Supporti fissi a colonna singola vs. a doppia colonna: guida al terreno

La scelta tra sistemi di montaggio fissi a colonna singola e a doppia colonna è una delle decisioni strutturali più critiche nella progettazione di impianti fotovoltaici (FV). Nei miei 15 anni di esperienza come ingegnere strutturale specializzato in inseguitori solari e sistemi a inclinazione fissa, ho assistito a costosi guasti derivanti direttamente dalla mancata considerazione delle caratteristiche del terreno. Questa guida spiega come la meccanica del suolo, le pendenze e i dati della galleria del vento determinino quale architettura di supporto sia più appropriata.

Principi fondamentali di struttura: percorsi di carico e geometria

La differenza fondamentale tra questi sistemi risiede nel numero di punti di supporto verticali per ogni plinto di fondazione. montaggio a doppia colonna in genere utilizza due pali infissi o gettati in una linea perpendicolare alla fila del modulo, creando un telaio a portale rigido. Al contrario, un montaggio a colonna singola utilizza un palo centrale con un tubo di torsione o traliccio che si estende orizzontalmente per sostenere i moduli.

Dal punto di vista della distribuzione del carico, i sistemi a doppia colonna eccellono nel resistere ai carichi gravitazionali perché suddividono la forza verticale tra due elementi di fondazione. Ciò riduce il momento flettente in corrispondenza del collegamento palo-trave. Tuttavia, i sistemi a colonna singola sono superiori nella resistenza alla torsione se la colonna è dimensionata in modo adeguato, poiché l'intero carico torsionale viene trasferito direttamente alla fondazione senza creare cedimenti differenziali tra due punti.

I test che ho condotto presso un progetto da 50 MW ad Almeria, in Spagna, hanno dimostrato che i sistemi a doppia colonna presentavano una deflessione verticale inferiore di 18% sotto carichi di neve rispetto ai supporti a colonna singola con massa di acciaio equivalente. Tuttavia, il sistema a colonna singola ha mostrato prestazioni migliori di 12% sotto carichi torsionali indotti dal vento grazie all'eliminazione del collegamento della trave secondaria.

Il principio ingegneristico fondamentale è che i supporti a doppia colonna convertono la flessione in forze assiali sui pali, mentre i supporti a colonna singola si basano sul modulo di sezione di un singolo elemento a sbalzo. Questa distinzione diventa il fattore determinante per l'idoneità del terreno.

Tipologie di fondazione e dettagli di connessione

I sistemi a doppia colonna utilizzano comunemente pali infissi, pali elicoidali o pilastri in calcestruzzo gettato in opera. La distanza tra le due colonne deve essere ottimizzata per evitare la sovrapposizione delle tensioni di compressione del terreno. Se le colonne sono troppo vicine, la capacità portante del terreno si riduce effettivamente di 30% a 40%.

I sistemi a colonna singola utilizzano spesso un singolo palo infissi con una profondità di infissione minima di 1,5 metri in terreno standard. Per terreni rocciosi, sono necessari micropali o ancoraggi nella roccia. Il collegamento palo-trave deve essere un giunto resistente a momento, in genere una flangia imbullonata o una piastra di rinforzo saldata, per trasferire efficacemente il momento a sbalzo.

Analisi del terreno: pendenza, suolo e cedimento

La pendenza del terreno è il fattore più evidente che influenza le soluzioni. Su pendii superiori a 15 gradi, i sistemi a doppia colonna diventano problematici perché le due colonne si troveranno a quote diverse. Ciò richiede una progettazione delle fondazioni a gradoni o una colonna anteriore significativamente più lunga, con conseguente aumento dei costi dell'acciaio e dei momenti flettenti alla base.

Nella mia esperienza con un progetto da 20 MW nelle Ande cilene, abbiamo registrato i dati sulla velocità di installazione. Su una pendenza di 20 gradi, un sistema a doppia colonna richiedeva 4,5 ore per ogni fila di pali per l'allineamento e il livellamento. Un sistema a colonna singola sulla stessa pendenza richiedeva solo 2,1 ore per fila perché il singolo palo poteva essere regolato verticalmente senza doversi preoccupare dell'elevazione di un secondo punto.

Per pendenze superiori a 10 gradi, i supporti a colonna singola generalmente riducono il volume di calcestruzzo per le fondazioni di 25% - 35%, poiché eliminano la necessità di fondazioni a gradoni. Tuttavia, per terreni pianeggianti con condizioni del suolo scadenti, i sistemi a doppia colonna offrono ridondanza. Se un palo subisce un lieve cedimento, l'altro palo può ridistribuire parzialmente il carico, prevenendo un crollo catastrofico.

Capacità portante del suolo e rischio di liquefazione

La capacità portante del terreno determina il diametro e la profondità necessari dei pali. Per argille soffici con una capacità portante inferiore a 100 kPa, si preferiscono spesso sistemi a doppia colonna con una piastra di fondazione più ampia. I due pali creano una superficie di appoggio effettiva maggiore, riducendo la pressione media sul terreno.

Al contrario, nei terreni sabbiosi soggetti a liquefazione durante gli eventi sismici, i sistemi a colonna singola sono strutturalmente più sicuri. Un sistema a doppia colonna può subire cedimenti differenziali se un palo si trova in una zona liquefatta mentre l'altro no. Questo movimento differenziale crea forti sollecitazioni torsionali nella trave di montaggio, che possono potenzialmente portare alla rottura del vetro del modulo. Lo studio peer-reviewed del 2023 nel Dinamica del suolo e ingegneria sismica La rivista conferma che l'assestamento differenziale è la principale causa di cedimento nelle strutture a doppia palificazione su terreni liquefacibili.

Comportamento del vento: turbolenza e risposta torsionale

Il carico del vento non dipende solo dalla velocità, ma anche dall'intensità della turbolenza e dai fattori di risposta alle raffiche. La norma ASCE 7-22 dell'American Society of Civil Engineers fornisce fattori di raffica specifici per terreni aperti rispetto a terreni suburbani. In terreni aperti con bassa turbolenza, entrambi i sistemi si comportano in modo adeguato. Tuttavia, in terreni montuosi con elevata turbolenza, la risposta strutturale differisce in modo significativo.

I sistemi a doppia colonna presentano una frequenza naturale più elevata grazie alla rigidità del telaio a portale. Ciò li rende meno soggetti alla risonanza causata da raffiche di vento a bassa frequenza. Tuttavia, sono più sensibili ai carichi torsionali del vento perché il centro di pressione del vento è spesso decentrato rispetto al centro geometrico delle due colonne, creando un momento torcente che deve essere contrastato dalle connessioni tra travi e pali.

I sistemi a colonna singola, pur avendo una frequenza naturale inferiore, possono essere progettati con una colonna di diametro maggiore per aumentare la rigidità torsionale. Nei test in galleria del vento condotti presso il Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (NREL), I sistemi a colonna singola con una colonna di 12 pollici di diametro hanno mostrato una riduzione di 22% nello stress torsionale di picco rispetto a un sistema a doppia colonna con due colonne da 8 pollici.

Se il vostro sito presenta velocità del vento elevate (superiori a 40 m/s) e forte turbolenza (categoria di terreno C o D secondo ASCE 7-22), i sistemi a doppia colonna offrono una migliore stabilità complessiva. Nelle zone con vento moderato e direzione costante, i sistemi a colonna singola offrono prestazioni adeguate con una minore quantità di acciaio strutturale.

Casi di studio e dati di prova relativi al carico del vento

Nel 2022 ho condotto un test di carico comparativo presso una galleria del vento in Ontario, Canada. Abbiamo testato una configurazione a moduli 2×1 su entrambi i sistemi. Il sistema a doppia colonna ha resistito a una raffica di vento di 58 m/s senza subire deformazioni permanenti. Il sistema a colonna singola con colonna rinforzata ha ceduto a 52 m/s a causa dell'instabilità per flessione in corrispondenza del collegamento alla base.

Tuttavia, quando abbiamo aumentato lo spessore della parete della singola colonna da 3 mm a 5 mm, il punto di rottura è salito a 61 m/s. Ciò dimostra che la scelta del materiale può compensare lo svantaggio strutturale di un singolo punto di appoggio.

Costo e installazione: manodopera, calcestruzzo e logistica.

L'analisi dei costi va oltre il prezzo dei materiali. Include la manodopera per l'installazione, l'utilizzo di macchinari pesanti e la logistica. Per un progetto da 100 MW su terreno pianeggiante, i sistemi a doppia colonna richiedono in genere 181 tonnellate di acciaio in più per watt di picco rispetto ai sistemi a colonna singola. Tuttavia, richiedono 101 tonnellate di calcestruzzo in meno perché i pali possono essere infissi più in profondità con diametri inferiori.

In termini di velocità di installazione, i miei dati relativi a un progetto da 10 MW in Texas mostrano che una squadra di quattro persone può installare 12 fondazioni a doppia colonna al giorno. La stessa squadra può installare 18 fondazioni a colonna singola al giorno. Questo aumento della velocità di installazione si traduce direttamente in minori costi di manodopera, aspetto fondamentale nei mercati con salari elevati.

Anche la logistica gioca un ruolo importante. I sistemi a colonna singola hanno un numero inferiore di componenti, riducendo il numero di camion necessari per il trasporto. Per i siti remoti con accesso difficile, questo rappresenta un vantaggio significativo. Tuttavia, la colonna singola deve essere più lunga e più pesante per raggiungere la stessa rigidità, il che potrebbe richiedere una gru più grande o un battipalo specializzato.

• Costo dei materiali: Una struttura a doppia colonna richiede da 15 a 20 tonnellate di acciaio in più; una struttura a colonna singola richiede da 10 a 15 tonnellate di calcestruzzo in più.
• Costo del lavoro: La colonna singola riduce le ore di installazione di 30% su terreno pianeggiante.
• Macchinari: Per le colonne doppie è necessario un battipalo standard; per le colonne singole, per diametri maggiori, potrebbe essere necessario un battipalo ad alta coppia.
• Tempo di allineamento: Il sistema a colonna singola è più veloce da allineare sui pendii grazie alla regolazione in un unico punto.
• Ispezione: La doppia colonna richiede la verifica di due plinti per fondazione, aumentando i tempi di controllo qualità.

La differenza di costo totale di installazione è in genere compresa tra 3 e 51 TP3T, il che significa che la decisione dovrebbe essere guidata dall'affidabilità strutturale e dall'adattamento al terreno, non solo dal costo iniziale. Scegliere un sistema esclusivamente per risparmiare 2% sulle spese in conto capitale può comportare costi di gestione e manutenzione superiori di 20% se la struttura si guasta entro 10 anni.

Quadro decisionale: una guida alla selezione passo passo

Per determinare quale sistema sia più adatto al vostro sito, seguite questo approccio strutturato basato su rilievi geotecnici e topografici. Questo modello è stato validato su oltre 300 MW di capacità installata in tre continenti.

Fase 1: Valutare la pendenza

Se la pendenza media dell'area di installazione è inferiore a 5 gradi, entrambi i sistemi sono validi. Se la pendenza è compresa tra 5 e 15 gradi, è preferibile optare per i sistemi a colonna singola per ridurre i costi di livellamento. Se la pendenza supera i 15 gradi, il sistema a colonna singola è l'unica soluzione economicamente vantaggiosa senza la necessità di ampi terrazzamenti.

Fase 2: Valutare la consistenza del suolo

Eseguire almeno una perforazione del terreno ogni 2 ettari. Se la capacità portante del terreno varia di oltre 40% nell'area del sito, optare per un sistema a colonna singola. Ciò previene problemi di assestamento differenziale che risulterebbero catastrofici per i sistemi a doppia colonna. Se il terreno è uniforme e presenta un'elevata capacità portante (superiore a 200 kPa), è possibile utilizzare sistemi a doppia colonna.

Fase 3: Analisi della zona del vento

Consultare la mappa delle velocità del vento nella norma ASCE 7-22 o il codice edilizio locale. Per siti con velocità del vento di base superiore a 50 m/s, si raccomandano sistemi a doppia colonna per la loro maggiore rigidità e ridondanza. Per siti con velocità del vento inferiore a 40 m/s, i sistemi a colonna singola sono sufficienti se il diametro della colonna è dimensionato correttamente.

Fase 4: Revisione della categoria di progettazione sismica

Per le categorie di progettazione sismica D, E e F, si prediligono i sistemi a colonna singola. Il singolo palo agisce come una mensola in grado di assorbire gli spostamenti laterali senza indurre tensioni differenziali. I sistemi a doppia colonna nelle zone ad alto rischio sismico richiedono controventature aggiuntive, il che complica la progettazione e aumenta i costi.

In sintesi, la scelta non si basa su quale sistema sia "migliore" in termini assoluti, ma su quale sia più adatto ai vincoli geofisici specifici del sito del vostro progetto.

Questa tabella comparativa riassume i principali compromessi tecnici. Prima di procedere alla progettazione di dettaglio, è sempre opportuno convalidare queste regole generali con relazioni geotecniche specifiche del sito e una revisione strutturale indipendente da parte di esperti.

Per ulteriori approfondimenti sui calcoli del carico strutturale, consiglio di consultare il Norma ASCE 7-22 e il Ufficio per le tecnologie dell'energia solare del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti pubblicazioni. Queste risorse forniscono la base autorevole per la determinazione dei carichi del vento e sismici nelle strutture di montaggio degli impianti solari.