ANEXO_F_-_DISENO_FUNDACION_SUPERFICIAL_AEROGENERADOR_G97_T9

10423-04-01-SGMA-PTA-001-13 Versión A Mar - 2012

ANEXO F

DISEÑO FUNDACIÓN SUPERFICIAL AEROGENERADOR G97 T9

(DOCUMENTO 11269-03-04-IICE-MCA-003 VERSIÓN A)

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11269-03-04-IICE-MCA-003 Mar - 2012 Versión A

11269-03-04-IICE-MCA-003 MEMORIA DE CÁLCULO

PE Renaico - Diseño Básico, Doc.Licitación y Revisión de Ofertas Diseño Fundación Superficial Aerogenerador G97 T9

1. IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO .........................................................2 2. IDENTIFICACIÓN DEL ELEMENTO CALCULADO ......................................3 3. ANTECEDENTES RELACIONADOS CON EL ELEMENTO CALCULADO ........3 3.1 Normas y Criterios de Diseño ..............................................................3 3.2 Documentos Técnicos y Antecedentes .................................................3 4. BASES DE DISEÑO ..............................................................................4 4.1 Materiales.........................................................................................4 4.2 Características del suelo de fundación ..................................................4 5. SOLICITACIONES O CONDICIONES DEL ELEMENTO................................6 5.1 Solicitaciones de diseño según norma DIN1054.....................................6 5.2 Solicitaciones sísmicas .......................................................................7 6. DEFINICIÓN DEL MODELO....................................................................9 7. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD................................................................10 7.1 Consideraciones de Carga .................................................................10 7.2 Análisis de Estabilidad al Deslizamiento ..............................................11 7.3 Excentricidad y Tensiones Máximas ...................................................11 8. MODELACIÓN CON ELEMENTOS FINITOS............................................12 8.1 Características de la Modelación........................................................12 8.2 Armaduras en Dado de Fundación......................................................12 9. CONCLUSIONES................................................................................13

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11269-03-04-IICE-MCA-003 MEMORIA DE CÁLCULO

PARQUE EÓLICO RENAICO – DISEÑO BÁSICO Diseño Fundación Superficial Aerogenerador G97 T9

1. IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO El proyecto eólico Renaico consiste en un parque eólico situado a 15 km. al noreste de la ciudad de Angol, Región de La Araucanía, que considera la instalación de 44 Aerogeneradores con una potencia instalada aproximada de 106 MW en un área de 940 ha.

Figura 1: Ubicación Parque Eólico Renaico

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2. IDENTIFICACIÓN DEL ELEMENTO CALCULADO Con los antecedentes de los aerogeneradores tipo para el proyecto junto con la campaña geotécnica realizada en el lugar de emplazamiento del proyecto (diciembre de 2010 y complementada con otra campaña geotécnica realizada entre septiembre y noviembre de 2011), se ha procedido a diseñar las fundaciones de los aerogeneradores a nivel de ingeniería básica. En función de los resultados de las campañas geotécnicas, la utilización de un sistema de mejoramiento de suelo en base a pilas de grava compactada y a las solicitaciones inducidas por los aerogeneradores al terreno se ha definido que las fundaciones podrán ser superficiales. Para el diseño de fundaciones se consideraron las solicitaciones del aerogenerador G97 con torre de 90 m de altura. Se utilizaron estos datos como referencia.. 3. ANTECEDENTES RELACIONADOS CON EL ELEMENTO CALCULADO 3.1 Normas y Criterios de Diseño

- IEC-61400-1 Ed. 3. - Wind turbines – Part 1: Design requirements. - NCh 2369 – Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales. - GD-E01 – Guía de diseño estructural ENDESA. - ACI-318 – Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural y

Comentario. - ACI-543 – Design, Manufacture, and Installation of Concrete Piles. - Manual de Carreteras: Volumen 3 – Instrucciones y criterios de diseño.

3.2 Documentos Técnicos y Antecedentes

- GD092758-es Rev. 0 – Cargas de diseño G97 y Definición de interfaces.

- Informe Geotécnico 11269-80-02-IIAG-ITE-003.

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4. BASES DE DISEÑO 4.1 Materiales

Acero armadura: A630-420H Fy = 4.200 kgf/cm^2 Fu = 6.300 kgf/cm^2 Es = 2,1E6 kgf/cm^2

Hormigón dado de fundación: H35 F’c = 300 kgf/cm^2 h = 2,5 ton/m^2 4.2 Características del suelo de fundación Se ha determinado para el análisis de estabilidad, que la fundación debe cumplir con los siguientes criterios de estabilidad al deslizamiento y excentricidades máximas: 4.2.1 Seguridad al Deslizamiento Para que la estructura sea estable frente a las fuerzas de deslizamiento debe cumplirse la siguiente condición: FRESISTENTES FDESLIZANTES Donde:

tan

NF SRESISTENTE

N =Componente normal al plano de deslizamiento de la resultante

de las cargas. � =Angulo de roce residual en el plano de deslizamiento. � =Coeficiente de seguridad relativo al roce. FDESLIZANTES =Resultante paralela al plano de deslizamiento de las cargas

deslizantes. Factores de seguridad:

Condición Normal: 1,5 Condición Eventual: 1,3

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4.2.2 Excentricidad y Tensiones Máximas Se puede prescindir de la verificación de la seguridad al volcamiento si se cumple lo siguiente: Para Condiciones Normales. Fundación 100% apoyada. Para Condiciones Eventuales. Fundación 75% apoyada. Los valores de tensiones máximas obtenidas en este análisis se utilizaron como condición inicial en el diseño del mejoramiento de suelo en base a pilas de grava (documento 11269-80-02-IIAG-ITE-003).

Con el objeto de efectuar el cálculo estructural de la fundación de realizó un modelo con la siguiente constante de balasto vertical:

K=10000 ton/m3

La modelación de los apoyos de la fundación se efectuó bajo el siguiente esquema, considerando solo la resistencia de las pilas de grava.

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5. SOLICITACIONES O CONDICIONES DEL ELEMENTO Las solicitaciones a aplicar a las fundaciones vienen dadas por los siguientes elementos:

- Peso propio de la estructura - Solicitaciones de viento del aerogenerador - Solicitaciones sísmicas

El documento GD092758-es Rev. 0 – “Cargas de diseño G97 y Definición de interfaces”, define los estados de carga a analizar para las solicitaciones de peso propio y solicitaciones de viento de la estructuras según las normas vigentes para aerogeneradores. Mientras que las solicitaciones sísmicas se pueden aproximar mediante el cálculo del coeficiente sísmico según la norma chilena y aplicándolo a la estructura del aerogenerador. 5.1 Solicitaciones de diseño según norma DIN1054 De acuerdo al documento GD092758-es, se definen 3 casos de carga de acuerdo a la norma DIN1054: Estado de carga 1: Situación de diseño Permanente o Temporal durante la vida útil de la estructura. Estado de carga 2: Situación de diseño Temporal durante la construcción o reparación de la estructura. Estado de carga 3: Situación de carga Accidental Estos tres estados de carga, de los cuales el estado de carga 1 puede definirse como situación normal, mientras que los estados de carga 2 y 3 pueden definirse como casos eventuales, se muestran en la siguiente Tabla:

Tabla 2: Solicitaciones de diseño según DIN1054

(Proporcionadas por el fabricante, doc. GD092758-es Rev. 0) Estado de carga Fx [ton] Fy [ton] Fz [ton] Mx [ton-m] My [ton-m] Mz [ton-m] Mxy [ton-m]1 - Normal 35.469 -0.934 -318.064 202.851 3100.12 30.931 3106.752 - Eventual 7.865 -0.273 -314.25 -80.774 814.228 -10.488 818.2253 - Eventual -88.359 23.612 -309.295 -1280.34 -7755.18 -12.612 7860.16

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Figura 2: Nomenclatura de solicitaciones

5.2 Solicitaciones sísmicas Para el cálculo de las solicitaciones sísmicas se considerarán los siguientes datos:

Tabla 3: Dimensiones y pesos G97 T90 (*)

Peso [ton] Centroide [m]

Buje 20,5 90 Nacelle 87,0 90 Torre 225,9 45 Aspas 21,6 90

(*): Los datos de la Tabla 3 provienen de catálogos generales de los fabricantes. El peso de la torre se aproximó como un promedio entre los datos de las torres de 78m y de 100m, el peso de las aspas corresponden a las aspas de los aerogeneradores G90 de Gamesa y el peso del buje y de la nacelle son los correspondientes a los aerogeneradores G8X de Gamesa. Para la obtención de las solicitaciones sísmicas se consideró la norma de diseño sísmico de ENDESA ETG1015. Suponiendo un periodo de la estructura aproximado de 2.4s (de acuerdo a valores obtenidos para otras estructuras de aerogeneradores) se obtienen los siguientes valores característicos de las solicitaciones sísmicas.

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R = 3 Factor de modificación de respuesta (Péndulo invertido) � = 0,02 Razón de amortiguamiento de la estructura

T* = 2,4 s Periodo fundamental de la estructura Ao = 0,4 g Aceleración efectiva máxima I = 1 Coeficiente de importancia de la estructura

Tipo de suelo = III

Ch = 0.12 Coeficiente sísmico horizontal a utilizar Cv = 0.08 Coeficiente sísmico vertical a utilizar

Las solicitaciones sísmicas se aplican como cargas horizontales y momentos calculados con los datos de los componentes del aerogenerador enunciados en la Tabla 3. Estas solicitaciones se combinan con el estado de cargas normales entregados por el proveedor para obtener dos nuevos estados de carga sísmicos eventuales: en el primero se aplicó el sismo vertical hacia abajo y en el segundo, se aplicaron las solicitaciones hacia arriba. En la siguiente Tabla se muestra un resumen de las cargas a aplicar al modelo.

Tabla N° 4: Resumen de solicitaciones

Estado de Fx Fy Fz Fxy Mx My Mz Mxy

Carga ton ton ton tm tm tm tm tm

1‐Normal 35.47 ‐0.93 ‐318.06 35.48 202.85 3100.12 30.93 3106.75

2‐ Eventual 7.87 ‐0.27 ‐314.25 7.87 ‐80.77 814.23 ‐10.49 818.22

3‐ Eventual ‐88.36 23.61 ‐309.30 91.46 ‐1280.34 ‐7755.18 ‐12.61 7860.16

4‐ Sísmico 78.07 ‐13.71 ‐346.46 79.26 1019.04 5820.76 30.93 5909.29

5‐ Sísmico 78.07 ‐13.05 ‐289.66 79.15 1019.04 5820.76 30.93 5909.29 * De forma conservadora, se consideró una variación de 2.5m en la definición de centroides de la Tabla 3 para el cálculo de las solicitaciones sísmicas.

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6. DEFINICIÓN DEL MODELO 6.1 Geometría de la fundación

Figura 3: Geometría de la fundación - Planta

Figura 4: Geometría de la fundación – Elevación

Hf = 2,5 m altura de fundación y pedestal Lf = 22,5 m longitud de fundación Vf = 828,5 m3 volumen de fundación �h = 2,5 ton/m3 densidad del hormigón Pf = 2.146,3 ton/m3 peso del hormigón Pfboy = 1.287,8 ton/m3 peso de fundación napa superficial

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7. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD 7.1 Consideraciones de Carga Se ha considerado para el análisis de estabilidad general de la fundación los estados de carga propuestos en la Tabla N°4, adicionando las cargas adicionales producto del peso propio de la fundación que afectarán la carga vertical en todas las combinaciones, además de los efectos sísmicos producto de la aceleración horizontal y vertical de la fundación. Adicionalmente, dado que la zona donde se ubica el proyecto presenta una napa que durante periodos del año puede aflorar en el terreno, se efectuará un análisis de las combinaciones de carga considerando la napa profunda y un segundo análisis considerando la napa superficial. En la Tabla N° 5 se presentan los estados de carga considerando la napa profunda, mientras que en la Tabla N° 6 se presentan los estados de carga considerando la napa superficial.

Tabla N° 5: Resumen de solicitaciones con napa profunda



1‐Normal 35.47 ‐0.93 ‐2464.31 35.48 202.85 3100.12 30.93 3106.75

2‐ Eventual 7.87 ‐0.27 ‐2460.50 7.87 ‐80.77 814.23 ‐10.49 818.22

3‐ Eventual ‐88.36 23.61 ‐2455.55 91.46 ‐1280.34 ‐7755.18 ‐12.61 7860.16

4‐ Sísmico 335.62 ‐90.98 ‐2664.41 347.73 1098.63 6086.04 30.93 6184.40

5‐ Sísmico 335.62 ‐90.32 ‐2264.21 347.56 1098.63 6086.04 30.93 6184.40

Tabla N° 6: Resumen de solicitaciones con napa superficial



1‐Normal 35.47 ‐0.93 ‐1605.81 35.48 202.85 3100.12 30.93 3106.75

2‐ Eventual 7.87 ‐0.27 ‐1602.00 7.87 ‐80.77 814.23 ‐10.49 818.22

3‐ Eventual ‐88.36 23.61 ‐1597.05 91.46 ‐1280.34 ‐7755.18 ‐12.61 7860.16

4‐ Sísmico 232.60 ‐60.07 ‐1737.23 240.23 1066.79 5979.93 30.93 6074.34

5‐ Sísmico 232.60 ‐59.41 ‐1474.39 240.07 1066.79 5979.93 30.93 6074.34

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7.2 Análisis de Estabilidad al Deslizamiento Situación 1. Napa Profunda

Estado de Normal (N) tg (fi) N*tg(fi) Fx FS Fy FS Fxy FS Condición

Carga ton ton ton ton ton

1‐ Normal 2464.3 0.22 542.1 35.5 15.3 ‐0.9 580.5 35.5 15.3 OK

2‐ Eventual 2460.5 0.22 541.3 7.9 68.8 ‐0.3 1982.8 7.9 68.8 OK

3‐ Eventual 2455.5 0.22 540.2 ‐88.4 6.1 23.6 22.9 91.5 5.9 OK

4‐ Sísmico 2664.4 0.22 586.2 335.6 1.7 ‐91.0 6.4 347.7 1.7 OK

5‐ Sísmico 2264.2 0.22 498.1 335.6 1.5 ‐90.3 5.5 347.6 1.4 OK Situación 2. Napa Superficial

Estado de Normal (N) tg (fi) N*tg(fi) Fx FS Fy FS Fxy FS Condición

Carga ton ton ton ton ton

1‐ Normal 1605.8 0.22 353.3 35.5 10.0 ‐0.9 378.2 35.5 10.0 OK

2‐ Eventual 1602.0 0.22 352.4 7.9 44.8 ‐0.3 1291.0 7.9 44.8 OK

3‐ Eventual 1597.0 0.22 351.3 ‐88.4 4.0 23.6 14.9 91.5 3.8 OK

4‐ Sísmico 1737.2 0.22 382.2 232.6 1.6 ‐60.1 6.4 240.2 1.6 OK

5‐ Sísmico 1474.4 0.22 324.4 232.6 1.4 ‐59.4 5.5 240.1 1.4 OK 7.3 Excentricidad y Tensiones Máximas Situación 1. Napa Profunda

Estado de Normal (N) Mxy exy Hf exy/R Porcentaje smax smin

Carga ton tm m m Compresión ton/m2 ton/m2

1‐ Normal 2464.31 3106.75 1.26 22.50 0.11 100% 8.57 3.18

2‐ Eventual 2460.50 818.22 0.33 22.50 0.03 100% 6.58 5.16

3‐ Eventual 2455.55 7860.16 3.20 22.50 0.28 98.16% 12.7 ‐

4‐ Sísmico 2664.41 6184.40 2.32 22.50 0.21 100.00% 11.72 0.99

5‐ Sísmico 2264.21 6184.40 2.73 22.50 0.24 100.00% 10.77 0.03 Situación 2. Napa Superficial

Estado de Normal (N) Mxy exy Hf exy/R Porcentaje smax smin

Carga ton tm m m 0.00 Compresión ton/m2 ton/m2

1‐ Normal 1605.81 3106.75 1.93 22.50 0.17 100% 6.53 1.13

2‐ Eventual 1602.00 818.22 0.51 22.50 0.05 100% 4.53 3.11

3‐ Eventual 1597.05 7860.16 4.92 22.50 0.44 77.01% 11.54 ‐

4‐ Sísmico 1737.23 6074.34 3.50 22.50 0.31 95.52% 9.46 ‐

5‐ Sísmico 1474.39 6074.34 4.12 22.50 0.37 87.68% 9.03 ‐

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8. MODELACIÓN CON ELEMENTOS FINITOS 8.1 Características de la Modelación

Para verificar la fundación se realizó un modelo de elementos finitos, en que se consideró caracterizar el dado de fundación como elementos de lámina que consideran los efectos de flexión, corte y compresión. Para la caracterización del suelo se consideraron las características definidas por la Especialidad de Geotecnia para los coeficientes de balasto del mejoramiento de suelos en base a pilas de grava. A continuación se muestra una vista isométrica del modelo de elementos finitos:

8.2 Armaduras en Dado de Fundación De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis a flexión y corte de la fundación, se considera una cuantía aproximada de 97,8 kg de acero por metro cúbico de hormigón. Para efectos de cubicación se considerarán 100 kg/m3.

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9. CONCLUSIONES El presente documento expone el diseño de las fundaciones superficiales de los aerogeneradores del parque eólico Renaico.

La geometría de esta fundación está definida bajo criterios de estabilidad al deslizamiento y excentricidades máximas admisibles. En base a las tensiones máximas obtenidas de la modelación, se procedió al diseño del mejoramiento de suelo en base a pilas de grava compactada.

El diseño estructural de la fundación se realizó con los esfuerzos obtenidos a través de un modelo de elementos finitos, en el cual se modeló tanto la fundación superficial como los elementos de mejoramiento de suelo a través de pilas de grava compactada.

La solución presentada representa cantidades de obra coherentes para los criterios de diseño empleados para su elaboración y el tipo de aerogenerador considerado para la obtención de cargas.

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