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Máster Universitario
Programa Oficial de Posgrado: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE DISEÑO
Curso de Master: DINAMICA DE AEROGENERADORES
Departamento: INGENIERÍA MECÁNICA, ENERGÉTICA Y DE MATERIALES D. Mikel Lasa Morán D. Eduardo Azanza Ladrón D. Enneko Gamboa Medarde
Máster Universitario
Programa Oficial de Posgrado: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE DISEÑO
PARTE 1ª: TECNOLOGIA DE AEROGENERADORES
Departamento: INGENIERÍA MECÁNICA, ENERGÉTICA Y DE MATERIALES D. Enneko Gamboa Medarde
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Indice 1. INTRODUCCIÓN. CLASIFICACION 2. SISTEMA DE REGULACION DE POTENCIA 3. SISTEMA DE ORIENTACION O YAW 4. TREN DE POTENCIA (I): ROTOR + EJE LENTO + MULTIPLICADORA + GENERADOR 5. TREN DE POTENCIA (II): ROTOR + EJE LENTO + GENERADOR MULTIPOLO 6. TREN DE POTENCIA (III): ROTOR + MULTIPLICADORA + GENERADOR 7. GENERACION DE ELECTRICIDAD 8. TORRE Y CIMENTACION 0.3/49
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1. Introducción. Clasificación 1.1 INTRODUCCION Aerogenerador: Generador eléctrico movido por la acción del viento.
ROTOR
NACELLE
Partes principales: 1) Rotor 2) Nacelle o góndola 3) Torre 4) Cimentación
TORRE
CIMENTACION
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1. Introducción. Clasificación 1.1 INTRODUCCION dFL
Conceptos básicos:
dFT
Pot.extraida Cp = ; Pot. Extraíble = 0.5·ρ·v3·A Pot.extraible
Ur α
Ω·r(1+a’) θ
Ley de Betz ⇒ Cp Máximo = 59%
Vel. punta pala Lambda = Vel. viento
Teoría del elemento de pala: Angulo de ataque
U=U1(1-a)
β θ
dFD
dFN
β
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1. Introducción. Clasificación 1.2 AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL Tipos: Darrieus, Savonius,… Ventajas: No necesita mecanismo de orientación. Se puede situar la maquinaria en el suelo. Gira a baja velocidad ⇒ Poco ruido. Desventajas: Baja velocidad de viento en el suelo. Baja eficiencia. El rodamiento inferior soporta el peso de toda la turbina. 0.6/49
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1. Introducción. Clasificación 1.3 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL Nº de palas: Multipala: No se emplean para generación electricidad. Monopala - Bipala vs. Tripala: Mejora teórica de costes: 1-2 palas menos. Mayor velocidad de giro ⇒ menor multiplicadora – generador. Menor empuje axial ⇒ Torre más ligera. Facilidad de instalación. Necesidad de contrapeso (monopala). Desequilibrios aerodinámicos, sobre todo en orientación ⇒ Necesidad “Teetering”. Alto ruido. Menor Eficiencia.
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1. Introducción. Clasificación 1.3 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL Nº de palas
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1. Introducción. Clasificación 1.3 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL Rotor a Sotavento: No necesita mecanismo de orientación. Palas menos rígidas. Problemas con evacuación energía. Altas cargas de fatiga por efecto sombra de la torre y cambios de dirección del viento Rotor a Barlovento (más empleado): Evitan efecto sombra de la torre. Necesitan mecanismo de orientación. Necesitan rotor más rígido para evitar que las palas colisionen con la torre. 0.9/49
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1. Introducción. Clasificación 1.4 EL AEROGENERADOR TRIPALA MODERNO
Palas
Buje
Generador
ROTOR Palas Buje
Sistema de Pitch
Generador Multipolar
Palas
Sistema de Pitch
Acoplamiento Rodamiento Sistema de Yaw
Multiplicadora Eje lento
Buje
TREN DE POTENCIA
Sistema de Pitch
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1. Introducción. Clasificación 1.4 EL AEROGENERADOR TRIPALA MODERNO
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2. Sistema de Regulación de Potencia -
CONTROL DEL PAR Y LA VELOCIDAD
-
REGULACION AERODINAMICA DE LA POTENCIA 2.1. REGULACION POR PERDIDA AERODINAMICA O STALL CONTROLLED 2.2. REGULACION POR CAMBIO DE PASO DE PALA O PITCH CONTROLLED 2.3. REGULACION POR PERDIDA AERODINAMICA ACTIVA O ACTIVE-STALL CONTROLLED
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2. Sistema de Regulación de Potencia CONTROL DEL PAR Y LA VELOCIDAD: Potencia = Par · Velocidad Angular. Mientras no se llega a potencia nominal, se regula la potencia controlando el par en el generador. Una vez alcanzada la Pnom potencia nominal, se regula la potencia ωnom controlando la velocidad mediante regulación ωinicial aerodinámica. 2
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.1. REGULACION POR PERDIDA AERODINAMICA O STALL CONTROLLED Palas unidas rígidamente al buje, sin posibilidad de giro. Regulación de potencia por entrada en pérdida: Aumenta velocidad de viento ⇒ Aumenta Angulo de ataque ⇒ Disminuye la sustentación y aumenta arrastre ⇒ Disminuye la potencia. Ventaja principal: Simplicidad, no necesita mecanismo de giro de pala ⇒ Costes más bajos. Perfect Stall = Potencia aumenta con velocidad de viento, y luego se mantiene constante: IRREAL. Pérdida de eficiencia a velocidad de viento superior a óptima. Incertidumbre sobre comportamiento aerodinámico en pérdida ⇒ Sobredimensionamiento. 0.14/49
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.1. REGULACION POR PERDIDA AERODINAMICA O STALL CONTROLLED
dFL dFT
FL Ur α
Ω·r(1+a’) θ U=U1(1-a)
β θ
dFD
dFN
α
U
FD β
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.2. REGULACION POR CAMBIO DE PASO DE PALA O PITCH CONTROLLED Las palas pueden girar alrededor de su eje; para ello necesitan un sistema de giro. Pitch No Independiente: Simplicidad, sólo hace falta un accionamiento para las tres palas. Si falla el accionamiento no se puede ir a la posición de seguridad ⇒ Necesidad de un freno mecánico para detener el rotor. Pitch Independiente: Un accionamiento para cada pala. Mayor seguridad: si falla una pala las otras dos pueden ir a posición de seguridad y parar la máquina. Se puede conseguir mayor eficiencia y reducción de cargas con un control independiente por pala. Puede ser eléctrico o hidráulico. 0.16/49
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.2. REGULACION POR CAMBIO DE PASO DE PALA O PITCH CONTROLLED
Pitch Independiente Eléctrico: Motor-reductores eléctricos que hacen girar un piñón que engrana con una corona dentada solidaria a la pala. Necesidad de baterías como seguridad ante posibles caídas de red. Gran rapidez de respuesta ante una señal de control. Capacidad de dar picos de par altos.
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.2. REGULACION POR CAMBIO DE PASO DE PALA O PITCH CONTROLLED Pitch Independiente Hidráulico: Se realiza mediante cilindros hidráulicos: el extremo del vástago es solidario a la parte móvil de un rodamiento, a su vez solidario a la pala. Empleo de acumuladores como elemento de seguridad ⇒ Mayor fiabilidad ante emergencias. Necesidad de un grupo hidráulico para alimentar de aceite a los cilindros ⇒ Aceite hasta el buje a través del eje lento. Capacidad de respuesta menor que un sistema eléctrico, en velocidad y fuerza.
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.2. REGULACION POR CAMBIO DE PASO DE PALA O PITCH CONTROLLED Pitch Hidráulico (Independiente y No Independiente):
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2. Sistema de Regulación de Potencia 2.3. REGULACION ACTIVA POR PERDIDA AERODINAMICA O ACTIVE STALL CONTROL Las palas pueden girar alrededor de su eje; para ello necesitan un sistema de giro. Con velocidad de viento hasta nominal no varía el ángulo de paso. A partir de ahí, se regula en ángulo en sentido negativo ⇒ Aumenta el ángulo de ataque, opuesto a lo que se daba en las máquinas “pitch-controlled”. Sistema más sensible que los de cambio de paso ⇒ Variaciones de ángulo menores ⇒ Aumento de la vida útil del mecanismo Frente al stall tradicional, mejora el rendimiento a velocidades de viento superiores a la óptima. Se sigue teniendo incertidumbre del comportamiento tras entrar en pérdidas. DINAMICA DE AEROGENERADORES D. Mikel Lasa, D. Eduardo Azanza, Azanza, D. Enneko Gamboa Departamento de Ingenierí Ingeniería Mecá Mecánica, Energé Energética y de Materiales Mekanika, Energé Energétika eta Materialen Ingeniaritza Saila
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3. Sistema de Orientación o Yaw
Sistema para orientar el aerogenerador en la dirección del viento (rotor a barlovento). Orienta la máquina según la señal de control de la veleta.
COMPONENTES: Corona dentada + patines o Rodamiento dentado Accionamiento: Motorreductores eléctricos + piñón. Freno: Frenos hidráulicos y/o eléctricos. Disco de freno.
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.1. ROTOR: BUJE + PALAS + SISTEMA PITCH 4.2. EJE LENTO El eje lento transmite el giro del rotor a la multiplicadora. Eje Lento con dos rodamientos de apoyo: Normalmente son rodamientos comerciales de rodillos esféricos. Se transmite a la multiplicadora únicamente el par torsor. El resto de esfuerzos se transmiten de los rodamientos a sus soportes, a la estructura de la máquina y a la torre. La multiplicadora se cuelga del eje y sus apoyos son sólo brazos de reacción para el par. DINAMICA DE AEROGENERADORES D. Mikel Lasa, D. Eduardo Azanza, Azanza, D. Enneko Gamboa Departamento de Ingenierí Ingeniería Mecá Mecánica, Energé Energética y de Materiales Mekanika, Energé Energétika eta Materialen Ingeniaritza Saila
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.2. EJE LENTO Eje Lento con un único rodamiento de apoyo: Se emplea un rodamiento de apoyo cercano al buje, y el segundo apoyo del eje es directamente la propia multiplicadora. Se sitúa lejos del otro apoyo para disminuir las cargas en este punto. La multiplicadora debe ser más robusta y se soporta en sus apoyos. Debe ser capaz de soportar y transmitir a la estructura los flectores y fuerzas que le llegan.
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.3. MULTIPLICADORA Su función es la de acelerar la velocidad de giro del rotor para poder emplear generadores estándar con número bajo de polos que giran a unas 1500 rpm. Normalmente tienen relación de transmisión fija entre 1:30 y 1:90, y se dividen habitualmente en tres etapas. Se suelen emplear etapas Epicicloidales y Paralelas. Tren Epicicloidal: Se compone de un solar (1), varios planetarios(2), portaplanetarios (4) y corona exterior (3). Reparte la carga entre los planetarios reduciendo la carga a transmitir por cada engrane ⇒ Permite disminuir el tamaño, pero el diseño es más complejo y el coste mayor. Se suele usar en la 1ª y/o 2ª etapa, las de mayor par. Tiene mejor eficiencia que una etapa paralela.
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.3. MULTIPLICADORA Etapa Paralela: Dos ejes paralelos con ruedas con dentado exterior. Suele usarse para la 3ª etapa, y también para la 2ª dependiendo de la potencia a transmitir. La etapa paralela permite que los ejes de entrada y salida no coincidan, y así se emplea el eje hueco de entrada para llevar conducciones eléctricas y/o hidráulicas hasta el buje.
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.3. MULTIPLICADORA
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.4. ACOPLAMIENTO DE EJE RAPIDO
El acoplamiento de eje rápido es el elemento de unión entre la multiplicadora y el generador. Gira normalmente entre 1000 – 1500 rpm.
Debe ser capaz de absorber las posibles desalineaciones entre los ejes de multiplicadora y generador ⇒ Junta tipo Cardan.
Suele incluir el disco de freno y el limitador de par, elemento de seguridad ante picos de par por cortocircuitos.
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4. Tren de Potencia (I): Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador
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4.5. GENERADOR
Genera electricidad gracias al giro transmitido desde la multiplicadora. Generan corriente alterna normalmente a 690 V de tensión, aunque a veces se genera directamente a alta tensión. Si se genera a la frecuencia de red, se puede conectar directamente; si no, hay que tratar la energía eléctrica producida antes de introducirla a la red. La velocidad de giro depende del número de pares de polos; en redes de 50 Hz: 1 par ⇒ 3000 rpm; 2 pares ⇒ 1500 rpm; 3 pares ⇒ 1000 rpm. Se pueden distinguir: Generadores de velocidad fija, dos velocidades o velocidad variable. Generador síncrono o de inducción (asincrono). Rotor de jaula de ardilla, de imanes permanentes o rotor bobinado.
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5. Tren de Potencia (II): Rotor + Eje lento + Generador Multipolo
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5.1. ROTOR: BUJE + PALAS + SISTEMA DE PITCH 5.2. UNION ROTOR – GENERADOR
El Estator del generador es fijo en la carcasa del aerogenerador. El rotor se apoya sobre un eje unido al rotor de dos posibles maneras: 1) Eje en voladizo fijo al bastidor, sobre el que se monta un eje hueco apoyado en los extremos, y unidos a este están el buje y el rotor del generador. 2) Rotor del generador unido a un eje biapoyado en el bastidor y al que va unido el buje. 0.29/49
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5. Tren de Potencia (II): Rotor + Eje lento + Generador Multipolo
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5.3. GENERADOR MULTIPOLO Al no tener multiplicadora, gira a la misma velocidad que el rotor de la máquina, velocidad baja (7 – 30 rpm). Para poder generar electricidad a baja velocidad, necesita un alto número de pares de polos. Es un generador síncrono de imanes permanentes y genera energía eléctrica en corriente alterna a frecuencia variable, por lo que no se puede introducir directamente a la red (que está a 50 Hz), por lo que toda la energía se rectifica y después se ondula de nuevo a la frecuencia de red. 0.30/49
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6. Tren de Potencia (III): Rotor + Multiplicadora + Generador
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6.1. ROTOR: BUJE + PALAS + SISTEMA DE PITCH 6.2. MULTIPLICADORA La multiplicadora se une directamente al buje, por lo que los elementos de ésta deben soportar todas las cargas provenientes del rotor. La multiplicadora debe ser muy robusta y con un diseño específico para la aplicación, por lo que resulta bastante más costosa. Además, el bajar la multiplicadora para repararla supone desmontar todo el rotor. La gran ventaje es que se aligera enormemente la máquina al no emplear todo el conjunto del eje lento. Normalmente la relación de transformación es menor que en la configuración habitual, y la velocidad del generador por tanto menor 6.3. GENERADOR 0.31/49
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7. Generación de Electricidad 7.1. GENERADOR SINCRONO Un generador síncrono genera electricidad a frecuencia igual a la de las corrientes del estator, y sólo cuando la velocidad del rotor es la de sincronismo [ΩS]. Si se conecta a red, sólo podrá funcionar a la velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia de red [ΩS = 60·f/p]. Funcionar a velocidad constante supone enormes cargas para el aerogenerador, y no se suele hacer. Estos generadores se tienen desconectados de la red, para funcionar a velocidad variable; la energía eléctrica generada, al no ser a una frecuencia constante, se suele rectificar en su totalidad y después se ondula de nuevo a la frecuencia de red.
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7. Generación de Electricidad 7.1. GENERADOR SINCRONO Los generadores síncronos se pueden clasificar de distintas formas: 1) Forma de obtener la excitación: - Imanes Permanentes - Rotor bobinado 2) Tipo de rotor: - Polos lisos - Polos salientes (utilizado en multipolos) 3) Forma de introducir corriente en el rotor: - Anillos rozantes - Generador Auxiliar La conversión de la energía se puede realizar de distintas formas: 1) Puente de Diodos o Tiristores 2) Convertidores PWM
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7. Generación de Electricidad 7.2. GENERADOR DE INDUCCION O ASINCRONO Se pueden distinguir distintos tipos de generadores de inducción: 1) Generador de inducción con Rotor de Jaula de Ardilla 2) Generador de inducción con Rotor bobinado.
Además, se pueden clasificar los generadores en función del tipo de funcionamiento:
1) Funcionamiento a Velocidad Fija (Rotor de Jaula de Ardilla) El uso de un generador de inducción de este tipo permite su conexión directamente a red, pues admite un cierto rango de velocidad variable (1 o 2%), que reduce las cargas respecto a la máquina síncrona. No se utiliza hoy en día por cuestiones de calidad de red. 0.34/49
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7. Generación de Electricidad 7.2. GENERADOR DE INDUCCION O ASINCRONO 2) Funcionamiento a Velocidad Variable con Rotor Bobinado: 2.1) Optislip – Resistencias variables en el circuito de rotor: Trabaja sólo en régimen hipersíncrono (tiene un rango de velocidad reducido). Toda la potencia rotórica (hasta un 10%) se desperdicia en forma de calor. 2.2) Generador doblemente alimentado: Tiene un convertidor PWM conectado al rotor que permite un rango ampliado de velocidad variable (hiper y subsíncrono). La potencia rotórica es intercambiada con la red (no se desperdicia). Se tiene muy buena calidad de red.
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7. Generación de Electricidad 7.2. GENERADOR DE INDUCCION O ASINCRONO 3) Velocidad Variable con Jaula de Ardilla: Conexión de un doble convertidor PWM para rectificar e invertir la energía generada antes de introducirla a red.
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8. Torre y Cimentación 8.1. TORRE
La torre del aerogenerador está unida a la cimentación en su parte inferior y soporta a nacelle. Hoy en día existen 3 tipos principales de torres: 1) Torre tubular de acero: Modelo más extendido; visualmente más aceptado que celosía. Diseño para que la frecuencia natural este por encima de 1P normalmente ⇒ Evitar resonancia. Se suelen hacer en 2 o tres tramos troncocónicos, cada uno formado por virolas soldadas. El espesor de chapa es decreciente con la altura. Limitación de tamaño para el transporte, por el diámetro de la base. 0.37/49
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8. Torre y Cimentación 8.1. TORRE 1) Torre tubular de acero:
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8. Torre y Cimentación 8.1. TORRE 2) Torre de celosía: La más empleada al principio. Tiene bajo coste, pero no permite acceso fácil a la nacelle. Fuerte impacto visual cerca de la torre.
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8. Torre y Cimentación 8.1. TORRE 3) Torre de Hormigón: Buena opción para máquinas de gran potencia que necesitan torre muy alta. Mejora teórica de costes respecto a la tubular a partir de unos 100 m. Posibilidad de montaje in-situ ⇒ Facilidad de transporte, por dovelas.
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8. Torre y Cimentación 8.2. CIMENTACION De hormigón armado, suele estar formado por una zapata y un pedestal. La unión entre la torre y la cimentación se suele hacer de dos maneras: 1) Brida de cimentación: Se embebe una brida en la zapata, y una serie de esparragos unen la brida de base de torre a esta zapata.
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8. Torre y Cimentación 8.2. CIMENTACION 2) Virola de cimentación: La última virola de la torre va embebida en la cimentación.
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8. Torre y Cimentación 8.2. CIMENTACION: Otro punto de vista....
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