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Cimentaciones alternativas para instalaciones de paneles solares
Conoce los factores que reducen la vida útil de un pilote helicoidal
La expansión del desarrollo de los sistemas de energía solar de montaje en suelo requiere sistemas de cimentaciones económicos que puedan soportar las cargas esperadas de manera segura. La carga de diseño crítica para la mayoría de los sistemas solares es el levantamiento de la carga del viento, especialmente para los sistemas elevados que están diseñados para permitir el uso dual de la tierra. Se pueden usar varios tipos diferentes de cimientos para soportar el marco estructural y resistir la carga de levantamiento. Se realizaron pruebas de levantamiento a gran escala llevadas a la falla en diferentes cimientos en cinco sitios que representan un rango de condiciones del suelo para ilustrar la capacidad de carga típica que se puede lograr. Las cimentaciones incluyeron pilas perforadas, pedestales prefabricados, pilotes en H de acero hincados, pilotes de tubos de acero hincados y pilotes helicoidales. Los resultados de las pruebas de carga se presentan junto con una discusión de las posibles ventajas y limitaciones de los distintos tipos de cimientos.
Introducción
A lo largo de los EE. UU. y otras partes del mundo, los sistemas solares de montaje en suelo se han convertido en alternativas cada vez más populares a los sistemas de montaje en techo. Las instalaciones solares de montaje en suelo suelen ser de dos tipos: 1) sistemas de montaje bajo que se colocan lo más cerca posible del suelo; y 2) sistemas elevados que brinden suficiente espacio entre la cimentación del marco del panel y la superficie del suelo para permitir el uso doble del suelo debajo del sistema. Un ejemplo de estas dos instalaciones se muestra en la Figura 1.
Los sistemas de montaje en suelo elevado son atractivos en algunas áreas y permiten que el suelo debajo del sistema se use para el pastoreo de ganado, actividades agrícolas livianas, como la producción de heno y paja, y para pequeñas parcelas de vegetales para complementar las actividades agrícolas de camiones.
Una percepción errónea común entre los diseñadores de cimientos para sistemas solares de montaje en suelo es que Las cimentaciones deben diseñarse para resistir la carga combinada de compresión y flexión que produce una carga lateral en Las cimentaciones. De hecho, en la mayoría de los casos, la carga de diseño crítica es producida por el viento, que tiende a producir fuerzas de elevación en la matriz de paneles y se acentúa cuando los paneles se elevan y se colocan muy juntos. La mayoría de los sistemas están construidos con materiales relativamente livianos, por lo que la compresión axial generalmente es de poca importancia. En términos de problemas de diseño con cargas laterales, la carga del viento generalmente es direccionalmente aleatoria y el rendimiento del sistema no depende de pequeños movimientos laterales para permanecer operativo. La carga del viento produce fuerzas de levantamiento que deben ser contrarrestadas por la capacidad de tensión de la cimentación (McBean 1985; Shademan & Hangan 2009).
Cimentaciones alternativas
Las opciones de cimentación para los sistemas solares de montaje en suelo se pueden dividir en varios grupos según el método de instalación:
- Pilotes de concreto perforado directo
- Pilotes de concreto prefabricado excavados y rellenados
- Pilotes de concretos vaciados en el lugar excavados y rellenados
- Zapata moldeada en el lugar
- Pilotes hincados
- Pilotes helicoidales
La Figura 2 ilustra estos diferentes grupos de cimentaciones. Dentro de cada uno de estos grupos hay opciones que se pueden seleccionar dependiendo de las condiciones específicas del sitio, como se discutirá en las siguientes secciones. Es importante señalar que las diversas alternativas de cimentación que se ilustran en la Figura 2 representan cimentaciones tradicionales utilizadas en la industria de la construcción para soportar otros tipos de estructuras. No representan ningún sistema único o patentado que sea exclusivo de la industria solar.
Pilotes colados en sitio
Pilas o pilotes perforados y vaciados en el lugar se utilizan habitualmente para soportar una serie de estructuras para resistir tanto la compresión axial como las cargas laterales. Son relativamente fáciles de instalar utilizando un equipo especializado equipado con diferentes tamaños y tipos de herramientas de perforación para adaptarse a las condiciones locales del terreno. Para instalaciones solares a pequeña escala, parecen ser una alternativa popular ya que la profundidad de perforación es generalmente poco profunda (típicamente menos de unos 10 pies). La capacidad de levantamiento se desarrolla a partir de una combinación de resistencia lateral entre el suelo y el fuste y la masa del pilote. El diseño depende de las condiciones del suelo in situ existentes. La Figura 3 muestra ejemplos de instalaciones completadas.
Las cimentaciones de pilotes perforados pueden ser de lados rectos, con cimentación perforada ampliada, o pueden construirse inyectados a presión, que es un método alternativo para crear una cimentación ampliada, como se ilustra en la Figura 4. En algunos lugares, una cimentación ampliada es atractiva ya que crea una resistencia adicional al levantamiento sobre un simple eje de lados rectos. Sin embargo, la construcción a veces puede ser difícil y solo es adecuada para suelos que no se derrumbarán a medida que se construye la cimentación ampliada (generalmente arcillas rígidas a medianamente rígidas y otros suelos de grano fino).
El problema principal con los pilotes perforados en esta aplicación es que la construcción puede ser lenta y complicada en comparación con otras opciones y la perforación produce grandes cantidades de recortes de suelo que deben desecharse; un gasto adicional al proyecto. El acceso a algunos sitios para el equipo de perforación y la entrega de concreto puede ser un problema. La colocación del concreto es generalmente sencilla, pero a menudo requiere unos días para que el concreto se endurezca lo suficiente como para comenzar la instalación sobre el suelo. La conexión a la estructura de soporte se puede hacer mediante una placa empernada en la parte superior del pilote o, en algunos casos, el empotramiento directo del soporte en el concreto es una opción.
Pilotes de concreto sobreperforados, prefabricados, vaciados y rellenados en sitio
Como alternativa a Las cimentaciones de pilotes perforados tradicionales, en los que el tamaño total del orificio perforado se rellena con concreto, se pueden utilizar pilotes de concreto sobreperforados y rellenados. En este enfoque, se crea un orificio de gran tamaño y se coloca en el orificio una forma de concreto desechable o se coloca en el orificio una cimentación de concreto prefabricado disponible en una planta de prefabricados. Luego se coloca un relleno adecuado alrededor del encofrado o del pilote prefabricado y se compacta. Esta alternativa puede ser atractiva si las condiciones del suelo del sitio de salida son malas y la capacidad de carga de levantamiento puede mejorarse mediante la colocación controlada del relleno. Se necesitan especificaciones para controlar el tipo y la ubicación del relleno y para evaluar el uso del material de relleno excavado en el sitio. En el caso de materiales muy húmedos en el sitio, puede ser posible secar el suelo excavado para permitir su uso.
La capacidad de carga depende de la menor resistencia entre la cimentación y el relleno o el relleno y el terreno in situ. Como se ilustra en la Figura 5, se puede crear una cimentación ampliada utilizando un encofrado fabricado colocado al final del encofrado tubular de concreto o, en algunos casos, los fabricantes de elementos prefabricados pueden proporcionar un pilote prefabricado con una cimentación ampliada. El uso de una cimentación ampliada normalmente reduce el diámetro requerido del eje del pilote ya que la mayor parte de la capacidad de elevación se desarrolla a partir de la cimentación ampliada y la masa del pilote. Para sistemas de muy pequeña escala, tales como sistemas para propietarios de viviendas, los proveedores de construcción locales pueden obtener cimientos prefabricados. Figura 5.
Lutenegger (2015) presentó los resultados de una serie de pruebas de levantamiento realizadas en pedestales poco profundos sobreperforados y colados en el lugar, quienes demostraron que la calidad de la compactación del relleno tiene un efecto significativo en el comportamiento de levantamiento resultante.
Zapatas construidas en el sitio
Las zapatas vaciadas en el lugar son una variación de los pilotes sobreperforados y vaciados en el lugar, pero se construyen como una cimentación poco profunda típica con un vástago que se extiende hasta la superficie del suelo para soportar el marco estructural. Una de las ventajas de usar una cimentación moldeada en el lugar es que la mayoría de los contratistas generales pueden realizar el trabajo y no se necesita equipo especial. El comportamiento de levantamiento está controlado en gran medida por la calidad del relleno colocado sobre la zapata. En la mayoría de los casos, no hay exceso de tierra para desechar, a menos que la tierra excavada se considere inadecuada como relleno y se deba importar otra tierra al sitio. Kulhawy (1985) y Trautmann & Kulhawy (1988) han discutido extensamente el diseño para el comportamiento de levantamiento de zapatas poco profundas.
Pilotes hincados
Los pilotes hincados son una alternativa de cimentación atractiva para los sistemas de paneles solares de montaje en suelo, ya que los materiales están fácilmente disponibles y los contratistas están familiarizados con la tecnología. En su mayor parte, los pilotes de tubería de acero y los pilotes en H se utilizan más que los pilotes de concreto y madera que se utilizan para otras aplicaciones. Los pilotes hincados para soportar los sistemas solares montados en el suelo suelen ser más ligeros que los que se utilizan para otras aplicaciones estructurales con tuberías normalmente en diámetros que van desde 4 a 8 pulgadas de diámetro y pilotes H típicamente hechos de secciones W con bridas de entre 6 y 10 pulgadas. Se puede usar un martillo de trabajo ligero para realizar la instalación y hay poca perturbación en el suelo, por lo que solo hay una limpieza menor.
Otra ventaja de usar pilotes hincados instalados con un martillo de caída o un martillo de pilotes convencional es que la instalación se puede monitorear en cada ubicación y las longitudes de los pilotes se pueden ajustar para adaptarse a las condiciones del suelo en cada ubicación según sea necesario para proporcionar la capacidad de diseño. La Figura 6 muestra la instalación de pilotes hincados para un proyecto solar en curso. Se utilizaron tanto un martillo de caída como un martillo vibratorio para evaluar la tasa de instalación. Para un pilote de tubería de 10 pies de largo, el martillo de caída tomó alrededor de 12 minutos. en comparación con aproximadamente 1 min. para el martillo vibratorio.
La capacidad de levantamiento de los pilotes hincados en la mayoría de los suelos depende de la resistencia lateral desarrollada entre el suelo y el perímetro del pilote. Esto se puede mejorar agregando placas de acero adicionales o “aletas” en la pila para aumentar el área de superficie (Lutenegger 2012). Esta es una modificación simple que se puede realizar en el sitio si es necesario.
Pilotes Helicoidales
Uno de los tipos de cimientos más atractivos y de más rápido crecimiento para los paneles solares de montaje en suelo son los pilotes helicoidales de acero. Un pilote helicoidal es un elemento de cimentación fabricado que generalmente consiste en un eje de tubería de acero con una o más placas helicoidales soldadas al extremo inferior del eje, como se muestra en la Figura 7. Algunas de las ventajas de usar pilotes helicoidales es que están disponibles en una amplia gama de tamaños y longitudes; el tamaño y la cantidad de placas helicoidales se pueden ajustar para adaptarse a casi cualquier condición del terreno, se pueden instalar en unos minutos; no producen cortes de suelo, existe poca perturbación de la superficie del suelo y hay poca o ninguna limpieza. La instalación se realiza con equipo de construcción convencional, minicargadora, miniexcavadora, retroexcavadora, etc., equipada con un cabezal de torsión hidráulico, como se muestra en la Figura 8. La carga de levantamiento se desarrolla como una combinación de resistencia lateral a lo largo del eje de la tubería y cojinete final de la placa helicoidal. De hecho, la hélice produce una gran resistencia al levantamiento en la mayoría de los suelos.
Otra ventaja principal de los pilotes helicoidales sobre otras alternativas de cimentación es que la instalación se puede monitorear en toda su longitud midiendo el torque de instalación a intervalos de 1 pie. De esta manera, el perfil de torque se puede usar para verificar las condiciones del suelo en cada ubicación de instalación. A algunos ingenieros les gusta comparar el torque de instalación de instalación, T, con la capacidad última, Qult, a través de un factor de par, KT, como:
Qult = TKT
Varios factores pueden influir en la precisión de este enfoque; sin embargo, dentro de una geología dada y para una sola pieza de equipo, configuración hidráulica y geometría del pilote, este enfoque es viable. Cabe señalar que los pilotes helicoidales pueden ser difíciles de instalar en suelos que contienen grandes cantidades de grava o cantos rodados.
Otras alternativas de cimentación
Existen otras opciones de cimientos que podrían ser adecuadas para sitios específicos que también podrían adaptarse a la experiencia y las capacidades del contratista local. Estos incluyen grupos de micropilotes perforados, grupos de pilotes hincados y grupos de pilotes helicoidales. En algunos casos, puede ser más fácil para el contratista instalar varios elementos de cimentación más pequeños y luego unirlos como una unidad en lugar de instalar un solo elemento más grande. El uso de cimientos lastrados de concreto prefabricado también es popular en algunas áreas.
Comportamiento de las cimentaciones frente al levantamiento
Para ilustrar el comportamiento de levantamiento de varias de las alternativas de cimentación analizadas en las secciones anteriores, en esta sección se presentan los resultados de las pruebas de carga a gran escala. Se han realizado pruebas en varios sitios. En esta sección solo se presentan las pruebas realizadas en un sitio que consiste predominantemente en una capa superficial de arcilla rígida. Las pruebas en otros sitios dieron resultados similares.
La Figura 9 muestra los resultados de la prueba de carga obtenidos de un pilote perforado de 12 pulgadas de diámetro con una longitud de 10 pies en comparación con un pilote helicoidal de una sola hélice con un diámetro de eje de tubería de 6 5/8 pulgadas y un diámetro de hélice de 12 pulgadas instalado para una profundidad de solo 4 pies. En este caso, los dos cimientos brindan efectivamente la misma capacidad de elevación de alrededor de 10,000 lbs. El pilote perforado tardó aproximadamente 2 horas en instalarse, sin incluir la limpieza, mientras que el pilote helicoidal se instaló en aproximadamente 6 minutos.
La contribución de la placa helicoidal a la capacidad de levantamiento total de un pilote helicoidal se muestra en la Figura 10. Se instaló un pilote helicoidal de una sola hélice con un diámetro de eje de tubería de 4,5 pulgadas a una profundidad de 8 pies y se probó en levantamiento. Se instaló un pilote circular con el mismo diámetro de eje adyacente al pilote helicoidal y también se probó. La Figura 10 muestra no solo la diferencia en la capacidad última, sino que también muestra un comportamiento característico de los pilotes circulares en levantamiento. Una vez que se alcanza la capacidad máxima, la pila continúa moviéndose hacia arriba y no puede soportar ninguna carga adicional. El pilote helicoidal muestra un comportamiento de falla más gradual debido a el desarrollo de la capacidad de carga de la placa helicoidal.
La Figura 12 muestra una comparación del comportamiento de levantamiento de pilotes en H de diferentes tamaños. Estos resultados muestran una característica curva de carga de levantamiento redondeada que es diferente a la mayoría de los pilotes circulares.
Selección de los factores de cimentación y comparación
La selección de una cimentación para un sistema solar de montaje en suelo es similar a la selección de una cimentación para otras estructuras y debe considerar una serie de factores, que incluyen: 1). Capacidad de carga; 2). Condiciones del suelo del sitio; 3). Condiciones de aguas subterráneas poco profundas; 4). El acceso al sitio; 5). Facilidad de Construcción; 6). Velocidad de Instalación; y 7). Limpieza del sitio. En la Tabla 1 se presenta una comparación relativa de los diferentes tipos de cimentaciones descritos en el documento actual. Se desarrolló un sistema de calificación cualitativo simple que utiliza valores numéricos de 1 a 5 puntos, con 5 puntos otorgados como la evaluación más alta en cada categoría. Este sistema se utilizó para proporcionar una evaluación cualitativa y una comparación de las diversas alternativas descritas en este documento con cimentación en la experiencia previa del autor durante los últimos años.
Con cimentación en la comparación presentada anteriormente, que es reconocidamente subjetiva, Las cimentaciones más versátiles que probablemente tengan el rango más amplio de aplicabilidad son los pilotes helicoidales y los pilotes hincados. La comparación económica de las diferentes alternativas de cimentación podría evaluarse mejor utilizando el Costo de instalación de la cimentación/Carga permitida (es decir, $/kip). Sin embargo, para hacer tal comparación, es necesario analizar los datos de los proyectos terminados. Sin embargo, en la actualidad no hay datos suficientes para hacer esta comparación.
Se han descrito alternativas de cimentación para soportar sistemas solares de montaje en tierra. Las cimentaciones discutidas representan la mayoría de las cimentaciones que el autor ha encontrado en los últimos cinco años. La selección de un sistema de cimentación para cada proyecto debe basarse en una decisión económica que puede expresarse en términos de $/kip. Se deben considerar e incluir una serie de factores en el costo total del sistema de cimentación, incluido el tipo de instalación deseada por el Propietario, la carga de soporte requerida para la configuración específica del sistema solar, las condiciones del suelo y del agua subterránea en el sitio, la accesibilidad del sitio, la perturbación del sitio, facilidad y rapidez de instalación y costos de materiales, equipos y mano de obra para completar una instalación. Se presentó una comparación cualitativa simple de varias cimentaciones diferentes para ilustrar que, aunque hay una variedad de alternativas de cimentaciones disponibles, es posible que no todas proporcionen la misma economía para un proyecto.
By Alan J. Lutenegger P.E., PhD, F. ASCE
Referencias
Kulhawy, F. H., 1985. Uplift Behavior of Shallow Soil Anchors – An Overview. Uplift Behavior of Anchor Foundations in Soil, ASCE, pp. 1-25.
Lutenegger, A.J., 2012. Tension Tests on Driven Fin Piles for Support of Solar Panel Arrays. Proceedings of GeoCongress 2012, ASCE, Oakland, Ca.
Lutenegger, A.J., 2015. Uplift Tests on Shallow Cast-in-Place Enlarged Cimentación Pedestal Foundations in Clay. Proceedings of the International Foundation Conference and Equipment Exhibition, San Antonio.
McBean, R.P., 1985. Wind Load Effects on Flat Panel Solar Collectors. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 111, No. 2, pp. 343-359.
Shademan, M. and Hangan, H., 2009. Wind Loading on Solar Panels at Different Inclination Angles. Proceedings of the 11th Americas Conference on Wind Engineering, San Juan, 9 pp.
Trautmann, C. and Kulhawy, F.H., 1988. Uplift Load-Displacement Behavior of Spread Foundations. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 2, pp. 168-184.
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