ES2388161A1 - Cimentación nervada de superestructuras y procedimiento de realización de la cimentación - Google Patents

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Abstract

Cimentación nervada de superestructuras y procedimiento de realización de la cimentación.La invención se refiere a la cimentación nervada para superestructuras que transmite los esfuerzos al terreno, siendo tales superestructuras aplicaciones como aerogeneradores, formada la cimentación por una losa superior de hormigón armado de planta poligonal o circular rigidizada inferiormente por nervios de hormigón armado "in situ", prefabricados o semiprefabricados de sección rectangular o trapecial dispuestos radialmente.La invención trata también del procedimiento de fabricación "in situ" mediante el vertido directamente del hormigón sobre el terreno previamente excavado actuando de encofrado perdido.

Description

Cimentación nervada de superestructuras y procedimiento de realización de la cimentación
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de cimentación de hormigón armado para la ejecución de superestructuras que transmiten puntualmente grandes cargas axiles, esfuerzos cortantes y/o momentos flectores, como pueden ser los aerogeneradores.
La cimentación objeto de esta invención está formada por una losa superior de hormigón armado vertido “in situ”, de planta poligonal o circular, rigidizada inferiormente por nervios de hormigón armado de sección rectangular o trapecial dispuestos radialmente. El procedimiento prevé que dichos nervios se ejecutan con hormigón “in situ” o bien se realizan mediante prefabricados, trabajando siempre solidariamente con la losa superior.
Esta nueva cimentación pretende reducir considerablemente los costes de ejecución de las cimentaciones tradicionales para este tipo de superestructuras, mejorando considerablemente los plazos de terminación.
Antecedentes de la invención
Actualmente la tipología de cimentación más comúnmente usada para las superestructuras como son los aerogeneradores es la losa de cimentación de diferente configuración en planta: cuadrada, circular, hexagonal, octogonal, etc. El canto de la losa puede ser constante o variable con el fin de optimizar el consumo de hormigón.
El solicitante conoce la existencia de otros sistemas de cimentación en los que se intenta minimizar el volumen de acero y hormigón como en las siguientes publicaciones:
Así por ejemplo es conocida la solicitud de patente europea EP1074663 que es un ejemplo de cimentación con tres estabilizadores simétricamente situados alrededor de un soporte central que presenta el inconveniente de presentar muy poca superficie de contacto con el terreno con el consiguiente incremento de las tensiones aplicadas sobre el terreno, así como de los asientos.
La solicitud de patente PCT WO2004/101898 presenta una cimentación circular a base de secciones triangulares prefabricadas. Esta solución necesita un vaciado completo de la excavación, resultando una sección de hormigón en T invertida que no supone ninguna ventaja estructural, ya que el ancho de la cabeza comprimida de hormigón es muy reducido. Esto significará que en el cálculo a flexión la fibra neutra quedará más baja y se dispondrá de un brazo mecánico reducido, incrementándose la necesidad de armadura y reduciendo considerablemente la ductilidad seccional.
Por último la solicitud de patente española ES-2347742 describe una cimentación en forma de cono junto con una losa inferior en forma de anillo plano. Es una solución muy compleja de ejecutar y presenta serias dudas sobre su comportamiento estructural.
La tipología de cimentación de estas superestructuras es una solución técnica muy conocida, de fácil cálculo y diseño, y además su sencillez simplifica el encofrado y la construcción. Sin embargo este tipo de cimentaciones presentan el inconveniente de ser muy voluminosas y por lo tanto el consumo de acero y hormigón así como el volumen de tierra extraído es extraordinariamente elevado, lo que encarece notablemente el costo económico de la estructura. La repercusión del coste de la cimentación sobre el coste de la estructura es tanto más elevada cuanto mayor sea la dimensión de la superestructura; por ejemplo, en el caso de los aerogeneradores, un incremento de altura del fuste de 80 m a 120 m (50%) provoca un sobrecoste de la cimentación del 300%. Este problema es real debido a la tendencia de hacer cada vez más aerogeneradores de gran potencia con altura de fuste de 120 m lo que viene a crear un sobrecosto en la realización de la cimentación que hace no ser competitivo a todos estos sistemas tradicionales de realizar cimentaciones de hormigón armado.
Descripción de la invención
Tratando de obviar estos problemas señalados del estado de la técnica, la presente invención presenta una solución formada por una losa superior de hormigón armado vertido “in situ” de planta poligonal o circular rigidizada inferiormente por nervios de hormigón armado de sección rectangular o trapecial dispuestos radialmente. Los nervios se hormigonan directamente sobre el terreno previamente excavado, mientras la losa descansa sobre el propio terreno no desalojado, actuando como encofrado perdido.
Cuando se habla de la solución de losa superior y nervios que rigidizan inferiormente la losa nos estamos refiriendo a la colocación de ambos elementos con respecto a la superficie del suelo donde se realiza la cimentación, donde primero se encuentra la losa y por debajo de la losa se encontrarían los nervios rigidizadores.
Las ventajas que presenta esta cimentación son:
-El volumen de hormigón empleado es mucho menor que en las soluciones tradicionales descritas anteriormente. -Disminuye el coste de la excavación con la consiguiente disminución del transporte a vertedero. -Reducción y simplificación del encofrado. -Se consigue una inmejorable eficiencia de la sección resistente obtenida en forma de T, ya que las compresiones son absorbidas por la losa.
Los nervios rigidizadores pueden ser ejecutados con hormigón “in situ” o pueden ser prefabricados, trabajando siempre solidariamente con la losa superior, así como pueden ser de canto constante o variable, bien de forma escalonada o con pendiente constante, reduciendo su sección a medida que nos alejamos del núcleo central de la losa.
En el caso de tratarse de utilizar nervios rigidizadores que sean completamente prefabricados, en los mismos se dispondrá de armadura saliente para la conexión con la losa ejecutada “in situ”. De igual modo los nervios rigidizadores se podrían realizar mediante elementos semiprefabricados, como por ejemplo con piezas de doble pared que quedan embebidos cuando el hormigón es vertido para formar la cimentación.
La cimentación objeto de esta invención está formada por una losa superior de hormigón armado vertido “in situ” de planta circular o poligonal rigidizada inferiormente por nervios de hormigón armado de sección rectangular o trapecial dispuestos radialmente. Cuando los nervios de hormigón armado sean de sección trapecial, estos serán más anchos en su parte superior en contacto con la losa, para aprovechar los taludes de la excavación como encofrado perdido, incrementando la sección resistente de hormigón.
Dicha cimentación se obtiene vertiendo el hormigón “in situ” directamente sobre el terreno no extraído que actúa como encofrado perdido. Previamente al vertido de hormigón se coloca todo el armado necesario de la losa y nervios.
Se genera una sección resistente en forma de T, de elevada eficiencia estructural, ya que las compresiones son absorbidas por la losa superior y las tracciones están resueltas por las armaduras alojadas en la parte inferior del interior de los nervios rigidizadores.
Para optimizar aún más el consumo de hormigón y volumen de tierras excavado sin perjudicar las cualidades resistentes de la cimentación se pueden realizar saltos en la excavación de los nervios, consiguiendo variar el canto de los mismos reduciéndose a medida que nos alejamos del centro de la losa.
Dichos nervios pueden ser ejecutados con hormigón “in situ” o pueden ser completa o parcialmente prefabricados, trabajando siempre solidariamente con la losa superior.
En terrenos de muy escasa capacidad portante se pueden ejecutar pilotes bajo los nervios rigidizadores, siendo por tanto la concepción estructural de la zapata adecuada tanto para resolver cimentaciones superficiales como profundas.
Una mejora del terreno se consigue mediante columnas de grava bajo los nervios rigidizadores.
Breve descripción de las figuras
Para completar la descripción que se está realizando, con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, se acompaña a la presente memoria descriptiva, un juego de figuras en las cuales, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 muestra una perspectiva del sistema en su conjunto.
La Figura 2 muestra una perspectiva de la cimentación con nervios de sección variable escalonada.
La Figura 3 muestra una sección longitudinal por uno de los nervios.
La Figura 4 muestra una sección transversal.
La Figura 5 muestra una perspectiva de la cimentación con nervios de sección trapecial.
La Figura 6 muestra la sección resistente en forma de T objeto de la cimentación de la presente invención, así como los diagramas tenso-deformacionales para el cálculo a flexión.
La Figura 7 muestra la sección resistente en forma de T invertida, así como los correspondientes diagramas tensodeformacionales para el cálculo a flexión.
Realización preferente de la invención
En la figura 1 se representa una perspectiva del sistema en su conjunto, formado por una cimentación (3) y un fuste (4) en una construcción para un aerogenerador.
En el ejemplo de realización mostrado en las figuras 1 a 5, se observa una cimentación formada por una losa superior
(1) de hormigón armado vertido “in situ” de planta poligonal, aunque podría adoptar cualquier otra forma como por ejemplo circular, rigidizada inferiormente por nervios de refuerzo (2), realizados mediante hormigón armado de sección rectangular y dispuestos radialmente.
En las figuras 6 y 7 se presenta un ejemplo de cálculo. En el caso de la figura 6 se trata de una sección en T y se obtiene un momento último resistente de 33.600 KNm y una relación x/h de 0,16. En el caso de la figura 7 se trata de una sección en T invertida, obteniéndose un momento último de 27.900 KNm y una relación x/d de 0,62.
Puede verse, por lo tanto, que a igualdad de armado y de volumen de hormigón, la sección en T (objeto de la cimentación de la presente invención) es estructuralmente más eficiente para la tipología de esfuerzos a los que van a estar sometidas las cimentaciones objeto de esta patente, proporcionando una resistencia a flexión un 20% superior.
El equilibrio seccional exige que la resultante de tracciones soportada por la armadura sea igual al volumen de compresiones soportado por el hormigón. La sección en T dispone de una cabeza de compresión mucho más ancha, lo que permite que la fibra neutra se mantenga elevada y el brazo mecánico sea notablemente mayor que en el caso de la sección en T invertida.
Adicionalmente, como podemos ver por la relación x/h, que indica la profundidad de la fibra neutra con respecto al canto de la sección, la ductilidad es mucho mayor en la sección en T, permitiendo la redistribución de esfuerzos en régimen plástico.
La sección en T invertida mostrada, pese a tener la misma cantidad de armadura y de hormigón, es mucho menos dúctil, por lo que no tendrá ninguna capacidad de redistribución plástica de esfuerzos, comportándose de forma frágil.
Por tanto, con la sección en T planteada logramos una doble ventaja:
-
Mayor capacidad resistente y eficiencia estructural, es decir, a igualdad de armadura y de volumen de hormigón se obtiene mayor resistencia (20 % superior en el ejemplo analizado, y tanto más cuanto mayores sean los niveles de solicitación).
-
Mayor ductilidad y capacidad de redistribución plástica de esfuerzos, lo que la hace mucho más adecuada frente a solicitaciones dinámicas como las producidas por el sismo.
Para una descripción del procedimiento tal y como se lleva a cabo la cimentación (3), la mencionada cimentación se ha obtenido vertiendo el hormigón “in situ” directamente sobre el terreno no extraído, actuando como encofrado perdido. Tal y como se observa en la Figura 5, los taludes naturales del terreno que se generan al excavar los nervios radiales son los que proporcionan la sección trapecial de estos, mejorando notablemente su capacidad resistente.
Para optimizar aún más el consumo de hormigón y volumen de tierras excavado sin perjudicar las cualidades resistentes de la cimentación se pueden realizar saltos (5) en la excavación de los nervios, como se refleja en la Figura 2, consiguiendo variar el canto de los mismos reduciéndose a medida que nos alejamos del centro de la losa.
Dichos nervios pueden ser ejecutados con hormigón “in situ” o pueden ser total o parcialmente prefabricados (como por ejemplo con elementos semiprefabricados de doble pared), trabajando siempre solidariamente con la losa superior.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Cimentación nervada de superestructuras, caracterizada porque está constituida por una losa superior de hormigón armado de planta poligonal o circular (1) rigidizada inferiormente por nervios de hormigón armado de sección rectangular dispuestos radialmente (2).
  2. 2.-Cimentación nervada de superestructuras según reivindicación anterior caracterizada porque los nervios de hormigón armado son de sección trapecial más anchos en su parte superior en contacto con la losa, para aprovechar los taludes de la excavación como encofrado perdido, incrementando la sección resistente de hormigón.
  3. 3.-Cimentación nervada de superestructuras según reivindicación 1 ó 2 caracterizada porque los nervios de hormigón armado son de canto constante o variable bien de forma escalonada (5) o con pendiente constante, disminuyendo éste a medida que nos alejamos del centro de la losa.
  4. 4.-Cimentación nervada de superestructuras según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque se disponen una serie de pilotes bajo los nervios rigidizadores.
  5. 5.-Cimentación nervada de superestructuras según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque se realiza una mejora del terreno mediante columnas de grava bajo los nervios rigidizadores.
  6. 6.-Cimentación nervada de superestructuras según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los nervios rigidizadores son completamente prefabricados disponiendo de armadura saliente para la conexión con la losa ejecutada “in situ”.
  7. 7.-Cimentación nervada de superestructuras según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los nervios rigidizadores se realizan mediante elementos semiprefabricados, como por ejemplo con piezas de doble pared.
  8. 8.-Procedimiento de cimentación de superestructuras, caracterizado porque comprende las etapas de: -excavar un terreno formando una cavidad con una forma complementaria con el elemento de cimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7. -construir la armadura en la excavación realizada que cubra el hueco de la losa (1) y de los nervios de refuerzo (2) -verter hormigón en dicha cavidad excavada en el terreno y en la que se ha situado la armadura.
  9. 9. Procedimiento de cimentación de superestructuras según la reivindicación 8, en el que se colocan una pluralidad de columnas de grava o pilotes en dicha cavidad de manera que queden por debajo de los nervios de refuerzo del elemento de cimentación.
    Figura 2
    Figura 3 Figura 4
    Figura 5
    Figura 6
    Figura 7
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201230877
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 06.06.2012
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : E02D27/42 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    US 2011061321 A1 (PHULY AHMED) 17.03.2011, 1-9
    párrafos [14-240]; figuras.
    A
    WO 0046452 A1 (NORTHERN TECHNOLOGIES INC) 10.08.2000, 1-9
    figuras & Resumen de la base de datos EPODOC. Recuperado de EPOQUE; AN US-0002894-W.
    A
    SU 763527 A1 (REDKIN VIKTOR et al.) 15.09.1980, 1-9
    figuras & Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE; AN 1981-F0367D.
    A
    CN 202064370 U (BEIJING ZHONGSHUI HENGXIN ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY DEV CO 1-9
    LTD) 07.12.2011, figuras & Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE;
    AN 2011-Q93401.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 26.09.2012
    Examinador M. B. Castañón Chicharro Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201230877
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) E02D Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201230877
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 26.09.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-9 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-9 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201230877
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2011061321 A1 (PHULY AHMED) 17.03.2011
  10. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto técnico de la invención, es una Cimentación nervada de superestructuras y el Procedimiento de realización de la misma.
    El inventor pretende reducir los costes de ejecución de las cimentaciones tradicionales para este tipo de superestructuras, mejorando los plazos de finalización.
    Para ello, el inventor propone una cimentación que comprenda una losa superior de hormigón armado, rigidizada inferiormente con nervios de hormigón armado dispuestos radialmente.
    La solicitud consta de 9 reivindicaciones, siendo la 1ª y la 8ª independientes y el resto dependientes.
    La 1ª reivindicación, recoge las características esenciales de la cimentación. Las reivindicaciones 2 y 3, se refieren a alternativas de secciones de nervios. Las reivindicaciones 4 y 5, se refieren al empleo de pilotes y grava respectivamente, a efectos de mejorar el terreno de asiento de los nervios rigidizadores. Las reivindicaciones 6 y 7, se refieren a alternativas de empleo de nervios prefabricados ó semiprefabricados. Las reivindicaciones 8 y 9, se refieren al Procedimiento de realización de la cimentación.
    De los documentos citados en el Informe del Estado de la Técnica, se considera el más próximo a la invención, el documento US2011061321 (D01).
    D01 divulga una cimentación nervada de superestructuras (100), que comprende una losa de hormigón armado (14) de planta circular, rigidizada superiormente por nervios (16) dispuestos radialmente de sección rectangular, de canto variable y pendiente constante (Ver Fig.1) La diferencia entre D01 y la 1ª reivindicación, radica en que en D01 los nervios están dispuestos sobre la losa y no bajo ella en contacto con el terreno.
    Ningún documento citado en el Informe del Estado de la Técnica, cuestiona ya sea de forma aislada ó combinada la novedad y actividad inventiva de las reivindicaciones 1-9.
    Conclusión:
    -Las reivindicaciones 1-9 son nuevas y poseen actividad inventiva. (Art. 6 y 8 de la Ley de Patentes 11/1986)
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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