Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría Facultad de Ingeniería Civil TESIS DE MAESTRÍA EN REDUCCIÓN DE DESASTRES MENCIÓN: RIESGOS ESTRUCTURALES

Influencia de la presencia de antenas en torres de telecomunicaciones en la vulnerabilidad estructural ante cargas de viento.

Autor: Ing. Alejandro López Llanusa Tutora: Dra. Ing. Vivian Elena Parnás

La Habana, 2013

RESUMEN En los últimos años, debidos al paso de los huracanes por el territorio de Cuba, han fallado un gran número de torres de telecomunicaciones donde se ha podido constatar la presencia significativa de antenas en la estructura. La presencia de las antenas es un factor que influye en el aumento de las fuerzas interiores de los elementos de las torres ya que por una parte actúan como pantalla frente al viento haciendo que se generen fuerzas adicionales sobre la estructura y por otra la concentración de la masa en diferentes partes de la estructura, modifica la respuesta dinámica frente al viento. Este trabajo se propone estudiar la influencia de las antenas en la respuesta estructural de torres de comunicaciones. Se recogieron datos de campo de 46 torres distribuidas en todo el país para definir las características, posición y ubicación más frecuentes de antenas en las torres así como las características de las torres existentes. A partir de este análisis se definieron los patrones de carga de antenas para el estudio y los modelos de torres que serán objeto de estudio. Se definieron tres patrones diferentes de distribución de antenas sobre las torres y cinco torres autosoportadas y cuatro torres atirantadas existentes en Cuba. Se analizaron bajo carga de viento extrema los nueve modelos con los tres patrones elegidos y sin presencia de antenas. Se cuantificó la influencia de las antenas a través del aumento de los esfuerzos producidos en los elementos de las torres debido a la presencia de antenas y su comparación con los elementos obtenidos sin antenas.

ABSTRACT In recent years, due to hurricanes in the territory of Cuba, a number of telecommunications towers have failed with significant presence of antennas on them. The presence of the antennas is a factor that increase the internal forces of tower members under wind loads. They act as a screen against wind and the mass concentration at their location changes the dynamic response of the structure. This work aims to study the influence of the antennas on the structural response of communications towers. Field data were collected from 46 towers distributed throughout the country to define the characteristics, position and location of antennas frequently in the towers and the characteristics of existing towers. From this analysis were defined loading patterns of antennas for the study and models of towers that will be studied. Three different patterns of distribution of antennas were defined on towers and five self-supporting towers and four guyed towers, existing in Cuba. All models were tested under extreme wind load with the three standards distribution of antennas and without presence of antennas. The influence of the antennae was quantified through the increase of the stresses in the elements of the tower due to the presence of antennas and their comparison with the stresses obtained without antennas.

ÍNDICE Introducción ....................................................................................................................... i Capítulo 1: Estado del Arte .............................................................................................. 1 1.1 Torres de Telecomunicaciones ............................................................................... 1 1.2 Estudio de las fallas en las torres de telecomunicaciones ....................................... 3 1.3Antenas en torres de telecomunicaciones .............................................................. 11 Capítulo 2: Análisis y Modelación. ................................................................................ 17 2.1 Estudio de las disposiciones de antenas ................................................................ 17 2.2 Definición de las torres objeto de estudio de la investigación. ............................. 28 2.3 Consideraciones Generales sobre la modelación de las torres ............................. 39 Modelación de la geometría .................................................................................... 39 Modelación de las condiciones de apoyo ................................................................ 41 Modelación del material .......................................................................................... 42 Modelación de las cargas ........................................................................................ 42 Combinaciones de Carga ......................................................................................... 44 Capítulo 3: Análisis de los resultados............................................................................. 46 3.1 Análisis de la influencia de las antenas en las fuerzas interiores para las torres autosoportadas. ........................................................................................................... 47 Análisis de los resultados en las columnas.............................................................. 48 Análisis de los resultados en los tranques. .............................................................. 52 Análisis de los resultados en las diagonales. ........................................................... 55

3.2 Análisis de la influencia de las antenas en los desplazamientos en las torres Autosoportadas. .......................................................................................................... 57 3.3 Análisis de la influencia de las antenas en las fuerzas interiores para las torres atirantadas. .................................................................................................................. 60 Análisis de los resultados en las columnas.............................................................. 60 Análisis de los resultados en los Tranques. ............................................................. 62 Análisis de los resultados en las Diagonales. .......................................................... 64 Análisis de los resultados en los Cables .................................................................. 66 3.4 Análisis de la influencia de las antenas en los desplazamientos en las torres Atirantadas. ................................................................................................................. 68 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 71 RECOMENDACIONES ................................................................................................ 73 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 74

INTRODUCCIÓN

Introducción Las torres de telecomunicaciones juegan un papel cada vez más importante en el desarrollo y la defensa de la sociedad cubana. Estas torres se utilizan como soporte de las antenas encargadas de trasmitir las señales de televisión, telefonía celular y radio. El desarrollo que han tenido estos servicios en los últimos 20 años, ratifica la importancia de estas estructuras en todas las esferas de la sociedad. Las torres de telecomunicaciones se pueden catalogar en atirantadas o autosoportadas. Las atirantadas presentan cables sujetos al fuste y anclados a tierra, que garantizan su estabilidad estructural y son generalmente de sección constante. Las autosoportadas no requieren de ningún elemento adicional para lograr su estabilidad estructural y funcionan frente a la acción de cargas horizontales, como una viga en voladizo. Estas torres generalmente se ubican en sitios muy expuestos a la acción del viento, lo que sumado a sus características de ligereza y esbeltez las convierte en estructuras vulnerables ante la acción del viento, provocando en muchas ocasiones su salida de funcionamiento. Las fallas en las estructuras son multicausales e incluyen no sólo los errores humanos, sino incluso aquellos que son fuentes de nuevas enseñanzas y conocimientos para el ejercicio profesional. La importancia de su análisis es que permite descubrir nuevas leyes de comportamiento y a partir de ellas, elaborar nuevos modelos y teorías que a su vez generan desarrollo. Las fallas en las torres de telecomunicaciones han sido y continúan siendo muy frecuentes, lo cual ha motivado varias investigaciones (Bruneau, Magued et al. 1989; Mikitarenko and Perelmuter 1998; Mulherin 1998; Elena Parnás 2008). La mayoría de las fallas, según se documenta en estos estudios, se produjeron bajo condiciones severas de trabajo debido a la acción de cargas ecológicas que producen los eventos meteorológicos severos. La ocurrencia de estos eventos, en general viene acompañada de desastres. Un desastre es un fenómeno que provoca una alteración importante en las actividades de una comunidad o región, afectando la integridad de las personas, su sociedad, sus bienes

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INTRODUCCIÓN y los factores ambientales y que se desarrolla a partir de una amenaza y de la posibilidad de que se produzcan daños, es decir, de la vulnerabilidad de los elementos bajo amenaza. La amenaza es un evento extraordinario en el ambiente natural o provocado por el hombre, que pone en peligro la vida, bienes y actividades de la sociedad, al extremo de poder causar un desastre y la vulnerabilidad puede definirse como el grado de exposición de las personas comunidades o sociedades frente a una amenaza determinada, el grado de pérdida que estos elementos pueden tener de forma individual y colectiva(Allan 2003; GREDES 2010) Cuando se combinan la amenaza con la vulnerabilidad, se está en presencia del riesgo. De esta manera, puede definirse el riesgo como la interacción entre la probabilidad de la amenaza y las condiciones de vulnerabilidad. El riesgo es cuantificable y puede ser reducido si las amenazas y la vulnerabilidad son disminuidas. En la medida que el riesgo sea disminuido lo será la magnitud del desastre. Por esta razón uno de los aspectos más importantes a desarrollar por los especialistas de las diferentes ramas, es la correcta y precisa evaluación del riesgo, para lo cual se hace necesario profundizar en el conocimiento de las posibles amenazas y de la vulnerabilidad de los elementos o sistemas bajo amenaza. La vulnerabilidad se presenta en numerosas esferas y, aunque todas influyen en el estado general del objeto de estudio, los parámetros se analizan independientemente. Aunque existe una amplia clasificación para su estudio, el alcance de este trabajo enmarca el análisis a la vulnerabilidad física, específicamente la vulnerabilidad estructural. La vulnerabilidad estructural de torres constituye hoy para Cuba un problema importante, por las consecuencias económicas y sociales, debido a la función de estas estructuras dentro de la red de comunicación nacional y especialmente en el pronóstico, prevención y recuperación ante los desastres; especialmente, cuando en el período 1996-2008, ante el paso de fuertes vientos asociados a huracanes y tormentas severas, se reportaron un total de 53 torres de telecomunicaciones colapsadas. Por tal razón se han desarrollado a nivel nacional varias investigaciones (Elena Parnás 2008; Núñez Yáñez 2010; Martín Rodriguez 2012) encaminadas hacia la reducción de la vulnerabilidad estructural de las torres y por tanto de los desastres que acompañan sus colapsos. A través de esas investigaciones se pudo constatar que en las torres falladas aún se encontraban colocadas Página ii

INTRODUCCIÓN las antenas, pero estos estudios no abordaron con profundidad su influencia en el comportamiento estructural de las torres. La tesis que se presenta se enfoca en el análisis del comportamiento de las torres con presencia de antenas, como posibles elementos causantes del aumento de la vulnerabilidad estructural y por lo tanto de las condiciones que provocan el riesgo de desastre. Problema científico ¿Cómo influye la presencia de las antenas en el comportamiento estructural de torres de telecomunicaciones bajo carga de viento? Objeto de estudio: Torres autosoportadas y atirantadas de telecomunicaciones Campo de la investigación: Análisis y diseño estructural Hipótesis: La no consideración de la presencia de antenas en el diseño de torres de telecomunicaciones conduce a diseños inseguros frente a vientos extremos. Objetivo general: Determinar la influencia de las antenas en el comportamiento estructural de torres de telecomunicaciones sometidas a la acción del viento. Objetivos específicos 1. Identificar cuáles son los peligros más comunes que afectan a las torres de telecomunicaciones cubanas. 2. Caracterizar el medio físico en el que se encuentran ubicadas las torres objeto de estudio. 3. Identificar en las torres la presencia de antenas y su relación con los fallos. 4. Determinar las variaciones en las fuerzas interiores en los elementos de las torres objeto de estudio con y sin presencia de antenas, bajo la carga de viento extremo.

Tareas de la investigación 1. Realizar una recopilación bibliográfica sobre la temática que se aborda. Página iii

INTRODUCCIÓN 2. Seleccionar y clasificar los modelos de las torres a emplear en el estudio. 3. Identificar y fundamentar los patrones de carga de antenas con los que se va a trabajar. 4. Obtener la carga de viento producto de las distintas antenas sobre las torres. Alcance Estudio de 4 Modelos de torres atirantadas: Modelo Mar 300, Mar 181, Mar 2008 y Blaw Knox y 5 Modelos de torres autosoportadas: Versalles, Ferrocarril, Guisa, Gran Piedra y Najasa bajo carga de viento extremo.

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Capítulo 1: Estado del Arte Este capítulo expone los principales estudios internacionales y nacionales relacionados con el análisis de las fallas en las torres reticuladas de telecomunicaciones. Se presenta además el estado del arte en que se desarrolla esta tesis, enfocado principalmente hacia las investigaciones que centran su interés en la influencia de la presencia de antenas en las torres.

1.1 Torres de Telecomunicaciones Las torres de celosías son estructuras formadas por elementos lineales unidos entre sí por sus extremos y logrando un arreglo espacial en forma de reticulado. Esta forma constructiva permite gran resistencia con poco consumo de material y a través de su permeabilidad, reduce las fuerzas provocadas por el viento. Existen diversos tipos de torres de celosía construidas para soporte de antenas de televisión, celulares y microondas. Éstas pueden clasificarse según el tipo estructural, sección transversal y elementos constructivos que la componen.

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE De acuerdo al tipo estructural, las torres se dividen en torres autosoportadas y torres atirantadas. Ver figura 1.1 y 1.2. Las torres autosoportadas son estructuras metálicas de celosía que se encuentran distribuidas en todo el territorio nacional. Se apoyan en la tierra o sobre edificios y se comportan como vigas en voladizo frente al viento. El uso de las celosías evita la exposición de una superficie llena y plana a la acción del viento permitiendo mayor ligereza con la rigidez suficiente. Ver figura 1.1. Las torres atirantadas permiten mayor ligereza y menor consumo de material que las autosoportadas. Generalmente se encuentran arriostradas mediante cables en tres direcciones radiales a diferentes niveles de la torre. Al igual que las autosoportadas puede tener sección triangular o cuadrada en planta, aunque presentan el inconveniente de necesitar mayor área para su emplazamiento para la distribución del sistema de anclaje de sus cables, pues se recomienda que los cables sean colocados con ángulos entre 45 a 60 grados de inclinación con la horizontal(Sinconegui 2009). Ver Figura 1.2.

Figura 1.1

Torre autosoportada

Figura 1.2

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Torre atirantada

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE La necesidad de llevar las transmisiones radiales en un primer momento y luego las televisivas hacia todo el país, condujo al Ministerio de las Comunicaciones a instalar nuevas torres de transmisión por todo el territorio nacional. Actualmente existen en Cuba alrededor de 84 torres de transmisión televisiva y más de 400 torres contando las de trasmisión de radio. En la figura 1.3 se muestran las más importantes.

Figura 1.3

Distribución de las torres de televisión más importantes en todo el territorio cubano.

El fallo de este tipo de estructuras en Cuba, ha motivado su estudio por un grupo de ingenieros civiles del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE), que han realizado varias investigaciones buscando las posibles causas de estos colapsos y cómo mejorar los nuevos diseños para que sean menos vulnerables ante los distintos peligros que las afectan.

1.2 Estudio de las fallas en las torres de telecomunicaciones Las torres de telecomunicaciones, tanto atirantadas como autosoportadas presentan mayores índices de colapso que otro tipo de estructuras(Smith 2007). Este mismo autor asegura que las atirantadas son las que más fallan y es por esto que un gran número de investigadores han enfocado sus estudios en la identificación de las principales causas que inciden en estos fallos. Bruneau et al. (Bruneau 1989; Bruneau, Magued et al. 1989) tras realizar un estudio sobre torres de telecomunicaciones colapsadas en Canadá, caídas en el período comprendido entre 1958 y 1988, concluye que el índice de fallos excede el de cualquier otro tipo de

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CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE estructura en ese país y que estos colapsos se produjeron bajo la acción de cargas ecológicas que excedieron los valores de diseño normados. De la misma forma M.A. Mikitarenko, A.V. Perelmuter (Mikitarenko and Perelmuter 1998)tras haber analizadolos daños en algunas torres soporte de antena de Ucrania y Rusia; y Mulherin (Mulherin 1998) en Estados Unidos, luego de analizar una serie de fallas producidas en el período de 1959-1996; llegaron a la misma conclusión que Bruneau et al en Canadá. Otro estudio realizado en 1997 por Laiho (Smith 2007), refleja que el 25 % de las fallas estudiadas son debido a la rotura de cables. Mogens G. Nielsen, (Mogens 2006 ) y anteriormente Ben Kahla (Kahla 2000) realizaron estudios teóricos sobre los efectos de la rotura de un cable en torres atirantadas. Varios códigos (EC 3: Part 3-1 1997; TIA/EIA222-G 2005) de diseño de torres atirantadas han incorporado la revisión de la torre para rotura de cable bajo condiciones de trabajo sin vientos extremos. La Asociación Internacional de Estructuras Espaciales y Cáscaras(IASS, siglas en inglés)en estudio publicado (Smith 2007) sobre 319 fallas de torres atirantadas, refleja como causas desconocidas de falla, el mismo porcentaje determinado para fallas conocidas por carga de viento, lo cual refleja el estado del conocimiento aun pobre sobre el comportamiento de este tipo estructural. Uno de los estudios más completos en este tema es el reflejado por Brian Smith (Smith 2007) realizado por el grupo 4 de la IASS que ofrece una recopilación de las posibles causas de fallo de las torres atirantadas. En este texto se refleja que entre los años 1967 y 2007 colapsaron 8 mástiles de 600m de altura en los Estados Unidos, varios de 300m en Europa, incluyendo el más alto del mundo ubicado en Polonia con 646m, sin embargo, el estudio resalta que las torres con mayor índice de fallo se encuentran en un rango de altura entre los 50m hasta los 100m. Las causas de los colapsos de estas torres son multivariables, la carga que genera el hielo puede ser la principal causa de las fallas para países de Europa, pero hay otras causas como la ruptura de un cable, las oscilaciones, la combinación de la carga de hielo con la de viento, el inadecuado uso de materiales y errores de diseño que también pudieran provocar colapsos en estas estructuras(Smith 2007). Página 4

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE En Cuba los fallos de torres reportados hasta el momento, han estado asociados a los fuertes vientos originados por los ciclones tropicales según se refleja en la tesis de Doctorado de (Elena Parnás 2008). Este estudio recopiló la información de las trayectorias de los principales huracanes que afectaron la isla de Cuba desde 1996 hasta el 2006, y de los daños que provocaron en las torres que quedaron bajo la influencia de sus vientos huracanados y de tormenta tropical. En esta temporada se reportaron 12 torres falladas y de ellas 4 autosoportadas. (Ver tabla 1.1). Tabla 1. 1 Torres caídas en la temporada 1996-2006

No.

DATOS DE LAS TORRES FALLADAS EN LA TEMPORADA 1996-2006 Tipo Año Año Altura Pro. Centro Serv. Modelo especifico Const caida Torre

1

PRI

Cajálbana

TV

Autosoportada

2004

60

2

MTZ

Cayo Largo

TV

Autosoportada

2001

90

3

MTZ

El Brinco

Etecsa

Atirantada

2001

150

4

GRA

El Mamey

TV y FM

Autosoportada

76

2005

50

5

MTZ

Jacán

TV y FM

Atirantada

70

2001

82,5

BABINEY

6

PRI

La Capitana

TV

Atirantada

88

2004

70

MAR 181

7

MTZ

La Cumbre

TV y FM

Autosoportada

50

2005

60

8

CFG

La Tatagua

TV

Atirantada

76-80

2005

51

BABINEY

9

SSP

La Vigía

TV y FM

Atirantada

76

2005

33

Atípica

10

GRA

Minas del Frio

TV

Atirantada

80

2005

30

MAR 300

11

CFG

Plan Mangos

TV y FM

Atirantada

77

2001

80

Atípica

12

HAB

Sta Cruz del Norte

TV y FM

Atirantada

76

2001

80

76

BABINEY

Este estudio mostró que las torres atirantadas cubanas presentan mayor índice de colapso que las autosoportadas; y que los vientos estimados en los sitios en que ocurrieron dichas fallas a partir de los datos meteorológicos, corresponden a velocidades de viento inferiores a las establecidas en la norma de cálculo vigente. Nuevos fallos de torres se reportaron en Cuba con los huracanes Gustav, Ike y Paloma que afectaron a la isla en el 2008. Para determinar si esas torres colapsaron para velocidades menores a las que establece la norma (Oficina Nacional de Normalización 2003 ), de igual forma a como se realizó en el estudio anterior, se desarrolló una investigación de las características climatológicas del periodo que se detalla a continuación.

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CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE Los datos de velocidades de viento utilizados para el estudio fueron obtenidos a partir de los informes realizados por el Instituto de Meteorología (Instituto Nacional de Meteorología 2008). El huracán Gustav azotó al territorio nacional en los días finales del mes agosto. Las racha máxima registrada de 340 km/h se produjo en la estac0ión meteorológica de Paso Real de San Diego y en ese momento se derribó la torre (ver figura 1.4), lo que indica que la fuerza del viento pudo superar lo registrado por el anemómetro.

Figura 1.4

Gráfico de viento de la estación meteorológica de Paso Real de San Diego del 30 de agosto de agosto de 2008 y torre derribada sobre el techo de esa estación.

A pesar de la gran intensidad con que el huracán Gustav golpeó a la Isla de la Juventud y la provincia de Pinar del Río, no hubo que lamentar pérdidas de vidas humanas. Sin embargo, los daños materiales fueron cuantiosos: 2097 millones de dólares y dentro de estos fueron derribadas ocho torres de transmisión de radio y televisión. (Instituto Nacional de Meteorología 2008) De las 8 torres caídas 4 eran modelo MAR-300, 2 modelos Najasa, 1 modelo Yaguajay y 1 Torre Atípica. De ellas 6 de onda media y 2 de televisión. Contando con los datos de las velocidades máximas sostenidas obtenidos delos reportes del (Instituto Nacional de Meteorología 2008) se realizó un estudio de la trayectoria del huracán, incorporando las bandas de tormenta tropical, con la asistencia del Arcmap. En el mapa resultante, se adicionaron las torres falladas, como puede apreciarse en la figura 1.5. Las torres se diferencian en que las atirantadas están circuladas y las autosoportadas

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CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE no. Además se diferenciaron las zonas de vientoscon diferentes colores, en rojo los vientos de huracán y en naranja los vientos de tormenta tropical.

Figura 1.5

Ubicación de torres falladas, con Gustav

En este caso la mayoría de las torres que colapsaron se encontraban en zona de vientos huracanados, pero según los datos de velocidades máximas sostenidas, solo en el caso de Los Palacios y San Cristóbal, se pudo haber excedido la velocidad especificada por la normativa de diseño para las cargas de viento en la región Occidental (Oficina Nacional de Normalización 2003 )que es de 165 km/h esta velocidad sería equivalente a 209 km/h en 1 min, que es la comúnmente utilizada por el Instituto Cubano de Meteorología. Este estudio arrojó que 4 de las 5 torres atirantadas falladas eran MAR-300 y de las 2 autosoportadas falladas 1 era modelo Najasa y la otra un modelo atípico. El Huracán Ike pasó por Cuba en el mes de septiembre. La racha máxima registrada fue de 185 km/h medida en la estación de Velasco ubicada en Gibara provincia de Holguín. En la torre de investigación ubicada en Laguna Blanca, Gibara, se registró una racha máxima de 171 km/h a 10 metros de altura. Este huracán penetró nuevamente el territorio por la provincia de Pinar del Río con viento máximo de 130 km/h(ver figura 1.6), por las inmediaciones de Punta La Capitana, municipio de San Cristóbal. En la estación meteorológica de Paso Real de San Diego se registró la racha máxima de 190 km/h.

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CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE

Figura 1.6

Trayectoria del huracán IKE.

Esta vez sí hubo que lamentar siete muertes atribuidas al Ike, además de daños materiales estimados en 7325 millones de dólares. Además de pérdidas en la trasmisión de radio y televisión por el colapso de once torres atirantadas. En la figura 1.7, pueden apreciarse las torres falladas de mayor importancia (se descartan las de alturas inferiores a 30 m, criterio de selección establecido en la tesis de (Elena Parnás 2008)). El mapa fue confeccionado de acuerdo a los mismos elementos explicados en el caso del Gustav. En él puede apreciarse que todas las estructuras colapsadas se encontraban en la zona de vientos huracanados correspondiendo a las provincias orientales de Holguín y las Tunas. Esmeralda Carlos Manuel de Céspedes Sierra de Cubitas Florida Minas

Nuevitas

Camagüey Camagüey Sibanicú

Jimaguayú

Manatí

Guáimaro

Vertientes

Puerto Padre Jesús Menéndez Najasa

Gibara Rafael Freyre

Las Tunas Las Tunas Colombia

Santa Cruz del Sur

Banes

Jobabo

Holguín

Calixto García

Antilla

Majibacoa

Amancio

Holguín

Báguanos

Cacocum Cauto Cristo

Río Cauto

Urbano Noris

Frank País Mayarí Sagua de Tánamo

Cueto

Sagua de Tánamo Mella

Jiguaní

Bayamo Yara

San Luis

Manzanillo Guisa Campechuela Media Luna

Figura 1.7

Tercer Frente

Santiago de Cuba Palma Soriano

Guantánamo Songo - La Maya

Buey Arriba Bartolomé Masó Guamá

Niquero

Segundo Frente

Contramaestre

Granma

Niceto Pérez Santiago de Cuba

Pilón

Ubicación de las torres más importantes falladas, con el Ike

La velocidad normativa de diseño para las cargas de viento en la región Oriental según la NC 285 (Oficina Nacional de Normalización 2003 ) es de 151 km/h promediados en 10

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CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE minutos; llevándolo al intervalo de 1 minuto, sería equivalente a 192 km/h. En ningún caso fue superada esta velocidad de diseño con el Ike. En este caso de las 6 torres falladas 4 son MAR-300, 1 MAR-181 y 1 Babiney. Otro de los ciclones de esa temporada fue el Paloma que afectó al territorio cubano entre los días 5 y 9 de noviembre con viento máximo de 195 km/h (Categoría 3), según se muestra en la figura 1.8. Perdió rápidamente en intensidad y después de un giro al Nornoroeste en su trayectoria sobre el municipio Najasa, Camagüey, pasó a ser una tormenta tropical.

Figura 1.8

Trayectoria de Paloma sobre la región oriental de Cuba.

Lo señalado en rojo indica el área donde los vientos máximos sostenidos se corresponden con la fuerza de huracán y en amarillo con fuerza de tormenta tropical Paloma ocasionó daños materiales valorados en 300 millones de dólares y solo sufrió daño una torre de telecomunicaciones modelo Najasa. La tabla 1.2 ofrece un resumen de las principales características (altura, modelo, tipología estructural) de las torres colapsadas en el 2008, así como la localización y el tipo de servicio que brindaban en el momento del fallo.

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CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE Tabla 1. 2 Torres caídas en la temporada 2008 DATOS DE LAS TORRES FALLADAS EN LA TEMPORADA 2008 Tipo Año Año Altura CENTRO Serv. especifico Const caida Torre

ID

DIV

1

ART

Artemisa

Onda Media

Atirantada

2008

90

MAR-300

2

HOL

Banes

Onda Media

Atirantada

2008

70

MAR 300

3

CMG

Camagüey

Comunitaria

Atirantada

2008

30

AT-35

4

HOL

Cárcel de Mujeres Onda Media

Atirantada

2008

96

MAR 300

5

LTU

Colombia

Comunitaria

Atirantada

2008

30

AT-35

6

HOL

Diputada

TV

Atirantada

76-80

2008

50

Babiney

7

HOL

Guardalavaca

TV

Atirantada

76-80

2008

84

MAR 181

8

LTU

Jesús Menéndez

Comunitaria

Atirantada

2008

30

AT-35

9

LTU

Jobabo

Onda Media

Atirantada

2008

92

MAR 300

10

IJU

La Fe

Onda Media

Atirantada

2008

90

MAR-300

11

PRI

La Palma

Onda Media

Autosoportada

2008

75

Najasa

12

LTU

La Victoria

Onda Media

Atirantada

2008

92

MAR 300

13

PRI

Los Palacios

Onda Media

Atirantada

2008

90

MAR-300

14

IJU

Patria

Onda Media

Atirantada

2008

90

MAR-300

15

SCU

Puerto Boniato

Radio

Atirantada

2008

12

AT-20

16

LTU

Puerto Padre

Comunitaria

Atirantada

2008

30

AT-35

17

PRI

Salón

TV

Autosoportada

2008

47

Najasa

18

PRI

San Cristóbal

Onda Media

Atirantada

2008

70

Atípica

19

IJU

Sierra Caballos

TV y FM

Autosoportada

2008

42

Yaguajay

20

CMG

TV Santa Cruz

TV

Autosoportada

2008

70

Najasa

75 75

Modelo

De este estudio pudo constatarse que alrededor del 70 % de las torres de mayor importancia (descartando las AT) colapsaron para velocidades de viento inferiores a las establecidas por la norma de cálculo vigente (Oficina Nacional de Normalización 2003 ). Si además de investigaciones previas se conoce que no resisten las velocidades normativas los modelos: MAR-300 (de la Cruz 2009; López Llanusa 2009), MAR-181 (Sinconegui 2009; Valdés Alonso 2009), Babiney (telecomunicaciones 2012)y Najasa (Núñez Yáñez 2010),que representan el 86 % de los las torres falladas de mayor importancia; se puede fundamentar que en los colapsos incidieron problemas de diseño. Estos problemas generalmente están asociados a discrepancias entre los modelos de cálculo, códigos de diseño y tipos de análisis empleados, así como consideraciones inadecuadas sobre las cargas de viento y disposición de las antenas. Las antenas son dispositivos que se colocan en las torres para transmitir las señales, señales de un lugar a otro, para lo cual necesitan no encontrar obstáculos que puedan dificultar su nivel de servicio. Por tal motivo, las torres soporte de antenas generalmente Página 10

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE se ubican en lugares como colinas y edificaciones, que les permita ganar en altura. Estas ubicaciones producen un aumento de la carga de viento, ya que las velocidades se incrementan debido a una modificación del flujo del aire al pasar sobre ellas. Diversos trabajos (Jackson and Hunt 1975; Tieleman 1992; Davenport and Miller 1998; Abdalla 2002; Elena Parnás 2008; Martín Rodriguez 2012)y normativas(Canadian Standards Association 2001; ACI-318 2005; Telecommunications Industry Association 2005), abordan la temática de la influencia de la topografía local en el aumento de la vulnerabilidad de las estructuras, y dedican acápites especiales a los factores a tener en cuenta en el cálculo de la carga de viento bajo estas circunstancias. De acuerdo a los datos de posicionamiento geográfico de las torres falladas, se tiene constancia de que algunas de estas estructuras se encontraban situadas en elevaciones, pudiendo ser este un factor que incrementara la posibilidad de ocurrencia de los colapsos. Lo expuesto anteriormente demuestra la necesaria caracterización de los diversos medios físicos donde se emplazan las torres para la posterior determinación de la carga ecológica de viento. Sin embargo, como en esta investigación no se realiza un estudio de casos para el cual sería imprescindible tener los datos topográficos; sino que se pretende comparar la respuesta de las torres con y sin antenas, no resulta necesario evaluar este parámetro pues al ser la elevación sobre el terreno la misma para los dos estados de carga, no introduce modificaciones en el análisis de la influencia de las antenas en el comportamiento estructural.

1.3Antenas en torres de telecomunicaciones En el análisis de las fallas de torres de telecomunicaciones ocupa un lugar importante el estudio de las cargas generadas por las antenas, las que en general, se caracterizan por tener un reducido peso propio y generar una elevada carga lateral por la acción del viento sobre ellas en los puntos donde se localizan; que repercute en la respuesta estructural del sistema. Además su presencia como masa concentrada, tiene la capacidad de modificar los períodos de oscilación y con esto el método de cálculo de la carga de viento para las torres que las soportan, como establece la NC 285:2003 (Oficina Nacional de Normalización 2003 ), que aunque no es una norma específica para el diseño y revisión Página 11

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE de torres de telecomunicaciones, si plantea la necesidad de analizar tanto la componente estática del viento como la componente dinámica, siempre que el período de oscilaciones propias de las estructuras sea superior a un segundo (T ≥ 1.0s). La presencia de antenas sobre el fuste conlleva a consideraciones especiales sobre sus anclajes o elementos de amarre al fuste, que incluyen la posibilidad de que las mismas se desprendan de la estructura a partir de determinados valores de la velocidad de viento para que no transmitan sus cargas a la torre, tal como se especifica en (RYMSA 2007; KATHREIN 2010); lo cual no siempre se comprueba con los sistemas constructivos que se adoptan en Cuba, como se recoge en los datos levantados para este trabajo sobre las estructuras colapsadas, ver figura1.9.

Figura 1.9

Presencia de panales UHF, VHF y Parábolas en las Torres falladas.

La tabla1.3 muestra una relación de las torres falladas desde 1996 hasta el 2008, especificando si se encontraron antenas en la estructura colapsada. Los datos de las torres de 1996 hasta el 2006 fueron obtenidos de (Elena Parnás 2008).

Página 12

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE Tabla 1. 3Presencia de antenas en las Torres caídas en la temporada 1996-2008

Pro. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

PRI PRI PRI PRI PRI PRI ART HAB MTZ MTZ MTZ MTZ CFG CFG SSP SSP CMG CMG LTU LTU LTU LTU LTU HOL HOL HOL HOL GRA GRA SCU IJU IJU IJU

DATOS DE LAS TORRES FALLADAS EN LA TEMPORADA 1996-2008 Año Presencia de Altura Centro Serv. Tipo especifico Año Const Modelo caida Antenas Torre Cajálbana TV Autosoportada 76 2004 Sí 60 Yaguajay La Capitana TV Atirantada 88 2004 Sí 70 MAR 181 Salón TV Autosoportada 75 2008 Sí 47 Najasa San Cristóbal Onda Media Atirantada 2008 No determinado 70 Atípica La Palma Onda Media Autosoportada 2008 Sí 75 Najasa Los Palacios Onda Media Atirantada 2008 No * 90 MAR-300 Artemisa Onda Media Atirantada 2008 No * 90 MAR-300 Sta Cruz del Norte TV y FM Atirantada 76 2001 Sí 80 La Cumbre TV y FM Autosoportada 50 2005 Sí 60 Najasa Jacán TV y FM Atirantada 70 2001 Sí 82,5 Babiney El Brinco Etecsa Atirantada 2001 Sí 150 Cayo Largo TV Autosoportada 2001 Sí 90 Los Mangos TV y FM Atirantada 77 2001 Sí 80 Atípica La Tatagua TV Atirantada 76-80 2005 Sí 51 Babiney CTOM Trinidad FM Atirantada 76 2005 No * 90 MAR-300 La Vigía TV y FM Atirantada 76 2005 Sí 33 Atípica TV Santa Cruz TV Autosoportada 2008 Sí 70 Najasa Camagüey Comunitaria Atirantada 2008 No determinado 30 AT-35 La Victoria Onda Media Atirantada 2008 No * 92 MAR-300 Jobabo Onda Media Atirantada 2008 No * 92 MAR-300 Colombia Comunitaria Atirantada 2008 No determinado 30 AT-35 Puerto Padre Comunitaria Atirantada 2008 No determinado 30 AT-35 Jesús Menéndez Comunitaria Atirantada 2008 No determinado 30 AT-35 Diputada TV Atirantada 76-80 2008 Sí 50 Babiney Guardalavaca TV Atirantada 76-80 2008 Sí 84 MAR 181 Cárcel de Mujeres Onda Media Atirantada 2008 No * 96 MAR-300 Banes Onda Media Atirantada 2008 No * 70 MAR-300 Minas del Frio TV Atirantada 80 2005 Sí 30 MAR-300 El Mamey TV y FM Autosoportada 76 2005 Sí 50 Puerto Boniato Radio Atirantada 2008 No determinado 12 AT-20 Sierra Caballos TV y FM Autosoportada 75 2008 Sí 42 Yaguajay Patria Onda Media Atirantada 2008 No * 90 MAR-300 La Fe Onda Media Atirantada 2008 No * 90 MAR-300

* Son aquellas torres que constituyen en sí una antena de radio.

Cuando existen antenas en las torres hay que tener en cuenta que la carga de viento sobre la estructura dependerá no sólo de las condiciones climatológicas y geográficas donde se encuentra la obra, sino también del arreglo espacial de los elementos que conforman el fuste que determina la mayor o menor permeabilidad de la estructura; sino también de los diferentes tipos de antenas: UHF, VHF y parábolas, ver figura 1.10, que tienen factores de forma y de apantallamiento muy diferentes.

Página 13

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE

a)

b)

Figura 1.10

c)

Tipos de antena a) UHF, b) VHF y c) Parábola.

La (Telecommunications Industry Association 2005)plantea que la fuerza de viento de diseño sobre los accesorios (ya sean puntuales o lineales pero excluyendo las antenas de microondas), deberá determinarse de acuerdo con la ecuación 1.1: FA = q z Gh (EPA)A

Ecuación 1.1

Donde: FA = Fuerza de viento de diseño sobre accesorios. qz = Presión dinámica a la altura del eje del accesorio. Gh = Factor de ráfaga. (EPA)A = Área proyectada efectiva del accesorio. La fuerza de viento de diseño, FA, se deberá aplicar en el baricentro del área efectiva proyectada del accesorio en la dirección del viento. En ausencia de datos más precisos que especifiquen los valores del área proyectada efectiva para cada una de las direcciones de viento críticas, el área proyectada efectiva, (EPA)A, de un accesorio se deberá determinar de acuerdo con la ecuación 1.2: (EPA)A = K a [(EPA)N cos 2 (θ)+(EPA)T sen2 (θ)] Página 14

Ecuación 1.2

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE Donde: Ka = Coeficiente que depende de los accesorios de montaje, constante para todas las direcciones del viento. θ = Ángulo relativo entre el acimut asociado con la cara normal del accesorio y la dirección del viento. (EPA)N = Área proyectada efectiva asociada con la cara a barlovento normal al acimut del accesorio. (EPA)T = Área proyectada efectiva asociada con la cara a barlovento (dirección de donde sopla el viento) del accesorio. De manera conservadora, se puede usar el mayor valor entre (EPA)N y (EPA)T como (EPA)A para todas las direcciones del viento. En ausencia de datos más precisos, se deberá considerar que un accesorio está formado por componentes planos y circulares de acuerdo con la ecuación 1.3: (EPA)N = ∑(Ca AA )N

Ecuación 1.3

Donde: Ca = coeficiente de fuerza. AA = Área proyectada de un componente del accesorio. Otros autores como(Freeman 1983; Freeman Publicado en Agosto de 1983),plantean que la distribución de presión media en la superficie de antenas de tipo parábola aisladas puede ser representada como una función de la proporción de longitud/diámetro focal (f/d) y el ángulo de frecuencia de flujo (∝) que se obtiene mediante la ecuación 1.4:

∝= cos−1 (cos θ csc φ).

Ecuación 1.4

Donde:

Página 15

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE θ, φ = Ángulos de elevación y acimut del eje de la antena respectivamente, medido con respecto al eje en el cual sopla el viento. Los datos son presentados en términos del coeficiente de presión constante Cp = 1

(p − pa )/ ( ρV 2 ) para cada cara por separado. La diferencia de presión local es dada 2 entonces por la diferencia algebraica entre los valores de Cp en la misma posición en cada 1

cara, multiplicada por (2 ρV 2 ). p − pa = Presiones estáticas locales y ambientales respectivamente. ρ = Densidad de fluido (valor típico para aire = 1.23 kg/m3. V = Velocidad promedio del viento en la altura de vértice de la antena. Según la(Canadian Standards Association 2001) cuando dos o más antenas o paneles de antena tienen la misma altura, el total de carga a ese nivel puede ser considerado como la suma de las cargas de cada antena en la dirección de viento considerada.Esta norma plantea que una antena a sotavento (dirección contraria a la que sopla el viento) está protegida por una a barlovento (dirección en la cual sopla el viento) y no se considera su carga si, para la dirección del viento considerada se cumple que: 

La distancia entre ellas es menor que dos veces la mínima dimensión de la antena de barlovento medida perpendicular a la dirección del viento.



La antena de sotavento tiene al menos el 50 % de su área proyectada (medida en el plano perpendicular a la dirección de viento), en la sombra del área proyectada de la antena de barlovento vista de la dirección de la cual sopla el viento.



La carga en la antena de sotavento es no menos del 50 % de su carga totalmente expuesta.

Es importante destacar que la carga combinada más grande no es necesariamente la que actúa perpendicular a la antena más grande.

Página 16

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Capítulo 2: Análisis y Modelación. En este capítulo se describe el procedimiento y los criterios tenidos en cuenta para la selección de los modelos de torres y patrones de carga de antenas necesarios para desarrollar el estudio planteado. Se exponen además las características de las estructuras seleccionadas y consideraciones asumidas en el proceso de modelación para la determinación de las cargas, la geometría, las condiciones de apoyo y el tipo de material.

2.1 Estudio de las disposiciones de antenas Las antenas tienen una colocación diferente en cada torre, por lo tanto no existe una distribución que se repita, ni siempre es el mismo tipo de estructura la que las soporta, ver figura 2.1.Por tal razón, resulta necesario fijar patrones de carga y modelos de torres, con el objetivo de realizar un estudio detallado de la influencia que tienen las antenas en el comportamiento estructural de las torres de telecomunicaciones.

Página 17

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.1

Diferentes disposiciones de antenas, en diferentes estructuras

Selección de los modelos de torres Como se pudo ver en la tabla 1.3 son muchos los modelos de torres que han fallado en la temporada 1996-2008, por lo que para realizar el estudio propuesto fue necesario recurrir a una selección. Para lograr una mejor objetividad en esa selección se decidió establecer los siguientes criterios: 1) Contar con modelos de las dos tipologías estructurales (atirantadas y autosoportadas) que existen en Cuba, pues ambas presentan un comportamiento estructural diferente ante la acción del viento, por lo tanto lo que se estudie para una no es concluyente sobre la otra. 2) En el caso de las torres autosoportadas, estudios internacionales realizados (especialmente ante carga sísmica)incorporan como variable dependiente de la respuesta dinámica, el tipo de torre y las dividen en dos grandes grupos a partir de las diferentes secciones transversales: triangular(Gálvez and McClure 5–7 June,1995; Gálvez 1995) o cuadrada(Amiri and Boosta 2002; Amiri, Barkhordari et al. 2007; Amiri and Massah 2007; Amiri, BARKHORDARI et al. August 1-6, Página 18

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION 2004). Al ser el viento una carga dinámica, para este estudio se decidió tener en cuenta también el tipo de sección transversal. 3) Otro aspecto considerado fue el índice de fallo tuvieron los distintos modelos de torres cubanas en la temporada 1996-2008, especificados en el epígrafe 1.2. 4) El nivel de importancia para las transmisiones y el grado de repetitividad de cada modelo o torre en particular, fueron otros criterios a evaluar. 5) Y por último se decidió incluir también modelos que fueron elaborados recientemente (años 2008 y 2009) por el grupo de Análisis y modelación de torres de telecomunicaciones de la Facultad de Ingeniería Civil del ISPJAE, que ya están siendo ampliamente empleados en Cuba. De esta forma resultaron para el estudio 9 torres, de ellas 4 de atirantadas modelo MAR300, MAR-181, MAR-2008 y Blaw Knox (Televilla) y 5 deautosoportadas:3 modelo Najasa, 1 Típico y otros 2 con modificaciones(Gran Piedra y Guisa), 1 Versalles y 1 GT60, torre utilizada en el proyecto de rehabilitación del sistema de telecomunicaciones de los ferrocarriles de Cuba. Selección de los patrones de carga de antenas Para la determinación de los patrones de antenas se contó con dos fuentes de datos: los levantamientos realizados a distintas torres distribuidas por todo el país, de los cuales se cuenta con fotos e informes de vulnerabilidad elaborados por el grupo de Análisis y modelación de torres de telecomunicaciones de la Facultad de Ingeniería Civil del ISPJAE (telecomunicaciones 2010) y una entrevista realizada a un especialista de radio enlace de RadioCuba (empresa encargada en Cuba, de las trasmisiones de radio y televisión) (Suárez Rojas 2011). Se confeccionó una base de datos de 46 torres ubicadas en el Occidente, Centro y Oriente del país, donde se especifican los tipos y cantidad de antenas presentes en cada torre, como puede apreciarse en la tabla 2.1.

Página 19

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Tabla 2. 1 Disposición de las antenas en torres. DATOS DE LA DISPOSICION DE ANTENAS CARACTERISTICAS No Pro. 1

PRI

Centro Salón

Serv.

Tipo

Sec.

Año Const

Año caída

Altura Torre

ANTENAS Modelo

TV

AUT

C

75

2008

47

Najasa

2

MTZ La Cumbre

TV y FM

AUT

C

50

2005

60

Najasa

3

MTZ Jacán

TV y FM

ATI

T

70

2001

82,5

Babiney

La Vigía

TV y FM

ATI

T

76

2005

33

5

CMG TV Santa Cruz

TV

AUT

C

2008

6

GRA Minas del Frio

TV

ATI

T

80

7

GRA El Mamey

TV y FM

AUT

C

8

HAB Televilla

TV y FM

ATI

9

VCL TV Dos Hermanas

TV

10

SSP

Las Llanadas

11

SSP

12

SSP

UHF VHF 24

Parábolas

12

Año Fotos 2005

12

8

2005

32

16

2

2005

Atípica

12

4

3

2005

70

Najasa

12

1

2008

2005

30

MAR-300

6

76

2005

50

Najasa

T

50

-

219

Blaw Knox

ATI

T

50

-

TV y FM

AUT

C

80

San Isidro

TV y FM

ATI

T

Tope de Collantes

TV y FM

AUT

13

CAV TV Ciego de Ávila

TV y FM

14

CMG TV Camagüey

15

4

SSP

2005 8

2005

32

16

227

64

16

2

2005

-

100

24

12

4

2005

76

-

90

24

16

3

2005

C

80

-

90

8

2

2005

ATI

T

50

-

183

24

16

TV y FM

ATI

T

50

-

219

64

12

6

2003

CMG TV Nuevitas

TV y FM

AUT

T

76

-

40

16

8

2

2005

16

LTU Tunas TV

TV y FM

ATI

T

76

-

130

32

12

2

2011

17

HOL Loma de la Cruz

TV y FM

ATI

T

50

-

112

24

6

18

HOL Miraflores

TV y FM

AUT

T

-

66

19

HOL Ramón de Antillas

TV

ATI

T

70

-

154

20

GRA Bartolomé Masó

TV y FM

AUT

T

76

-

115

21

GRA Guisa

TV

AUT

C

?

-

40

22

GRA Manzanillo

TV y FM

AUT

C

76

-

85

23

SCU Gran Piedra TV

TV

AUT

C

75

-

50

24

SCU Boniato TVFM

TV y FM

ATI

Atí

50

-

90

25

SCU Punta Tabacal

TV

ATI

T

50

-

75

26

SCU Segundo frente

TV

ATI

T

-

32

27

GTM Cueva Arriba

TV y FM

ATI

T

-

28

GTM La Cana

TV y FM

AUT

C

29

GTM Los Guineos

TV y FM

ATI

T

30

SCU Buey Cabón

Enlace

AUT

31

SCU Boniato

TV

32

SCU Tele Turquino

33

1er Congreso

2005

24

6

5

2005

14

12

5

2005

2

2

2005

4

8

2005

2

2009

Najasa 48

12 8 2

219

24

16

-

60

16

-

213

24

T

-

36

AUT

C

-

37

2

TV

AUT

C

-

51,6

4

SCU Tercer frente TV

TV

ATI

T

-

60

AT-60

34

SCU Santiago Etecsa

Enlace

AUT

C

-

28,5

Najasa

35

SCU Versalles La Maya

TV

AUT

T

-

31

Versalles

36

CAV CMT Ciego

TV

AUT

C

-

51

Najasa

37

GRA CMT Granma

TV

AUT

C

-

52,5

Najasa

38

MTZ Cumbre ETECSA

TV

AUT

T

-

48

ASTM

39

MTZ CMT Matanzas

Enlace

AUT

C

-

41

Najasa

40

MTZ Jagüey CMT

Enlace

ATI

T

-

75

41

MTZ Centro Etecsa Jagüey

Enlace

AUT

T

-

35

42

MTZ Centro Playa Larga

Enlace

ATI

T

-

76

43

MTZ Varadero

TV y FM

AUT

C

-

51,5

Najasa

6

44

MTZ Cárdenas

TV y FM

AUT

C

-

46,3

Najasa

45

MTZ Cumbre RC

TV y FM

AUT

C

-

60

Alemana

46

CAV Ciego Torre Vieja

FM

ATI

T

-

128

50

2011

2005 9

4

50

2005

4

12

AT-60

2005

10

ASTM

2009 5

2009 2009

5

2005

5

2005

6

2005

5

2009

2

2009 2009

4

2009 9 3

2009 2009

8

2012

12

5

2012

12

6

2011

8

2011

6

2011

6

2011

7

2011

4

3

2011

8

4

2

2011

12

4

TAS

6

2011 13

2012

Nomenclatura de la tabla: (ATI) torres atirantadas, (AUT) torres autosoportadas, (C) torre con sección transversal cuadradas, (T): torre con sección transversal triangular, (Serv.) tipo de servicio al que tributa la torre y (Pro) provincia donde se encuentra ubicada la torre.

Página 20

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION En la tabla 2.1 se especifica el año en que fueron tomadas las fotos que sirvieron como fuente de datos para el estudio, pues puede darse el caso que, por necesidades de RadioCuba, la disposición y cantidad de antenas que aquí se presentan haya variado. De las torres analizadas 20 son atirantadas y 26 son autosoportadas. Del total, 19 tiene sección transversal cuadrada, 26 sección triangular y 1 torre atirantada atípica que es de sección triangular, reforzada por una torre cuadrada que la cubre, como se muestra en la figura 2.2, ubicada en la loma de Boniato, Santiago de Cuba.

Figura 2.2

Torre Boniato (Torre Atípica)

En el estudio no se incluyeron las torres de televisión que dan servicio a pequeñas comunidades ya que estas solo presentan 3 o 4 paneles UHF. Estas torres por lo general, no alcanzan alturas mayores a los 30m y responden al modelo AT. Este modelo, por sus características de ligereza y facilidad de montaje, se restituye rápidamente con respecto a los demás empleados en el país, en las etapas de restablecimiento de las telecomunicaciones luego del paso de huracanes (Suárez Rojas 2011). Del total de las torres que se estudiaron30 presentan UHF y su cantidad varía desde 64 hasta 2 paneles. Puede apreciarse en la figura 2.3, que las distribuciones que más se repiten son las de 12 y de 24 paneles, representando un20 y 27% respectivamente, del total de las torres que presentan UHF.

Página 21

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.3

Distribución de las antenas UHF en las torres estudiadas

Entre las características de este tipo de antenas están: que siempre se encuentran en una torreta o en un mástil encima de las torres, ver figura 2.4, son las encargadas de trasmitir los canales de televisión y presentan una forma rectangular lo que las hace convertirse en una pantalla frente al viento.

Figura 2.4

Antenas UHF en el tope de las torres cubanas.

En relación a las VHF, de las 46 torres analizadas 30 tenían presencia de este tipo de antenas, colocadas en su mayoría hacia el tope de las estructuras inmediatamente debajo

Página 22

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION de la torreta o el mástil que soporta a las UHF, en el caso de estar presente en las torres. Ver figura 2.5.

Figura 2.5

Presencia de las antenas VHF en las torres cubanas

El número de antenas de este tipo, de acuerdo a la base de datos elaborada en el estudio, varía de 2 a 16, ver figura 2.6, en diferentes configuraciones como se pudo apreciar en la figura 2.5. Las distribuciones que más se repiten son las de 4 y 12 antenas, representando un 20 y 23% respectivamente, del total de torres que presentan VHF.

Figura 2.6

Disposición de las antenas UHF en las torres estudiadas

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION La presencia de este tipo de antena genera un incremento significativo de la carga de viento a considerar en el cálculo de la estructura, pues aumenta el área neta del fuste en el tramo donde estén colocadas, ya que son una especie de malla densa (ver figura 2.7) que se adosa al arreglo espacial de la torre.

Figura 2.7

Forma de las Antenas VHF para el calcula de la carga de viento,

Para el caso de las parábolas, de las 46 torres estudiadas, 34 tenían presencia de estas y de forma muy variada como se muestra en la figura 2.8. No obstante, la distribución con mayor porcentaje respecto al total (26%) es la de 2 parábolas.

Figura 2.8

Disposición de las Parábolas en las torres estudiadas

Página 24

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Este tipo de antenas presenta una distribución más aleatoria en la torre que las dos tipologías descritas anteriormente. Además cuenta con otros parámetros que varían como: el diámetro y el tipo de constitución de la parábola, ver figura 2.9, que hace más difícil la elección de un patrón que sea representativo de toda la muestra escogida para el estudio. No obstante, pudiera plantearse que estas antenas se encuentran situadas generalmente en el primer tercio de las torres, aunque no se descarta la existencia de algunas en la parte superior como es el caso de Boniato AUT, CMT Granma, CMT Ciego de Ávila, Ciego Torre Vieja y Camagüey TV.

Figura 2.9 Parábolas en la parte superior de la torre

Un aspecto relevante del estudio de campo es que las torres que más antenas UHF y VHF presentan son aligeradas de la carga que le atribuyen las parábolas. Para esto ubica en el mismo centro trasmisor otra torre que funciona como soporte de las parábolas; tal es el caso de Televilla en la Habana, Loma de la Cruz en Holguín, TV Ciego de Ávila y Salón en Pinar del Río entre otros (ver figura 2.10).

Página 25

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.10

Aligeramiento de las torres soporte de antenas UHF y VHF con otras torres soporte de Parábolas.

De acuerdo a nuevas directivas del Ministerio de la Informática y las Comunicaciones (MIC) organismo rector de las telecomunicaciones en Cuba, existen indicaciones de retirar todas las parábolas ubicadas en la parte superior de las torres y tratar disminuir sus diámetros a 2m como máximo; todo esto con el objetivo de aligerar las estructuras ante la acción de vientos extremos (Suárez Rojas 2011). Como ejemplo de esto se puede ver en la figura 2.11, las diferencias en el arreglo de las antenas en la torre Tunas TV. La foto de la figura 2.11 a) fue tomada en el 2005, puede apreciarse como en ese momento la torre tenía dos parábolas de 4m de diámetro en el tramo inmediato superior al nivel de antitorsor; mientras que en la foto de la figura 2.11 b), tomada en el 2011, ya no las presenta.

Figura 2.11 Evolución de las Parábolas en la torre de Tunas TV

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION De acuerdo al estudio anterior, se confeccionaron tres patrones de antenas para determinar la influencia de cada uno en el comportamiento estructural de las modelos de torres seleccionadas tanto atirantadas como autosoportadas. Para seleccionar los patrones se utilizaron las dos cantidades más repetidas de la muestra estudiada con relación a las antenas UHF y VHF. Para las parábolas se escogió la cantidad mínima más repetida, de acuerdo a la disposición del MIC de disminuir la presencia de este tipo de antenas en las torres, que fue explicada con anterioridad. El primer patrón de carga resultante corresponde a la cantidad mínima más repetida de antenas UHF y VHF sin incluir las parábolas, el segundo patrón corresponde a la cantidad máxima de antenas más repetidas de UHF y VHF sin incluir las parábolas y el tercer patrón es igual a este último pero incluyendo las parábolas, ver figura 2.12 y Tabla 2.2.

Figura 2.12

Patrones de carga de antenas: a) Patrón 1, b) Patrón 2, c) Patrón 3. Esquema de una torre autosoportada.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Tabla 2. 4Patrones de carga de antenas

Patrón de Cantidad de Cantidad de Cantidad de Carga paneles UHF paneles VHF parábolas Patrón 1 Patrón 2 Patrón 3

12 24 24

4 12 12

2

2.2 Definición de las torres objeto de estudio de la investigación. De la definición de las torres planteadas en el epígrafe 2.1, resultaron 5 torres autosoportadas y 4 torres atirantadas existentes en Cuba, 2 de sección cuadrada y 6 de sección triangular, las alturas de estas oscilan entre los 31 y los 219 metros, y el ancho de la base entre 1 y 6 metros. Todas las torres autosoportadas presentan forma troncopiramidal hasta una determinada altura, donde comienza la torreta de sección transversal continua; mientras que las torres atirantadas son de sección transversal continua en toda la altura. Para una mejor comprensión del estudio se dividió la información en cuanto a modelos de torres autosoportadas y de atirantadas. En la tabla 2.3 se resumen las principales características de las torres autosoportadas objeto de estudio. Tabla 2. 5 Características de las torres autosoportadas en estudio

No*

Torre

TT-31 Modelo Versalles TT-60 Ferrocarril TC-40 Guisa TC-56 Gran Piedra TC-60 Modelo Najasa

No de Col.

Altura (m)

Peso (kN)

Ancho de la base (m)

3 3 4 4 4

31 60 40 56 60

39,19

3 6 5,08 6,1 6

Ancho del Tipo de Relación extremo arreglo de de Solidez superior (m) diagonales 0,8 0,29 V 1 0,19 V 1,82 0,23 V 1,83 0,2 V 1,2 0,21 V

* La nomenclatura significa: la primera letra es la T de torre, la segunda letra el tipo de sección transversal: triangular (T) o cuadrada (C), y los números indican la altura de la torre.

Las torres objeto de estudio presentan forma troncopiramidal hasta una determinada altura, donde comienza una torre de sección transversal constante (denominada torreta en este trabajo); excepto la torre TT-36 que no presenta torreta. Los principales elementos

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION que conforman las torres autosoportadas se observan en la figura 2.13. Las características de la geometría y los tipos de perfiles de las torres estudiadas se detallan en las figuras de la 2.14 a la figura 2.18.

Figura 2.13 Elementos componentes de las torres autosoportadas.

L 50 x 5 L 65 x 6 L 75 x 8

12.5 m

24.5 m

31 m

L 50 x 5 L 65 x 6 L 75 x 8

L 90 x 9 L 100 x 10 L 120 x 12

0.8 m

3m

Figura 2.14 Modelo TT31 (Versalles) Características geométricas

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6.1 m

Figura 2.17 Modelo TC56 (Gran Piedra) -

Características geométricas

Página 30 45 m 60 m

D

L 50 x 5 L 50 x 5

L 63 x 6 L 63 x 6

0.5 m

T

34.4 m

24.44 m

L 75 x 8

C

L 90 x 9

L 125 x 14 L 100 x 10

56 m

Características geométricas

8.8 m

L 75 x 8

L 90 x 9

33 m

L 80 x 8 L 80 x 8

Figura 2.15 Modelo TT60 (Ferrocarril) -

L 90 x 9

L 140 x 14

12.56 m

8.37 m

L 90 x 8

T 90 x 23 x 8 x 8 x 5

L 125 x 8

60

L 125 x 13

3.1 m 40 m

L 75 x 6

51 53

L 75 x 6

33 37

L 75 x 8

L 63 x 6

O HSS4X

L 90 x 7

21

O PX4 L 80 x 8

L 75 x 8

L 100 x 8

9

L 90 x 9

O PX6

L 40 x 4

L 40 x 4

O 76x6

C 80x45x8x6

L 125 x 13

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

0,87 1.82 m

5,2 5.08 m

Figura 2.16 Modelo TC40 (Guisa) Características geométricas

1.83 m 1.17 m

6m

Figura 2.18 Modelo TC60 (Najasa -

Características geométricas

CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION En el caso de los modelos atirantados están compuestos por un fuste (estructura reticulada espacial) formado por elementos: columnas, diagonales y tranques como se muestra en la figura 2.19 y por un sistema de cables en tres direcciones radiales que se sujetan a diferentes alturas de las torres. Las alturas fluctúan entre los 76 m y 209 m; todas las secciones transversales son triangulares uniformes y el ancho, al igual que el peso, varía en dependencia de cada modelo. Todos los elementos estructurales son angulares de alas iguales a excepción de las columnas de Televilla que son tubulares macizas. Presentan ente 4 y 7 niveles de vientos o cables, de estos algunos son antitorsores (elementos reductores de rotaciones).

Figura 2.19 Esquema espacial del fuste de las torres en estudio

Torre modelo MAR-2008 Este es el modelo de torre atirantada cubana de más reciente diseño (Ver figura 2.20). Su sección transversal es de 0.94m. Latorreposee7nivelesdecablesenunaaltura de120my espaciadosa120º (Ver figura 2.21 a y b) y tabla 2.4.Los elementos que componen el fuste de la torres son, en todos los casos angulares de alas iguales. Las sección es específicas se brindan en la tabla2.5.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.20 Torre MAR-2008 (ensamble de prueba patio de fábrica de torres)

a)

b)

Figura 2.21 a) Elevación de la torre b) Planta de la estructura.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Tabla 2.6 Niveles de cables. Torre Mar-2008

Niveles de cables Nivel Tipo Alturas(m) Dist. al anclaje (m) Diámetro (m) 1 2 3 4 5 6 7

TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7

16.91 32.95 49.98 67.98 85.98 102.98 118.90

42 42 42 42 82 82 82

0.013 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013

Tabla 2.7 Secciones componentes del fuste. Torre Mar-2008

Secciones (mm) Columnas Diagonales Tranques

90x9 50x5 40x4

Nota: La nomenclatura para nombrar los niveles de cables, es: TS1: Tensor simple 1, TS2: Tensor simple 2, TS3: Tensor simple 3, TS4: Tensor simple 4, TS5: Tensor simple 5. Torre modelo MAR-300 El modelo MAR-300 (Ver figura 2.22), de producción nacional, existe en varias regiones del país con las mismas características, por lo tanto a instancias de este estudio, se seleccionó el típico que tiene: una sección transversal de 1.02 m, 5 niveles de cables distribuidos en una altura de 90 m y espaciados a 120º en tres direcciones radiales (Ver figura 2.23 a y b y Tabla 2.8). En todos los casos presenta angulares de alas iguales conformando los elementos del fuste, ver Tabla 2.9.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.22 Torre modelo MAR-300.

a) Figura 2.23

b)

a) Elevación de la torre, b) Planta de la estructura. Torre modelo MAR-300.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Tabla 2.8 Niveles de cables. Torre MAR-300

Niveles de cables Nivel Tipo Alturas(m) Dist. al anclaje (m) Diámetro (m) 1 2 3 4 5

TS1 TS2 TS3 TS4 TS5

17.01 33.01 50.00 68.00 86.00

42 42 42 82 82

0.009 0.009 0.009 0.013 0.013

Tabla 2.9 Secciones componentes del fuste. Torre Mar 300

Secciones (mm) Columnas Diagonales Tranques

75x8 32x4 40x4

Nota: Se utilizó la misma nomenclatura que en la torre anterior para clasificar los tipos de niveles de cables. Torre modelo MAR-181 Al igual que la MAR-300, la MAR-181 es un modelo típico de fabricación nacional ampliamente utilizado (Ver figura 2.24), de sección transversal de 1.20 m. La torre posee 7 niveles de cables distribuidos en 120 m y espaciados a 120º (Ver figura 2.25y Tabla 2.10). Los elementos que componen el fuste son, en todos los casos angulares de alas iguales. Las secciones específicas se brindan en la tabla 2.9

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.24 Torre modelo MAR-181

a)

b)

Figura 2.25 a) Elevación de la torre, b) Planta de la estructura. Torre MAR-181

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Tabla 2.10 Niveles de cables. Torre MAR-181

Niveles de cables Nivel Tipo Alturas(m) Dist. al anclaje (m) Diámetro (m) 1 2 3 4 5 6 7

TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7

15 30 48 66 89 102 120

49.31 49.31 49.31 79.31 79.31 109.31 109.31

0.016 0.016 0.016 0.019 0.019 0.019 0.019

Tabla 2.11 Secciones componentes del fuste. Torre MAR-181

Secciones(mm) Columnas 100x10 Diagonales 50x5 Tranques 63x6 Nota: Se utilizó la misma nomenclatura que en la torre anterior para clasificar los tipos de niveles de cables. Torre Televilla. Modelo atípico Blaw Knox Televilla es una de las torres más importante del país, por el área de transmisión que abarca además de ser la más alta (Ver figura 2.26). Responde al modelo Blaw Knox, americano. Su sección transversal es triangular de 1.50 m y presenta 4 niveles de cables en una altura de 209 m y espaciados a 120º, ver figura 2.27yTabla 2.12. El tope de la torre es un mástil de 10 m de sección tubular de 0,21 m de diámetro y 7 mm de espesor para un total de 219 m. Las columnas de la torre son tubulares de diámetro variables según la altura y el resto de los elementos son angulares de alas iguales, ver Tabla 2.13.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.26 Torre Televilla. Modelo Blaw Knox

a)

b)

Figura 2.27 a) Elevación de la torre, b) Planta de la estructura. Torre Televilla

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Tabla 2.12 Niveles de cables. Torre Televilla

Niveles de cables Nivel Tipo Alturas(m) Dist. al anclaje (m) Diámetro (m) 1 2 3 4

TS1 TS2 TS3 TS4

44.69 96.37 148.05 193.65

47.00 106.00 135.00 158.00

0.038 0.038 0.045 0.041

Tabla 2.13 Secciones componentes del fuste. Torre Televilla

Alturas (m) 0,00-21,89 21,89-31,01 31,01-103,97 103,97-114,62 114,61-151,09 151,09-160,21 160,21-205,81 205,81-209,00

Columnas (Diámetro mm) 150 140 130 120 110 100 95 90

Diagonales Tranques (mm) (mm)

65x5

65x5

Nota: Se utilizó la misma nomenclatura que en la torre anterior para clasificar los tipos de niveles de cables.

2.3 Consideraciones Generales sobre la modelación de las torres Modelación de la geometría Las torres fueron modeladas como una armadura espacial como se muestra en la figura 2.28, reproduciendo de forma detallada cada miembro y conformando la estructura tridimensional de sección triangular equilátera o cuadrada en dependencia delmodelo analizado.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Los elementos de la armadura fueron modelados como barras, elementos lineales con dos nudos extremos. Las columnas se consideraron en todos las modelos continuas desde la base hasta la cima, porque las uniones entre ellas son a tope con doble plancha y seis pernos en el sentido longitudinal, que garantizan la transmisión de momentos. Las columnas se encuentran arriostradas por los tranques los cuales disminuyen la longitud de pandeo del elemento y rigidizan la estructura.

Figura 2.28 Imagen de la estructura de la torre

La unión entre los elementos tranques y columna, se consideró articulada al igual que entre las diagonales y diagonales secundarias, tranques interiores, tranques y tranques secundarios, debido a que en todos los casos se realiza mediante uno o dos pernos en dependencia de la torre en cuestión. La estructura en su conjunto se consideró para su análisis con 6 grados de libertad. La modelación se hizo de forma computacional, utilizando el programa SAP-2000 versión 14.0, software basado en el método de los elementos finitos. Las características geométricas de los elementos que conforman la estructura son calculadas y consideradas automáticamente por el programa, al haber declarado previamente las secciones de dichos elementos.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION Modelación de las condiciones de apoyo Las condiciones de apoyo fueron consideradas empotradas para las torres autosoportadas debido a que sus patas tienen apoyos independientes empotrados a la cimentación por medio de planchas de acero ancladas con pernos a la masa de hormigón. Las condiciones para las atirantadas varían en dependencia de los modelos. En el caso de la MAR-2008 y la MAR-181 la base del fuste va a tres puntos de apoyo (Ver 2.29 a), y para los modelos MAR-300 y Televilla (Ver figura2.29 b) la terminación es conocida como punta de diamante. En el primer caso, aunque cada columna se conecta a la base de forma articulada, se generan pares de fuerzas entre sí, que permiten considerar al fuste como empotrado. En el caso de las torres con punta de diamante, la unión se considera articulada.

Figura 2.29

a) Apoyo de tres puntos. b) Apoyo con punta de diamante

Los cables fueron modelados utilizando la formulación de la catenaria que representa la forma adoptada bajo cargas de peso propio y fuerzas de tesado inicial. Se representan como elementos lineales entre dos puntos (anclaje a tierra y amarre a la torre), su peso propio es automáticamente determinado por el programa, que además calcula la flecha correspondiente a este valor y al pretensado sobre los mismos. Para obtener la deformada inicial del cable se aplicó una fuerza impuesta en el extremo del elemento unido al anclaje, de valor igual a la fuerza de pretensión inicial (10% de la carga de rotura) valor intermedio del rango óptimo que se recomienda en (Smith 2007; Carrasco 2009).A partir de esta fuerza impuesta y considerando el peso propio de los

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION elementos, el programa genera la geometría inicial de la estructura para obtener la matriz rigidez del conjunto a partir de la cual se desarrolla el análisis. Los anclajes a tierra de los cables se consideraron como articulaciones espaciales teniendo en cuenta la incapacidad de estos últimos de tomar flexiones. Modelación del material Las torres están conformadas por acero A-36 (Tensión de rotura = 400 MPa, Límite de Fluencia = 248 MPa). Sus propiedades se consideraron linealmente elásticas y constantes en el tiempo. El material de los cables es acero, con tensión de fluencia de 1600 MPa y tensión de rotura de 2000 MPa. Modelación de las cargas Para las torres autosoportadas en estudio, el análisis de la carga de viento se realizó utilizando el métodos de cálculo planteado en la NC 285:2003 (Oficina Nacional de Normalización 2003 ) basado en el coeficiente del factor de ráfaga. Para el cálculo de las torres atirantadas bajo la acción de la carga de viento según recientes investigaciones (Smith 2007; Elena Parnás 2008), no es posible utilizar métodos de análisis a partir del modelo en voladizo comúnmente empleado para estructuras tipo torre. Igualmente un análisis dinámico completo de las torres atirantadas es muy complejo, requiere de la utilización de software muy especializados y demanda de un gran tiempo para su estudio. Debido a estas razones se han desarrollado simplificaciones a través de procesos que simulan el análisis total de la respuesta dinámica usando métodos estáticos equivalentes como el Patch Load (Carga Parche). Este método sólo es aplicable para el caso de las torres atirantadas. La descripción del Método del Patch Load (Carga Parche) mostrada en este estudio fue la utilizada por (Smith 2007), por la Norma Británica (BS8100-3 1999) y en la tesis de doctorado de (Elena Parnás 2008).

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION La carga de viento sobre antenas fue determinada a partir de la velocidad básica y considerando los coeficientes de forma según el tipo de antena y los elementos que la componen. En el caso de las Parábolas el valor de la fuerzas que ellas generan sobre la torre se determinó atendiendo a la altura de la antena sobre el nivel de terreno, posición en la sección y ángulo de incidencia del viento sobre ellas, tipo y diámetro de la parábola. Se utilizó un software comercial (ANTWIND) verificando su correspondencia con los establecido en la norma (TIA-EIA/222-F 1996) para este tipo de antenas. La fuerza axial, cortante y momento que generan las antenas se asumen actuando sobre la torre en el punto de conexión entre ambos. Otro aspecto importante en cuanto a la acción del viento sobre las estructuras, es la consideración de las direcciones de actuación de la carga. La norma cubana (NC:2852003) no deja establecidas, de forma particular, las direcciones de viento a analizar en estructuras de sección triangular, por lo que para analizar las torres de este estudio que presentan esas características, se siguieron las recomendaciones de (IASS WG 4 1981)y de códigos específicos de diseño (DIN4131 ; CIRSOC-306 1992; BS8100-4 1995; TIAEIA/222-F 1996). Estas normativas plantean que se deben analizar tres direcciones de ataque del viento: 0, 60 y 90 grados respecto a uno de los tres ejes de simetría de la torre, que ver figura 2.30.

Figura 2.30

Direcciones de viento analizadas para las torres de sección triangular.

Las torres que presentan sección cuadrada se analizan bajo las direcciones que sí establece la Norma Cubana de Viento(Oficina Nacional de Normalización 2003 ), o sea analizar la respuesta para 0 y 45 grados, ver figura 2.31.

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION

Figura 2.31

Direcciones de viento analizadas para las torres de sección cuadrada.

Combinaciones de Carga Las combinaciones de cargas utilizadas en el trabajo son las establecidas en la Norma de Combinaciones de Cargas NC 450:2006(NC450:2006 2006). 1. 0.9 CP + 1.4 CV 2. 1.2 CP + 1.4 CV 3. 0.9 CP + 1.4 CV + ANT 4. 1.2 CP + 1.4 CV + ANT Donde: CP: carga permanente CV: Carga de viento ANT: Carga de antena (Incluye peso propio y carga de viento) Estas combinaciones son aplicadas para cada una de las direcciones de acción de la carga de viento definidas según el tipo de sección transversal, triangular o cuadrada y para los distintos patrones de carga de antenas que fueron definidos. Para el caso de los patrones la altura de colocación de los paneles UHF y VHF estará en función de la altura de la torre analizada. Las parábolas generalmente están colocadas en

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CAPÍTULO 2: ANÁLISIS Y MODELACION la mitad inferior del fuste, en particular en este trabajo se consideran colocadas en las alturas de 20 y 25 metros para todos los modelos excepto para el modelo Versalles, en donde estarán colocadas a 10 y 15 metros. Las parábolas estarán ubicadas en la columna del vértice B para las torres de sección triangular y en la columna del vértice D en las torres de sección cuadrada, de frente a la dirección de viento 0º, ver figura 2.32.

a)

b)

Figura 2.32 Colocación de las parábolas a) Sección triangular b) Sección cuadrada

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Capítulo 3: Análisis de los resultados. En este Capítulo se analizarán los datos obtenidos del estudio de las torres bajo carga de viento extrema con y sin presencia de antenas. Comparando los resultados de las fuerzas interiores obtenidas de la aplicación de la carga de viento con los tres patrones con antenas, en los elementos columnas, diagonales, tranques y en los cables para las torres atirantadas. También se hace la comparación de los desplazamientos. Como el comportamiento y las cargas de viento dependen del tipo de la torre, se dividieron los resultados por el tipo en atirantadas y autosoportadas. Para el caso de las torres de sección triangular, las columnas se subdividieron en: A, B y C según la nomenclatura dada a los vértices de las torres. Igualmente los tranques y las diagonales se subdividieron en AB, AC y BC según las caras de las torres, ver figura 3.1.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.1

Esquema de las torres de sección triangular, nomenclatura de sus vértices

Para las torres Guisa, Gran Piedra y Najasa que presentan una sección transversal cuadrada, las columnas se subdividieron igual pero con cuatro vértices y se le agregó el vértice D y las diagonales y tranques se subdividieron por las caras de la torre en AB, AC, BD y DC, ver figura 3.2.

Figura 3.2

Esquema de las torres de sección cuadrada, nomenclatura de sus vértices.

Para realizar un estudio más detallado de los elementos de las torre se dividió para las torres autosoportadas en varios tramos según cambiaban las dimensiones de las secciones de los perfiles con la altura y para el caso de las atirantadas se subdividió en los niveles de cables.

3.1 Análisis de la influencia de las antenas en las fuerzas interiores para las torres autosoportadas. En este epígrafe se exponen y analizan los resultados correspondientes al estudio comparativo entre no considerar ninguna carga de antenas sobre las torres y los tres patrones de antenas definidos en el capítulo 2,tomando como variable de control los esfuerzos interiores resultantes en los elementos componentes de las torres autosoportadas.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Análisis de los resultados en las columnas. Los gráficos de la figura 3.3 muestran los valores máximos de fuerzas axiales en cada tramo para cada patrón analizado. En todos los modelos estudiados se observa el aumento de las fuerzas axiales según aumenta la cantidad de antenas colocadas en las torres. La presencia de las parábolas en el tercer patrón de antenas no genera cambios significativos en las fuerzas interiores en las columnas. En las torres con sección transversal cuadrada los mayores valores de fuerzas axiales ocurrieron para la dirección de viento de 45º en las columnas A de compresión y D de tracción. En la torre modelo TC60 (Najasa) los mayores valores de tracción y de compresión fueron para la combinación que mayora las cargas (1.2D+1.4CV+ANT). El incremento en las fuerzas axiales con respecto al patrón sin antenas llegó a ser de un 153.8% en el cuarto tramo de columnas.

Figura 3.3

Fuerzas axiales máximas en las columnas torre Najasa. Comparación entre patrones

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Se puede apreciar en estos gráficos como la presencia de las antenas en el patrón 3aumentó en todos los tramos más de 300kN en tracción y 350kN en compresión con respecto al patrón sin antenas. En la torre modelo TC-40 (Guisa) las fuerzas interiores máximas de tracción fueron para la combinación que minora la carga permanente (0.9D+1.4CV+ANT) y en compresión para la combinación que mayora la carga permanente (1.2D+1.4CV+ANT) Los gráficos de la figura 3.4 muestran los valores máximos de fuerzas axiales para cada patrón analizado. El mayor incremento en las fuerzas interiores fue de un 98% para el tercer patrón de antenas con respecto al patrón sin antenas en el segundo tramo.

Figura 3.4

Fuerzas axiales máximas en las columnas, torre Guisa. Comparación entre patrones

En la torre modelo TC54 (Gran Piedra) las fuerzas interiores máximas de tracción fueron para la combinación que minora la carga permanente (0.9D+1.4CV+ANT) y de compresión para la combinación que mayora la carga permanente (1.2D+1.4CV+ANT). Los máximos valores de fuerzas axiales para cada patrón analizado se muestran en el gráfico de la figura 3.5.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.5

Fuerzas axiales máximas en las columnas, torre Gran Piedra. Comparación entre patrones

Para el caso de las torres de sección transversal triangular, TT31 (Versalles) y TT60 (Ferrocarril) difieren de las direcciones de viento con respecto a las de sección cuadrada. Para el caso de sección triangular estudiadas la ubicación de los elementos y las direcciones de viento más desfavorable varían según el tramo de la torre y el patrón analizado de cargas analizado. En la torre modelo Versalles los mayores valores de compresión se obtuvieron en la columna B en la combinación (1.2D+1.4CV0º+ANT_P3 0º).Las fuerzas interiores varía de 32kN a 260kN en compresión para el segundo y tercer patrón de antenas con respecto al patrón sin antenas. Para el caso de las fuerza de tracción se obtuvo la fuerza interior más desfavorable en la columna A para la misma combinación que la fuerza de compresión, esto se debe a que la columna que se encuentra en tracción en la dirección de 60º es la que tiene colocada las antenas en el patrón 3. En la figura 3.6 se muestran los máximos valores de fuerzas axiales de compresión y de tracción para cada patrón analizado.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.6

Fuerzas axiales máximas en columnas, torre Versalles. Comparación entre patrones

Para el caso de la torre TT-60 (Ferrocarril) el incremento máximo en las fuerzas interiores aumento de 27.9kM a 262.9kN del patrón sin antenas al patrón 3 de antenas, para la combinación (0.9D+1.4CV60º+ANT_P3 60º). En la figura 3.7 se muestran los máximos valores de fuerzas axiales para cada patrón analizado. Es necesario destacar que al igual que la torre Versalles fue para la columna B la que mayores valores de tracción y de compresión se obtuvieron. En este caso lo que varió fue la combinación de cargas y la dirección de viento, que para los valores de tracción la combinación más desfavorable fue (1.2D+1.4CV 0º+ANT_P3 0º).

Figura 3.7

Fuerzas axiales máximas en columnas, torre Ferrocarril. Comparación entre patrones

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Los mayores incrementos se deben a las fuerzas interiores que generan las antenas ubicadas en el tope de la torre, aunque es necesario destacar que todos los tramos de columnas aumentan en más de un 59% y que los valores que más varían no son los más cargados ya que en el caso de los elementos de las base aumentan 779.95kN a 1254.61kN en compresión y de 698.72 a 1167.37 en tracción. Análisis de los resultados en los tranques. En todos los modelos analizados la ubicación de los elementos y las direcciones de viento que causan las mayores fuerzas interiores varían según el tramo de la torre y el patrón analizado. Es necesario destacar que para los tranques la presencia de las parábolas no produce cambios significativos en las fuerzas interiores. En las torres de sección transversal cuadrada, TC60 (Najasa), TC56 (Gran Piedra) y TC40 (Guisa) las variaciones en las fuerzas axiales de tracción y compresión causadas por los patrones de antenas con respecto a no considerar ninguna antena no son significativas en el primer tramo de estas torres, ver figuras 3.8, 3.9 y 3.10 según el modelo analizado. La variación más significativa fueron para el caso de la torre TC-60 (Najasa), con un aumento del 270% en el tercer patrón de antenas.

Figura 3.8

Fuerzas axiales máximas en los tranques, torre Najasa. Comparación entre patrones

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS En los demás tramos de las torres de sección cuadrada sí se observan variaciones en las fuerzas interiores causadas por los patrones con antenas, aumentando según aumenta la cantidad de antenas colocadas en las torres, el mayor incremento fue para la torre TC60 (Najasa) con un 165.0% en el tercer patrón de antenas en el cuarto tramo de tranques. En este caso las parábolas tampoco tienen influencia significativa, ver Figuras 3.8, 3.9 y 3.10 según el modelo analizado.

Figura 3.9

Fuerzas axiales máximas en los tranques, torre Guisa. Comparación entre patrones

Figura 3.10

Fuerzas axiales máximas en los tranques, torre Gran Piedra. Comparación entre patrones

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS En los modelos con sección transversal triangular si existen variaciones significativas en las fuerzas interiores para todos los tramos definidos, ver figuras 3.11 y 3.12 para los modelos TT31 (Versalles) y TT60 (Ferrocarril) respectivamente.

Figura 3.11

Fuerzas axiales máximas en los tranques, torre Versalles. Comparación entre patrones

Figura 3.12

Fuerzas axiales máximas en tranques, torre Ferrocarril. Comparación entre patrones

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS En todos los casos los aumentos de las fuerzas interiores en los elementos de los tramos superiores (cercanos a la posición de las antenas) son mayores, y disminuyen en los tramos inferiores según va aumentando la distancia a las antenas. Pero se puede notar como para todos los casos la fuerza de los tranques no pasa de 80kN lo que indica que estos elementos no son los más desfavorable a aumentar las antenas. Análisis de los resultados en las diagonales. El comportamiento en las diagonales es similar al de los tranques. En todos los modelos analizados se observa un incremento de las fuerzas interiores hacia los tramos superiores, es decir donde se concentran las antenas, ver figuras 3.13-3.17 según cada modelo. La ubicación de los elementos y las direcciones de viento que causan las mayores fuerzas interiores varía según el tramo de la torre y el patrón analizado. En los modelos de sección transversal cuadrada se observa que en los tramos inferiores son pequeñas las variaciones de las fuerzas interiores generadas por los patrones analizados, ver figuras 3.13, 3.14 y 3.15. El mayor incremento fu para la torre Najasa en el primer tramo de diagonales, aumentando el tercer patrón de antenas con respecto al patrón sin antenas en un 12.9%.

Figura 3.13

Fuerzas axiales máximas en las diagonales, torre Najasa. Comparación entre patrones

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.14

Fuerzas axiales máximas las diagonales para torre Guisa. Comparación entre patrones de antena.

Figura 3.15

Fuerzas axiales máximas en las diagonales para torre Gran Piedra. Comparación entre patrones de antena.

En los modelos con sección transversal triangular (figura 3.16 y 3.17) los incrementos en las fuerzas interiores de las diagonales son mayores con respecto a las de sección cuadrada, esto se debe a la menor cantidad de elementos diagonales en la sección siendo de 55.6% y 21.5% en el primer tramo de diagonales para los modelos Versalles y Ferrocarril respectivamente.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.16

Fuerzas axiales máximas en las diagonales para torre Versalles. Comparación entre patrones de antena.

Figura 3.17

Fuerzas axiales máximas en las diagonales para torre Ferrocarril. Comparación entre patrones de antena.

3.2 Análisis de la influencia de las antenas en los desplazamientos en las torres Autosoportadas. En este epígrafe se realizó la comparación de los desplazamientos provocados por los distintos patrones de carga definidos, para las direcciones de viento 0° y 45° en el caso de las torres de sección cuadrada y para las direcciones 0° y 90° en el caso de las torres de sección triangular. Página 57

CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Las figuras 3.18-3.22 muestran los desplazamientos a distintas alturas de las torres estudiadas. Como se puede apreciar los desplazamientos aumentan con al altura y con el aumento de la cantidad de antenas. Los valores de desplazamientos varían en todos los casos en estudio, en por ciento mayor del 40 debido a la presencia de antenas. Estos valores de desplazamiento no cumplen los requerimientos de funcionamiento o servicio de las antenas. La presencia de las parábolas en el tercer patrón de antenas no provoca cambios con respecto al segundo patrón, obsérvese que las curvas se encuentran solapadas, ver figuras 3.18-3.22 correspondiente a cada modelo analizado.

Figura 3.18

Figura 3.19

Desplazamientos en torre TT31 (Versalles)

Desplazamientos en torre TT60 (Ferrocarril)

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.20

Figura 3.21

Figura 3.22

Desplazamientos en torre TC40 (Guisa)

Desplazamientos en torre TC56 (Gran Piedra)

Desplazamientos en torre TC60 (Najasa)

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

3.3 Análisis de la influencia de las antenas en las fuerzas interiores para las torres Análisis de los resultados en las columnas. En el caso de las columnas C y A para la dirección 0 grados, el comportamiento es el mismo, y esto se debe a que la carga aplicada es simétrica y de igual valor, p e r o l a columna más cargada en todos los casos fue la columna B (ver figura 3.23). Como se puede apreciar, existe un aumento de las fuerzas de compresión a medida que aumentan las cargas de las antenas. La parte inferior del fuste estará más esforzada para los modelos que están empotrados en la base y menos para los modelos articulados. Por otra parte, se observa que en Televilla existen grandes valores de compresión en el punto más alto de la torre, a diferencia de los otros modelos donde. Esto se debe a que en esa estructura el último nivel de cables se encuentra a la mayor altura, y por lo tanto en ese punto existe una carga puntual aplicada. Nótese que en los modelos MAR 300 (119%), MAR-2008 (157%) y MAR-181 (85%) los valores de las fuerzas experimentan mayores cambios que la torre Televilla (3%). Para estas torres la presencia de las parábolas solo ocasiona esfuerzos locales en los tramos de aplicación de las cargas.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.23

Fuerza axial en la columna B, dirección 0 grados.

La columna B dirección 90 grados aparecen los mayores esfuerzos de cada modelo en la parte inferior de la torre y aumenta en dependencia del aumento de los patrones, sin embarg o en la parte superior de las torres se ve cómo para el aumento de las antenas disminuyen los esfuerzos (figura 3.24). Al igual que en la dirección 0 grados, las mayores diferencias entre los cuatro modelos la presenta Televilla que casi no varía con el aumento de las cargas.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.24

Fuerza axial en la columna B, dirección 90 grados.

Análisis de los resultados en los Tranques. Los tranques trabajan en mayor medida a tracción ya que son los mayores valores de fuerza axial obtenidos en las torres. Al actuar la fuerza del viento sobre los patrones de carga de antenas, se observan cambios en las fuerzas interiores, principalmente en los esfuerzos de compresión en la parte superior para todas las torres excepto para Televilla que por su comportamiento y configuración. Para un estudio detallado de comportamiento de estos elementos, se dividió el fuste de la torre en tramos delimitados por los niveles de cables como se refleja en el inicio de este Capítulo 3. Como se puede observar en la figura 3.25, los mayores esfuerzos de tracción en los tranques (por tramos), son para el patrón 3, en el último tramo se obtienen los mayores valores de fuerza axial d e tracción en la torre, siendo la dirección 0 grados la más desfavorable. Los tranques de la cara AC son los más esforzados, en el caso de los tranques que trabajan a compresión, los mayores valores aparecen en la cara BC y las solicitaciones son similares a las de tracción, se observa una regularidad en los comportamientos de los modelos que se estudian exceptuando la compresión en el modelo Televilla.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.25

Fuerza axial en los tranques (por tramos)

Se puede apreciar también que los incrementos con relación al Estado Final sin antenas son significativos en el caso de la compresión (exceptuando el modelo MAR 181) y en la tracción también se observan aumentos importantes, pero solo en los modelos MAR 2008 y Televilla (ver tabla 3.1). Tabla 3. 1 Características de las torres autosoportadas en estudio

Incrementos de la fuerza axial en los tranques (solicitación máxima) Estado de carga Patrón 3 Compresión Patrón 3 Tracción

Televilla MAR-181 33% 12%

3% 3%

MAR-300 MAR-2008 13% 4%

47% 39%

Análisis de los resultados en las Diagonales. En las diagonales se observan valores de tracción y compresión para los estados de cargas más desfavorables (ver figura 3.26). En el caso de la tracción, se puede apreciar que a medida que aumenta la altura, las solicitaciones son también mayores. Se obtiene el mayor valor para el patrón 3 del último tramo en todas las torres, con la excepción del

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS modelo Televilla donde el máximo se ubica en el penúltimo tramo y no para el patrón 3. En el caso de la compresión, no se observa la misma tendencia en los cuatro modelos que se estudian, ya que en algunos casos aumentan las solicitaciones con la altura y en otros disminuyen. Es importante señalar que la diferencia entre los patrones 2 y 3 oscila entre un 0.1% y un 0.3%, por lo que las parábolas no ejercen mucha influencia en el comportamiento de estos elementos estructurales. Los mayores esfuerzos se obtienen para el patrón 3, pero no hay una regularidad en todos los modelos en cuanto a la ubicación dentro de un tramo de forma particular.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.26

Fuerza axial en las diagonales (por tramos)

Análisis de los resultados en los Cables Dirección 0 grados. Vértices A y C: Para la dirección 0 grados, los cables más esforzados son los que convergen a los vértices A y C (ver figura 3.27), siendo el patrón 3 el que provoca un comportamiento más desfavorable. La fuerza axial aumenta considerablemente con la altura. En los gráficos se puede observar que los valores máximos de fuerza axial se dan en los tramos superiores de la torre, aunque no siempre se corresponden con la mayor altura.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.27

Fuerza axial en los cables (vértices C) dirección 0 grados.

Dirección 90 grados. Vértice A: La dirección 90 grados provoca los mayores esfuerzos en los cables del vértice A. Los valores de fuerza axial aumentan con la altura, con la excepción del modelo MAR 2008 y MAR-181 donde el valor máximo se encuentra en el tramo cinco y a partir de ahí comienza a disminuir (ver figura 3.31). Se puede afirmar que también para esta dirección las antenas provocan incrementos importantes en las solicitaciones de los cables.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.28

Fuerza axial en los cables (vértice A) dirección 90 grados.

3.4 Análisis de la influencia de las antenas en los desplazamientos en las torres Atirantadas. Se obtuvieron los gráficos de desplazamientos en función de la altura, para las dos direcciones de viento. En el caso de la dirección 0, los mayores desplazamientos corresponden a la columna A (ver figura 3.32). Las curvas de los patrones 2 y 3 están superpuestas y son las más desfavorables, con lo cual se demuestra que las parábolas no provocan incrementos importantes en los desplazamientos. Se pueden observar comportamientos similares en los modelos MAR 2008, MAR 300 y MAR 181, aunque en este último hay una disminución a partir de los 90m, ya que el último nivel de cables coincide con el punto más alto de la columna. La torre Televilla tiene un

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS comportamiento diferente debido a que las secciones de las columnas son tubulares y el diámetro varía con la altura.

Figura 3.29

Desplazamientos en la columna C para la dirección 0 grados.

Al igual que en la dirección 0 grados, se observan comportamientos similares con la excepción de la torre Televilla. Sin embargo, en los cuatro modelos se puede apreciar que las mayores diferencias aparecen en la parte superior, y que el Estado Final sin antenas provoca desplazamientos en sentido contrario a los otros patrones.

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CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Figura 3.30

Desplazamientos en la columna A para la dirección 90 grados.

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CONCLUSIONES

CONCLUSIONES 1.

Los resultados confirman la hipótesis de partida ya que los resultados de la comparación de los esfuerzos obtenidos en los elementos de las torres con presencia de antenas y sin ellas, para los tres patrones de carga estudiados, arrojaron variaciones significativas en las fuerzas interiores de los elementos y en los desplazamientos generales de la estructura. 

Tanto para las torres autosoportadas como para las atirantadas los mayores incrementos ocurren en los elementos columnas.



En las torres autosoportadas ocurren aumentos significativos de los esfuerzos en las diagonales y los tranques que alcanzan el 270%, mientras que para las torres atirantadas los aumentos no superan el 47%.



Los mayores incrementos de los esfuerzos se producen en los elementos correspondientes al tramo superior de la torres, mientras que en el tramo inferior estos incrementos no son significativos.

2.

La presencia de las parábolas en los patrones estudiados en la tesis no ocasiona cambios significativos en las fuerzas interiores y desplazamientos.

3.

Para una distribución uniforme de las antenas, la dirección de cero grado es la que produce los mayores esfuerzos en los elementos.

4.

Para las torres atirantadas los incrementos de los esfuerzos producidos en los cables por la presencia de antenas son significativos en todos los modelos.

5.

Los peligros identificados como más comunes en las torres de telecomunicaciones cubanas a partir de los levantamientos de las fallas en el territorio nacional, resultaron ser los vientos extremos debidos a huracanes.

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CONCLUSIONES 6.

El estudio de las fallas ocurridas en el periodo de 1996 a 2008 permite concluir que las antenas se encontraban sujetas a las torres en el momento del fallo, por lo que actuaron como pantallas aumentando los esfuerzos en la estructura.

7.

El análisis de la distribución de antenas UHF y VHF, a partir de los levantamientos de campo de 46 torres distribuidas en el territorio nacional permite afirmar que patrones estudiados son representativos por lo que pueden generalizarse los resultados obtenidos.

8.

El análisis de la distribución de antenas parabólicas a partir de los levantamientos de campo de 46 torres distribuidas en el territorio nacional arrojó muchas variaciones en cuanto a posición en las torres por lo que no pueden generalizarse las resultados de esta investigación.

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RECOMENDACIONES

RECOMENDACIONES 1.

Realizar el estudio de la influencia de la presencia de las antenas para la carga de sismo.

2.

Profundizar en el estudio de las parábolas, particularmente en la distribución y cantidad de estas.

3.

Realizar ensayos en túnel de viento para validar los resultados obtenidos.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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