UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN TACNA
ESCALONADO
ANALISIS ESTRUCTURAL TORRE DE TRANSMISION ELECTRICA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL ANALISIS ESTRUCTURAL POR EL METODO DE LA RIGIDEZ
E A N
INTRODUCCION: A L
S IS
Generalmente sucede que la localización de los centros de generación de electricidad no necesariamente coincide con los centros de consumo (poblaciones), por lo que se requiere transportar esta energía a éstos la energía generada.
IS
C E S T R
A U C T
L U
La forma más económica de efectuar la transmisión de la energía es mediante las llamadas líneas aéreas, en las que los conductores se colocan a cierta altura sobre el terreno, soportadas por estructuras especialmente diseñadas para ello.
R A L
O D E U
N N A T O
A
Los soportes de estos conductores, denominados torres de transmisión, o subestación de transmisión, tienen gran importancia, a pesar de que su función se limita a servir de apoyo. Estas estructuras tienen, además la particularidad de ser repetitivas, es decir, que es considerable el número de estructuras en una línea que, salvo ligeras variantes como cambio de dirección, representan iguales características, por lo que pequeños aciertos o deficiencias en su diseño repercuten de modo significativo en la construcción operación económica de la transmisión de la energía eléctrica.
R R E
D S D T
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O L
E
N
IO
IS
M
S
N
A
R
He aquí entonces la importancia de tales estructuras que para realizar el diseño respectivo es necesario el poder realizar un análisis estructural previo para poder establecer la configuración final de tales estructuras.
E
En el presente trabajo se realizará primeramente una descripción de este tipo de estructura que quizá sea un poco menos difundida entre la comunidad ingenieril pero a la vez toma mucha importancia a la hora de difundir los beneficios a las poblaciones; seguidamente se describirá algunas normas que establecen parámetros mínimos para su funcionamiento y seguridad para luego realizar el correspondiente análisis de la estructura por métodos matriciales.
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ANALISIS ESTRUCTURAL DE UNA TORRES DE TRANSMISION TRANSMISION ELECTRICA POR EL METODO DE LA RIGIDEZ 2
E A N
I) OBJETIVOS: A L
S IS
-Aplicar los alcances respectivos para el diseño de un subestación de transmisión eléctrica en las normas EC 010 y EC 040 del RNE.
IS
C E S T R
A
- Realizar el mitrado de cargas correspondiente a la estructura en estudio.
U C T
L U
- Aplicar el método de la rigidez directa para resolver la estructura en tres dimensiones.
R A L
O D E U
N N A T
II) MARCO TEÓRICO: O
A R R E
SISTEMA DE DISTRIBUCION
D S D
Es el conjunto de instalaciones eléctricas comprendidas desde un sistema de generación o transformación a media tensión, hasta los puntos de entrega de los usuarios de media o baja tensión, inclusive las unidades de alumbrado público.
E
Comprende lo siguiente:
N
T
O E
IO
IS
M
S
N
A
R
L E
Subsistema de Distribución Primaria C T
Son las redes y subestaciones cuyas tensiones de servicio son mayores de 1 kV y menores de 30 kV.
IC
R
R
O
P
A
Subsistema de Distribución Secundaria E L
Son las redes de servicio público cuyas tensiones de servicio son iguales o menores a 1 kV.
M
D
O
D
O
T
E
Instalaciones de Alumbrado Público E L
Son las redes y unidades de alumbrado destinadas al alumbrado público de las vías, plazas y parques.
A
E
ID
IG
R
Z
Sistema de Utilización en Media Tensión
Es aquel constituido por el conjunto de instalaciones eléctricas de Media Tensión, comprendida desde el punto de entrega hasta los bornes de Baja Tensión del transformador, destinado a suministrar energía eléctrica a un predio.
3
Estas instalaciones pueden estar ubicadas en la vía pública o en propiedad privada, excepto la subestación, que siempre deberá instalarse en la propiedad del Interesado. Se entiende que quedan fuera de este concepto las electrificaciones para usos de vivienda y centros poblados.
E A N A L
S IS IS
C E S
Consideraciones de Diseño T R
A U
Con el punto o los puntos de diseño fijado por el Concesionario, el Ingeniero Proyectista elaborará el proyecto según corresponda:
C
-
T
L U R A L
Subsistema de Distribución Primaria. Subsistema de Distribución Secundaria. Instalaciones de Alumbrado de Vías Públicas. Sistemas de Utilización en Media Tensión.
O D E U
N N A T O
A R R
El Proyecto deberá cumplir con las exigencias técnicas de los dispositivos vigentes relacionados con el ámbito de la Distribución, siendo los relevantes los siguientes:
E
D S D T
E
O N
A
R
Para Sistemas de Distribución S M
- Decreto Ley N° 25844 “Ley de Concesiones Eléctricas” y su Reglamento. - Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos - Código Nacional Electricidad Suministro. - Normas DGE “Terminología en Electricidad” y “Símbolos Gráficos en
IO
IS
Electricidad”.
A
IC
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C
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N
P
- Condiciones técnicas indicadas en el documento de punto de diseño emitido por el Concesionario. - Lista de Equipos y Materiales Técnicamente Aceptables del Concesionario respectivo. - Normas técnicas de las instalaciones del Concesionario. - Disposiciones municipales según corresponda. - Reglamento Nacional de Construcciones vigente. - Ley de Protección del Medio Ambiente y Protección del Patrimonio
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ID
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Sistema de transmisión eléctrica:
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Es el medio por el cual se transmite la energía desde las unidades generadoras hasta el sistema de distribución, que es el que en última instancia alimenta las cargas.
E A N A L
S IS IS
Distancia de seguridad vertical sobre el nivel del suelo
C E S T
Se refieren a la altura mínima que deben guardar los conductores, respecto al suelo, agua y parte superior de rieles de vías férreas o caminos, aunque debe evitarse en lo posible el paso encima de las dos últimas nombradas.
R
A U C T
L U R A L
O
Características generales del diseño de una línea de transmisión
D E U
N N A
Selección de la trayectoria T O
A R
El estudio, la evaluación y la definición de la ruta es de suma importancia, ya que es la base de un buen diseño, de una económica construcción y por tanto, de un inicio de operación sin contratiempos, se puede concluir que de una adecuada selección de trayectoria, depende que el proyecto sea económicamente factible, así como la operación confiable y el mínimo impacto ambiental de una línea de transmisión.
R E
D S D T
E
O
Para lograr una selección de trayectoria óptima, deberán considerarse lo siguiente:
N
IO
IS
M
S
N
A
R
T
C
E
L
E
• La menor longitud posible, con base en el principio geométrico que dice
R A
IC
que la distancia más cercana entre dos puntos es la línea recta. P O
• El menor número de puntos de
R
inflexión. E L
• Cercanía a carreteras y caminos de terracería, para facilidad de
M
construcción, revisión y mantenimiento, evitando con esto la creación de nuevos accesos, que pudieran afectar la estabilidad de los ecosistemas y aumentar los costos con respecto a la construcción de estos.
T
E
L
E
D
O
D
O
A R IG ID
Flecha del conductor E Z
Un conductor de peso uniforme, sujeto entre dos apoyos por los puntos A y B situados a la misma altura, forma una curva llamada catenaria. L a distancia f entre el punto más bajo situado en el centro de la curva y la recta AB, que une los apoyos, recibe el nombre de flecha. Se llama vano a
5
la
distancia
“a”
entre
los
dos
puntos
de
amarre
A
y
B.
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C E S T R
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D S D E T
Los postes deberán soportar las tensiones TA y TB, que ejerce el conductor en los puntos de amarre. La magnitud de la tensión T = TA = TB dependerá de la longitud del vano, del peso del conductor, de la temperatura y de las condiciones atmosféricas.
O E
N
IO
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M
S
N
A
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L E C T
Longitud del vano R IC
Para la construcción de líneas rectas, el costo menor corresponde generalmente a vanos más largos de lo que se ha considerado aceptable en la práctica. En los últimos años la longitud de los vanos ha sido aumentada gradualmente, a medida que eran estudiados y resueltos teóricamente y experimentados prácticamente, problemas tales como los debidos a oscilaciones, vibraciones y desequilibrio de tensiones. Con vanos muy largos, la economía resulta pequeña por necesitarse mayores cuidados en el proyecto, disposición y construcción.
A
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O
D
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T
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P
IG ID E Z
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E A N
III) PLANTEAMIENTO DE LA ESTRUCTURA A L
S IS
Los tipos de estructuras para torres de transmisión pueden ser como sigue:
IS
C E S T
· 1. Torres Piramidales R
A U C
· 2. Torres de Ventana o Delta T
L U R A
· 3. Torres Cara de Gato L
O D E
· 4. Torres Atirantadas U
N N A T O
A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A P O R E L M E T O D O D E L A R IG ID E Z
Estructura tentativa para 7
realizar el análisis:
E A N A L
S IS IS
C E S T R
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L U R A L
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O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A P O R E L M E T O D O D E L A R IG ID E Z
Vista de frente: 8
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O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A P O R E L M E T O D O D
IV) CARGAS ACTUANTES EN LA ESTRUCTURA
E
CARGA MUERTA: Representa básicamente el peso propio de la estructura la cual se distribuye en cada nodo de toda la estructura, el cálculo de la carga muerta se define por la longitud total o acumulada de los elementos de la armadura multiplicada por el peso por unidad lineal, extrayendo así la carga muerta total.
R
L A
CARGA VIVA: Por denominarse una estructura liviana es que se que se considera que la carga originada por el viento es la que repercute en este tipo de estructura, pudiendo presentarse de dos formas: 9
Z
E
ID
IG
Carga Transversal de Viento.- Esta carga simula el efecto que tiene el viento en la dirección transversal de la torre, la torre se divide en secciones y para cada una de ellas se calcula el efecto que tiene el viento.
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D S D E T
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Carga Longitudinal de Viento.- Esta carga simula el efecto que tiene el viento en la dirección longitudinal de la torre, de igual forma que en la anterior la torre se divide en secciones y para cada una de ellas se calcula el efecto que tiene el viento.
IO
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T
C
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E
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P O R E L M E T O D O D E L A R IG ID E Z
V) METRADO DE CARGAS:
V.1) CARGA MUERTA: Carga originada por el peso propio de la estructura y sus accesorios, además se debe considerar el peso que ejercen los cables por su peso propio. 10
La carga permanente neta se puede aproximar multiplicando el peso propio de la estructura por 1.4, en el cual se estaría considerando el peso de accesorios y peso de cable.
E A N A L
S IS
Sección para la estructura es L75x75x12.5mm el cual tiene un peso de 14kg/m.
IS
C E S T R
A U C
Longitud total= 218.77m (extraído de la tabla de barras) T
L U R
Peso Estructura=218.77x14=3062.71 kg A L
O D E
CM = 3062.71x1.4= 4287.80 kg U
N N A T O
A R
V.2) CARGA DE VIENTO: R E
D S
Carga horizontal originada por las ráfagas de viento, el cálculo se realizará tomando en cuenta los requerimientos que establezca el condigo nacional de electricidad – suministro.
D T
E
O M
S
N
A
R
IS IO N E L E C T R IC A P O R E L M E T O D O D E L A R IG ID
Extraído del código nacional de electricidad – suministro E Z
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C E S T R
A U C T
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N N A T O
A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E
La ciudad de Tacna se encuentra en la Zona C (carga fuerte) y se considerará que la estructura se encuentra en el Área 0 sin ninguna influencia de carga de nieve.
E
L
P
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IC
R
T
C
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Presión del viento dependiendo de la zona: R E L M E T O D O D E L A R IG ID E Z
Carga debida al viento:
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C E S T R
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L U R A L
O D E U
N N A T O
A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A P O R E L M E T O D O D E
Calculo de la carga por viento: L A R
-Por ubicarse en una zona relativamente propensa a la velocidad del viento, de la tabla se toma v=25m/s IG ID E
- Constante de viento por ubicarse en una zona a menos de 3000 m.s.n.m. se toma k=0.613 - Factor de forma por tratarse de una estructura de celosía de forma rectangular, se toma un valor de sf=3.2 - Area de la estructura en la dirección del viento es A= 21 m 2. CV=PV=1029.84 kg
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C E S T R
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L U R A L
O D E U
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A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A P O R E L M E T O D O D E L A R IG ID E Z
V.3) FACTORES DE SOBRECARGA: CM = 1.4*peso propio = 4290 KG 14
PV = 2.2*carga viento = 2270 KG
E A N A L
S IS IS
V.4) CARGA APLICADO A LOS NODOS:
C E S T
- Carga muerta R
A U C
Numero de nodos = 40 T
L U R A
A cada nodo le corresponde= CM / #Nodos = 107 kg L
O D E U
N N A
- Carga de Viento T O
A R R
Numero de nodos en la cara perpendicular al viento = 16 E
D S D
A cada nodo le corresponde = PV #Nodos = 142 kg E T
O R A N S M
VI) CALCULOS ESTRUCTURAL: IS
El método a utilizar es el de rigidez directa para armaduras en el espacio.
IO
La matriz de rigidez de barra se extrae con la ayuda de la tabla de barras del anexo 1, las matrices de rigidez de barra se encuentra en el anexo 2.
E
L
E
N
De la matriz de rigidez de la estructura sub-matriz Matriz de fuerzas externas en nodos
solo se ensambla la
A
IC
R
T
C
R
O
P E
se encuentra en el anexo 5.
L T
E
M O
VI.1) CALCULOS:
D O D E L A R IG
Calculo de fuerzas internas:
ID E Z
VII) VERIFICACIÓN DE PARÁMETRO: La sección a utilizar es L (ángulo) de 3”x3”x1/2” cuyas propiedades son:
15
Peso (kg/m) Área(cm2) 14 17.8 Con Fy = 3500 kg/cm2
r(m) I(mm4) 0.0146 0.892x10 6 Fu= 4500kg/cm2
E A N A L
S IS IS
VII.1) Verificación por esbeltez:
C E S
El Reglamento Nacional de Edificaciones en la Norma E-90 Estructuras Metálicas en el punto 2 Requisitos de Diseño se establece que:
T R
A U C T
L U R
2.7 RELACIONES DE ESBELTEZ LÍMITE A L
O
Para elementos cuyo diseño se basa en fuerzas de compresión, las relaciones de esbeltez (Kl / r) no deben exceder, preferentemente, de 200. Los valores de K se calculan de acuerdo a la Sección 3.2.
D E U
N N A T O
A R
Para elementos cuyo diseño esta basado en fuerzas de tracción, las relaciones de esbeltez l / r no deben exceder, preferentemente, de 300.
R E
D S D T
E
Esta recomendación no se aplica a varillas en tracción. Los elementos en los que el diseño se hace para fuerzas de tracción, pero que pueden estar sometidos a una compresión reducida en otra condición de carga, no necesitan cumplir el límite de esbeltez en compresión.
O E
N
IO
IS
M
S
N
A
R
L E
Según el ASCE 10-97, Diseño en acero de Estructuras de Transmisión Eléctrica en 3.7 Requisitos de Esbeltez indica:
C
P
A
IC
R
T
O
Requisitos de esbeltez para barras en compresión: R E L
Para miembros principales: (Kl / r) 150 M E T
Para miembros normales: (Kl / r) 200 O D O
Requisitos de esbeltez para barras en compresión: Para miembros principales: (Kl / r)
D E L A
300 pero 500 R
K=1; el valor k llamado factor de longitud efectiva se considera 1.0 ya que se considera que la estabilidad lateral la proporcionan los elementos de arriostre diagonales. Calculo de Esbeltez para barras a compresión: K=1; el valor k llamado factor de longitud efectiva se considera 1.0 ya que se considera que la estabilidad lateral la proporcionan los elementos de arriostre diagonales. Para el elemento barra 38-2:
16
Z
E
ID
IG
l = 2.87m; r = 0.0146m, donde Kl/r = 196.6, lo cual cumple con el RNE, pero no con el ASCE 10-97, lo cual la sección se cambia para las 8 barras de la base a una de 4”x4”x1/2” verificando:
E A N A L
S IS
l=2.87m; r = 0.0198m, donde Kl/r = 144.5, lo cual cumple con RNE y con el ASCE 10-97.
IS
C E S T R
A U C
Calculo de Esbeltez para barras a tracción: T
L U
Para el elemento barra 37-1: los datos son los mismos los cual se considera que Kl/r = 144.5 300, lo cual cumple con RNE y con el ASCE 10-97.
R A L
O D E U
N N A T O
VII.2) Verificación por esfuerzo a tracción – método ASD:
A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A P O R
Para el elemento barra 37-1 está trabajando a 741.14 kg en un área = 23.44 cm2 para un ángulo de 4”x4”x1/2”
E
O
T
E
M
L
Ft = 31.61 kg/cm2 lo cual trabaja a un valor 2100 kg/cm2 (0.60Fy) D O D E L A R IG ID E Z
VII.3) Verificación por esfuerzo a compresión ASD:
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E A N A L
S IS IS
C E S T R
A U C T
L U R A L
O D E U
N N A T O
A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E L E C T R IC A
Calculo de Cc=108.8 P O
Para el elemento barra 38-2:
R
l=2.87m; r = 0.0198m, donde Kl/r = 144.5, lo cual cumple con RNE y con el ASCE 10-97.
M
Se ve que:
E L
O
D
O
T
E
Kl/r Cc, se aplica la ecuación 5.2-5; resultando: Fa = 220.7
La barra 38-2 trabaja a 2553.35/23.44
D E L
kg/cm 2 A R IG
Ft=111.78 Fa ID E Z
CUMPLE.
VII.4) Verificación Desplazamiento:
Según el RNE el capítulo 7 de la norma E-020 18
E A N A L
S IS IS
C E S T R
A
Considerando la zona mas propensa al desplazamiento es la último planta de la estructura se tiene que la altura es de 1.0 m.
U C T
L U R A L
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A R R E
D S D E T
O R A N S M IS IO N E
El máximo permisible es = 1cm L E C
De la tabla de desplazamientos el desplazamiento máximo es en el nodo 33 y 34 en la dirección x con un valor de 37 = 0.196 cm, el cual es menor a permisible.
T
E
R
O
P
A
IC
R
L M E T O D O D E L A R IG ID E Z
REFERENCIAS
- Reglamento Nacional de Edificación EC 010- EC 040. - Reglamento Nacional de Edificación E-20 - Reglamento Nacional de Edificación E-90 19
- Codigo Nacional de Electricidad
E A N
- Codigo Nacional de Electricidad - Suministro A L
S IS
- ASCE, Desing of Latticed Steel Transmission Structural, ASCE 10-97,
IS
C E S T
2000. R
A U
- “Diseño y Construcción de Banco de Pruebas para Torres de Transmisión Eléctrica” - Enrique Román Toledo Torres¹, Ignacio Wiesner Falconí²
C T
L U R A L
- AUTOMATIZACION DEL DISEÑO DE TORRES-Salvador Merino Cordoba y Manuel Ojeda Aciego - Evaluación técnico económica del diseño de líneas de transmisión de 69 kv utilizando estructuras compactas - Edgar Ubaldo Boj de León
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