Ponente
Ing. Luis A. Núñez Corao Profesor Estructuras de Acero - UCAB Gerente General - LANC Ingeniería C.A.
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Desarrollado Por: Luis A. Núñez Corao – Ingeniero Civil UCAB Juan Emilio Nieto – Ingeniero Civil UCAB
Cálculo de Torres de Telecomunicación y de Electrificación
Temas a Tratar Introducción • Alcances
• Definiciones de Interés
Torres de Telecomunicación • Tipos • Normativa Aplicable • Requerimientos y Equipos
• Criterios de Estabilidad, Resistencia, Rigidez y Métodos de Análisis • Acciones Accidentales del Viento y el Sismo
Torres de Transmisión Eléctrica • • • •
Características Generales Tipos Normativa Aplicable Requerimientos
Comentarios Finales
• Criterios de Estabilidad, Resistencia Acciones e Hipótesis de Diseño • Acciones Accidentales del Viento
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Introducción Alcances Para la realización de esta presentación restringidos por el tiempo, es necesario limitar su alcance dentro del contenido siguiente: • Dentro de la visión general del análisis y diseño estructural, nos enfocaremos en los aspectos conceptuales y de criterios, con algunos comentarios o sugerencias de la parte procedimental • Limitaremos los Tipos a Estructuras de Celosías Autosoportadas y excluiremos , las venteadas, los Postes, Monopolos, Soportes y Estructuras Especiales. Sólo abordamos miembros de sección «L» • En lo que respecta a las acciones accidentales del viento y el sismo, se hará referencia a los aspectos normativos de interés sin explicar en detalle como se obtienen las solicitaciones para el diseño. • No abordaremos el tema de Fundaciones y Anclajes • No abordaremos el tema de Vibraciones por efecto del flujo Turbulento del viento
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Introducción Definiciones de Interés
Dentro de la formación fundamental de todo profesional, un vocabulario unificado y preferiblemente correcto, reafirma la comprensión dentro del campo de la actividad, así como también, permite el proceso de intercambio entre profesionales de diversas áreas minimizando confusiones en las comunicaciones pertinentes
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Introducción Definiciones de Interés
Para estas definiciones nos apoyaremos de los diccionarios técnicos, definiciones dentro de la normativa nacional y en particular de la Norma COVENIN 2004-98 «Terminología de las Normas COVENIN -MINDUR de Edificaciones» cuyo autor y editor fue el Profesor Dr. Ing. Joaquín Marín.
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Introducción Definiciones de Interés Torre Edificación de mucha más altura (elevación) que superficie (planta). La dimensión característica de una torre es su altura.
Torre Wardenclyffe 1901 (30 m) Nikola Tesla, quien inventó un sistema para transmitir electricidad a grandes distancias sin necesidad de cableado
Torre Eiffel -1889 (324 m)
Torre de radio De Berlín – 1926 (150 m)
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Introducción Definiciones de Interés Celosía Tipo de estructuración formado por un conjunto de elementos dispuestos en triangulación múltiple. («Lattice».. no es fiel la traducción «truss» que representa un sistema estructural abierto formado por miembros esencialmente unidimensionales)
Cercha Viga de celosía que soporta las correas de los techos. («roof truss»)
Viga de Celosía Viga cuya alma está constituida por elementos en triangulación múltiple. («joist»)
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Introducción Definiciones de Interés ASD Acrónimo o siglas correspondientes al inglés «Allowable Stress Design» LRFD Acrónimo o siglas correspondientes al inglés «Load and Resistance Factor Design»
Estado Límite La situación más allá de la cual una estructura, miembro o componente estructural queda inútil para su uso previsto, sea por su falla resistente, deformaciones y vibraciones excesivas, inestabilidad, deterioro, colapso o cualquier otra causa. «Limite State» Tensión Admisible Es la tensión máxima que se permite bajo cargas de servicio o de utilización previstas. «Allowable Stress»
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Introducción Definiciones de Interés Relación de Esbeltez Efectiva La relación entre la longitud efectiva de una columna respecto a su radio de giro, ambos referidos al mismo eje de flexión «Slenderness Ratio» Ensayo Didáctico para representar diversos problemas de pandeo con diferentes condiciones de vínculo; de izquierda a derecha: • • • •
Extremo articulado-articulado Extremo empotrado-articulado Extremo empotrado-empotrado Extremo empotrado-libre
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Introducción Definiciones de Interés Inestabilidad (Elástica) Condición que se alcanza al cargar un elemento, miembro o estructura comprimida, en la cual deformaciones progresivas resultan en una disminución de la capacidad de carga. «Instability» Inestabilidad (Geométrica) Condición que se deriva de un número insuficiente o una disposición inadecuada de los apoyos, o bien, de un arreglo inadecuado de las partes de la estructura, aún cuando éstas resulten estáticamente determinadas o aun indeterminadas. «Geometric instability»
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Introducción Definiciones de Interés Velocidad Básica de Viento Velocidad correspondiente a una ráfaga de 3 segundos, medida a 10 metros sobre un terreno con tipo de exposición C, y asociada a un período de retorno de 50 años. «Basic Wind Speed» Norma TIA/EIA-222
Ráfaga Acción de corta duración debida a un aumento súbito de la velocidad del viento. «gust»
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Introducción Definiciones de Interés Diafragma Parte de la estructura, generalmente horizontal, con suficiente rigidez en su plano, diseñada para transmitir las fuerzas axiales a los miembros verticales del sistema resistente a sismos. «Diaphragm»
Arriostramiento Nodal Arriostramiento discreto o puntual que controla el movimiento del punto arriostrado en una viga o columna «Nodal Bracing»
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Torres de Telecomunicación Tipos Los Tipos estructurales pueden variar según necesidades y condiciones particulares del sitio donde se desean colocar: • Autoportantes o Autosoportadas: Se utiliza en terrenos limitados en área de implantación; cuando se requiere la instalación de numerosas antenas; pueden ser en general, de base triangular o cuadrada Soportes para antenas celulares Plataformas Escaleras internas
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Torres de Telecomunicación Tipos Plataformas
Antenas de microondas
Escalerilla y Guías de ondas
Escalerilla de acceso Lámparas de Balizaje
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Torres de Telecomunicación Tipos • Arriostradas o Venteadas: Se utiliza en terrenos NO limitados en área de implantación; requiere un radio de por lo menos la mitad de la altura de la torre para la instalación de los tensores o guayas; estas guayas, generalmente se tensan como mínimo a un 7% a un 15% de la resistencia nominal a tracción para estabilizarla; para lograr el equilibrio los tensores podrían tener diferentes pre-tensiones en función de la simetría o no en lo estén dispuestos; pueden ser en general, de base triangular, cuadrada
Vientos dispuestos preferiblemte en forma simétrica
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Torres de Telecomunicación Tipos • Monopolos y Postes: Ocupan menos espacio, son instaladas en lugares en donde se requiere conservar la estética; de sección constante o tronco-piramidal de base circular, hexagonal, etc.
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Torres de Telecomunicación Normativa Aplicable Adicionalmente a las Normas Nacionales COVENIN-MINDUR e Internacionales (ANSI/AISC, ACI, ASTM) para el análisis, diseño y detallado en acero y en concreto reforzado, la normativa específica aplicable al proyecto estructural de torres de telecomunicación en nuestro país es la siguiente: • CANTV NT-001, NT-002 y NT-003 Normas y Especificaciones para Torres y Soportes de Acero para Antenas de Transmisión, de la Compañía Anónima Nacional Teléfonos de Venezuela, CANTV, del año 2007. • TIA/EIA-222 (F) ó (G) Structural Standards for Steel Antenna Towers and Antenna Supporting Structures • ASCE 7-10 Minimum Design Loads for buildings and other Structures
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Torres de Telecomunicación Requerimientos y Equipos El requerimiento de Análisis y Diseño estructural de una torre de telecomunicación puede partir de las necesidades siguientes : • Proyecto Estructural para una nueva Torre • Estudio de cargas de Torres existentes • Estudios de cargas para modificación de las condiciones de carga de una torre • Rediseño de Torres en función de nuevas condiciones de cargas o variación normativa Generalmente, cada proveedor de telecomunicaciones exige la utilización de formatos particulares de presentación del diseño, a la que se adaptarán todos los documentos del proyecto, inclusive el levantamiento de la información de campo
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Torres de Telecomunicación Requerimientos y Equipos El solicitante o cliente, suministra las características o necesidades de altura, antenas a instalar para un nuevo proyecto. De ser un proyecto existente, se realiza el levantamiento de toda la geometría, perfilería, equipos y accesorios instalados y los nuevos requerimientos.
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • En el análisis de todas las estructuras, deben ser considerar los efectos de los desplazamiento en las fuerzas de los miembros (efecto P-∆), excepto para las torres de celosías autoportantes con alturas menores de 135 m siempre que las relación entre la altura y la anchura de la cara, hi/fwi, sean menores de 10
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • La relación de esbeltez, L/r no deberá exceder, preferiblemente los siguientes valores: KL/r < 150 para montantes KL/r < 200 para diagonales y horizontales KL/r < 250 para miembros secundarios KL/r < 300 para miembros en tracción
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Relación de Esbeltez Efectiva en Montantes, con K ≥ 1:
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Relación de Esbeltez Efectiva en Montantes, con K ≥ 1:
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Relación de Esbeltez Efectiva en Arriostramientos: Se considera que un solo perno no suministra restricción parcial contra la rotación Se considera que un grupo de pernos o soldadura suministra restricción parcial contra la rotación cuando las juntas de la conexión sean capaces de resistir la rotación del miembro
Restricción Total
Se considera que una conexión realizada con un grupo de pernos o soldadura a una plancha de cartela como único vínculo entre el arriostramiento y el miembro arriostrado, no suministra restricción parcial contra la rotación fuera del plano de la conexión
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Se considerará que el punto de cruce de los arriostramientos suministra resistencia contra el pandeo fuera de su plano cuando se satisface alguna de las siguientes condiciones: a) Una de las diagonales es continua y la fuerza en el miembro traccionado es al menos el 20 % de la fuerza del miembro comprimido. b) En el punto de intersección se dispone de un diafragma triangular de arriostramiento Diafragma realizado a través de un Arriostramiento Nodal
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Relación de Esbeltez Efectiva en Arriostramientos:
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Relación de Esbeltez Efectiva en Arriostramientos:
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Relación de Esbeltez Efectiva en Arriostramientos:
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Combinaciones de Solicitaciones para el Estado Límite de Servicio
Para el Estado Límite de Servicio se utilizará la combinación siguiente con una Velocidad Básica del Viento en condiciones de servicio • CP ± W servicio
W servicio: Acciones del Viento operativo para cada dirección y sentido
Combinaciones de Solicitaciones para el Estado Límite de Resistencia
Para el Estado Límite de Resistencia se utilizarán las combinaciones siguientes con una Velocidad Básica del Viento en condiciones de agotamiento resistente Donde • • • • •
1,2 CP ± 1,6 W 0,9 CP ± 1,6 W 1,2 CP + T 1,2 CP ± S 0,9 CP ± S
con S = SH ± (0,2αs βs Ao) CP
CP: W: T: αs: βs : Ao
Acciones Permanentes Acciones del Viento para cada dirección y sentido Acciones Reológicas Factor de Importancia para sismo Factor de amplificación del espectro normalizado Coeficiente de aceleración horizontal
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Comparación del Diseño de Perfiles «L» en Compresión En el Manual de Diseño de Perfiles «L» Cuaderno No.3 realizado Y divulgado por SIDETUR en la persona del Ing. Arnaldo Gutiérrez se presenta una gráfica comparativa según diferentes Normas Las Normas para Torres, por lo general son menos conservadoras que las de Edificaciones, basadas en experiencias de muchos años y ensayos destructivos a tamaño real
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Criterios de Rigidez Para el Estado Límite de Servicio tanto para las acciones eólicas como sísmicas se verificará que por flexión y torsión no se exceden los valores límites en: Estructura, Soportes y Antenas de microondas, de radio (celulares) Control de deformaciones en la Estructura (CANTV NT-001) En el Estado Límite de Servicio en ningún punto de la Estructura excederá los siguientes valores límites: • Una rotación de 4° alrededor del eje vertical (torsión) o alrededor de cualquier eje horizontal (desplazamiento) de la estructura. • Un desplazamiento horizontal de 5 % de la altura de la estructura • Para los voladizos tubulares o en viga de celosía, postes o estructuras similares montadas sobre estructuras de torres, un desplazamiento horizontal relativo del 1 % de la altura del voladizo, medida entre el tope del voladizo y su base.
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Control de deformaciones en los Antenas de Soportes y Antenas (CANTV NT-001) Microondas Los valores límites de deformación por flexión y torsión, requeridos para verificar la rigidez de las torres y estructuras de soporte para antenas de transmisión en el Estado Límite de Servicio, deben ser los suministrados por los fabricantes o por los proyectistas de los sistemas de comunicaciones (TV, Radio, Microondas, etc.) y serán limitados a ángulos de Antenas Dipolo (variante tipo yagui) deformación menores que los correspondientes a una reducción en la potencia de la señal de radio frecuencia no mayor de 10 dB.
Antenas de Radio Microstrip
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Degradación Señal
Flexión y Torsión
< 10 dB < 3 dB
Antenas de Microondas
Antenas de Radio
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez
Flexión
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez
Torsión
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez
Torsión
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Torres de Telecomunicación Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Métodos de Análisis (CANTV NT-001) El modelo matemático para Torres de Celosía Autoportante, podrá realizarse según las siguientes opciones:
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) (CANTV NT-001) Las acciones de diseño por viento están representadas por la fuerza horizontal de diseño FW en la dirección desde donde sopla el viento Fuerza de diseño del viento sobre la estructura
Fuerza de diseño del viento sobre los cables de arriostramiento
Fuerza de diseño del viento sobre los accesorios y antenas
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) (CANTV NT-001) Se determinarán los siguientes datos o parámetros: • La velocidad básica del viento, Vb • La clasificación según el riesgo (Grupos A,B o C) • El factor de importancia, αw • El factor de probabilidad de la dirección del viento, Kd • El factor de respuesta ante ráfagas, Gh • La categoría de exposición (A,B,C o D) y sus parámetros asociados zg, β, Ke y Kz mín • La categoría topográfica (T1 a T5) y el factor topográfico, Ktw • El factor de exposición a la presión dinámica del viento, Kz • El área efectiva proyectada (Aep)S y la presión dinámica ≥ 40 kgf/m2
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Hipótesis de Solicitación
Variantes para cada ápice de montantes adyacentes que varíen en más de un grado de pendiente
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Hipótesis de Dirección del Viento, más no limitada a estos casos
TORRE CUADRADA
TORRE TRIANGULAR
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Hipótesis de caras proyectadas ortogonales a la dirección del viento La modelación simplificada se realiza asignando la sumatorias de fuerzas de cada cuerpo tributario a cada nodo de los montantes Area Efectiva en Estructuras de Celosía El área proyectada de los componentes estructurales incluyen las planchas de conexión. Los arriostramientos en las caras adyacentes y en los planos internos, así como también los arriostramientos laterales, no necesitan ser incluidos en el área proyectada de los componentes estructurales.
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) (CANTV NT-001) Sobre Antenas de Radio o Celulares, que consiste en arreglo típico de múltiples antenas montadas en una plataforma o en un soporte similar. Las especificaciones de áreas efectivas proyectadas Aep, dimensiones y pesos deberán en lo posible obtenerse del fabricante, ya que no se pueden cubrir todos los arreglos posibles de antenas y soportes. A título referencial se tiene la siguiente tabla:
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Las solicitaciones sobre las antenas típicas de microondas con o sin domo protector, antenas de rejillas o reticulares, y las antenas con protector cilíndrico (shroud) están referidas al eje de la antena cuyo origen está en el vértice del reflector. La fuerza axial FAM actúa en el eje longitudinal de la antena La fuerza lateral FSM actúa perpendicularmente al eje de la antena en el plano formado por el eje de la antena y el vector del viento El momento torsor MM actúa en el plano que contiene a las fuerzas FAM y FSM
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Las solicitaciones sobre las antenas típicas
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Sísmicas (CANTV NT-001) Se determinan los siguientes parámetros • La clasificación según el riesgo (Grupos A,B o C) • El factor de importancia, αs • La zona sísmica (Z1 a Z7), y las aceleraciones máximas del terreno Ao • La forma Espectral (S1 al S4), Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal ϕ • El factor de reducción de Respuesta R = 3 en Celosías Autoportantes • Coeficiente de Amortiguamiento crítico ξ (en Celosías Autoportantes 8% con conexiones empernadas y 3% con conexiones soldadas) • El factor de Magnificación de los Espectros Normalizados βs • El factor de Amplificación por efectos topográficos, Kts
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Torres de Telecomunicación Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Sísmicas (CANTV NT-001) Se puede omitir el proyecto sismorresistente cuando el cortante sísmico, obtenido por métodos estáticos o dinámicos, sea inferior al 50 % del correspondiente cortante mayorado debido a la acción del viento, y siempre que la estructura sea clasificada como regular. El cortante basal, Vs, obtenido, no podrá ser inferior al siguiente valor mínimo
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Torres de Transmisión Eléctrica Características Generales La energía que se genera en las centrales eléctricas es conducida a los centros de consumo a través de las líneas de transmisión, estas se componen principalmente por: • Cables conductores de energía eléctrica, aisladores y herrajes • Cables de guarda que protegen contra descargas atmosféricas a los conductores y balizas • Estructuras de soporte: Torres o Postes troncocónicos de acero y concreto prefabricado • Subestaciones eléctricas que transforman la tensión de la energía
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Torres de Transmisión Eléctrica Características Generales Por otra parte, una torre de transmisión se compone de miembros estructurales formados entre otros por: • • • •
Perfiles angulares Planchas de conexión Pernos de Alta Resistencia y Herrajes de sujeción de conductores,
cuya función es soportar los conductores y cables de guarda de tal forma que la conducción de energía eléctrica se realice con seguridad, eficiencia y bajo costo
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Torres de Transmisión Eléctrica Características Generales Los herrajes son dispositivos que acompañan la estructura de soporte de las líneas de transmisión aéreas, y que poseen muy variadas funciones. Entre ellos podemos citar: • Herrajes de Fijación de cadena de aisladores a Torre • Herrajes para unir entre sí los extremos de la cadena de aisladores y los conductores • Mordazas de amarre y suspensión • Herrajes para el cable de guarda • Herrajes para proteger los aisladores
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Torres de Transmisión Eléctrica Características Generales Adicionalmente, entre otros elementos importantes estarían: • Conductores y • Aisladores Existen otra serie de elementos adicionales para una línea de transmisión que realizan funciones complementarias, a los que no haremos referencia.
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos Los Tipos estructurales se pueden asociar: Según su forma: • Tronco-Piramidal de circuito Simple «a y b» • Tronco-Piramidal de circuito doble «e y f» • Delta «c, d y h» • Delta (Cara de Gato) «g» • Venteada o Arriostrada «i»
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos Según la disposición de conductores: • Triangular «a» • Vertical «b» • Horizontal «c» Según el número de circuitos: • Un circuito «a y c» • Dos Circuitos «b» • Multi-circuito «caso especial» Según el nivel de Tensión en Venezuela: • 230 kV • 400 kV y • 765 kV
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos Según su Función como torres de: • Suspensión «suspension» .Son las que soportan el peso de los cables, cadenas de aisladores y herrajes, además del viento transversal, siendo las tensiones longitudinales despreciables. Son usadas en los tramos rectos de la línea de transmisión, además son estructuras muy livianas y por lo general de celosía en «X»
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos • Amarre o Retención «strain».Soportan las mismas cargas que las torres de suspensión, además de las cargas transversales producidas por el ángulo entre los cables de llegada y los de salida. Son usadas en los tramos donde se requiere un cambio de dirección en la línea de transmisión para sortear obstáculos como vías, montañas o poblados Son Torres mas robustas que las de suspensión y por lo general tienen una apertura mayor entre las patas, para soportar el momento de vuelco generado por los cables
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos • Amarre Terminal o Remate «dead-end».Son colocadas al inicio y al final de la línea de transmisión, soportan una carga longitudinal muy grande la misma que genera un momento de vuelco importante en el análisis, este tipo de torres son las más robustas de la línea y se debe tener especial cuidado en sus cimentaciones
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos Componentes estructurales de una Torre
Torre tipo Delta
Torre Tipo Tronco-Piramidal
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Torres de Transmisión Eléctrica Tipos Esquema estructurales de una Familia de Torre
Ménsulas
Vista Frontal
Estribos o patas para adaptarse a todas las situaciones de desnivel
Vista Lateral
Recuadros o Diafragmas
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Torres de Transmisión Eléctrica Normativa Aplicable Adicionalmente a las Normas Nacionales COVENIN-MINDUR e Internacionales (ANSI/AISC, ACI, ASTM) para el diseño en acero y en concreto armado, la normativa específica aplicable al proyecto estructural de torres de telecomunicación en nuestro país es la siguiente: • ASCE 10-97 (90) Design of Latticed Steel Transmission Structures. • ASCE 91-97 Design of Guyed Electrical Transmission Structures • ASCE 48-05 Design of Steel Transmission Pole Structures • ASCE 74-03 Guidelines for Electrical Transmission Line Structures Loading • ASCE 7-10 Minimum Design Loads for buildings and other Structures • CADAFE. Norma General para proyecto de Líneas de Transmisión
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Torres de Transmisión Eléctrica Requerimientos La escogencia de los tipos de Torres a utilizar en el diseño de una línea de transmisión y una configuración específica dependen de una multitud de factores relacionados entre los que se pueden mencionar: • Factores económicos. • Derecho o Servidumbres de paso del recorrido de la línea de transmisión. • Políticas y prácticas de la Compañía Eléctrica. • Materiales a utilizar (Perfiles de Aceros calidad A-36 y A572) • Facilidad de acceso y montajes, topografía. • Condiciones climáticas. • Estéticas. • Etc.
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • La relación de esbeltez, L/r no deberá exceder, preferiblemente los siguientes valores: KL/r < 150 para montantes KL/r < 200 para diagonales y horizontales KL/r < 250 para miembros secundarios KL/r < 300 para miembros en tracción
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Efecto de una carga excéntrica aplicada sobre la estructura transversal: Si la torre no tiene un arriostramiento horizontal, la solicitación «H» afecta a tres planos de la torre. Las flexiones de las estructuras de celosía plana de la torre deforman el rectángulo ABCD en un paralelogramo A’B’C’D’ Añadiendo una barra AC o BD se restringe esta deformación y los cuatro planos colaboran a resistir la solicitación «H».
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez La relación de esbeltez efectiva, kL/r debe tratarse cuidadosamente en su determinación partiendo del tipo de conexión utilizado en cada extremo del miembro analizado y las excentricidades inducidas. A veces es difícil lograr la convergencia de los ejes de los miembros en los puntos o nodos de trabajo (W.P.)
Las excentricidades de la unión se han de tener en cuenta cuidadosamente en el proyecto
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez La relación de esbeltez efectiva, kL/r, toma en cuenta la excentricidad y el grado de restricción contra la rotación en las conexiones de los apoyos, en el cuaderno de diseño No 3 para perfiles «L» desarrollado por SIDETUR en la persona del Ing. Arnaldo Gutiérrez, se desarrollaron unos esquemas útiles extraídos de las normas para comprender cada caso
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez • Las fórmulas de diseño están expresadas en función de la relación de esbeltez, kL/r, el número de pernos en las conexiones, y si el arriostramiento está formado por perfiles «L» individuales, o perfiles «L» que se cruzan espalda a espalda para formar un arriostramiento horizontal o inclinado. (tomado del Cuaderno No. 3)
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez La formulación utilizada en el diseño se basa en las Normas ANSI/ASCE 10-97(90) «Design of Steel Transmission Structures» y la norma CADAFE «Norma General para proyecto de Líneas de Transmisión»
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Acciones sobre la Estructura • Acciones Permanentes.- (Peso Propio + Conductores, Cables de Guarda, Aisladores, Herrajes, Amortiguadores y Accesorios) • Acciones del Viento.- (Dirección y sentido a 0°, 90° y 45°) • Acciones debidas al Montaje de la Estructura y sus conductores • Acciones Variables por Construcción y Mantenimiento (al menos dos personas de 100kgf c/u). Algunos miembros deben ser revisados para una fuerza de 100kgf ubicada en el medio del tramo
• Acciones debidas a la Rotura de los Conductores.- Cada conductor y cada circuito
• Acciones Sísmicas.- No es práctica habitual considerar las acciones sísmicas.
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Arbol de Carga «load trees» Los Ingenieros encargados del diseño de la Línea de Transmisión eléctrica, suministran el árbol de carga al Ingeniero Estructural con todas las hipótesis de solicitaciones Verticales, Longitudinales y Transversales que producen los conductores y cables de guarda, incluyendo un Factor de Seguridad tal y como se presenta en los esquemas siguientes: F.S. = 1.3 en las hipótesis de carga de condiciones normales F.S. = 1.5 en las hipótesis de carga de mantenimiento
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Hipótesis para el diseño: 1-A: Todos los conductores montados, Viento máximo 90º perpendicular a la línea 1-B: Todos los conductores montados, Viento máximo 45º oblicuo a la línea 1-C: Todos los conductores montados, Viento máximo 0º longitudinal a la línea DC1, DC2… DCn: Fase «1» rota (sin viento)…. Fase «n» rota (sin viento) HCM1.1, HCM1.2 …. HCM1.n: Fase «1» montada (sin viento)…. Fase «n» montada (sin viento) HCM2.1, HCM2.2 …. HCM1.n: Cable de Guarda «1» montado (sin viento)…. Cable de Guarda «n» montado (sin viento) HCM3: Todas las fases montadas (sin viento) HCM4: Doble peso en cualquier fase (sin viento) Para el calculo formal de la familia torre se toman en cuenta varias alturas en general, normalmente (4) estas serían: (base -6), (base +-0), (base +6) y (base +9)
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Torres de Transmisión Eléctrica Criterios de Estabilidad, Resistencia y Rigidez Por otra parte, en el diseño de la familia de torres solo se toma en cuenta el estribo mas corto y el más largo combinado, por ejemplo, en el esquema de planta mostrado, de la siguiente forma:
Estribo Largo
Estribo Corto
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Torres de Transmisión Eléctrica Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Para las acciones de diseño por viento se aplican criterios similares a los descritos anteriormente. Sin embargo, en la NORMA CADAFE se establecen las siguientes presiones de viento de diseño a utilizar: Pv = 148 kgf /m2
Sobre la superficie efectiva de miembros planos de estructuras de soporte (0.0127 V2) > 80 kgf/m2
Pv = 92 kgf /m2
Sobre la superficie efectiva de miembros de sección circular de estructuras de soporte (0.0079 V2) > 50 kgf/m2
Pv = 55 kgf /m2
Sobre cables tendidos (0.00472 V2) > 30 kgf/m2
La velocidad de viento «V (km/h)» calculada para la mayor velocidad de viento de 5 minutos con un período de retorno de 100 años
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Torres de Transmisión Eléctrica Acciones Accidentales del Viento y el Sismo Acciones Eólicas (Viento) Hipótesis de Dirección del Viento
Las Normas CADAFE consideran el coeficiente de fuerza Cf para torres cuadradas dentro del análisis del área efectiva (Aex) de la superficie expuesta a la presión de viento como: 1.5Aex para la sección de la torre con separación entre caras menor a 2.0 m 2.0Aex para la sección de la torre con separación entre caras mayor a 2.0 m
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Comentarios Finales Podemos resumir de manera comparativa, los aspectos que involucran el análisis, diseño y detallado de Torres de Telecomunicación y de Transmisión Eléctrica Torres de Telecomunicación
Torres de Transmisión Eléctrica
El diseño está controlado principalmente por las acciones del viento según los límites de deformación por flexión y torsión en antenas de microondas y en la estructura
El diseño está controlado principalmente por las acciones provenientes de la rotura de conductores, cables y circuitos
En general son estructuras ligeras y esbeltas.
Dependiendo de su función pueden ser pesadas y robustas
Su ubicación y altura , depende de las necesidades de operación de evitar la interferencia de obstáculos.
Su ubicación y altura , depende del trazado de la línea y la distancia de afectación de sus conductores
Se desarrollan por familias a partir de un cuerpo común con estribos al mismo nivel
Se desarrollan por familias a partir de un cuerpo común con estribos adaptados a diferentes topografías
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Comentarios Finales Finalmente, es de particular interés destacar los errores más comunes que pudiesen cometerse en los proyectos de Torres de Telecomunicación y de Transmisión Eléctrica, los cuales se pueden resumir según las siguientes etapas: Etapa
Error Común
Modelación
• Inestabilidad en juntas articuladas sin presencia de diafragmas efectivos • Numeración de nodos y miembros sin seguir algunas nomenclaturas que permitan su rápida ubicación dentro de la cara, nivel o cuerpo al que pertenecen • No incluir las solicitaciones de viento procedente de plataformas, accesorios, soportes, escalerillas para guías de onda entre otras. • Asumir ubicación de antenas (altura y azimut) sin información real según las necesidades del cliente o sin plantear hipótesis de su ubicación y orientación para producir las máximas deformaciones por flexión y torsión.
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Comentarios Finales Etapa
Error Común
Análisis y diseño
• Ignorar la probable amplificación de las solicitaciones sísmicas de torres de telecomunicación instaladas sobre azoteas de edificios • Relación de esbeltez efectiva (kL/r) de los miembros no determinada apropiadamente • En los programas tipo SAP2000 o STAAD Pro no verificar si el procedimiento de diseño considera los radios de giro adecuados y distintos a los ejes principales según la orientación de los miembros. • En miembros continuos como los montantes despreciar la flexo-compresión por criterios de modelación tipo truss • No considerar las excentricidades para el diseño de conexiones en miembros principales (horizontales y diagonales) • Procedimientos simplistas para el análisis y diseño de las planchas base y sus anclajes
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