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Ingenieros estructurales Diseo industrial y planificacin solar

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Abril 2011

Dictamen profesional sobre las cargas de viento por debajo de los mdulos solares con diferentes inclinaciones

Al realizar los clculos estructurales para las estructuras inclinadas solares para cubiertas y huertas sola-res, se debern considerar las acciones externas causadas por viento, nieve y las condiciones cambiantes de temperatura. El nivel de seguridad requerido para esta construccin ser decisivo en este contexto. En cuanto a la situacin del mercado en el rea de la energa fotovoltaica, se puede observar que hay diferen-tes maneras de tratar este asunto. Mientras que algunos licitadores trabajan estrictamente siguiendo las disposiciones oficiales y las normas tcnicas de la construccin, otros trabajan con estimaciones ms bien pragmticas. Cabe sealar que las instalaciones solares han sido claramente definidas como partes de un edificio o estructura en los cdigos y normas de la edificacin de los estados federales de Alemania, y por lo tanto tienen que ser dimensionados segn la base de las reglas tcnicas de la edificacin. En cuanto a las cargas que se tienen que aplicar para determinar las cargas de viento y nieve, tiene vigencia la norma DIN 1055 en su nueva versin (2005-2006) que desde el 1 de Enero de 2007 es vinculante. En cuanto a las cargas de nieve, la DIN 1055 incluye una regulacin clara que no deja ningn margen para otras interpretacio-nes. En cuanto a las cargas de viento, la situacin vara. En la parte 4 de la norma DIN 1055 en la versin de marzo de 2005, estn determinadas claramente la velocidad del viento y el clculo de la presin din-mica del viento en funcin de la ubicacin, la categora del terreno y la altura del edificio. Utilizando los parmetros de la presin dinmica del viento, las cargas de viento se pueden obtener multiplicando los coeficientes de presin cp y los coeficientes de fuerza cf. En la norma tcnica estn mencionados los coe-ficientes de presin y fuerza para varias formas bsicas de la edificacin. En la DIN 1055 no se incluye ninguna forma bsica de edificacin para una instalacin solar inclinada sujeta a la accin del viento por abajo. En la prctica, muchos ingenieros de esttica utilizan las reglas para cubiertas con estructura inde-pendiente. En la figura 1, se muestran las condiciones y coeficientes de presin de esta forma bsica. Por definicin, los coeficientes de presin se aplican a las cubiertas inclinadas (p.ej. cubiertas para las plata-formas ferroviarias con una inclinacin mxima de 10).

Figura 1 Coeficientes de presin para cubiertas con estructura independiente (DIN 1055-4 tabla 8)

Con obstculo

En ausencia de normas especficas, algunos ingenieros estructurales han decidido aplicar los coeficientes de presin para cubiertas inclinadas con estructura independiente en un ngulo de inclinacin > 10 , que corresponde a la gama habitual de las aplicaciones de las instalaciones solares. Este mtodo no est per-mitido, de tal forma que construcciones que estn diseadas de esta manera no se ajustan a las reglas y normas aceptadas de la tecnologa. El procedimiento habitual para obtener unos coeficientes de presin fiables es el siguiente:

Evaluacin de los cdigos tcnicos o publicaciones de prensa especializada Clculos dinmicos en estructuras afectadas por el viento Ensayo

La lectura de las publicaciones especializadas en prensa ya proporciona amplia informacin sobre el tema dado. En [1] se presenta un enfoque de cargas para mdulos inclinados basado en los coeficientes de pre-sin y fuerza segn el Eurocdigo 1. Este mtodo se basa en la investigacin de la universidad de Chem-nitz. Como parte de un proyecto de investigacin, el problema fue examinado matemticamente y por medio de ensayos a largo plazo, de modo que queda reconocido en las normas de la tecnologa. En Euro-cdigo 1, las cargas de viento, que afecten a las cubiertas con estructura independiente con un ngulo entre 0 30, se calcularn como cargas concentradas en los puntos cuartos de la longitud del tejado (figura 2). En la figura 3, se muestra un ejemplo de distribucin de la presin calculada a partir del flujo. Las posiciones de las mximas presiones que estn sealadas en rojo muestran la exactitud de este enfo-que para el clculo.

Figura 2 Puntos de carga aplicada para las fuerzas del viento (Eurocdigo 1) Figura 3 Distribucin de presin [1]

En el anexo 1 estn representados en forma de grficos los coeficientes de presin y fuerza para cubiertas inclinadas 0 30 segn el Eurocdigo 1. Los coeficientes de presin son vlidos para el mdulo y perfil portante de mdulos, mientras que los coeficientes de fuerza se aplicarn para el apoyo y las com-probaciones de fijacin en el tejado y en el suelo. La comparacin de los valores especificados para 10 muestra que esta escala corresponde aproximadamente con la norma DIN1055. Con una inclinacin cada vez mayor, los valores de los coeficientes de presin y fuerza aumentarn significativamente. En una estructura inclinada de 30, la aplicacin del doble de las cargas de viento ser una buena aproximacin. Esta comparacin muestra que una prueba con los coeficientes de presin segn la DIN 1055 no es mu-cho ms segura en caso de que los ngulos de inclinacin sean mayores. Los coeficientes de presin regulados por las normas para cubiertas independientes segn el Eurocdigo 1, debern cubrir una amplia gama de posibles configuraciones con respecto al entorno arquitectnico, direccin de entrada del flujo de viento y altura mnima. Por otra parte, no est explcitamente indicado colocar varias filas una detrs de la otra para proteger contra el viento. De acuerdo a las condiciones especficas para mdulos en estructuras inclinadas, se pueden calcular valo-res ms exactos mediante ensayos de tneles aerodinmicos. La norma DIN 1055, parte 4, captulo 6.3 admite explcitamente este mtodo. Para este tipo de ensayos para analizar la aerodinmica del edificio se deber utilizar un tunel aerodinmico de capa limite.

Wind

Sog (-)

Druck (+)

PV-Element

Wind

Sog (-)

PV-Element

cp

cp, res

l0.4

l

Wind

Druck (+)

Sog (-)

PV-Element

cp

Wind

Druck (+)PV-Element

cp, res

l

0.5

l

Figura 3 Tnel aerodinmcio de capa lmite [3] Figura 4 Distribucin de presin real e idealizada [3]

La figura 3 muestra un tunel aerodinmico de capa limite con el tipo de edificio en cuestin. En este caso concreto, se colocan en un disco giratorio varias filas de mdulos colocadas una detrs de la otra simu-lando una instalacin fotovoltaica en huertas solares. As, se tendr en cuenta explcitamente la influencia de todas las direcciones del flujo de viento. En la figura 4 se representan las distribuciones de presin medidas cualitativamente en el rea superior para flujos de viento de la parte delantera y trasera. Dado que estos campos de succin y presin no lineales slo pueden ser incluidos en la planificacin estructural con un esfuerzo de clculo grande, se transforman en distribuciones idealizadas de presin y succin que causan incluso cargas y momentos iguales en la seccin del mdulo. Cualitativamente, los resultados coinciden con las investigaciones en [1] y Eurocdigo 1. Sin embargo, los valores absolutos y el centro de gravedad del modelo de carga permiten un dimensionamiento ms econmico. En la figura 5 est repre-sentada la influencia de proteccin mutua contra el viento de las filas colocadas una detrs de la otra. En caso de que el flujo de viento provenga de atrs (generalmente del norte), las estructuras inclinadas esta-rn sometidas constantemente a esfuerzos decrecientes debidos a la accin del viento. A partir de la quin-ta fila, habr aproximadamente una carga equivalente uniformemente distribuida en toda la superficie del mdulo. Sin embargo, en caso de que hayan grandes superficies libres en una instalacin, se tendrn que volver a calcular las zonas de periferia. Dado que los flujos de viento del noroeste o nordeste pueden lle-var a que las mesas de periferia tengan que resistir ms al viento en los flancos este y oeste de una instala-cin fotovoltaica, se tendrn que dimensionar como si fueran zonas de periferia.

Flujo de viento desde el norte

esquina borde norte 2. Fila 3. Fila 4. Fila 5. Fila

Flujo de viento desde el sur

5. Fila 4. Fila 3. Fila 2. Fila borde sur

Figura 5 Representacin cualitativa de la influencia de proteccin mutua contra viento de las filas colocadas una detrs de la otra.

Un efecto similar se puede observar cuando el flujo de viento proviene del sur. En este caso, se pueden observar las presiones concentradas en la parte inferior de la superficie del mdulo. Adems en este caso, no hay una zona de presin homognea empezando por la quinta fila La representacin de las condiciones de presin en la figura 5 es vlida para las estructuras tpicas de montaje solar, independientemente del fabricante. Desde el punto de vista cuantitativo, se espera una cier-ta influencia de la solucin concreta en funcin de las dimensiones del perfil y las mediciones de separa-cin entre los mdulos. Adems, los coeficientes de presin dependern de la inclinacin de la superficie de mdulos.

En resumen, se puede afirmar:

Los mtodos para calcular las cargas de viento basados en las normas tcnicas establecidas en los lmites de aplicacin especificados son generalmente admitidos para la prueba de estabilidad. Conclusiones, por analoga, basadas en otros tipos de construccin, como cubiertas a un agua, cubiertas para plataformas ferroviarias o vallas publicitarias son insuficientes y no se corresponden con las normas aceptadas de la tecnologa. Las pruebas especficas de viento en un tunel aerodinmico de capa limite son compatibles con las reglas aceptadas en la tecnologa y ofrecen en caso de zonas homogneas de mdulos, sin grandes espacios abiertos, un potencial de optimizacin econmico debido principalmente a la reduccin de carga de viento en la zona interior. Al utilizar correctamente los coeficientes aerodinmicos en la planificacin de estructuras portantes se garantiza absolutamente la estabilidad.

Dr.-Ing. C. Zapfe

[1] Erfuth/Bahner: Estructuras portantes para instalaciones solares, manual de planificacin para el montaje con inclinacin de los colectores solares, Solarpraxis Supernova AG, 2001 ISBN 3-934595-11-1

[2] Univ. Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider: Dictamen pericial para calcular las cargas de viento en insta-laciones (para huertas solares) sujetas a la accin del viento por abajo Darmstadt, Abril 2010

[3] Ruscheweyh Consult GmbH: Ensayos de tnel aerodinmico para cargas de viento en instalacio-nes fotovoltaicas huertas solares para Schletter GmbH

Anexo 1: Coeficientes de presin y de fuerza para cubiertas inclinadas 0 30 (DIN EN 1991-1-4; Eurocdigo 1)

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