Torres Para Antenas

TORRES PARA ANTENAS

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Constantino Pérez Vega - 2001

TORRES PARA ANTENAS  Constantino Pérez Vega Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria

Aún cuando, en general el ingeniero de comunicaciones no tiene que ver directamente con el diseño, construcción y erección de las torres utilizadas para soportar las antenas, es frecuente que tenga necesidad de actuar como director de proyectos que incluyan torres o bien con la utilización de torres ya existentes o con su mantenimiento. Por ello, es necesario que tenga conocimientos básicos sobre algunos de los aspectos más importantes relacionados con es tas estructuras.

Tipos de torres. En los sistemas de comunicaciones suelen utilizarse básicamente dos tipos de torres: autosoportadas o autoestables y arriostradas, cuya geometría general se muestra en la figura 1.

Figura 1. La figura muestra la torre de televisión de Ostankino, en Moscú. Esta torre, de 500 metros de altura incluye las antenas transmisoras en la parte superior, así como el centro de transmisión, en la  parte inmediatamente inferior a las antenas. La torre de Ostankino sufrió un incendio a mediados del año 2000, quedando seriamente dañadas las antenas y el centro emisor. Fotografía propiedad del autor.

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Figura 2. Torre autosoportada de la emisora regional de la empresa Televisa en Cerro Culiacán, Guanajuato, México. La torre tiene en su parte superior, una antena del tipo de mariposa o ala de murciélago (superturnstile) y en la parte inferior a ésta, una antena de  parrillas de dipolos. Fotografía propiedad del autor.

Aunque la sección de las torres puede ser variada, por ejemplo circular, hexagonal, etc., los más frecuentemente utilizadas en comunicaciones tienen sección cuadrada o triangular. Las torres autosoportadas son por lo general de sección cuadrada, en tanto que las arriostradas pueden ser de sección cuadrada o triangular.

Figura 3. Torre autosoportada, instalada en el Cerro de las Nubes, cercano a Managua,  Nigaragua. La torre de alrededor de 30 m de altura, soporta una antena de parrillas para la  banda I de VHF. Fotografía propiedad del autor.

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Las torres arriostradas se mantienen en posición mediante cables anclados a cierta distancia de la base de la torre, en tanto que las autosoportadas, como su nombre lo indica, se mantienen en posición por sí mismas, como estructuras en cantilever. Con pocas excepciones, el costo de la estructura y cimentación es inferior para las torres arriostradas que para las autosoportadas, sin embargo, aquéllas requieren de un terreno considerablemente mayor, de modo que la elección de un tipo u otro de torre no está condicionado únicamente por el costo de la estructura, sino por el terreno disponible y con frecuencia, por las condiciones topográficas del lugar de erección de la torre. Una torre autosoportada requiere de un terreno cuadrado cuyos lados tienen una longitud aproximadamente, entre el 8 y el 20% de la altura de la torre, en tanto que una torre arriostrada, el área del terreno necesario depende de la distancia entre las anclas de las riostras y la base de la torre. Esta distancia es, generalmente, entre el 70 y el 80% de la altura de la torre.

Materiales. Elementos estructurales. El material utilizado con más frecuencia para torres de celosía es el

acero de tipo A36 ATSM 1 y el de tipo A572 ATSM, de grado 50 o equivalente. El acero A36 es acero estructural al carbón y el A572 es acero de alta resistencia y baja aleación de niobio y vanadio. En cualquier caso, el acero utilizado es de bajo contenido de carbón, con tensiones de deformación entre 36,000 psi2 (2531 kg/cm2) y 60,000 psi (4218 kg/cm 2). Aunque no hay una forma de los materiales que pueda considerarse mejor desde el punto de vista estructural, prácticamente todos los miembros estructurales de las torres suelen ser de perfil angular, rolados en caliente y deben estar galvanizados por inmersión para conseguir máxima protección contra la corrosión. El espesor del galvanizado no debe ser inferior a 0.0034 pulgadas (0.086 mm). En prácticamente todas las torres de celosía, los miembros estructurales deben ir atornillados y nunca soldados, excepto en condiciones especiales que deben ser objeto de estudio cuidadoso. Los tornillos deben ser de acero y llevar arandela plana, arandela de presión y, preferiblemente, doble tuerca para evitar que la vibración causada por el viento llegue a aflojar los tornillos.

Figura 4. Torre para televisión, de 100 m de altura hasta la base de la antena, del Sistema de Televisión de la República Mexicana (TRM), instalada en 1980 en el Cerro de la Virgen en Zacatecas, México. La fotografía muestra la torre a un 90% de avance en su construcción. La antena, del tipo de ala de murciélago se aprecia en la parte superior, en tanto que aún no se había instalado la línea de transmisión ni se habían montado los descansos. La fotografía permite apreciar con cierto detalle, las características estructurales de la torre. Fotografía propiedad del autor .

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 Los tipos de materiales que se dan aquí están basados en el estándard americano EIA-RS-222E, el más completo y detallado desde el punto de vista de ingeniería que conoce el autor y que es utilizado en muchos países. 2  psi = libra/pulg2

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Riostras. El material más común utilizado para las riostras es cable de acero galvanizado. En torres

de radio (AM), o que estén cercanas a otras antenas de TV o de FM, con frecuencia es deseable utilizar materiales no conductores en las riostras. En estos casos se usan cables de Kevlar 3 o de fibra de vidrio. Cuando se emplean estos materiales, es necesario prestar atención cuidadosa a la protección contra el efecto corona, fatiga mecánica y deterioro causado por exposición a luz ultravioleta. También es necesario valorar sus características de elongación bajo condiciones de carga y prestar atención cuidadosa a las recomendaciones para su manejo. Igual de importante que para la estructura de la torre, las conexiones o juntas para la sujección de las riostras son tan importantes como el propio material de éstas. Algunas de las juntas más usadas están los zócalos de acero forjado o moldeado, galvanizados por inmersión o tratados con resinas epóxicas que soporten todo el esfuerzo de la riostra. Se prueban en fábrica a una carga del 50% de la tensión de ruptura de la riostra. Este tipo de junta es más común para las riostras más largas en torres altas. Otro tipo de juntas son los clips4, en forma de silla de montar, para sujetar los extremos de las riostras, una vez que éstas han sido tensadas al 90% del esfuerzo que deben soportar. En la figura

Riostras

Placa de soporte de la base

 Anclas

Figura 5. Esquema de una torre arriostrada.

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  El Kevlar pertenece a una familia de productos fabricados por la empresa Dupont de Nemours que combinan elevada resistencia y gran estabilidad térmica, entre sus aplicaciones se incluyen, además de cables con resistencia similar a los de acero, chalecos antibala, elementos de fricción para frenos, cables de fibra de vidrio, cinturones de seguridad, etc. 4  En algunas ocasiones también se designan como  perros o mordazas.

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Fig. 6. Placa de soporte de la base de torre (a) y forma de la base en el extremo inferior de la torre (b)

Fig 7. Aspecto de la base de una torre

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Cimentación

Fig. 7. Excavación para los cimientos de una torre autosoportada.

Fig. 8. Cimentación para una torre autosoportada.

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Fig. 9. Base para una torre arriostrada tipo “Pirod” (véase figura 6)

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Fig. 10. Ancla para sujección de las riostras

Montaje

Cargas mecánicas una torre

en

Carga muerta: Incluye el peso de la estructura más todos los elementos adicionales sujetos a ella. Carga viva:  Suele especificarse en los códigos de construcción.. Algunos tipos de cargas vivas  pueden ser de naturaleza prácticamente permanente, aunque sujetos a remoción o reubicación. En una torre, por ejemplo, en que se instalan temporalmente antenas sobre las caras y luego se remueven. En edificios, las paredes o particiones removibles, elementos colgantes del techo, equipos, etc. La carga de suelo es parte de la carga viva. La carga viva que puede, o debe soportar una determinada estructura, se especifica en kg/m2 en el SI y en libras/pie 2 o psf (1psf = 4.8824 kg/m 2), en el sistema inglés.

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Carga de nieve.  En estructuras sujetas a nevadas, es necesario tener en cuenta este factor. Los servicios meteorológicos suelen proporcionar información estadística relativas a la carga de nieve sobre el suelo (kg/m 2). Lo más conveniente es disponer de información de la recurrencia de nevadas en los últimos cincuenta años cuando hay riesgo para la vida humana. La carga de nieve sobre un tejado o una superficie inclinada se obtiene multiplicando los valores de la carga de nieve sobre el suelo por un factor que depende de la exposición y configuración de la superficie expuesta. Algunos valores de este coeficiente, C  N , para el caso de tejados planos, inclinados un ángulo  sobre la horizontal, pueden ser indicativos los siguientes:

 de 0º a 30º:

C  N  = 0.8

 de 30 a 70º:

C  N   0.8 

  30 50

  70º: C  N  = 0. Carga de viento. Presión de viento: La presión de viento está dada por:

P  C P Q  

(4)

Donde C P es el coeficiente de presión, designado también como factor de forma y Q es la presión de velocidad, es decir, la presión causada por la velocidad del viento y que está dada por:

Q  0.0324 v   kg/m2  2

(5)

donde v es la velocidad del viento en km/h. Si la presión del viento es del exterior hacia el interior de la estructura, C P  es positiva y si es del interior hacia el exterior, es negativa. Esto tiene que ver con el efecto de látigo que se menciona más adelante. En el caso de estructuras o torres sólidas, lo que no es muy usual en las torres que soportan antenas, el coeficiente de presión tiene valores entre 0.5 y 2, dependiendo de la forma del área transversal de la estructura. Los valores más altos (1.3 a 2) se tienen para secciones transversales cuadradas y con el viendo soplando normal a una de las caras. Si el viento sopla diagonalmente, este coeficiente tiene valores entre 1 y 1.5. Para estructuras en celosía, como es el caso de las torres de comunicaciones, los valores del coeficiente de presión, para miembros planos de la estructura están entre 1.6 y 2 y, para secciones circulares, menos frecuentes, entre 0.8 y 1.5. La velocidad del viento varía con la altura sobre el suelo y con el tipo de terreno, por lo que la presión de velocidad a una altura h sobre el suelo suele darse como: 2 Qh  0.0324 K h v30   kg/m2 

(6)

Donde K h es un coeficiente dado por la fórmula (7) y v30 es la velocidad básica del viento, en km/h, a una altura de 10 m sobre el suelo. Se usa la velocidad a 10 m como referencia ya que esta es, por lo general, la altura a la que suele medirse. El coeficiente K h está dado por la expresión siguiente:

  h   2    K h  2.64   hg     

(7)

hg  se designa como gradiente de altura y es aquella a la que la velocidad del viento se supone constante.  es un coeficiente que depende de la exposición de la construcción al viento, entre otras

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cosas, de la orografía del terreno, de las características de los vientos dominantes y de las características de la propia estructura. Suelen designarse tres tipos de exposición al viento, A B y C; el  primero, cuando la presión externa del viento es baja (del orden de 54 kg/m 2), el segundo cuando es moderada (98 kg/m 2) y el tercero, cuando es alta (del orden de 160 kg/m 2) De acuerdo a esto, algunos autores5,6 suelen recomendar lo siguientes valores para  y hg:

Exposición



hg metros

 A

3

455

B

4.5

365

C

7

275

Una cuestión importante en lo que se refiere la carga de viento, es que éste no sopla de forma constante y, con frecuencia, lo hace en ráfagas o rachas, lo que produce sobre las estructuras un efecto semejante al de un latigazo y, a causa de ello se designa como efecto de látigo. La  presión efectiva del viento es, en estas condiciones, diferente a la dada por la ecuación (6), ya que debe tener en cuenta este efecto, y está dada por:

Qef   G Q  0.0324 G K h v30   2

(8)

Donde G es el factor de ráfaga, cuyo valor, basándose a la velocidad del viento a 10 m de altura, suele tomarse como 1.69.

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 Davenport, A. G. “A Rationale for the Determination of Design Wind Loads”.  J. Struct. Div. ASCE. May 1960  Gaylord, Jr. E.H. and Gaylord, C. N. (Ed.). Structural Engineering Handbook . 2nd  Ed. McGraw-Hill Book Co. 1979.

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