados. Respecto a los sistemas privados de certificación, deben destacarse BREEAM ^[1] que fue el primer método de evaluación de la sostenibilidad de los edificios, desarrollado en el Reino Unido en 1990 por el Building Research Institute; y la herramienta LEED ^[2], desarrollada en 1996 y operada por el U.S. Green Building Council. Ambos sistemas de certificacion están expandidos a nivel mundial. Otros sistemas conocidos son el SBTool (Canada), HQE (Francia) o el DGNB (Alemania). Un aspecto común a todos ellos es que están orientados a edificación.

Respecto a modelos de evaluación de la sostenibilidad de infraestructuras, pueden destacarse los programas CEEQUAL y SUNRA.

La reciente proliferación de este tipo de procedimientos provoca cierta dificultad en realizar comparaciones comprensibles entre distintos programas, e incluso entre una construcción ecológica frente a la tradicional. Para hacer frente a esta gran cantidad de métodos de cuantificación de la sostenibilidad, las dos principales organizaciones mundiales de normalización, CEN (Europa) e ISO (Internacional) han comenzado a desarrollar sus propias normas. En el caso de ISO, los comités que tratan con aspectos de construcción sostenible son los TC207, ISO TC59 SC17 e ISO TC71SC8. En cuanto a CEN, se hace a través del comité TC 350, dividido en seis grupos de trabajo siendo el WG6 el dedicado a la obra civil

Los métodos de evaluación de la sostenibilidad en los tres ejes – medioambiental, social y económico – de las obras de ingeniería civil establecidos en las normas tienen en cuenta los aspectos de comportamiento y los impactos para que puedan ser cuantificados, sin lugar a interpretaciones subjetivas y conducentes a resultados claros de cada indicador que se evalúe.

Las normas ISO 21931-2 ^[3] y EN 15643-5 ^[4] son las que establecen el marco que definen los métodos de evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras. Ambas normas se encuentran todavía en fase de análisis, por lo que aún habrá que esperar 1 o 2 años hasta su aprobación.

En lo que se refiere a nivel de productos o elementos constructivos, se deben destacar las normas ISO 21930 ^[5] y EN 15804 ^[6]. Ambas normas presentan un esquema similar. Las dos proporcionan las reglas de categoría de producto (acrónimo en inglés, PCR) básicas para llevar a cabo las declaraciones ambientales (acrónimo en inglés, EPD) o etiquetas Tipo III de cualquier producto o servicio de construcción, definiendo los parámetros a declarar y la forma en que se recopilan y se consignan en los informes, las etapas del ciclo de vida de un producto que hay que considerar, o las reglas para el desarrollo de escenarios. Estas normas establecen la base para estimar los valores que corresponden a más de 20 indicadores ambientales, los cuales pueden organizarse en tres categorías:

Indicadores de impacto ambiental: potencial de calentamiento global; potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférica; potencial de acidificación de tierra y agua; etc.
Indicadores de uso de recursos: uso de energía primaria renovable; uso de energía primaria no renovable, uso neto de agua corriente; etc.
Indicadores que describen categorías de residuos: residuos peligrosos y no peligrosos vertidos; residuos radiactivos vertidos; etc.

En este sentido, hay que aclarar que la evaluación del comportamiento social y económico a nivel de producto todavía no está cubierta en las normas, al menos a nivel europeo.

Y de manera más particular, debe destacarse el hecho importante de que el Comité Europeo de Normalización para los productos prefabricados de hormigón, el CEN/TC 229, acaba recientemente de iniciar los trabajos que llevarán a definir una norma específica que establezca las reglas de categoría de producto para la emisión de declaraciones ambientales de producto tipo III para tales productos prefabricados.

Debe también remarcarse otro hecho significativo. Frente a la estrategia seguida por la mayoría de materiales de construcción que sólo declaran los parámetros medioambientales hasta el final del proceso productivo sin tener en cuenta los impactos del resto del ciclo de vida, lo que se conoce como de “cuna a puerta”, las declaraciones ambientales de los productos prefabricados de hormigón se basarán en el ciclo completo, es decir, la opción denominada “de cuna a tumba”, permitiendo que todos los consumidores conozcan todos los impactos obtenidos en el ciclo de vida total, incluso hasta la fase de demolición o deconstrucción de la obra, o la posible reutilización de elementos en otra construcción en el futuro.

Referencias

[1] BREEAM, Building Research Establishment Environmental Assessment

[2] LEED, Leadership in Energy and Environmental Design

[3] Draft ISO 21931-2 Sustainability in building construction — Framework for methods of assessment of the sustainability performance of construction works. Part 2: Civil Engineering Works

[4] Draft EN 15643-5 Sustainability of construction works – Sustainability assessment of buildings and civil engineering works – part 5: framework on specific principles and requirement for civil engineering works

[5] ISO 21930:2007 Sustainability in building construction – Environmental declaration of building products

[6] UNE-EN 15804:2012+A1:2014 Sostenibilidad en la construcción. Declaraciones ambientales de producto. Reglas de categoría de producto básicas para productos de construcción.

Sobre los autores:

Alejandro López-Vidal. Nacido en 1978. Ingeniero Industrial por la Universidad de León. Ha desempeñado diversos cargos en ANDECE (Asociación Española de la Industria del Prefabricado de Hormigón) desde 2008, pasando a ocupar el puesto de Director Técnico en 2013. Es miembro de varias organizaciones relacionadas con la industria del prefabricado de hormigón, como son las Comisiones Técnica y Medioambiental de BIBM, o siendo el delegado español en el Comité de Normalización Europeo CEN/TC 229. Es Coordinador del Primer Máster Internacional sobre Construcción con Prefabricados de Hormigón en lengua hispana. Como aspectos interesantes relativos a la construcción sostenible, es secretario técnico del comité espejo español del CEN/TC 350 para los temas de sostenibilidad en la edificación, y colabora actualmente con el Grupo de Trabajo 6.15 de la FIB que está desarrollando un nuevo documento sobre la sostenibilidad de las estructuras prefabricadas.

Víctor Yepes. Nacido en 1964. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático Acreditado por ANECA y Profesor Titular en la Universitat Politècnica de València. Actualmente está implicado en varios proyectos de investigación relacionados con la optimización y la evaluación del ciclo de vida de las estructuras de hormigón. Imparte clases sobre métodos de construcción, innovación y gestión de la calidad. Es además director del Máster en Ingeniería del Hormigón. También es investigador senior en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y dirige el Proyecto de investigación BRIDLIFE: “Toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados en términos de eficiencia social y medioambiental, bajo presupuestos ajustados”.

Traviesas prefabricadas de hormigón para vía con balasto

Traviesas de hormigón prefabricado. Fuente: http://www.prefabricadosdelta.com/

Las traviesas que recogen la vía y se apoyan sobre el balasto constituyen, junto con la vía en placa (sin balasto), dos posibilidades de gran interés en el caso de utilizar elementos prefabricados de hormigón. Recordemos aquí que el balasto es la base de la vía, formada por áridos de una granulometría variable entre 40 y 150 mm aproximadamente, cuyo objetivo es estabilizar el conjunto de la vía.

Las traviesas prefabricadas de hormigón, también denominadas durmientes en muchos países de Latinoamérica, son un tipo de traviesas que aparecen ante la necesidad de buscar elementos más baratos y abundantes que la madera. Aparecen por primera vez en la Primera Guerra Mundial. Tras muchos intentos y pruebas comienza a consolidarse en el mercado ferroviario a partir de los años 50, cuando se empieza también a constatar su superioridad técnica. Su misión principal es servir de soporte a los raíles y transmitir las cargas al balasto de la vía, constituyéndose actualmente como la solución más empleada en líneas de ferrocarril convencionales, alta velocidad (campo cada vez más interesante en todo el mundo por los miles de kilómetros que hay en proyecto o ejecución) e incluso en líneas de metro urbano.

Cada administración ferroviaria dispone de uno o varios modelos caracterizados fundamentalmente por su geometría y tolerancias, momentos característicos en secciones críticas y valores de los momentos de ensayo para los ensayos de homologación. Cada fabricante dispone de una tecnología propia de diseño y fabricación para cumplir los requisitos de la administración ferroviaria. Son elementos muy normalizados; a destacar, la norma Europea EN 13230 y su traslación española ET033605718b. Se trata de un elemento totalmente industrializado, por lo que de fábrica ya debe salir terminado y con el resto de elementos necesarios incorporados, tales como los sistemas de sujeción con la vía o incluso suelas elásticas para mejorar el apoyo. Por otra parte este pre-montaje es necesario para asegurar la precisión geométrica final. Además de la precisión geométrica y prestaciones mecánicas (resistencia a fatiga), el peso y superficie de apoyo son importantes por razones de estabilidad y degradación del balasto.

Se pueden distinguir diversas tipologías: las traviesas bibloque de hormigón armado que constan de dos piezas de hormigón unidas por una barra de hierro, y las traviesas monobloque de hormigón pretensado, siendo estas últimas las más utilizadas. A su vez, podemos encontrarnos con traviesas polivalentes que permiten el desplazamiento de los carriles para adaptarse a dos anchos de vía (caso de países en que confluyan medidas entre carriles diferentes, como sucede por ejemplo entre España y los países limítrofes), mediante el cambio simultáneo de las fijaciones hacia dentro o hacia afuera. Y traviesas de tres hilos, que también se adaptan a dos anchos de vía, pero teniendo una línea de fijación inmóvil y otra formada por dos posiciones desplazadas más de 200 mm que permiten la utilización simultánea en ambos anchos. Ambos modelos han sido desarrollados originalmente en España.

Otros modelos específicos son:

Las traviesas de desvío, que se utilizan en enlaces entre vías o tramos especiales;
Traviesas con suela elástica, empleadas para el reforzamiento de la construcción de vías sobre balasto; adecuadas especialmente para terrenos desiguales difíciles, como transiciones sensibles de la traza entre las obras de tierra y los túneles, o puentes.

Trazado esquemático de las traviesas polivalentes. ADIF. Fuente: http://www.adif.es/

Sus mayores ventajas derivan de su fabricación bajo un sistema de aseguramiento de la calidad más elevado, especialmente por la necesidad de emplear materias primas de altas prestaciones, un control minucioso en la fase de producción y la obligación de llevar a cabo ensayos mecánicos sobre el producto terminado. El control dimensional implica una gran precisión geométrica de las piezas. La precisión exigida (+2mm, -1mm) sobre una base de 1.700 mm es la más alta sobre ningún elemento de hormigón estructural, pensando sobre todo en la variación dimensional a los largo del tiempo por fluencia y retracción. Son elementos que aseguran una durabilidad elevada, para los esfuerzos mecánicos y condiciones ambientales adversas a las que estarán expuestos durante su vida útil. Esto obliga a materiales y procesos de curado exigentes. Además, son elementos de escaso mantenimiento (conserva prácticamente inalterables sus características resistentes iniciales) y su colocación se hace de forma mecanizada (grandes rendimientos de ejecución). Por el contrario, su alto peso (en torno a 300 kg) hace que su manejo, a no ser por medios mecánicos, sea más difícil, aunque esto ayuda a mejorar la estabilidad de la vía adhiriéndose mejor al balasto.

Os dejo a continuación un vídeo de la fabricación de este tipo de traviesas prefabricadas.

Referencias:

CURSO DE ESPECIALIDAD BÁSICA – CONOCIMIENTO DE LA CONSTRUCCIÓN INDUSTRIALIZADA CON PREFABRICADO DE HORMIGÓN O CONCRETO. Maestría Internacional en Soluciones Constructivas con Prefabricados de Hormigón o Concreto, organizada por ANDECE y STRUCTURALIA. (link)

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Cubas aéreas en plantas de prefabricados de hormigón

El vertido de la mezcla del hormigón fresco en el molde en las plantas de prefabricados debe realizarse en el menor tiempo posible, siendo los sistemas más habituales los cubilotes y las cubas aéreas. Los actuales sistemas de distribución del hormigón fresco permiten una distribución del hormigón de forma flexible y rentable a cualquier parte de la planta de prefabricados de hormigón que lo necesite. Los sistemas son muy económicos pues no necesitan de personal para manejarlos ni se requiere la capacidad de una grúa. Los sistemas no interfieren con el tránsito interno de la planta puesto que dejan el suelo libre para las operaciones de producción.

Las cubas aéreas (o vagonetas móviles) están disponibles en tamaños que van desde 1 a 3 m3. Están disponibles tanto para sistemas de raíl simple o doble, con controles totalmente automáticos o semi-automáticos. Las cubas aéreas son apropiadas tanto para tramos rectos como para curvos, pueden dominar pendientes e inclinaciones hasta un ángulo máximo de 10- 12º. La descarga de la cuba se produce por simple volteo.

Referencias:

ANDECE-STRUCTURALIA (2014). “Módulo 5 Fabricación. Curso de especialidad básica – Conocimiento de la construcción industrializada con prefabricado de hormigón o concreto. Maestría Internacional de Soluciones Constructivas con Prefabricados de Hormigón o Concreto”. http://capacitacionprefabricados.com/

¿Hacia dónde van los prefabricados de hormigón?

Os presento a continuación un vídeo de 1 hora del webinar celebrado el 1 de diciembre y organizado por ANDECE y STRUCTURALIA, para, por un lado, presentar la situación actual del mercado, la creciente demanda de construcciones sostenibles y el encaje del prefabricado de hormigón como tecnología puntera y con un gran margen de crecimiento todavía. Espero que os sea de interés.

Mesas basculantes para la fabricación de paneles prefabricados

Mesa-basculante-12 — Mesa basculante para paneles prefabricados. Vía http://moldtechsl.es

Los paneles de hormigón prefabricado se han usado en las fachadas de los edificios desde los años 50 del siglo XX bajo el impulso de importantes arquitectos como Le Corbusier, Ropius, Aalto y otros. Desde ese momento, los paneles prefabricados de fachada han evolucionado significativamente, con una tendencia hacia unidades cada vez de mayor tamaño y peso. Hoy en día se incorporan a dichas piezas el aislamiento y los acabados interiores y exteriores.

Las mesas basculantes facilitan la prefabricación de estos paneles de hormigón al permitir la basculación y la extracción de las piezas. Esta basculación se realiza mediante cilindros hidráulicos telescópicos. Suelen contar las mesas con una o dos bandas laterales, que pueden ser fijas, abatibles o regulables en altura, según el tipo de panel a fabricar. Las mesas basculantes incorporan un sistema de vibración eléctrico o neumático para compactar el hormigón. También es posible incorporar sistemas de tuberías de calefacción para acelerar el curado del hormigón.

Historia de la prefabricación del hormigón

Alejandro López Vidal y David Fernández Ordoñez acaban de publicar una reseña de gran interés sobre la construcción con prefabricados de hormigón (http://www.andece.org/IMAGES/BIBLIOTECA/historia_prefabricados_noticreto.pdf). Este artículo se ha publicado en la revista Noticentro, en su número 133 correspondiente a noviembre y diciembre de 2015. Espero que os sea interesante su lectura.

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Hacia la sostenibilidad en la obra civil con soluciones prefabricadas de hormigón

https://www.tomorrow.city/es/son-las-casas-prefabricadas-la-solucion-al-acceso-a-la-vivienda-en-el-reino-unido/

La mayoría de avances alcanzados relacionados con los métodos estandarizados para cuantificar la sostenibilidad de la construcción, están fundamentalmente enfocados a la edificación más que a las infraestructuras, especialmente en su variante residencial. El impacto global de la edificación residencial es el mayor de todos, pues implica a los tres ejes de la sostenibilidad: medioambiental (emisiones de gases de efecto invernadero, derivados de los consumos de calefacción y/o refrigeración para lograr unas condiciones interiores confortables), social (la vivienda es una primera necesidad para las personas) y económico (suele representar el mayor gasto que afronta una persona a lo largo de su vida). Mientras tanto, la obra civil no ha evolucionado igualmente en esta materia. Aunque generalmente se trata de construcciones de mayor envergadura, los impactos sobre la sostenibilidad son mucho más difusos y no tienen una repercusión tan directa sobre la vida diaria de los ciudadanos. Por estas razones, puede explicarse que los métodos de evaluación de la sostenibilidad para la obra civil no estén tan desarrollados como los existentes en la edificación, incluso con cierta dificultad para encontrar referencias sobre este campo. Esto puede implicar de alguna forma un obstáculo para la promoción técnica de los elementos prefabricados de hormigón, en un área que suele estar dominado por ingenieros que, en general, saben apreciar mejor las ventajas funcionales que esta metodología constructiva ofrece con respecto a otras. Este artículo pretende describir las fortalezas que la construcción con prefabricados de hormigón tendrá en el inminente marco reglamentario sobre la sostenibilidad en la obra civil, como vía para mejorar sus posibilidades y lograr una mayor cuota de mercado. También se analizarán algunos de los indicadores de la sostenibilidad que ya aparecen en los borradores de normas actuales.

Referencia:

López-Vidal, A.; Yepes, V. (2015). Hacia la sostenibilidad en la obra civil con soluciones prefabricadas de hormigón. Una primera aproximación. PHi Planta de Hormigón Internacional, 5:18-24.

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Piezas prefabricadas para túneles con camión como encofrado

¿Se puede construir rápidamente un túnel usando un camión como apoyo y usando piezas prefabricadas? Os voy a dejar este vídeo donde se puede ver la originalidad del proceso constructivo. Además, no hay mejor forma de ver cómo funcionan las piezas que conforman un arco. Espero que os guste.

En este otro vídeo se muestra cómo se puede construir un arco también con piezas prefabricadas a modo de dovelas.

Hacia la sostenibilidad en la obra civil con soluciones prefabricadas de hormigón. Una primera aproximación

Referencia:

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Cimentaciones prefabricadas en aerogeneradores

Aerogenerador de Unión Fenosa en la provincia de León (España). 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.

Los aerogeneradores operan bajo regímenes de carga muy exigentes (Burton et al., 2001), cuyos efectos podrían reducir la integridad estructural y provocar costes de mantenimiento y reparación inaceptables. Rebelo et al (2014) abordan el estudio comparativo de la influencia del aumento de altura en el diseño estructural y los resultados de diferentes soluciones estructurales de un aerogenerador. Sus conclusiones indican 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, dejan de ser competitivas por encima de los 100 m de altura, especialmente debido a las dimensiones necesarias de la cimentación ante el riesgo sísmico, que pueden incrementar el volumen de hormigón en los cimientos hasta un 75 %. Sin embargo, según refiere Lofty (2012), la prefabricación de la torre con hormigón es muy interesante 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, así como a la fuerza vertical provocada por el viento. Sin embargo, las fuerzas horizontales provocadas por el viento son preponderantes y generan un gran momento flector en la base debido a la gran altura de la torre. La torre suele ser prefabricada, con forma troncocónica, y se conecta 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.

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 que 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. El objetivo es garantizar la estabilidad de la estructura y asegurar una transmisión de cargas al terreno con la intensidad adecuada para que este no colapse. En ocasiones, los terrenos no permiten dicho anclaje, por lo que es habitual el uso de zapatas masivas de hormigón armado. No obstante, las geometrías empleadas en planta son muy diversas. Se utilizan soluciones con planta poligonal, circular e incluso cruciforme, siendo esta última un caso muy aislado. Herrando (2012) ha comprobado que, para un aerogenerador de 100 m de altura y 3,5 MW 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

Las ventajas de la prefabricación son evidentes, ya que incluso se reduce la cantidad de material necesario respecto a cimentaciones ejecutadas in situ. La prefabricación reduce los problemas derivados del hormigonado in situ de grandes volúmenes, que no solo generan problemas importantes cuando los accesos se encuentran alejados de las plantas de fabricación de hormigón, sino que también incrementan considerablemente el calor de hidratación en el fraguado del hormigón y pueden reducir el número de días de trabajo efectivo si se producen temperaturas extremas. Además, teniendo en cuenta que la vida útil de un aerogenerador puede ser de entre 20 y 25 años, la prefabricación facilita la fase de desmantelamiento de las instalaciones. En el mercado se han generado cimentaciones alternativas en las que una parte o la totalidad de la cimentación se realiza con piezas prefabricadas. Así, algunas patentes europeas y americanas, como, por ejemplo, DK200100030 (2001) y WO2004101898A2 (2004), han desarrollado soluciones de cimentación prefabricadas para pequeñas instalaciones, aunque no está claro que se hayan construido realmente (Nilsson, 2012). Empresas como Gestamp Hybrid Towers ofrecen diseños de cimentaciones prefabricadas para torres en forma de T invertida que pretenden combinar eficiencia y ductilidad. La empresa burgalesa ARTEPREF patentó también una cimentación prefabricada para este tipo de torres. Además, estas soluciones suelen unir las piezas prefabricadas con hormigón fresco. Por tanto, el elemento clave en el diseño de este tipo de cimentaciones es la forma en 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 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 a la hora de diseñar un método de cálculo para las juntas de las piezas prefabricadas de este tipo de cimentaciones. Asimismo, una de las claves es poder justificar 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
YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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