MX2007009456A - Torre de concreto postensado para generadores eolicos. - Google Patents

Abstract

Se describe una torre de concreto postensado para generadores eólicos, caracterizada porque comprende una cimentación y una estructura mixta (concreto y acero) que tiene una sección transversal triangular compuesta de (a) una armadura metálica (30), que comprende tres porciones rectas (31, 32, 33) espaciadas, en las caras planas de la estructura mixta de sección transversal triangular de vértices redondeados, que se extienden a lo largo de la torre, la armadura metálica consiste de una pluralidad de vigas metálicas (35) estructuradas; y (b) una estructura de concreto (20) que consiste de tres secciones de concreto (21, 22, 23) en los vértices de la estructura mixta de sección transversal triangular, que consisten de una pluralidad de módulos segmento - circulares (25) fabricados en concreto reforzado, verticalmente apilados y unidos entre sí, dispuestos entre dichas porciones rectas (31, 32, 33) de la armadura metálica (30) y ligados entre ellos y a la cimentación mediante elementos de preesfuerzo.

Description

TORRE DE CONCRETO POSTENSADO PARA GENERADORES EÓLICOS ANTECEDENTES. 1. Campo de la invención. Esta descripción se refiere a torres de concreto postensado. En particular, se refiere a la construcción de torres segmentadas de concreto postensado para soporte de generadores eólicos. Más particularmente la invención se refiere a una estructura mixta de concreto reforzado y postensado en combinación con una estructura de acero. 2. Antecedentes generales de la invención. Se han propuesto diferentes torres para generadores eólicos. Por ejemplo se han construido diversas torres con estructuras metálicas armadas que consisten de una pluralidad de travesaños y postes metálicos. Además, se han construido estructuras de acero tubulares para los mismos objetivos. Dichas estructuras tienen diversos inconvenientes, siendo el principal de dichos inconvenientes la limitación de altura permisible y el costo del acero. En virtud de que los generado-res eólicos ofrecen una resistencia a las corrientes de viento, se generan importantes cargas verticales y horizontales que producen torsión de las estructuras. En algunos casos dichas estructuras metálicas se colapsan por la acción del viento y el peso de los generadores.

También se conocen en la técnica previa las torres de concreto. La patente americana US-2,826,800 se refiere a segmentos que incluyen tensores para formar columnas y otras estructuras.

Además, el modelo de utilidad alemán DE 29809541 U describe una torre segmentada de concreto postensado para generadores eólicos. Conforme a dicha publicación, se fabrican segmentos de concreto frustocónicos que posteriormente son montados. Conforme a dicha publicación, se consiguen montar torres de doscientos metros de altura o mayores.

Por su parte, la publicación de la solicitud de patente internacional No. WO2004007955 también describe un sistema de construcción de torres segmentadas. Dicha publicación describe el empleo de moldes para fabricar cada segmento de concreto de la torre en un taller. Antes de colar el concreto, se introducen en el molde ductos tubulares que quedan inmersos en el concreto a través de los cuales posteriormente son introducidos -entubados- los tensores.

Los sistemas de torres de concreto segmentadas antes descritos tienen varios inconvenientes. De acuerdo con esta técnica de construcción, los segmentos que forman las columnas son fabricados en alguna instalación adecuada para ello, y posteriormente los segmentos son transportados al sitio en donde es erigida la torre. Posteriormente cada uno de los segmentos de torre es montado por medio de una grúa. Tal transporte de los segmentos de torre incrementa los costos de fabricación de las torres.

Las torres son generalmente ahusadas. Es decir, tienen un estrechamiento progresivo, de tal manera que la base tiene generalmente un diámetro mayor que el extremo superior de la torre en donde se monta el generador eléctrico. Tal característica resulta en la necesidad de construir un molde particular para fabricar cada segmento frustocónico de concreto. La necesidad de producir un molde para fabricar cada segmento de concreto resulta en una desventaja adicional de dichos sistemas constructivos. Por otra parte, el ajuste de los tubos colados dentro de dichos sistema resulta también en un problema. La patente WO2002004766 aborda dicho problema.

Además, los segmentos con que se fabrican las torres de concreto son muy pesados, en consecuencia, las torres deben ser fabricadas con grandes cantidades de concreto para que sean capaces de soportar su propio peso. En virtud del peso de dichos segmentos de concreto, el montaje de los mismos requiere equipo pesado, lo que resulta en altos costos de construcción.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Un primer objeto de la invención consiste en proporcionar una torre mixta de concreto postensado y acero Otro objeto de la invención consiste en proporcionar una torre con mejor aprovechamiento de las características de los materiales, que le confieren a la torre una adecuada resistencia ante los vientos y a los sismos.

Otro objeto de la invención consiste en proporcionar una torre que utiliza únicamente un tipo de molde para todos los segmentos de concreto empleados en la torre.

Un objeto adicional de la invención consiste en proporcionar un procedimiento mejorado para construir y montar una columna de concreto postensado segmentada en el mismo lugar en donde la torre es erigida.

Todavía otro objeto de la invención consiste en proporcionar un método de construcción de una torre que no requiere el empleo de equipo pesado de construcción.

Aún otro objeto de la invención consiste en proporcionar un sistema mejorado de fabricación y montaje de una torre de concreto postensado.

Los anteriores objetivos de la invención se consiguen proporcionando una torre de concreto postensado para generadores eólicos, caracterizada porque comprende una cimentación y una estructura mixta que tienen una sección transversal triangular de vértices redondeados compuesta de (a) una armadura metálica (30), que comprende tres porciones rectas (31 , 32, 33) espaciadas, en las caras planas de la estructura mixta de sección transversal triangular, que se extienden a lo largo de la torre, la armadura metálica consiste de una pluralidad de vigas metálicas (35) estructuradas; y (b) una estructura de concreto (20) que consiste de tres secciones de concreto (21 , 22, 23) en los vértices de la estructura mixta de sección transversal triangular, que consisten de una pluralidad de módulos segmento - circulares (25) fabricados en concreto reforzado, verticalmen-te apilados y unidos entre sí, dispuestos entre dichas porciones rectas (31 , 32, 33) de la armadura metálica (30) y ligados a la cimentación mediante elementos de preesfuerzo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A modo de ejemplo, se hace ahora referencia a los dibujos que se acompañan.

La FIG. 1 ilustra la torre de concreto postensado de conformidad con la invención.

La FIG. 2 ilustra una vista de planta superior de la torre de la presente invención.

La FIG. 3 ilustra una vista en elevación lateral de la torre de conformidad con la invención.

La FIG. 4 ilustra üna modalidad de la torre de concreto con extensión.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se describe el diseño y la construcción de una torre de soporte para un sistema eólico de generación de energía, su desarrollo constructivo original, diseñado para realizar de manera única rápida, económica y confiable, una estructura mixta tubular de concreto reforzado y postensado en combinación con acero estructural. La torre posee estética y la esbeltez necesaria para soportar las cargas a las que estará sometida, tales como su peso propio, el peso del generador, el peso y movimiento de las aspas, empuje de vientos y fuerzas sísmicas.

La altura de la estructura sobre el nivel de terreno puede ser variable dependiendo del tipo de generador a emplear. La geometría de la torre es dimensionada y modulada para cumplir todos los estados límites de servicio y estados límites últimos de los diversos reglamentos de construcción vigentes.

Conforme a la presente invención se describe una torre que comprende un cuerpo formado por una estructura mixta de concreto reforzado y postensado en combinación con acero estructural. La sección de la torre es variable y disminuye en función de su altura.

En una modalidad de la invención, además se describe una torre que en elevación presenta dos secciones distinguibles por su geometría: un cuerpo que tiene una sección transversal variable desde su base hasta aproximadamente dos tercios de su altura; y una extensión que tiene una sección cilindrica constante en su parte superior que es aproximadamente un tercio de la altura total de la torre.

Como se ilustra en las FIGS. 1 y 2, el cuerpo (12) de la torre (10) tiene una sección transversal axisimétrica cuyo perímetro puede asimilarse a un triángulo con partes rectas (16) y los vértices (14) redondeados, en lo sucesivo referida como la sección transversal triangular. La sección transversal triangular del cuerpo (12) de la torre (10) disminuye en función de la altura de la torre, para formar en elevación una estructura ahusada, es decir, que se adelgaza conforme va ganando altura.

La armadura de metálica (30) del cuerpo (12) consiste de una estructura metálica formando una sección de alma abierta (armadura). La armadura metálica (30) comprende tres porciones rectas (31 , 32, 33), espaciadas, que se extienden a lo largo de la torre en la parte recta de la sección transversal triangular, entre los vértices y forman las caras planas de la torre. Cada una de las porciones rectas (31 , 32, 33) consiste de una pluralidad de vigas (35) estructuradas, fabricadas preferentemente en acero.

La estructura mixta de la torre (10) incluye una estructura de concreto (20) que consiste de tres secciones de concreto (21 , 22, 23), espaciadas entre sí, que se extienden a lo largo de la torre en los vértices de la sección transversal triangular entre las porciones rectas (31 , 32, 33) de la armadura metálica (30) y unidas a éstas. Cada una de las secciones de concreto (21 , 22, 23) consiste de una pluralidad de módulos segmento - circulares (25) fabricados en concreto reforzado, apilados verticalmente y postensados.

De esta manera, en los vértices (14) de la sección transversal triangular de la torre se define la estructura de concreto (20), mientras que en las partes rectas (16) de la sección transversal triangular se define la armadura metálica (30), que se extienden a lo largo del cuerpo (12) de la torre (10).

La disminución de la sección transversal triangular de la torre (10) se logra reduciendo las dimensiones de las vigas (35) que forman las porciones rectas (31 , 32, 33) correspondientes de la armadura metálica (30) hasta que los módulos segmento - circulares (25) converjan para convertirse en un anillo circular. Conforme a las FIGS. 1 , 2 y 3, la torre además incluye un anillo (27) que tiene la función de brida para la unión con el generador eólico.

Los módulos segmento - circulares (25) que forman la estructura de concreto de la estructura mixta, se prefabrican y montan en el sitio. La continuidad de los módulos de concreto (25) es lograda a través de elementos de preesfuerzo, tales como cables o torones de preesfuerzo que son anclados en la cimentación de la torre y posteriormente son colocados y postensados al interior de los módulos.

Lateralmente, los módulos segmento - circulares (25) se unen a la armadura metálica (30) por medio de una unión que les permite trabajar estructuralmente como una sola sección.

Conforme a la presente invención se prevé que los módulos segmento -circulares (25) que conforman la estructura de concreto (20) tengan las mismas dimensiones y forma. Estos tienen la forma de un segmento cilindrico de 120°. De esta manera, a diferencia de las torres de la técnica previa, no se requiere un molde especial para fabricar cada segmento de la torre (10). Conforme a la modalidad preferida de la presente invención, solo se utilizan un solo tipo de molde para fabricar todos los módulos segmento - circulares (25). Como será evidente a un técnico en la materia, no se utiliza solamente un molde físico, sino una pluralidad de moldes que tienen las mismas características, es decir un mismo tipo de molde.

La armadura metálica es ensamblada mediante soldadura y/o tornillos, con o sin elementos de refuerzo. De manera que todos y cada uno de los módulos (25) están unidos a la armadura metálica. Las vigas pueden ser estructuradas para formar un arreglo determinado, por ejemplo una estructura de panal o una estructura de vigas inclinadas como se muestra en las figuras. Como se muestra en las FIGS. 1 , 3 y 4, las vigas están inclinadas y unen a módulos segmento -circulares (25) alternados. Además cada módulo segmento - circulare (25) está unido al módulo superior y/o inferior adyacente.

Durante la construcción de la torre la armadura metálica primero es ensamblada en el sitio de la torre. La armadura metálica sirve entonces para soportar los módulos de concreto prefabricados, para tal efecto basta utilizar una grúa ligera, cabe mencionar que el peso de los módulos segmento - circulares 25 es de aproximadamente 1/6 del peso de un segmento frustocónico de un segmen-to de torre de la técnica previa. Por lo que su manejo es sencillo.

Opcionalmente los moldes pueden ser sujetados a la armadura metálica para que los módulos segmento - circulares (25) sean sucesivamente colados en su posición final.

Una vez construida la torre y en uso, la armadura metálica proporciona la resistencia a las cargas verticales y horizontales, principalmente las cargas derivadas del movimiento de las aspas, el empuje de vientos y las fuerzas sísmicas. De esta manera, la armadura metálica cumple un doble propósito: formar un soporte para la colocación de los moldes y el colado de los módulos segmento - circulares (25) y proporcionar soporte estructural de la torre durante su operación.

La armadura metálica de alma hueca (30) permite el paso del aire a través de ella y por ende ofrece una menor resistencia a las corrientes de viento y se hace por tanto más resistente a la fuerza del viento. Opcionalmente, puede incluirse placas de cierre para cerrar los espacios abiertos de las porciones rectas (31 , 32, 33) de la armadura metálica.

Por su parte, la estructura de concreto proporciona a la torre la resistencia necesaria para soportar el peso del generador y el mismo peso de la torre.

Conforme a una modalidad de la invención, ilustrada en la FIG. 4, la torre incluye una extensión (19). Preferentemente, la extensión (19) de la torre consiste de una porción cilindrica. La porción cilindrica puede consistir de un tubo metálico, una sección cilindrica de concreto de una sola pieza, o una sección cilindrica de concreto segmentada que se une al anillo (27). Además, conforme a la invención el extremo superior de la sección de extensión cilindrica incluye un anillo (28) que sirve como brida para la colocación del generador eólico.

Dicha extensión (19) consiste de un miembro cilindrico que tiene un diámetro constante hasta la altura máxima de la torre. Los materiales empleados en el diseño son: el concreto reforzado y postensado y/o acero estructural. Conforme a una modalidad preferida de la invención, ilustrada en la FIG. 4, la extensión (19) consiste de una pluralidad de módulos cilindricos (29) de concreto postensado unidos entre sí por medio de elementos de preesfuerzo, tales como cables o torones que son colocados y postensados (enductados) al interior de las paredes de los módulos (no ilustrados).

Conforme a la modalidad de la invención antes descrita, se prevé que los módulos cilindricos (29) que conforman la extensión (19) tengan las mismas dimensiones. De esta manera, solo se requiere un tipo de molde, cilindrico. Como será evidente a un técnico en la materia, no se utiliza solamente un molde físico, sino una pluralidad de moldes que tienen las mismas características. Conforme a la presente invención, mientras la torre está siendo montada, los segmentos cilindricos pueden estar siendo fabricados y en su oportunidad, izados por medio de una grúa, colocados y unidos a la torre por medio de elementos de preesfuerzo, tales como cables o torones que son colocados y postensados (enductados) al interior de las paredes de los módulos de una manera bien conocida para un técnico en la materia.

Los moldes se acondicionan incorporando los tubos para el postensado y accesorios, y posteriormente se realiza un colado vertical y pueden ser desmoldados al día siguiente, de manera que los moldes se utilizan cada tercer día. El número de moldes es ilimitado y el número de unidades a utilizar depende de la magnitud de la obra y de su programa de construcción.

Conforme a la presente invención, se utiliza un número de moldes considerablemente inferior de moldes en comparación con los que se utilizan en los procedimientos de construcción de las torres tipo chimenea de la técnica previa.

El moldeado y colado de los módulos segmento - circulares (25) de concreto y el montaje y ensamblado de la torre (10) se realiza en el sitio según el siguiente proceso: a. Fabricación del molde para la fabricación de los módulos: Dada la precisión requerida para las piezas prefabricadas, el molde para fabricar el sector circular de concreto se realiza en taller siguiendo el diseño y tolerancias establecidos, el molde preferentemente es fabricado a base de perfiles, placas y láminas de acero y responde a un diseño modular preestablecido según la altura de la torre, de manera general, la altura de la torre es diseñada en módulos cuya altura varía entre 3 y 4 m. b. Fabricación de las partes metálicas: Toda la estructura metálica es habilitada en taller y transportada en partes listas para ser ensambladas en el sitio. Es decir, se cortan los segmentos de vigas en las medidas necesarias, se barrenan para la introducción de tornillos o pernos, así como otros accesorios, como por ejemplo accesorios eléctricos, se incorporan elementos de refuerzo, etc. c. Construcción de la subestructura de la torre: En el sitio se construye la subestructura o cimentación de la torre. Este elemento es realizado en concreto reforzado y se dimensiona según las características mecánicas del suelo. De manera general este elemento funciona como "pedestal" de la torre y transmite al suelo las reacciones de la misma que se producen ante solicitaciones sísmicas y de viento. En este elemento se disponen todos los insertos y pasos necesarios para posteriormente incluir los cables de prees- fuerzo que lograrán la continuidad de la estructura. d. Instalación de la estructura metálica: La estructura metálica se monta con el equipo adecuado andándola en la cimentación y uniendo sus partes para completar la pirámide formada por sus partes e. Construcción de los módulos de la torre: Una vez construida la cimentación se procede al moldeado, armado y colado de los módulos segmento - circulares (25) que conforma la torre. Se incluyen dentro de los módulos segmento - circulares (25) los insertos y elementos de conexión necesarios para lograr la unión y continuidad de los mismos. f. Montaje y postensado de la estructura de concreto de la torre: Una vez verificado el fraguado y desmoldado de los módulos de concreto se procede al ensamblado de los mismos con la ayuda de grúas de capacidad adecuada para esta labor. El montaje se realiza elevando y superponiendo los módulos y simultáneamente apoyándolos en la estructura metálica y uniéndolos a ella mediante soldadura se va realizando el postensado de los módulos de concreto (20). Una parte del postensado es continuo desde la cimentación y a través de toda la altura de la torre. Las uniones entre módulos son a base de conexiones metálicas soldadas. La armadura metálica (30) es montada en el sitio ligando sucesivamente una pluralidad de vigas con los módulos circulares de concreto. g. Montaje de la extensión (19) de la torre: Dado que este tramo de la parte alta de la torre es de sección transversal constante, puede prefabricarse en sitio si la decisión es realizarlo en concreto postensado y en planta, para posteriormente ser transportado y ensamblado en el sitio, en caso de que fuera de acero. h. Inyectado y protección de anclajes de postensado: Finalmente y posterior al postensado total de la torre se realiza la inyección de los ductos de prees- fuerzo utilizando una lechada a base de cemento epóxico con un estabilizador de volumen. Esta lechada es continua también en toda la longitud de la torre y forma parte del sistema de unión entre módulos.

Las torres para generadores eólicos de la presente invención, son construidas con mayor rapidez de montaje y con medios más simples en comparación con las torres de la técnica previa. Las anteriores ventajas resultan en una torre con características de calidad semejantes a las torres de la técnica previa, pero construidas con menores costos de producción.

Una característica de la invención consiste en que la cantidad de los materiales se utiliza más eficientemente. Gracias a las partes metálicas que se montan en primera instancia con equipo ligero, es posible conseguir la geometría y la resistencia necesaria para montar los módulos de concreto Habiendo descrito así la invención, será obvio que la misma podrá variarse en muchas formas. Tales variaciones no deben considerarse como que se apartan del espíritu y alcance de la invención, y todas las modificaciones que resulten evidentes para un técnico en la materia, se considera que están incluidas dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. - Una torre de concreto postensado para generadores eólicos, caracterizada porque comprende: una cimentación y una estructura mixta, anclada a la cimentación que tienen una sección transversal triangular compuesta de: (a) una armadura metálica (30), que comprende tres porciones rectas (31 , 32, 33) espaciadas, en las caras planas de la estructura mixta de sección transversal triangular, que se extienden a lo largo de la torre, la armadura metálica consiste de una pluralidad de vigas metálicas (35) estructuradas; y (b) una estructura de concreto (20) que consiste de tres secciones de concreto (21 , 22, 23) en los vértices de la estructura mixta de sección transversal triangular, que consisten de una pluralidad de módulos segmento - circulares (25) fabricados en concreto reforzado, verticalmente apilados y unidos entre sí, dispuestos entre dichas porciones rectas (31 , 32, 33) de la armadura metálica (30) y ligados a la cimentación mediante elementos de preesfuerzo.

2. - La torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque el cuerpo de la torre tiene una sección transversal triangular que se reduce progresivamente en la dirección del extremo superior de la torre hasta que los módulos segmento - circulares (25) convergen para unirse con un anillo circular (27).

3. - La torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque los módulos segmento - circulares (25) tienen la misma forma y dimensiones.

4. - La torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque la unión de los módulos segmento -circulares (25) en las secciones de concreto (21 , 22, 23) es lograda a través de elementos de preesfuerzo, que son colocados y postensados al interior de las paredes de los módulos (25).

5. - La torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque las vigas de la armadura metálica son fabricadas en acero.

6. - La torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque además comprende una extensión, sobre el cuerpo de la torre, que consiste de una porción cilindrica.

7. - La torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque la porción cilindrica consiste de una pluralidad de módulos cilindricos (29) de concreto postensado unidos entre sí por medio de elementos de preesfuerzo, que son colocados y postensados al interior de las paredes de los módulos (29).

8. - Un método para fabricar una torre prefabricada de concreto postensado que comprende a) proporcionar un molde metálico para fabricar los módulos segmento -circulares (25); b) construir en el sitio una subestructura de la torre, incluyendo una pluralidad de cables de preesfuerzo anclados; c) erigir una armadura metálica (30) sobre la subestructura; d) moldear, armar y colar una pluralidad de módulos segmento - circulares (25) de concreto, incluyendo los insertos y elementos de conexión necesarios para lograr la unión y continuidad de los módulos superiores y/o inferiores adyacentes, soportados en la armadura metálica; e) ensamblar una pluralidad módulos segmento - circulares (25) para formar secciones de concreto (21 , 22, 23), unidas a las porciones rectas (31 , 32, 33) de la armadura metálica (30); y f) postensar las secciones de concreto (21 , 22, 23) de la estructura de concreto (20).

9. - El método para fabricar una torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende: g) Inyectar una lechada a base de cemento epóxico con un estabilizador de volumen en los ductos de preesfuerzo en toda la longitud de la torre.

10. - El método para fabricar una torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende: h) montar una extensión de torre (19).

11. - El método para fabricar una torre prefabricada de concreto postensado de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la extensión consiste de una porción cilindrica seleccionada de una pluralidad de módulos cilindricos (29) de concreto postensado unidos entre sí por medio de elementos de preesfuerzo, un segmento cilindrico continuo y un cuerpo cilindrico continuo o segmentado de acero.