Design of foundations for wind turbines implemented in
Ecatzingo, State of Mexico
RESUMEN
El presente trabajo desarrolla el diseño estructural y geotécnico de
una cimentación de gravedad octagonal para aerogeneradores propuestos en
el municipio de Ecatzingo, Estado de México. Se parte del análisis de
cargas actuantes, principalmente por viento y sismo, empleando los
lineamientos del ASCE 7-22 y el Manual de Diseño de Obras Civiles de la
Comisión Federal de Electricidad (CFE). Posteriormente, se realiza el
diseño geotécnico considerando los criterios establecidos en la
normativa DNV-OS-J101. Para un correcto análisis, se plantean cinco
modelos de torres con alturas de 20, 40, 60, 80 y 100 m, evaluando para
cada caso las condiciones de volteo, deslizamiento y asentamientos. Los
resultados muestran que todas las configuraciones propuestas cumplen con
los factores de seguridad mínimos requeridos y con los límites
permisibles de asentamiento, demostrando la viabilidad técnica del uso
de cimentaciones de gravedad en la zona de estudio. El análisis confirma
que estructural y geotécnicamente los modelos son factibles para su
implementación.
This study develops the structural and geotechnical design of an
octagonal gravity foundation for wind turbines proposed in the
municipality of Ecatzingo, State of Mexico. The analysis begins with the
evaluation of acting loads, primarily wind and seismic forces, following
the guidelines established in ASCE 7-22 and the Manual of Civil Works
Design of the Federal Electricity Commission (CFE). Subsequently, the
geotechnical design is carried out considering the criteria established
in the DNV-OS-J101 standard. For a comprehensive analysis, five tower
models with heights of 20, 40, 60, 80, and 100 m are proposed,
evaluating overturning, sliding, and settlement conditions for each
case. The results show that all proposed configurations meet the minimum
required safety factors and allowable settlement limits, demonstrating
the technical feasibility of using gravity foundations in the study
area. The analysis confirms that the models are structurally and
geotechnically feasible for implementation.
En los últimos años, la búsqueda de alternativas a los combustibles
fósiles ha tomado mayor relevancia a nivel global debido a la necesidad
de mitigar el cambio climático y garantizar una economía sustentable a
largo plazo. En este contexto, las energías renovables se presentan como
una de las mejores alternativas para lograrlo, por lo que continúan las
investigaciones para conseguir avances en su tecnología que les permita
ser más eficientes y económicas. En consecuencia, la energía generada
por el viento ha ido destacando como una de estas alternativas,
aumentando en años recientes su producción a nivel global.
Según datos del Global Wind Energy Council [1], el año 2024 destacó por ser uno de
los mejores para la industria eólica. Según el informe para ese año, la
energía total producida entre instalaciones existentes y nuevas fue de
1,136 GW, de los cuales, 117 GW corresponden a lo producido únicamente
por las nuevas instalaciones.
En México, según datos de la Asociación Mexicana de Energía Eólica
[2], en el año 2024 se mantuvieron en
operación 74 parques eólicos que representan 7,782 MW con 3042
aerogeneradores instalados en el país. La energía producida fue
equivalente al 5.68% de la generación total de electricidad en el
país.
Este aumento en las nuevas instalaciones durante los últimos años ha
sido posible gracias a la capacidad de adaptar los aerogeneradores a
diferentes condiciones geológicas y geotécnicas, especialmente en zonas
donde el viento puede aprovecharse de manera óptima. Sin embargo, no
solo las turbinas deben responder a estas condiciones: las estructuras
en las que se sostienen y, sobre todo, sus cimentaciones, deben
diseñarse de la mejor manera para garantizar su estabilidad y un
funcionamiento adecuado.
La cimentación es un elemento clave en la instalación de un
aerogenerador, pues deberá ser capaz de transmitir las cargas de la
turbina al suelo. Aunado a esto, tiene un gran impacto tanto en la parte
técnica como en la parte económica, pudiendo representar hasta el 36%
del costo total del aerogenerador [3].
En el mercado actual, los tipos de cimentación varían según el lugar
donde se instalen este tipo de sistemas. Cuando los aerogeneradores se
ubican en tierra firme (estructuras costa-adentro), el diseño depende
principalmente de las características del suelo. Entre las más
utilizadas se encuentran los pilotes y las cimentaciones de
gravedad.
En este artículo solo se consideran las cimentaciones para las
turbinas costa-adentro, para el sitio de Ecatzingo en el estado de
México.
Antecedentes
Los criterios para elegir el tipo de cimentación dependen mayormente
del tipo de suelo y las condiciones que prevalecen en la zona donde
estará desplantada. En el caso de cimentaciones superficiales, se
consideran parámetros geotécnicos como [4]:
Estabilidad global: El análisis en este caso
debe realizarse con las condiciones de carga establecidas por el
fabricante de la turbina.
Rigidez mínima: Una de las especificaciones
establecidas por el fabricante es la rigidez mínima (traslacional y
rotacional) que debe tener la cimentación ya que es la base para estimar
la respuesta de la turbina.
Capacidad de carga: Se determina normalmente
utilizando la ecuación de Terzaghi-Meyerhof utilizando los factores
geotécnicos determinados previamente mediante estudios de suelo. El
factor de seguridad recomendable es de 3.0, a menos que esté sujeto a
cargas extremas, donde se reduce a 2.26.
En el caso de los aerogeneradores, la cimentación se encuentra
sometida a grandes momentos de volteo, por lo que siempre debe
considerarse una carga excéntrica en su evaluación.
La cimentación de gravedad destaca porque puede ser usado tanto en
estructuras costa-adentro como estructuras costa-afuera. Se les atribuye
entre el 20 – 25% del costo total del aerogenerador [5].
Este tipo de cimentación consiste en una base de concreto reforzado,
ya sea circular u ortogonal, donde se monta un pedestal cilíndrico [4]. Su elección debe basarse en los
resultados obtenidos al realizar un estudio exhaustivo de los estratos
inmediatos de suelo. Además, el diseño deberá estar enfocado en la
revisión de los asentamientos. Este tipo de cimentación se basa
principalmente en su estabilidad, por lo que factores como el área de la
cimentación y el peso necesario deberán tomarse en cuenta.
Figura 1. Representación esquemática de
una cimentación de gravedad tipo octagonal para aerogeneradores
terrestres, compuesta por una losa de base y un pedestal central
cilíndrico.
El correcto aprovechamiento de la turbina depende en gran medida de
la velocidad de viento en la zona donde será desplantada. De este modo,
la cimentación a elegir está fuertemente ligada a las condiciones
geotécnicas a las que se encontrará expuesta.
Además, al jugar también un papel importante para el correcto
aprovechamiento y desempeño de un aerogenerador, el sitio debe cumplir
con las siguientes características [6]:
Fácil acceso por carretera al sitio.
Baja densidad de población.
Riesgo mínimo para actividades agroforestales.
Terrenos de propiedad privada y libre dominio.
Uso de suelo dedicado principalmente a la agricultura y
pastoreo.
Metodología
Para realizar un diseño adecuado de cimentación, debe llevarse a cabo
tanto el análisis estructural para determinar las cargas actuantes
(principalmente por viento), así como el análisis de las características
del suelo y condiciones geotécnicas de la zona. Una vez que se conocen
estos datos, puede revisarse una propuesta para el diseño de la
cimentación.
Dentro del análisis estructural, los rubros a considerar son:
análisis de viento, y análisis sísmico.
El análisis sísmico puede llevarse a cabo con ayuda del Manual de
Diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad (CFE)
[7], siguiendo
el siguiente procedimiento.
Determinar la clasificación de la estructura.
Depende de los efectos que pudiesen ocurrir si la estructura falla,
tomando en cuenta su relevancia y la magnitud de los daños que pueden
generarse en circunstancias desfavorables.
Identificar la región sísmica. El Manual de
Diseño de Obras Civiles propone cuatro regiones, dos de alta y dos de
baja sismicidad, como se muestra en la figura.
Figura 2. Mapa de regionalización
sísmica de la República Mexicana según el manual de la CFE, utilizado
para identificar la intensidad sísmica en la zona de estudio y definir
parámetros de diseño [7].
Crear el espectro de diseño. El espectro de
diseño sísmico se puede construir manualmente a partir de las siguientes
ecuaciones:
También es posible utilizar el programa PRODISIS, el cual corresponde
con lo establecido en el Manual de Diseño de Obras Civiles.
Como ya se ha explicado, la estructura estará expuesta mayormente a
cargas de viento y su desempeño está directamente relacionado con la
exposición a este tipo de carga. Al ser éste el factor más importante en
cuanto a su funcionamiento, el análisis por viento es el más importante
a la hora de realizar el diseño de la cimentación, ya que deberá ser
capaz de oponerse a volteos y deslizamientos.
El análisis para esta parte puede realizarse según lo establecido en
el documento técnico del ASCE 7-22.
Se revisa la velocidad de viento para el municipio donde se tendrá la
instalación de aerogeneradores, la cual puede obtenerse con los datos
proporcionados por el Centro Nacional de Prevención de Desastres
(CENAPRED) [8].
Entre otros datos, debe tomarse en cuenta la topografía natural de la
zona, construcciones existentes y la vegetación para determinar la
rugosidad del suelo.
Considerando la topografía del lugar y la geometría de la estructura,
se puede realizar el cálculo de las fuerzas de viento que actúan sobre
ella utilizando la siguiente fórmula.
donde: \(V\) es la velocidad básica
de viento en m/s, y \(K_z\) es el
coeficiente de exposición a la presión de velocidad.
Una vez teniendo el conocimiento de la presión dinámica de base,
pueden calcularse las fuerzas de viento actuando en diferentes alturas
sobre la torre.
\[\begin{equation}
F = q_z G C_f A_f
\end{equation}\]
donde: \(G\) es un factor de efecto
de ráfaga, el cual puede ser considerado como 0.85 si se trata de una
estructura rígida; \(C_f\) es un
coeficiente de fuerza. Puede ser obtenido con la tabla que se muestra a
continuación; \(A_f\) es el área
proyectada al viento.
Según el ASCE 7-22 [9], se denomina
rígida a una estructura cuya frecuencia natural sea mayor o igual que 1
Hz.
Diseño Geotécnico
Para determinar un diámetro adecuado, se requieren los datos
geotécnicos de la zona, mismos que permitirán realizar los cálculos
pertinentes que permitan determinar la capacidad de carga que tenga el
suelo donde será desplantada. No debe olvidarse que, al estar mayormente
expuesto a cargas de viento, el valor de excentricidad no puede ser
despreciado. A continuación se muestran los pasos de acuerdo con el
DNV-OS-J101 [10].
Determinar el área efectiva de la cimentación: \[\begin{equation}
A_{eff} = 2 [R^2 \cos^{-1}(e/R) - e\sqrt{R^2 - e^2}]
\end{equation}\] donde: \(R\) es
el radio de la cimentación; \(e\) es la
excentricidad, que puede ser calculada con: \[\begin{equation}
e = \frac{M_t}{V}
\end{equation}\] Considerando que \(M_t\) es el momento total, mientras que
\(V\) es la carga axial de la
estructura más el peso propio de la cimentación.
Determinar las dimensiones del rectángulo equivalente, dadas por:
\[\begin{equation}
L_{eff} = \sqrt{A_{eff} \frac{L}{B}}
\end{equation}\]\[\begin{equation}
B_{eff} = \frac{A_{eff}}{L_{eff}}
\end{equation}\]
Momento máximo a compresión. El objetivo de realizar
estos cálculos es obtener el esfuerzo máximo a compresión bajo la
cimentación, el cual puede ser obtenido con: \[\begin{equation}
\sigma_{max} = \frac{V}{A_{eff}}
\end{equation}\]
El esfuerzo obtenido a partir de este método deberá compararse con la
capacidad de carga admisible en el terreno donde será desplantado, la
cual puede obtenerse a partir de los datos geotécnicos citados en la
Tabla 1 y con la ecuación de Meyerhof [11].
Capacidad de carga.\[\begin{equation}
q_u = c N_c s_c d_c + q N_q s_q d_q + 0.5 \gamma B N_\gamma
s_\gamma d_\gamma
\end{equation}\]
Se debe considerar que la ecuación de Meyerhof dará como resultado
una capacidad de carga máxima, por lo que, si se desea obtener la
capacidad de carga admisible, se debe considerar un factor de seguridad
en un rango de 2 a 3 [12]. Para este
caso en particular, el factor considerado fue de 3.0.
Comparación. Una vez que se tienen estos valores,
pueden compararse restando la capacidad de carga admisible con el
esfuerzo máximo a compresión de la cimentación, y una vez que el
resultado sea aproximadamente cero, se entenderá que el diámetro es el
adecuado.
Ejemplo de Aplicación
El municipio de Ecatzingo destaca como una zona adecuada para
desplantar un aerogenerador gracias a que, según el Plan de Desarrollo
Municipal [13], en el
municipio el uso de suelo está dividido en: 35% actividades agrícolas,
30% en actividades forestales, 10% en pastizales para alimentar al
ganado y solo el 25% es de uso urbano, condiciones que se consideran
adecuadas según lo especificado para la selección de sitio.
Tabla 1. Parámetros geotécnicos
representativos del suelo en el municipio de Ecatzingo, incluyendo
valores de resistencia al corte y factores de capacidad de carga
empleados en el diseño.
Parámetro
Valor
Peso Volumétrico del suelo, \(\gamma\)
\(1.679\text{
tf/m}^2\)
Ángulo de fricción interna del suelo,
\(\phi\)
\(13.48^\circ\)
Cohesión del suelo, \(c\)
\(6.33\text{
tf/m}^2\)
Factor de cohesión, \(N_c\)
9.12
Factor de sobrecarga, \(N_q\)
2.46
Factor de suelo, \(N_\gamma\)
0.42
Capacidad de carga admisible, \(q_a\)
\(16.39\text{
tf/m}^2\)
Capacidad de carga última, \(q_c\)
\(49.2\text{
tf/m}^2\)
Se plantean cinco modelos de alturas variables desde los 20 hasta los
100 m, tal como se muestra en la Figura 3. Para cada
uno de ellos, se llevó a cabo el análisis y diseño según lo descrito en
la metodología.
Figura 3. Comparativa visual a escala de
los cinco modelos de torres de aerogenerador propuestos, con alturas
incrementales de 20 a 100 metros para su evaluación
técnica.
Los resultados obtenidos se muestran a continuación.
Análisis por viento y sismo
Figura 4. Distribución de las fuerzas de
viento calculadas para cada uno de los modelos propuestos, reflejando el
incremento de la carga dinámica conforme aumenta la altura de la
torre.
Figura 5. Espectro de diseño sísmico
obtenido con el programa PRODISIS, mostrando la aceleración máxima
esperada en función del periodo natural de vibración de las
estructuras.
Tabla 2. Resumen de las acciones mecánicas
extremas (carga axial, fuerza cortante y momento de volteo) obtenidas
del análisis estructural bajo condiciones de viento y sismo para cada
altura de torre.
Torre
Carga axial (kN)
Cortante (kN)
Momento (kN-m)
20 m
259.28
10.01
146.95
40 m
359.83
27.57
625.98
60 m
392.60
66.02
2218.43
80 m
416.43
108.79
4831.03
100 m
530.72
147.05
7989.95
Diseño geotécnico
Figura 6. Detalles geométricos de las
cimentaciones diseñadas para cada modelo, especificando dimensiones
críticas como el lado del octágono y distancia entre caras para
garantizar la estabilidad.
Tabla 3. Resultados de la validación de
estabilidad mecánica, comparando el esfuerzo máximo aplicado contra la
capacidad admisible del terreno y verificando los factores de
seguridad.
Altura
\(\sigma_{max}\) (MPa)
\(q_a\)
(MPa)
FS (volteo)
\(V_{res}\) (kN)
20 m
0.13
0.16
1.40
853.78
40 m
0.15
0.16
3.67
1421.91
60 m
0.15
0.16
10.83
2541.11
80 m
0.16
0.16
20.99
3662.48
100 m
0.15
0.16
36.79
5367.05
Para la revisión de asentamientos que debe realizarse por el tipo de
cimentación utilizada [14], se obtienen
los siguientes resultados.
Tabla 4. Evaluación del estado límite de
servicio por asentamientos, contrastando los valores calculados con los
límites normativos establecidos (30 cm) para asegurar la
funcionalidad.
Altura (m)
Asentamiento (cm)
Permisible (cm)
20
3.31
30
40
5.24
30
60
7.63
30
80
9.95
30
100
11.45
30
Figura 7. Relación entre la altura del
modelo y el asentamiento total esperado, ilustrando que en todos los
casos los valores cumplen con el límite de 30 cm propuesto por la
normativa.
Conclusiones
De acuerdo con los resultados obtenidos, se pueden destacar las
conclusiones enlistadas a continuación:
Para la revisión por volteo, el factor de seguridad mínimo para
que se considere que la cimentación cumple con las condiciones adecuadas
para oponerse a este efecto debe ser de 1.5. Como se observa, todos los
factores de seguridad obtenidos con el análisis son mayores que 1.5 (o
muy cercanos en el caso de 20m), por lo que satisface la
revisión.
Así mismo, las fuerzas cortantes son menores a las fuerzas que se
oponen a estas, propias de las características geotécnicas del suelo,
demostrando que también todos los casos satisfacen la revisión.
El asentamiento permisible indica un máximo de 30 cm [15]. Ninguno de los casos propuestos
excede este límite, por lo que también cumplen con la revisión.
El objetivo de hacer el análisis con cinco modelos es demostrar
que cualquiera de los casos puede adaptarse en la zona. La selección
final dependerá del aprovechamiento energético.
A. I. D. Henrique et
al., “Global wind energy council,” 2025.
[2]
Asociación Mexicana de Energía Eólica,
“Informe anual de la AMDEE,” 2025.
[3]
K.-Y. Oh, W. Nam, M. S. Ryu, J.-Y. Kim, and B.
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[4]
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Geotechnical and structural engineering congress 2016, Phoenix,
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[5]
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[6]
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in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control
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[7]
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PROTECCIÓn CIVIL CENTRO NACIONAL DE PREVENCIÓn
DE DESASTRES,” CENAPRED.
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[10]
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[11]
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wind turbine foundation solutions,”Computers and
Geotechnics, vol. 94, pp. 46–57, 2018, doi: 10.1016/j.compgeo.2017.08.022.
[12]
G.
G. Meyerhof, “THE ULTIMATE IBARING CAPACITY OF
FOUNDATIONS.”
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Guidelines for design of wind turbines, 2nd ed. Copenhagen: Det
Norske Veritas, 2009.
[15]
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Construcciones en la Ciudad de México, “Norma técnica
complementaria para el diseño y construcción
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