TORRE TRANSMISION

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN TACNA

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ANALISIS ESTRUCTURAL TORRE DE TRANSMISION ELECTRICA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVILANALISIS ESTRUCTURAL POR EL METODO DE LA RIGIDEZ

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ANALISIS ESTRUCTURAL DE UNA TORRES DE TRANSMISION ELECTRICA POR EL METODO DE LA RIGIDEZ

INTRODUCCION: Generalmente sucede que la localizacin de los centros de generacin de electricidad no necesariamente coincide con los centros de consumo (poblaciones), por lo que se requiere transportar esta energa a stos la energa generada. La forma ms econmica de efectuar la transmisin de la energa es mediante las llamadas lneas areas, en las que los conductores se colocan a cierta altura sobre el terreno, soportadas por estructuras especialmente diseadas para ello. Los soportes de estos conductores, denominados torres de transmisin, o subestacin de transmisin, tienen gran importancia, a pesar de que su funcin se limita a servir de apoyo. Estas estructuras tienen, adems la particularidad de ser repetitivas, es decir, que es considerable el nmero de estructuras en una lnea que, salvo ligeras variantes como cambio de direccin, representan iguales caractersticas, por lo que pequeos aciertos o deficiencias en su diseo repercuten de modo significativo en la construccin operacin econmica de la transmisin de la energa elctrica. He aqu entonces la importancia de tales estructuras que para realizar el diseo respectivo es necesario el poder realizar un anlisis estructural previo para poder establecer la configuracin final de tales estructuras. En el presente trabajo se realizar primeramente una descripcin de este tipo de estructura que quiz 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 describir algunas normas que establecen parmetros mnimos para su funcionamiento y seguridad para luego realizar el correspondiente anlisis de la estructura por mtodos matriciales.

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I) OBJETIVOS: -Aplicar los alcances respectivos para el diseo de un subestacin de transmisin elctrica en las normas EC 010 y EC 040 del RNE. - Realizar el mitrado de cargas correspondiente a la estructura en estudio. - Aplicar el mtodo de la rigidez directa para resolver la estructura en tres dimensiones.

II) MARCO TERICO: SISTEMA DE DISTRIBUCION Es el conjunto de instalaciones elctricas comprendidas desde un sistema de generacin o transformacin a media tensin, hasta los puntos de entrega de los usuarios de media o baja tensin, inclusive las unidades de alumbrado pblico. Comprende lo siguiente: Subsistema de Distribucin Primaria Son las redes y subestaciones cuyas tensiones de servicio son mayores de 1 kV y menores de 30 kV. Subsistema de Distribucin Secundaria Son las redes de servicio pblico cuyas tensiones de servicio son iguales o menores a 1 kV. Instalaciones de Alumbrado Pblico Son las redes y unidades de alumbrado destinadas al alumbrado pblico de las vas, plazas y parques.

Sistema de Utilizacin en Media Tensin Es aquel constituido por el conjunto de instalaciones elctricas de Media Tensin, comprendida desde el punto de entrega hasta los bornes de Baja Tensin del transformador, destinado a suministrar energa elctrica a un predio.

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Estas instalaciones pueden estar ubicadas en la va pblica o en propiedad privada, excepto la subestacin, que siempre deber instalarse en la propiedad del Interesado. Se entiende que quedan fuera de este concepto las electrificaciones para usos de vivienda y centros poblados. Consideraciones de Diseo Con el punto o los puntos de diseo fijado por el Concesionario, el Ingeniero Proyectista elaborar el proyecto segn corresponda: Subsistema de Distribucin Primaria. Subsistema de Distribucin Secundaria. Instalaciones de Alumbrado de Vas Pblicas. Sistemas de Utilizacin en Media Tensin.

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El Proyecto deber cumplir con las exigencias tcnicas de los dispositivos vigentes relacionados con el mbito de la Distribucin, siendo los relevantes los siguientes: Para Sistemas de Distribucin Decreto Ley N 25844 Ley de Concesiones Elctricas y su Reglamento. Norma Tcnica de Calidad de los Servicios Elctricos Cdigo Nacional Electricidad Suministro. Normas DGE Terminologa en Electricidad y Smbolos Grficos en Electricidad. Condiciones tcnicas indicadas en el documento de punto de diseo emitido por el Concesionario. Lista de Equipos y Materiales Tcnicamente Aceptables del Concesionario respectivo. Normas tcnicas de las instalaciones del Concesionario. Disposiciones municipales segn corresponda. Reglamento Nacional de Construcciones vigente. Ley de Proteccin del Medio Ambiente y Proteccin del Patrimonio

Sistema de transmisin elctrica:

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Es el medio por el cual se transmite la energa desde las unidades generadoras hasta el sistema de distribucin, que es el que en ltima instancia alimenta las cargas. Distancia de seguridad vertical sobre el nivel del suelo Se refieren a la altura mnima que deben guardar los conductores, respecto al suelo, agua y parte superior de rieles de vas frreas o caminos, aunque debe evitarse en lo posible el paso encima de las dos ltimas nombradas. Caractersticas generales del diseo de una lnea de transmisin Seleccin de la trayectoria El estudio, la evaluacin y la definicin de la ruta es de suma importancia, ya que es la base de un buen diseo, de una econmica construccin y por tanto, de un inicio de operacin sin contratiempos, se puede concluir que de una adecuada seleccin de trayectoria, depende que el proyecto sea econmicamente factible, as como la operacin confiable y el mnimo impacto ambiental de una lnea de transmisin. Para lograr una seleccin de trayectoria ptima, debern considerarse lo siguiente: La menor longitud posible, con base en el principio geomtrico que dice que la distancia ms cercana entre dos puntos es la lnea recta. El menor nmero de puntos de inflexin. Cercana a carreteras y caminos de terracera, para facilidad de construccin, revisin y mantenimiento, evitando con esto la creacin de nuevos accesos, que pudieran afectar la estabilidad de los ecosistemas y aumentar los costos con respecto a la construccin de estos.

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Flecha del conductor 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. La distancia f entre el punto ms 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

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la

distancia

a

entre

los

dos

puntos

de

amarre

A

y

B.

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Los postes debern soportar las tensiones TA y TB, que ejerce el conductor en los puntos de amarre. La magnitud de la tensin T = TA = TB depender de la longitud del vano, del peso del conductor, de la temperatura y de las condiciones atmosfricas.

Longitud del vano Para la construccin de lneas rectas, el costo menor corresponde generalmente a vanos ms largos de lo que se ha considerado aceptable en la prctica. En los ltimos aos la longitud de los vanos ha sido aumentada gradualmente, a medida que eran estudiados y resueltos tericamente y experimentados prcticamente, problemas tales como los debidos a oscilaciones, vibraciones y desequilibrio de tensiones. Con vanos muy largos, la economa resulta pequea por necesitarse mayores cuidados en el proyecto, disposicin y construccin.

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III) PLANTEAMIENTO DE LA ESTRUCTURA Los tipos de estructuras para torres de transmisin pueden ser como sigue: 1. Torres Piramidales 2. Torres de Ventana o Delta 3. Torres Cara de Gato 4. Torres Atirantadas

Estructura tentativa para

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realizar el anlisis:

Vista de frente:

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IV) CARGAS ACTUANTES EN LA ESTRUCTURA CARGA MUERTA: Representa bsicamente el peso propio de la estructura la cual se distribuye en cada nodo de toda la estructura, el clculo 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 as la carga muerta total.

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

Carga Transversal de Viento.- Esta carga simula el efecto que tiene el viento en la direccin 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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Carga Longitudinal de Viento.- Esta carga simula el efecto que tiene el viento en la direccin 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.

V) METRADO DE CARGAS: V.1) CARGA MUERTA: Carga originada por el peso propio de la estructura y sus accesorios, adems 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 estara considerando el peso de accesorios y peso de cable. Seccin para la estructura es L75x75x12.5mm el cual tiene un peso de 14kg/m. Longitud total= 218.77m (extrado de la tabla de barras) Peso Estructura=218.77x14=3062.71 kg CM = 3062.71x1.4= 4287.80 kg

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V.2) CARGA DE VIENTO: Carga horizontal originada por las rfagas de viento, el clculo se realizar tomando en cuenta los requerimientos que establezca el condigo nacional de electricidad suministro.

Extrado del cdigo nacional de electricidad suministro

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La ciudad de Tacna se encuentra en la Zona C (carga fuerte) y se considerar que la estructura se encuentra en el rea 0 sin ninguna influencia de carga de nieve. Presin del viento dependiendo de la zona:

Carga debida al viento:

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Calculo de la carga por viento: -Por ubicarse en una zona relativamente propensa a la velocidad del viento, de la tabla se toma v=25m/s - 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 celosa de forma rectangular, se toma un valor de sf=3.2 - Area de la estructura en la direccin del viento es A= 21 m2. CV=PV=1029.84 kg

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V.3) FACTORES DE SOBRECARGA:

CM = 1.4*peso propio = 4290 KG

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PV = 2.2*carga viento = 2270 KG

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V.4) CARGA APLICADO A LOS NODOS: - Carga muerta Numero de nodos = 40 A cada nodo le corresponde= CM / #Nodos = 107 kg

- Carga de Viento Numero de nodos en la cara perpendicular al viento = 16 A cada nodo le corresponde = PV #Nodos = 142 kg

VI) CALCULOS ESTRUCTURAL: El mtodo a utilizar es el de rigidez directa para armaduras en el espacio. 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. De la matriz de rigidez de la estructura sub-matriz Matriz de fuerzas externas en nodos VI.1) CALCULOS: solo se ensambla la

se encuentra en el anexo 5.

Calculo de fuerzas internas:

VII) VERIFICACIN DE PARMETRO: La seccin a utilizar es L (ngulo) de 3x3x1/2 cuyas propiedades son:15

Peso (kg/m) rea(cm2) 14 17.8 Con Fy = 3500 kg/cm2

r(m) I(mm4) 0.0146 0.892x106 Fu= 4500kg/cm2

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VII.1) Verificacin por esbeltez: El Reglamento Nacional de Edificaciones en la Norma E-90 Estructuras Metlicas en el punto 2 Requisitos de Diseo se establece que: 2.7 RELACIONES DE ESBELTEZ LMITE Para elementos cuyo diseo se basa en fuerzas de compresin, las relaciones de esbeltez (Kl / r) no deben exceder, preferentemente, de 200. Los valores de K se calculan de acuerdo a la Seccin 3.2. Para elementos cuyo diseo esta basado en fuerzas de traccin, las relaciones de esbeltez l / r no deben exceder, preferentemente, de 300. Esta recomendacin no se aplica a varillas en traccin. Los elementos en los que el diseo se hace para fuerzas de traccin, pero que pueden estar sometidos a una compresin reducida en otra condicin de carga, no necesitan cumplir el lmite de esbeltez en compresin.

Segn el ASCE 10-97, Diseo en acero de Estructuras de Transmisin Elctrica en 3.7 Requisitos de Esbeltez indica: Requisitos de esbeltez para barras en compresin: Para miembros principales: (Kl / r) 150 Para miembros normales: (Kl / r) 200

Requisitos de esbeltez para barras en compresin: Para miembros principales: (Kl / r) 300 pero 500

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 compresin: 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:

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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 seccin se cambia para las 8 barras de la base a una de 4x4x1/2 verificando: l=2.87m; r = 0.0198m, donde Kl/r = 144.5, lo cual cumple con RNE y con el ASCE 10-97. Calculo de Esbeltez para barras a traccin: 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.

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VII.2) Verificacin por esfuerzo a traccin mtodo ASD:

Para el elemento barra 37-1 est trabajando a 741.14 kg en un rea = 23.44 cm2 para un ngulo de 4x4x1/2 Ft = 31.61 kg/cm2 lo cual trabaja a un valor 2100 kg/cm2 (0.60Fy)

VII.3) Verificacin por esfuerzo a compresin ASD:

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Calculo de Cc=108.8 Para el elemento barra 38-2: l=2.87m; r = 0.0198m, donde Kl/r = 144.5, lo cual cumple con RNE y con el ASCE 10-97. Se ve que: Kl/r Cc, se aplica la ecuacin 5.2-5; resultando: Fa = 220.7 kg/cm2 La barra 38-2 trabaja a 2553.35/23.44 Ft=111.78 Fa CUMPLE.

VII.4) Verificacin Desplazamiento: Segn el RNE el captulo 7 de la norma E-02018

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Considerando la zona mas propensa al desplazamiento es la ltimo planta de la estructura se tiene que la altura es de 1.0 m.

El mximo permisible es = 1cm De la tabla de desplazamientos el desplazamiento mximo es en el nodo 33 y 34 en la direccin x con un valor de 37 = 0.196 cm, el cual es menor a permisible.

REFERENCIAS - Reglamento Nacional de Edificacin EC 010- EC 040. - Reglamento Nacional de Edificacin E-20 - Reglamento Nacional de Edificacin E-9019

- Codigo Nacional de Electricidad - Codigo Nacional de Electricidad - Suministro - ASCE, Desing of Latticed Steel Transmission Structural, ASCE 10-97, 2000. - Diseo y Construccin de Banco de Pruebas para Torres de Transmisin Elctrica- Enrique Romn Toledo Torres, Ignacio Wiesner Falcon - AUTOMATIZACION DEL DISEO DE TORRES-Salvador Merino Cordoba y Manuel Ojeda Aciego - Evaluacin tcnico econmica del diseo de lneas de transmisin de 69 kv utilizando estructuras compactas - Edgar Ubaldo Boj de Len

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