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Title:
TRANSITION ELEMENT FOR THE TRANSMISSION OF FORCES BETWEEN A TOWER AND A SUB-STRUCTURE ON A FLOATING MONOLITHIC CONCRETE STRUCTURE FOR SUPPORTING MARINE WIND TURBINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/083636
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the embodiment, by means of a pre-stressed concrete surface, on floating structures for supporting wind turbines, of the transition zone between the tower, of a lesser diameter, and the concrete float, of a greater diameter, whether the tower is made of metal or concrete. Said surface of revolution has the optimum geometry for the correct transmission of forces between the two parts, the tower and the float, with a reduced thickness and without the need for external rigidifying and reinforcing elements on the surfaces thereof, which would increase the weight and the cost of the structure.

Inventors:
MOLINS BORRELL CLIMENT (ES)
CAMPOS HORTIGÜELA ALEXIS (ES)
Application Number:
PCT/ES2015/070789
Publication Date:
June 02, 2016
Filing Date:
November 04, 2015
Export Citation:
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Assignee:
UNI POLITÈCNICA DE CATALUNYA (ES)
International Classes:
F03D13/25; B63B35/44; E02B17/00
Domestic Patent References:
WO2013153395A22013-10-17
WO2014095252A12014-06-26
Foreign References:
EP2072685A12009-06-24
EP2597227A12013-05-29
Other References:
See also references of EP 3225840A4
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Elemento de hormigón de transición subestructura-torre para estructuras flotantes de soporte de aerogeneradores marinos donde la subestructura sumergida sea de hormigón hueca que se caracteriza por estar formada por una geometría axisimétrica de transición circular (2) desde el radio del flotador (5) hasta el radio de la base de la torre (4), con un espesor comprendido entre el espesor de la torre y el de la subestructura, prescindiendo de refuerzos o rigidizadores exteriores a las superficies.

2. Elemento de hormigón de transición subestructura-torre de acuerdo con la reivindicación 1 , siendo la superficie de la transición tangente a la generatriz de la base de la torre;

3. Elemento de hormigón de transición subestructura-torre de acuerdo con la reivindicación 1 , donde la transición circular se ajuste mediante 2 o más segmentos rectos (9);

4. Elemento de hormigón de transición subestructura-torre de acuerdo a la reivindicación 1 , en la que dicha transición comprende:

-Tendones de acero de pretensado longitudinales (8); y -Tendones de acero de pretensado circunferenciales (6 y7);

Description:
ELEMENTO DE TRANSICIÓN PARA LA TRANSMISIÓN DE ESFUERZOS ENTRE TORRE Y SUBESTRUCTURA EN ESTRUCTURA FLOTANTE MONOLÍTICA DE HORMIGÓN PARA EL SOPORTE DE TURBINAS

EÓLICAS MARINAS

DESCRIPCIÓN

La presente invención se refiere, en estructuras flotantes de soporte de turbinas eólicas, a la materialización mediante una lámina de hormigón pretensado de la zona de transición entre la torre, de menor diámetro, y el flotador de hormigón de mayor diámetro, tanto si la torre es metálica como de hormigón. Dicha lámina de revolución presenta una geometría óptima para la correcta transmisión de esfuerzos entre ambas partes, torre y flotador, con un espesor reducido y sin necesidad de elementos de rigidización y refuerzo exteriores a sus superficies que aumentarían el peso y el coste de la estructura.

Antecedentes de la invención

Desde la implantación de los primeros parques eólicos offshore, la industria ha ido tendiendo al uso de elementos de hormigón para soporte de las torres que sustentan las turbinas eólicas gracias a las mejores prestaciones de dicho material en el ambiente marino.

La transición entre acero y hormigón en estas estructuras presenta una zona crítica para la durabilidad de la estructura, principalmente debido a la fatiga del hormigón en la zona de junta.

Con el nuevo diseño se minimizan las concentraciones de esfuerzos a lo largo de la transición, asegurando una máxima vida útil tanto por durabilidad como por fatiga, al ser una pieza continua y sin juntas que conecta la torre con la subestructura.

Siguiendo la filosofía presentada en WO2013/093160A1 , donde se propone una estructura flotante monolítica, de una sola pieza, de hormigón armado y pretensado, incluyendo torre y flotador en un único elemento, en la presente invención se propone una geometría de transición que permite transmitir los esfuerzos generados en la base de la torre eólica hacia el elemento flotador de mayor diámetro, sin necesidad de uso de rigidizadores ni otros elementos externos a la propia pared de hormigón de la estructura que harían aumentar el peso y, por tanto, perder flotabilidad.

En el diseño de estructuras flotantes, la geometría de la sección de intersección con el nivel medio del mar (nmm) es un factor clave para el correcto comportamiento hidrodinámico de la estructura, de modo que el diámetro en dicha sección es el menor capaz de soportar los esfuerzos de diseño.

En cambio, el diseño del flotador se centra en maximizar la estabilidad de la estructura con el menor calado posible, implicando mayores diámetros que en la torre. Ésta diferencia entre diámetros implica grandes concentraciones de tensiones sobre la base de la torre y sobre el flotador, especialmente en el caso de transiciones de corta longitud, o incluso de longitud nula, siendo un factor clave la relación entre los diámetros de la torre y el flotador. En el caso de estructuras de hormigón monolíticas, donde la torre y el flotador forman una única pieza y los esfuerzos de pretensado del hormigón generan importantes esfuerzos de desviación en los cambios de geometría, conseguir una geometría que permita distribuir uniformemente las tensiones sobre la estructura permite aumentar la durabilidad de la estructura así como reducir el coste de ejecución de las estructuras de hormigón flotantes monolíticas.

Puesto que en los casos donde la torre metálica es necesario alejar en la medida de lo posible la junta acero-hormigón de la superficie del agua por temas de durabilidad y estanqueidad, la presente invención es igualmente válida, permitiendo realizar la transición con hormigón hasta escasos metros sobre el nmm, donde se conecta con la torre. Con esta solución se minimizan los problemas de durabilidad y mantenimiento de la zona más expuesta a los vectores ambientales más agresivos.

Para los casos de estructuras de hormigón que se fondean por gravedad en el fondo marino, la presente invención optimiza la distribución de tensiones en el aumento de diámetro desde la torre hasta la base de cimentación.

Descripción de la invención

Mediante el uso de una geometría adecuada y el uso de cordones de acero para el pretensado longitudinal y circunferencial se consigue una suave transmisión al flotador de los esfuerzos originados en la torre. Adicionalmente ayuda a mejorar otros aspectos hidrodinámicos respecto a otras soluciones, como se verá posteriormente.

Dicha transición comprende: -un arco de circunferencia tangente a la generatriz de la torre que une ambas piezas, formando una transición de geometría toroidal.

En caso de necesidad, la transición puede realizarse en 2 o más segmentos tronco- cónicos adaptando las transiciones a la curvatura original. Esta opción implica mayores concentraciones de tensiones que a su vez pueden ser absorbidas mediante el pretensado circunferencial concentrado en cada cambio de transición.

Adoptando esta geometría, toroidal o en base a troncos de cono, se obtiene una distribución adecuada de las tensiones longitudinales y transversales sobre el hormigón, incluyendo las cargas de la torre más las debidas al pretensado de los tendones embebidos en el hormigón, sean longitudinales y transversales.

El encuentro entre el flotador y la transición se pretensa circunferencialmente para absorber las tensiones generadas por el cambio de geometría, disponiendo un conjunto de tendones agrupados en la zona del cambio y otros de refuerzo repartidos a lo largo de la transición para garantizar el total estado de compresión.

Este estado de compresión garantiza la durabilidad de la estructura flotante en toda su obra viva y zona de salpicaduras.

Los tendones longitudinales se corresponden a los tendones de pretensado existentes de la base de la torre, dándoles continuidad hacia el flotador a través de la transición. En el caso de torre metálicas, los tendones longitudinales arrancan desde el inicio de la estructura de hormigón por encima del nmm.

Adicionalmente al beneficio estructural, hay que notar que la transición aumenta el radio de forma no lineal de tal manera que permite alejar los mayores diámetros de la superficie del mar, donde el efecto de las acciones de oleaje son máximas y disminuyen exponencialmente con la profundidad mientras aumentan proporcionalmente con el diámetro. Esto mejora en gran medida la respuesta hidrodinámica de la estructura, siendo más permeable en la superficie del mar. Su forma también ayuda a evitar posibles efectos adversos en el movimiento bajo condiciones severas de oleaje, donde parte importante de la transición queda expuesta temporalmente, produciéndose importantes variaciones de rigidez hidrostática con el uso de las típicas transiciones lineales, que deben ser compensadas en diseño mediante la longitud de la transición, aumentando el calado y/o radio del flotador.

Asimismo, la suavidad de la transición en la base de la torre permite un mayor radio entorno a la torre con una profundidad mínima que mediante otros tipos de transiciones, lo que favorece el tránsito de embarcaciones.

Breve descripción de las figuras

Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa el objeto de la invención

La figura 1 es una vista esquemática en alzado de una estructura flotante para soporte de turbinas eólicas marinas, donde se resalta la situación de la pieza de transición de acuerdo con la presente invención;

La figura 2 es un corte en alzado de la pieza de transición, donde se puede observar la geometría de la transición, bien sea curva (2) o segmentada (9), que define la longitud de transición L (3) en función de los radios de la torre (4) y del flotador (5). Se pueden observar los tendones longitudinales de acero pretensado (8), así como los tendones circunferenciales principales (6) que recogen los esfuerzos debidos al cambio de geometría. También se aprecian los tendones de refuerzo circunferencial repartidos a lo largo de la transición (7). Asimismo, se observa que el espacio interior está completamente libre de elementos de rigidización y/o refuerzos (10).

En la figura 3 se muestra una vista en planta de la transición, resultando claramente visible la geometría de los tendones de pretensado circunferenciales (7 y 6) y de los tendones longitudinales (8) que dan continuidad a los provenientes de la torre (11).