Diseño estructural de mástiles y torres.

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Repaso a las principales peculiaridades del diseño de este tipo de estructuras.

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Diseño estructural de mástiles y torres.

  1. 1. Diseno de mastiles y torres ˜ ´ Luis C. P´rez Tato e TIA/EIA-222: Structural Standards for Steel Antenna Towers and Antenna Supporting Structures. BS-8100-1: Lattice Towers and Masts. DIN 4131: Steel Radio Towers Analysis and Structural Design. 2.2. Otras normas Otras normas, de car´cter m´s general, que de- a a ber´n tenerse en cuenta son: aFigura 1: Colapso del m´stil de 646.38 metros de aaltura de radio Varsovia (1991). Euroc´digo 1: Bases de proyecto y acciones en o estructuras. Euroc´digo 3: Dise˜o de estructuras de acero. o n1. Introducci´n o Euroc´digo 7: Proyecto geot´cnico. o e En el presente documento se exponen los pro-cedimientos y m´todos de c´lculo a emplear en el e a Euroc´digo 8: Dise˜o s´ o n ısmico de estructuras.dise˜o de m´stiles y torres de acero. n a Como se ver´ en la siguiente exposici´n, el dise˜o a o n EAE: Instrucci´n de acero estructural. ode este tipo de estructuras presenta algunas dificul- EHE: Instrucci´n de hormig´n estructural (ci- o otades poco corrientes en la pr´ctica de la ingenier´ a ıa mentaciones,. . . ).estructural. Prueba de ello es que el n´mero de co- ulapsos que se producen en este tipo de estructurases sensiblemente superior a la media1 . 2.3. Documentos de referencia Por ultimo, como documentos de referencia se ´ pueden citar:2. Normas y documentos de referencia Manual de tirantes. Asociaci´n Cient´ o ıfico T´c- e nica del Hormig´n Estructural. o2.1. Normativa espec´ ıfica Los cables de acero y sus aplicaciones. Serrano La normativa espec´ıfica que ha de servir como N´nez et al. Universidad de Cantabria. u˜marco en el dise˜o de este tipo de estructuras es la nsiguiente: 3. Documentaci´n de partida o Euroc´digo 3: Parte 3.1 Torres, m´stiles y chi- o a meneas. Al iniciarse las labores de dise˜o y durante su n desarrollo es necesario establecer en colaboraci´n o 1 V´ase e por ejemplo la relaci´n dada en este enlace o con el cliente los requisitos b´sicos que debe cumplir a 1
  2. 2. 4.2 ˜ Diseno preliminarla estructura. Estos requisitos depender´n funda- a 2. Ocupaci´n en planta. omentalmente de la funci´n (o funciones) que desem- ope˜ar´ la torre (antenas de UHF o VHF, sopor- n a 3. Altura de la torre.te para par´bolas de microondas, telefon´ m´vil, a ıa osoporte para anem´metros2 , iluminaci´n,. . . ) y en o o 4. Presupuesto.menor medida del entorno en que se va a construir:zona despoblada o urbana, caracter´ ısticas geot´cni- ecas del terreno, clima,. . . ). 4.1.1. Carga a soportar. Resistencia al Como resultado de este trabajo inicial deber´n a vientoquedar determinados los siguientes aspectos: Vendr´ determinada por los equipos que se vayan a Definici´n geom´trica, masa, posici´n y orien- a instalar en la estructura. Como se ha indicado en o e o taci´n de todos los elementos que ir´n fijados el apartado anterior, adem´s del peso, influir´n la o a a a a la torre. superficie expuesta al viento, orientaci´n, etc´tera. o e Como la carga que domina el problema es la debida Rotaciones admisibles (acimut y elevaci´n) de al viento, es importante seleccionar un dise˜o que o n cada uno de los elementos anteriores. presente la menor resistencia posible. Necesidad de establecer accesos a dichos ele- mentos (escaleras de pates,. . . ). 4.1.2. Ocupaci´n en planta o Previsi´n de necesidades futuras en lo relativo o a la instalaci´n de equipos. o El espacio necesario para instalar la estructura variar´ seg´n el tipo de estructura que adoptemos. a u Caracter´ ısticas clim´ticas de la zona, en parti- La presencia de tirantes hace aumentar la superficie a cular en lo que se refiere al viento, al hielo y a ocupada. la simultaneidad de ambos. Las dimensiones de la parcela en la que se cons- 4.1.3. Altura de la torre truir´ la torre y las caracter´ a ısticas del acceso a la misma. Algunos tipos de estructura son m´s adecuados a que otros dependiendo de la altura. Para alturas Las caracter´ ısticas geot´cnicas del terreno (in- muy grandes es obligado el uso de m´stiles atiran- e a forme geot´cnico). e tados. Condiciones a cumplir impuestas por las nor- mas urban´ ısticas o de otro tipo que deban res- 4.1.4. Presupuesto petarse en la ubicaci´n de la torre. Aspecto o est´tico de la misma. e Como criterio general puede decirse que cuanto menos espacio pueda ocupar la estructura en plan- ta m´s cara ser´ su instalaci´n. Adem´s el coste a a o a4. Criterios de dise˜ o n depender´ de la maquinaria que se requiera para a su instalaci´n. o4.1. Selecci´n del tipo estructural o El primer paso para dise˜ar la estructura consis- ntir´ en elegir el tipo estructural a emplear (mono- 4.2. Dise˜ o preliminar a nposte, torre en celos´ m´stil atirantado,. . . ). ıa, a Una vez seleccionado el tipo estructural se debe- Esta selecci´n se suele basar en la consideraci´n o o r´n establecer algunos dise˜os preliminares como a nde cuatro condiciones principales: pueda ser la secci´n transversal de la torre, la con- o 1. Carga a soportar. Resistencia al viento. figuraci´n del arriostramiento, los perfiles a emplear o para las barras (laminados o tubulares),. . . . 2 Las necesidades que, respecto al conocimiento del r´gi- emen de vientos, imponen los estudios de viabilidad de los El dise˜o de las uniones y del tipo de perfiles nparque e´licos han hecho m´s frecuente el uso de este tipo a emplear est´ estrechamente relacionado y tiene o a ade torres. especial repercusi´n sobre el coste de la estructura. opag. 2 de 4 revisi´n 0.9 o
  3. 3. 5 ACCIONESFigura 2: Desprendimiento de v´rtices en un cilin- odro sometido a viento. Figura 3: Hielo adherido a las barras de una torre en celos´ ıa.5. Acciones 5.2. Hielo Se exponen aqu´ las consideraciones m´s impor- ı atantes acerca de las cargas de viento, hielo, rotura El hielo, como para el resto de estructuras, supo-de un tirante y sismo. Los criterios a adoptar para la ne una carga gravitatoria adicional sobre la mismaevaluaci´n de las dem´s acciones (peso propio,. . . ) (y sobre los tirantes cuando existen) pero, adem´s, o a ano difieren sustancialmente de los empleados para tiene en estas estructuras los siguientes efectos:otras estructuras de uso corriente. En determinadas circunstancias la distribuci´n o de la carga de hielo puede ser asim´trica res- e pecto al eje de la estructura. Esto debe ser te-5.1. Viento nido en cuenta tanto al considerar los estados l´ ımite de equilibrio como los esfuerzos que in- Estas estructuras, tan esbeltas, son especialmen- troduce esta asimetr´ ıa.te sensibles a las cargas din´micas y el viento lo es. aEsta sensibilidad se debe a su flexibilidad y su bajo Aumenta la superficie expuesta al viento deamortiguamiento. En torres (estructuras exentas) los elementos de la estructura y, por tanto, lacuyos modos propios est´n generalmente bien di- a fuerza que resulta de la presi´n del viento sobre oferenciados la respuesta din´mica de la estructura a los mismos.est´ gobernada por el modo fundamental de vibra- aci´n. Por el contrario cuando se trata de m´stiles o a Aumenta la masa por unidad de longitud de(estructuras atirantadas), la acci´n del viento so- o estos elementos, alterando por tanto los modosbre los propios tirantes y el comportamiento no li- propios de la estructura. Esto ha de tenerse enneal de ´stos complica la soluci´n del problema. En e o cuenta al calcular la respuesta din´mica. aconsecuencia, salvo que la escasa importancia de laestructura o su simplicidad justifiquen la introduc-ci´n de simplificaciones, la respuesta de la estruc- otura a la acci´n del viento se obtendr´ mediante o a 5.3. Rotura de un tiranteintegraci´n directa en el tiempo del problema di- on´mico planteado para la estructura sometida a la a Cuando se trata de m´stiles atirantados es nece- aacci´n de una r´faga de viento. Las caracter´ o a ısticas sario comprobar la respuesta de la estructura a lade dicha r´faga (intensidad, duraci´n,. . . ) se deter- a o rotura de alguno de los tirantes. Como en los casosminar´n a partir de la informaci´n climatol´gica a o o anteriores se trata de una carga din´mica de tipo aobtenida de la documentaci´n de partida y de las o impulsivo con las mismas implicaciones que ya seespecificaciones de las normas. han comentado.7 de noviembre de 2012 pag. 3 de 4
  4. 4. 6.3 ´ Modelizacion del contacto cimiento-terreno5.4. Sismo modal para realizar el c´lculo din´mico. En conse- a a cuencia dicho c´lculo se realizar´ por integraci´n a a o Ya se ha hablado de la sensibilidad de este tipo de directa en el tiempo.estructuras frente a acciones din´micas por lo que aaqu´ bastar´ recordar lo ya dicho en el apartado ı acorrespondiente al viento y la modificaci´n de la 6.3. Modelizaci´n o o del contactorespuesta din´mica que produce el hielo. a cimiento-terreno La mayor o menor rigidez de la cimentaci´n in- o fluir´ en los resultados obtenidos en los an´lisis cita- a a6. An´lisis a dos anteriormente por lo que deber´ ajustarse todo a lo posible a la realidad. En general no deber´ con- a Como ya se ha indicado en el apartado referido siderarse la cimentaci´n como un empotramiento. oa las acciones al tratarse de estructuras muy esbel-tas los fen´menos din´micos y los de inestabilidad o acobran especial importancia. Para que los resulta- 6.4. Fatigados del an´lisis permitan establecer que el dise˜o a n Para la comprobaci´n a fatiga de los nudos de opresenta la suficiente seguridad frente a estos fen´- la estructura se emplear´ el m´todo de clasificaci´n o a e omenos se emplear´n las t´cnicas espec´ a e ıficas que se seg´n se especifica en la norma EN-1993-1-9 (Eu- uindican a continuaci´n. o roc´digo 3: Proyecto de estructuras de acero. Parte o 1-9: Fatiga.).6.1. An´lisis de pandeo linealizado a El m´todo se basa en la clasificaci´n de los de- e o talles estructurales de diferentes tipos de nudos en Mediante esta t´cnica se obtendr´n las imper- varias categor´ de detalle. Cada categor´ corres- e a ıas ıafecciones que se introducir´n en la geometr´ de la ponde a una carrera de tensiones nominales bajo la a ıaestructura de modo que la geometr´ imperfecta re- cual se producir´ la rotura tras sufrir 2 millones de ıa asultante presente una tendencia al pandeo igual o ciclos.superior a la que tendr´ la estructura real. Dicho ade otro modo, se trata de responder a la pregunta¿de qu´ modo deber´ disponerse las imperfeccio- e ıannes en la ejecuci´n de manera que resultaran lo m´s o adesfavorables posible respecto al pandeo?. Para ellose procede del siguiente modo: Se obtienen los primeros modos de pandeo li- neal de la estructura. Se considera como geometr´ inicial de la es- ıa tructura la que resulte de combinar linealmen- te los modos de pandeo obtenidos en el punto anterior de modo que se obtenga un valor m´-a ximo de «imperfecci´n» igual al impuesto por o la normativa. Consideraci´n en el an´lisis de la no linealidad o a geom´trica del problema. e6.2. Integraci´n directa de la ecua- o ci´n de equilibrio din´mico o a Como ya se ha comentado en problemas de estetipo en los que las deformaciones no pueden con-siderarse infinitesimales (no linealidad geom´trica) eno es aplicable (al menos directamente) el an´lisis apag. 4 de 4 revisi´n 0.9 o

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