UNIVERSIDAD CONTINENTAL DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA
: GENTE QUE TRABAJA.
CURSO
: LINEAS DE TRANSMISION
DOCENTE
: ING. CESAR ALFREDO CHILET LEON
TEMA
CIMENTACION DE TORRES DE TRANSMISON
ALUMNO
AUGUSTO PAREDES TAIPE
HUANCAYO JUNIO 2016
INTRODUCCION Una torre de transmisión y su tipo de fundaciones con sus respectivos
cálculos
para
las
estructuras
de
líneas
de
transmisión, de pe nde n de l es ta do de car gas , de la topogra fía y de las condic iones del subsuelo, Lo que por lo tanto se requiere una solución de cimentación diferente para cada estructura. las líneas de transmisión siguen por lo general una poligonal abierta la misma que atraviesa diferentes formaciones geológicas, topográficas, climáticas y por ende diferentes tipos de subsuelo, que en cuanto tienen efecto sobre los parámetros utilizados en la ingeniería civil dificultan la racionalización o sistematización de las soluciones de cimentación. las fundaciones para líneas de bajo voltaje suelen ser de tipo monobloque, es decir que existe un solo cimiento para las cuatro patas de la torre. en tal caso la condición predominante para el diseño de las mismas es el volcamiento y las fuerzas que lo contrarrestan, el peso de la estructura, el cimiento, y la acción lateral del terreno deben se suficientes para equilibrar la acción del momento del vuelco, con un coeficiente de seguridad adecuado. para determinar las dimensiones y profundidad de ese tipo de cimiento el método de diseño más utilizado es el método suizo o método de sulzburger.
GENERALIDADES TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Líneas de transmisión de conductor paralelo línea de transmisión de cable abierto. Una línea de transmisión de cable abierto es un conductor paralelo de dos cables, y se muestra en la figura 8-6a. Consiste simplemente de dos cables paralelos, espaciados muy cerca y solo separados por aire. Los espaciadores no conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y mantener se a la distancia, entre la constante de los conductores. La distancia entre los dos conductores generalmente está entre 2 y 6 pulgadas. El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededor de los dos conductores en donde se propaga la onda TEM. La única ventaja real de este tipo de línea de transmisión es su construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las pérdidas por radiación son altas y es susceptible a recoger ruido. Estas son las desventajas principales de una línea de transmisión de cable abierto. Por lo tanto, las líneas de transmisión de cable abierto normalmente operan en el modo balanceado.
.- Secciones transversales Cables gemelos (doble terminal). Los cables gemelos son otra forma de línea de transmisión para un conductor paralelo de dos cables, y se muestra en la figura 8-6b. Los cables gemelos frecuentemente son llamados cable de cinta. Los cables gemelos esencialmente son igual que una línea de transmisión de cable abierto, excepto que los espaciadores que están entre los dos conductores se reemplazan con un dieléctrico sólido continuo. Esto asegura los espacios uniformes a lo largo de todo el cable. Típicamente, la distancia entre los dos conductores es de 5/16 de pulgada, para el cable de transmisión de televisión. Los materiales dieléctricos más comunes son el teflón y el polietileno. Cable de par trenzado. Un cable de par trenzado se forma doblando ("trenzando") dos conductores aislados juntos. Los pares se trenzan frecuentemente en unidades y las unidades, a su vez, están cableadas en el núcleo. Estas se cubren con varios tipos de fundas, dependiendo del uso que se les vaya a dar. Los pares vecinos se trenzan Con diferente inclinación (el largo de la trenza) para poder reducir la interferencia entre los pares debido a la inducción mutua. Las constantes primarias del cable de par trenzado son sus parámetros eléctricos (resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia). Que están sujetas a variaciones con el ambiente físico como temperatura, humedad y tensión mecánica, y que dependen de las variaciones en la fabricación. En la figura 8 se muestra un cable de par trenzado. Par de cables protegido con armadura. Para reducir las pérdidas por radiación e interferencia, frecuentemente se encierran las líneas de transmisión de dos cables paralelos en una malla metálica conductiva. La malla se conecta a tierra y actúa como una protección. La malla también evita que las señales se difundan más allá de sus límites y evita que la interferencia electromagnética llegue a los conductores de señales. En la figura 8-6d Se muestra un par de
cables paralelos protegido. Consiste de dos conductores de cable paralelos separados por un material dieléctrico sólido. Toda la estructura está encerrada en un tubo trenzado conductivo y luego cubierto con una capa protectora de plástico. Líneas de transmisión coaxial o concéntrica Las líneas de transmisión de conductores paralelos son apropiadas para las aplicaciones de baja frecuencia. Sin embargo, en las frecuencias altas, sus pérdidas por radiación y pérdidas dieléctricas, así como su susceptibilidad a la interferencia externa son excesivas. Por lo tanto, los conductores coaxiales se utilizan extensamente, para aplicaciones de alta frecuencia, para reducir las pérdidas y para aislar las trayectorias de transmisión. El cable coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un conductor exterior concéntrico (distancia uniforme del centro). A frecuencias de operación relativamente altas, el conductor coaxial externo proporciona una excelente protección contra la interferencia externa. Sin embargo, a frecuencias de operación más bajas, el uso de la protección no es coestable. Además, el conductor externo de un cable coaxial general mente está unido a tierra, to que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas. Esencialmente, hay dos tipos de cables coaxiales: líneas rígidas llenas de aire Y líneas sólidas flexibles. El material aislante es un material de polietileno sólido no conductivo que proporciona soporte, así como aislamiento eléctrico entre el conductor interno y el externo. El conductor interno es un cable de cobre flexible que puede ser sólido o hueco. Los cables coaxiales rígidos llenos de aire son relativamente caros de fabricar, y el aislante de aire tiene que estar relativamente libre de humedad para minimizar las pérdidas Los cables coaxiales sólidos tiene pérdidas menores y son más fáciles de construir, de instalar, y de dar mantenimiento. Ambos tipos de cables coaxiales son relativamente inmunes a la radiación externa, ellos en si irradian muy poca, y pueden operar a frecuencias mas altas que sus contrapartes de cables paralelos. Las desventajas básicas de las líneas de transmisión coaxial es que son caras y tienen que utilizarse en el modo desbalanceado.
Balunes. Un dispositivo de circuitos que se utiliza para conectar una línea de transmisión balanceada a una carga desbalanceada se llama balun (balanceado a desbalanceado). 0 más comúnmente, una línea de transmisión desbalanceada, como un cable coaxial, se puede conectar a una carga balanceada, como una antena, utilizando Un transformador especial con un primario desbalanceado y un bobinado secundario con conexión central. El conductor externo (protector) de una línea de transmisión coaxial desbalanceada generalmente se conecta a tierra. A frecuencias relativamente bajas, pile de utilizarse un transformador ordinario para aislar la tierra de la carga, como se muestra en la figura 8a. El balun debe tener una protección electrostática conectada a tierra física para minimizar los efectos de capacitan cías dispersas. Para las frecuencias relativamente altas, existen varios tipos diferentes de balunes para las líneas de transmisión. El tipo más común es un balun de banda angosta, llamados a veces balun choque, camisa o balun de bazuca, como se muestra en ha figura 88b. Se coloca alrededor una camisa de un cuarto de longitud de onda y se conecta al conductor externo de un cable coaxial. En consecuencia, la impedancia que se ye, desde la línea de transmisión, está formada por una camisa y el conductor externo y es igual a infinito (o sea, que el conductor externo ya no tiene una impedancia de cero a tierra). Así que, uno de los cables del par balanceado se puede conectar a la camisa sin hacer un cortocircuito a la señal. El segundo conductor se conecta al conductor interno del cable coaxial.
En redes de media tensión y hasta las más altas usadas en Argentina de hasta 500 kv., se emplean torres de hormigón y reticulado de acero. En la figura 11 vemos los esquemas más corrientes de estas torres. La elección del tipo de torre se hace sobre la base de criterios económicos, de sismicidad y en base el vano, que es la distancia entre dos torres. Los estudios técnico-económicos, que tienen en cuenta los factores técnico, climáticos y precios, permiten generar programas de computación con los cuales se determina lo que se denomina vano económico, que es la distancia entre torres que hace mínimo el
costo por kilómetro. Las estructuras de soporte, torres o postes, pueden ser de suspensión o de retención. Las primeras se instalan en los tramos rectos de las líneas, mientras que las segunda son para los lugares en que, además, la línea debe soportar esfuerzos laterales, producto del cambio de dirección (ángulo) o finales de línea. La figura 12 nos enseña dos tipos de torres de hormigón centrifugado. Nótese que tanto en la última figura 10 y la 11, las torres tienen el llamado hilo de guardia, marcado con las letras HG. Este elemento es de acero
Figura 10
Figura 11
Galvanizado. Las torres metálicas son estructuras de perfiles ángulos, vinculados directamente entre sí o a través de chapas, mediante uniones abulonadas. Para mejor mantenimiento, son galvanizadas y el acero es de alta resistencia. Las estructuras se dimensionan por medio de sistemas
computarizados que minimizan el peso de las estructuras. Los postes de hormigón, en cambio, serán del tipo armado, centrifugado o pretensado. Las crucetas o ménsulas, serán del mismo material en la mayor parte de los casos. En la figura tenemos la silueta de una torre autoportante o de retención. En la figura tenemos una torre de suspensión o arriendada, que es más económica.
En todos los casos, las fundaciones representan un papel importante en la seguridad y en el costo de una línea de transmisión, y deben permitir la fácil colocación de las tomas de tierra que vemos en la figura.
El tipo de terreno, por su agresividad, determina el cemento que se debe emplear. Hay torres de tipo especial, ya que en ellas se produce la transposición. A fin de hacer aproximadamente igual a los valores de las constantes de las líneas, para cada fase, en tramos adecuados, se hacen cambios en el orden en que se encuentran las fases. En las figuras anteriores se ve que las fases R,S y T están en un plano, lo que determina que la capacidad, la autoinducción y las pérdidas, no sean de igual valor. Por lo tanto esto se resuelve cambiando dos veces a lo largo del recorrido la posición relativa de esas fases. Pero el punto en que esto se produce, requiere de una torre particular, con disposiciones típicas para estos casos. Los conductores de las líneas aéreas de alta tensión se construyen con un núcleo de alambres de acero que contribuyen a la resistencia mecánica, rodeado de una formación de alambres de aleación de aluminio tal como ilustra la figura 15. Los valores mas corrientes suelen ser: 300/50 mm2 240/40 mm2 150/25 mm2 120/20 mm2 95/15 mm2 70/12 mm2 50/8 mm2 La primera cifra es la sección útil del aluminio y que conduce la corriente. La segunda es el acero. Es muy común que para cada fase, se utilice mas de un conductor. En las que se puede apreciar que cada fase se compone de 4 conductores, como los de la figura 15. Esto hace necesario el empleo de accesorios metálicos, la morseteria o graperia, que en tensiones muy alta, requieren un delicado diseño.
Figura 15
Una línea importante de transmisión de energía es una obra de ingeniería, que tiene mucho que ver con la ingeniería eléctrica y la ingeniería civil. Cuando se decide ejecutar esta obra entre dos puntos distantes, lo primero que se debe examinar, es la traza, o sea, el recorrido. Esto implica un cuidadoso estudio topográfico para encontrar la mejor solución, junto con el estudio de suelos, para poder dimensionar las fundaciones. Con los elementos se optimiza el problema y se determina el vano económico que se ha de usar, que hace mínimo el costo. En la figura 18 vemos un ejemplo de traza, en que para el cruce de un río y la subida de una sierra, hay que adaptarse al terreno, lo que obliga a la adopción de torres de tipo especial, de retención, más caras. En los tramos lineales se pueden usar torres de suspensión, todas iguales, con ventaja en los costos. El estudio de la topografía del recorrido permite determinar el lugar exacto donde se instalara cada torre. Se evitan los cambios de dirección, porque ello obliga a la colocación de torres de retención en esos puntos. Los esfuerzos o solicitaciones que deben resistir las torres son, además del peso propio y los efectos de la naturaleza sobre las mismas, las que les
trasmiten los conductores. En la figura 17 vemos el croquis de una torre como la de la figura 11 derecha, que cumple la función de ángulo, es decir, desvío de la dirección de la línea. Se observa que la torre debe soportar los efectos de las solicitaciones de los conductores, que se componen del peso propio del conductor más el peso de las cadenas de aisladores, a lo que se suma la acción del viento. Al peso propio se debe sumar el peso del manguito de hielo que se forma luego de una nevada y que expuesto, al viento, ofrece una superficie lateral apreciable. Todos estos defectos, sumados, componen las solicitaciones sobre la torre. Por otra parte, el proyecto de una línea implica el adecuado diseño del hilo conductor, que es una catenaria, que se muestra en el ejemplo de la figura 18, en que el hilo conductor aparece suspendido entre dos puntos de distinta cota. La distancia entre el punto más elevado y el punto más bajo se llama flecha y es un número importante, sea para el dimensionado del conductor, como en los trabajos de instalación y montaje.
Figura 17 Como la temperatura de trabajo cambia, lo mismo que el viento a que esta sometido el conductor, la flecha es un número variable. La teoría de estas catenarias permite conocer el valor de la tensión Tx en cada punto de su recorrido X, ocasionada por sus componentes horizontales y verticales, con lo cual se determina la sección resistente y el valor de la tensión T en el punto de apoyo permite conocer el esfuerzo que trasmiten a la graperia de sujeción a la torre.
Figura 18 Fundaciones de tierra: Los anclajes de acero colocados con revestimientos de protección son económicos y se han usados con éxito para torres de sustentación o alineación. El tipo más satisfactorio de anclaje de acero es el piramidal, bien sea triangular, bien sea cuadrado, construido con hierro ángulo y con una reja abulonada en la cara interior. Los anclajes de acero galvanizado enterrados en el suelo durarán casi tanto como la estructura en suelos de condiciones ordinarias, pero no son satisfactorios, sin protección especial, en terrenos con algún contenido de azufre, tales que los rellenos de escoria o carbonilla. Fundaciones de hormigón: Estas fundaciones se usan generalmente en torres de ángulo y de amarre o final de línea y para las estructuras especiales que requieren gran resistencia, como son las de cruce de ríos, y torres en los extremos de vanos extraordinariamente largos. Anclajes en roca: Estos anclajes pueden sustituir a los de acero con rejas o bases de hormigón, en terrenos de rocas firmes. Se practican en la roca taladros de diámetro algo superior al de los pernos y se colocan los pernos, rellenando seguidamente. Los pernos de anclaje deberían abrirse en su extremo y ser colocados con cuñas. Estructuras especiales: Cuando no es factible realizar la transposición de conductores en torres normales mediante crucetas adecuadas, son necesarias torres especiales. Los tramos largos sobre ríos y bahías y los cruces de carreteras principales y líneas principales y líneas más importantes de
ferrocarril, requieren torres mucho más altas que las normales o torres con un factor de seguridad mayor.
CIMENTACIONES 1. TIPOS DE CIMENTACIONES. Fundaciones para torres de transmisión CIMENTACIONES Las cimentaciones (fundaciones) para los soportes de línea aérea pueden ser: 1) CIMENTACIONES MONOBLOQUE O DE BLOQUE UNICO 2) CIMENTACIONES FRACCIONADAS O DE PARTES SEPARADAS. 3) MICRO PILOTADAS O DE PILOTES 4) Placas para las riendas de torre arriostradas. CIMENTACIONES MONOBLOQUE: Las cimentaciones de bloque único se pueden calcular con el método de Sulzberger que es particularmente apropiado cuando el suelo presenta resistencia lateral y de fondo con fundaciones profundas; o con el método de Mohr, que se adapta a terrenos son resistencia lateral, con bases anchas. Hay otros métodos, a saber: Mohr, completado con las tablas de Pohl, la red de líneas de Blass, Kleinlogel – Burkein, Valensi. Las cimentaciones para torres, cuando el suelo presenta buenas características resistentes, generalmente son de "patas separadas". Los pilotes se emplean para efectuar fundaciones en terrenos en los cuales las características resistentes se encuentran solo "a profundidad". Finalmente, comentaremos que los postes de madera no se fundaban simplemente enterrados. Se verifica su cimentación con el método de Sulzberger. METODO DE SULZBERGER En la Revista Electrotécnica se dan en detalle el método de Sulzberger, en los ejemplares marzo - abril de 1964 y marzo – abril de 1975. Allí se demuestran las expresiones cuyo resultado es la tabla Nro. IX.
Entre los varios métodos de cálculo de fundaciones, el método de Sulzberger se conoce por su creciente popularidad en los últimos años, particularmente en Austria y Suiza. En la Argentina se lo usa también desde hace varios años y los resultados obtenidos en las regiones con fuertes vientos, justifican esta opinión (Por ejemplo, la línea de 66 KV entre Comodoro Rivadavia y Cañadon Seco, construida en el año 1953; la línea de 66 KV entre Gral. Madariaga y Mar de Ajó, construida en 1970, que pasa por terrenos anegadizos, arenosos y normales). El método se basa sobre un principio verificado experimentalmente, que para las inclinaciones limitadas tales que
el terreno se
comporta de manera elástica. En consecuencia, se obtiene reacción de las paredes verticales de la excavación y normales a la fuerza actuante sobre el poste, hecho que no figuración de las paredes está limitada solamente a la fricción que aparecería durante un saqueo vertical del bloque de la fundación. En el método de Sulzberger se acepta que la profundidad de entrada del bloque dentro del terreno depende de la resistencia específica del terreno contra la presión externa en el lugar considerado. La mencionada resistencia específica se llama presión admisible del suelo y se mide en Kg/cm 2. Esta presión es igual a la profundidad de entrada multiplicada por el "índice de compresibilidad C". Así tenemos: (Kg/cm2) Económicamente, el método se adapta particularmente bien para fundaciones profundas en forma de bloques de hormigón para terrenos normales.
Para el fondo de excavación se acepta el valor de C (llamado Cb) igual hasta 1,2 C. Siguiendo el principio mencionado se puede decir que la resistencia que se opone a la inclinación de la fundación, se origina en dos efectos: El encastramiento de la fundación en el terreno como también fricción entre hormigón y tierra a lo largo de las paredes verticales, normales a la fuerza actuante. Reacción del fondo de la excavación provocada por las cargas verticales. Las fuerzas mencionadas en el punto 1, se evidencian en el momento Ms (lateral) llamado momento de encastramiento y las del punto 2, en el momento del fondo Mb. En caso de fundaciones de poca profundidad y dimensiones transversales relativamente grandes, existe la relación (Ms / Mb) < 1. En resumen, el método se emplea para calcular los siguientes tipos de cimentaciones: A bloque único, para poste de hormigón (sean postes triples, dobles o simples). Primero se predimensiona y después se verifica. Para verificar la estabilidad de los postes de madera. En terrenos normales, a 2m de profundidad, los coeficientes de compresibilidad valen:
Sulzberger determinó que la fundación que la fundación tiene su centro de giro ubicado a 2/3 de la profundidad total (Figura 1).
El procedimiento consiste (en la práctica), en asumir los valores de a, b y t (Figura 2). Por ello se acostumbre predimensionar dando: Para fijar los valores de a y b se toman 15 cm en cada lado en el predimensionado. Para verificar, se calcula el momento de vuelco.
Deben calcularse los momentos estabilizantes. Se pueden seleccionar varias disposiciones. Consideramos dos tipos de ubicación de la fundación: a) dos caras paralelas a la línea y dos perpendiculares a la línea b) las cuatro caras en ángulo, llamada rómbica. Se debe verificar según Sulzberger, el coeficiente de estabilidad sea tal que: Los tanteos consisten justamente en lograr el valor de s (ver Figura 3 y tabla Nro. X).
Valores mucho mayores hacen una fundación cara y valores menores la hacen inestable. PESO TOTAL: Interviene en el fondo (G), es: Peso del poste + peso de fundación + peso de conductores + peso de aisladores. PESO DEL POSTE: En la tabla VIII se puede consultar peso para soportes de hormigón. Para calcular el peso de la fundación se escribe: (Volumen del hormigón) Donde:
Para postes dobles, el cálculo es igual, salvo que:
Y se debe verificar:
Donde:
En casos de terreno, con distintas características resistentes, se emplean diferentes tipos de fundaciones. Por ejemplo: Fundación tipo A: Suelo de tierra negra. Aparecen capas de agua en profundidad mayor que 2,5 m (ver Figura 4).
Fundación tipo B: Suelo de tierra negra. Se encuentra agua entre 2 y 3 m de profundidad (Ver Figura 5): Fundación tipo C: Tierra arenosa, médanos. A una profundidad de 1,50 m aproximadamente, se encuentra agua. La capa superior es muy buena para fundaciones son del tipo superficiales. (Figura 6).
Fundación tipo D Zona baja con bañados. A una profundidad de 1,00 m aproximadamente, se encuentra agua. La capa superior es de tierra negra y es la que ofrece las mejores características para fundar. Las fundaciones son superficiales. (Figura 7). Fundación tipo E Zona similar a la que se emplean en fundaciones tipo D, pero de peores condiciones en cuanto al agua. Se emplean fundaciones superficiales. (Figura 8). Fundación tipo F Suelo de tierra negra. Las capas superficiales presentan mejores características para fundar que las capas profundas, pues aparece agua a profundidades entre 1,50 y 2,50 m. Se emplea fundación profunda (similar a las tipo A o B), pero con zapata superficial (Figura 9). Fundación tipo G Suelo de tierra colorada con agua en la superficie, muy blanca, en zonas profundas se encuentran buenas condiciones para fundar. Es el caso recíproco de las fundaciones tipo F. Se emplea zapata profunda (Figura 10).
NOTA: La tabla IX vale para fundaciones sin zapata. Para bases con zapata ver los artículos en las "Revistas Electrotécnica" citada. CALCULO DE CIMENTACIONES SEGUN MOHR. Previo a comentar el método de Mohr recomendaremos el comportamiento de una viga ate la solicitación de flexión compuesta.
Se dice que una viga esta sometida a compresión simple cuando la fuerza actúa en su centro de gravedad. El diagrama de tensiones muestra una distribución uniforme. El eje neutro está en el infinito. (Figura 11)
(Compresión) Se dice que una viga está sometida a flexión simple, cuando el diagrama de tensiones muestra dos triángulos iguales (Figura 12). El eje neutro pasa por el centro de gravedad.
Si la fuerza es de comprensión pero no pasa por el centro de gravedad, sino por uno de los ejes principales de inercia, a una distancia ey, se tiene flexión compuesta simple. El eje neutro puede pasar por la figura o por el borde o fuera de la misma.
En la Figura 13 se ejemplifica el caso en que el eje neutro pasa por el borde y en la Figura 14, el mismo caso, con el eje neutro fuera de la figura. En el primer caso la tensión es triangular y en el segundo, trapecial. Si la fuerza no está aplicada en ningún de los ejes principales (Figura 15), la solicitación se denomina flexión compuesta oblicua.
Interesa en muchos problemas, determinar la posición del eje neutro. En dicho eje, la tensión es nula. Se puede hallar su posición haciendo
o bien:
por lo tanto:
de donde:
Expresión que da la distancia del eje neutro al centro de gravedad. El signo menos indica que su posición es opuesta a la de la excentricidad ey de la fuerza. Para el cálculo de cimentaciones, interesa que todos los puntos estén sometidos a esfuerzos del mismo signo. Se demuestra trigométricamente que, para que eso ocurra, la excentricidad de aplicación de la fuerza, debe ser
menor que 1/6 de la longitud total de la pieza. Se define así un rombo donde conviene que actué la fuerza ver la Figura 16. Si la aplicación de la fuerza está en el centro de gravedad, todo el esfuerzo es de compresión y el eje neutro está en el infinito. Si la fuerza se comienza a alejar del centro de gravedad, el eje neutro se comienza a acercar a la figura pero aún la resultante del esfuerzo combinado de comprensión y flexión es un trapecio. En el límite es un triángulo. Cuando la fuerza se aleja más y el eje neutro ya está dentro de la figura, se tienen 2 triángulos, pero uno de ellos implica que la solicitación es de tracción, y las fundaciones rígidas directas de hormigón no trabajan bien a la tracción, pues su resistencia es exigua. Ver Figura 17.
En el caso de flexión compuesta oblicua, la ecuación toma una compresión simple más dos flexiones simples.
Reemplazando los momentos de inercia por radios de giro puede encontrarse la posición del eje neutro con:
Reemplazo, resulta que el eje neutro esta posición oblicua. Para y = 0 es:
Para z=0 es:
El problema de determinar la posición del eje neutro y las tensiones en los bordes, en el caso de una sección sometida a flexión compuesta oblicua y cuando no se consideran los esfuerzos de tracción, fue resuelto, para
secciones rectangulares, por Pohl, quien construyó una tabla que permite hallar el valor de
.
La tensión se calcula con:
El coeficiente m se obtiene en función de ez/b y ey/h, donde ez y ey son las excentricidades de aplicación de la carga respecto al baricentro. SINTESIS DEL PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE MOHR Este antiguo procedimiento de cálculo, que lleva el nombre de Mohr, se utiliza cuando se trata de bases anchas que están fundadas a pocas profundidades, dado que para éstas, la influencias de la resistencia lateral del suelo, disminuye considerablemente en comparación con las resistencias de las bases del terreno. Este procedimiento de cálculo será asimismo elegido, cuando las bases no se hallen rodeadas de un buen suelo a todos los costados. Empleo, en fundaciones mas angostas, el procedimiento de cálculo da resultados demasiados desfavorables, de tal modo que el procedimiento se hace menos apropiado cuanto más grande sea la relación entre la profundidad de excavación y el ancho de la base. Allí es donde interesa aplicar Sulzberger. Nótese que si no se toma Ms en Sulzberger, s debe ser menor que 1,5, claro es que también las capas del suelo laterales proporcionan resistencia contra cambios de posición de la base; la que solo se considera indirectamente en el procedimiento de Mohr agregando a las cargas verticales el peso del volumen de la tierra, cuyas superficiales laterales externas atraviesan los bordes de la base de la fundación y están inclinadas un ángulos b que depende del tipo de suelo (líneas de puntos límites en la Figura 18).
Comúnmente, el ángulo b se toma de tal modo que, el peso adicional de tierra sea justo igual a las fuerzas de fricción que surgen cuando la fundación es solicitada por una fuerza axial de extracción. En realidad, en las torres de las líneas, la fundación experimenta una rotación y la reacción del suelo solo actúa donde la fundación trata de desprenderse de la tierra, ella es, por lo tanto, menor de lo que se tiene en cuenta. La reacción, por lo tanto, actúa en forma excéntrica.
1 Aún cuando en esta forma se obtuvieron dimensiones de fundaciones apropiadas en ciertos casos, este método de cálculo, en el que las resistencias laterales del suelo (y fuerzas de fricción) son reemplazadas por el peso de un volumen de tierra, no puede llevar a obtener resultados generales utilizables. Los siguientes pasos, donde se indica el procedimiento de Mohr, se limitan a fundaciones con cortes rectangulares transversales. El cálculo se basa en la suposición que, la base de la fundación permanece horizontal y que las presiones que surgen en la base, conservan la misma relación que los aplastamientos de la base en el suelo. A causa de estas condiciones, se obtiene la distribución lineal de las presiones de suelo sobre la base. Pero las fuerzas de presión solo se transmiten sobre toda la superficie cuando la fuerza promedio de las cargas verticales y horizontales del soporte y de la reacción del volumen de la tierra actúa en el núcleo de la superficie de la base. Esto ocurre, con referencia a la Figura 16, cuando las coordenadas ex: ey del punto del ataque, cumplen la condición:
Si el punto de ataque se encuentra fuera del núcleo, entonces se produce una línea neutra en la superficie de la base, la que separa la parte efectiva de la fracción de superficie que transmite presión, de la fracción no efectiva es un triángulo, un cuadrado o un trapecio. La posición de la línea neutra y la máxima presión en las esquinas se determinan mediante las condiciones de equilibrio de la Estática Clásica; pero el cálculo directo es solamente posible cuando la superficie de presión forma un triángulo o un cuadrado. Con
una
superficie
de
presión
trapecial,
los
tramos
determinantes
desconocidos de líneas neutras ya no se dejan separadas en las condiciones de equilibrio no lineales según estas dimensiones y solo se pueden resolver mediante pruebas. TABLAS DE POHL K. Pohl propuso tablas con cuya ayuda es posible, en forma simple, determinar la máxima presión de esquina en todo caso, independientemente que la superficie de presión forme un triángulo, cuadrado o trapecio. previamente hay que determinar la posición del punto de ataque de la fuerza promedio que se obtiene de las ecuaciones de momentos alrededor de los ejes x-x e y-y de la base, de coordenadas: ; V= fuerzas verticales (Ver figura 19 - a los momentos solo contribuyen las fuerzas horizontales como así también fuerzas verticales fuera del centro de los mástiles).
La mayor presión de esquina se obtiene entonces de:
Donde: F = a.b es la superficie de la base y el coeficiente m se toma de la tabla 81 para los valores ex/a y ey/b (dados separadamente).
Si por lo menos la mitad de la superficie de la base debe transmitir tensiones, entonces solo se deben utilizar los valores de m que se halla a la derecha o respectivamente por debajo de la línea escalonada A-A, Bass reemplazó la tabla numérica de Pohl por una red de líneas de las que se puede leer el coeficiente m inmediatamente. El peso específico del suelo se asume para la determinación de reacciones del suelo comúnmente con:
COMENTARIO FINAL El problema de aplicar directamente el método de Mohr consiste en que generalmente, las fuerzas en el caso de líneas son horizontales y las componentes verticales son menores que las horizontales. A fin de incorporar una fuerza vertical importante, las fundaciones se realizan en profundidad y la zapata es extendida. En ese caso se considera, además del peso propio de los conductores, aisladores y estructuras (P1), el peso de la tierra sobrepuesta (Pp). Si llamamos: para que la fuerza caiga dentro del núcleo central, evitándose las fuerzas de tracción, debe ser:
CIMENTACIONES FRACCIONADAS: macizos independientes para cada pata de la torre CÁLCULO DE CIMENTACIONES A PATAS SEPARADAS En este tipo de cálculo, que se realiza para dimensionar las bases de las torres de acero, se parte de la hipótesis que: dos patas trabajan "a la comprensión" y dos "al arranque". Ver Figura 20.
Para el arranque se agrega al peso de la tierra directamente sobrepuesta a la placa "a" de la Figura 20 (que puede ser de hormigón o un emparrillado metálico), una cantidad de tierra que corresponde al ángulo de arranque. Dicho ángulo es función de las características del terreno. vale entre 8 y 40°. Se indica con F a la fuerza de compresión y con Z a la de arranque. Los valores del ángulo de arranque se pueden consultar en la planilla Nro.XI.
PLANILLA N° XI GUIA
AUXILIAR
PARA
DETERMINAR
EL
COEFICIENTE
DE
COMPRESIBILIDAD Y LA PRESION ADMISIBLE. Presión
Tipo
admisible compresibilidad [c]
Del terreno para
determinar
Coeficiente
de
Suelo Naturaleza Guía auxiliar práctica coeficiente de
A
Laguna,
[o]
compresibilidad
Kg/cm2
C[Kg/cm3]
Visual
0,5
0,5-1
3-5 --
puño 0,8
1a2
3-5 20
2a4
25
pantano B
Muy blando Apretándolo arena fina
a
cerrado escurre entre los
húmeda
dedos.
Arcilla blanda C
1,8
Arcilla
5a8
6-8 25-30
medio dura seca fina seca D
6a9
Arcilla
Se deja amasar con 3
rígida
dificultad pero
(Arena
se puede formar en la
gruesa
mano rollos
y
de 3mm sin corte ni
pedregosa) desgrane
10
10- 25-35 12
11 a 13
E
Arcilla
Se desgrana y se corta
gruesa
cuando se pretenden 4
Dura
formar rollos de 3mm de
diámetro
en
13 a 16
12- 37 15
la
mano. Esta húmeda y por ello su color es oscuro F
está 5
Arcilla
Visualmente:
rígida
seco. La tierra es de
(Pedregullo color y
claro,
20
cuyos
canto terrones se quiebran.
rodado) = " Angulo de escurrimiento" a usar con el método de Mohr = "Angulo de arranque" a usar en "patas separadas" C = Coeficiente de compresibilidad a emplear con Sulzberger. Las fundaciones se predimensionan y luego se verifican a la comprensión y al arranque. VERIFICACION AL ARRANQUE Teniendo las fuerzas Z que tratan de arrancar la torre, mientras que la fundación y la tierra superpuesta tratan de impedirlo, se llega a la siguiente expresión (teniendo en cuenta la consideración de Sulzberger).
Donde:
VERIFICACION A LA COMPRESION Tenemos como dato la presión ( ) máxima que soporta la tierra:
40
Esto es para terreno normal; para resto, ver planilla Nro. XI. La expresión a aplicar es:
FUNDACIONES PARA POSTES DE MADERA No se fundan, van simplemente enterrados en tierra apisonada, en algunos casos se agrega una cruz inferior. CIMENTACIONES MICROPILOTADAS: pilotes profundos. PILOTES En terrenos cuyas capas portantes se encuentran en profundidad, se emplean pilotes hincados y unidos cerca de la superficie por cabezal para realizar la fundación. Normalización de Pilones Para las mismas torres del catálogo, las cimentaciones en roca se resolvieron con pilones anclados. Estos pueden ser pilones verticales (Fig. 2) o pata de elefante (Fig. 3). La normalización en estos casos consistió en considerar el nivel más alto de la torre con su máxima extensión y el resto de los niveles para la extensión E+0. Cada uno de estos pilones, se diseñaron para capacidades de la roca de 294.1, 490.25 y 735.8 kPa. Se supusieron extensiones de dado libre de 1.50 y 2.50 m de longitud y estos dados se consideraron de sección transversal cuadrada y circular. También como en el caso de las zapatas, se analizaron los casos en que los pilones se colocan con sus lados paralelos o rotados 45º respecto de la dirección de la línea de transmisión. Los pilotes excavados (también llamados pilotes pre-excavados, los pilotes excavados perforados y los pilotes hormigonados “in situ”, constituyen una de las soluciones clásicas de cimentación o fundaciones especiales. Su utilización está generalmente relacionada a la baja capacidad del suelo o bien por la necesidad de resistir grandes cargas transmitidas por la estructura a fundar. Su diseño permite soportar combinaciones de esfuerzos verticales, horizontales y momentos flectores, como por ejemplo en las fundaciones de puentes, edificios o pilotes utilizados como contención de taludes.
El desarrollo constante de nuevos equipos y herramientas hacen posible obtener rendimientos y profundidades de excavación que antes eran impensadas. Pilotes Terratest ofrece pilotes de profundidades hasta aprox. 60 m, dependiendo del tipo de suelo y condiciones de la obra. Los diámetros normales de los pilotes oscilan entre los 620 y 2000 mm y pueden emplearse en todo tipo de terreno, incluso en roca, si se utilizan las herramientas de perforación o excavación adecuadas. Las fases de ejecución de un pilote excavado y un pilote hormigonado son básicamente tres:
Realización de la excavación o perforación. Dependiendo del tipo de suelo, se pueden utilizar camisas de acero recuperables o lodos para sostenimiento de las paredes de la excavación.
Colocación de la armadura
Colocación del hormigón, el que normalmente se vierte bajo agua mediante tubería tremie.
El método de excavación en general es determinado por las características del terreno y por las condiciones particulares de la obra. Pilotes Terratest posee la tecnología adecuada para realizar el sistema de excavación óptimo, utilizándo los equipos y métodos más apropiados para cada caso, para garantizar la mejor solución tanto técnica como económica:
Excavación encamisada con cuchara y trépano
Perforación rotativa encamisada
Perforación rotativa bajo lodos
Perforación mediante Hélice Contínua (Continuous Flight Auger = CFA)
La utilización más frecuente de los pilotes se da en los siguientes casos:
Fundaciones de Puentes en lechos de ríos, pasos superiores sobre carreteras, etc.
Fundaciones de edificios o estructuras con grandes solicitaciones en terrenos de baja capacidad portante.
Sostenimientos de taludes y excavaciones masivas en edificación complementados con Anclajes Postensados.
Fundaciones para torres de Líneas de Alta Tensión, torres de telefonía, torres eólicas, etc.
CIMENTACIONES
ARMADAS:
armadura
interior
formada
por
barras
corrugadas de acero. 5.3. CIMENTACIÓN CON PARRILLAS EN PLACAS DE CONCRETO
5.3.1
Este tipo de cimentación será utilizado en suelos cuya capacidad soportante sea menor a 1,5 kg/cm2, pero mayor a 1,0 kg/cm2, y en las patas de tracción de todas
las torres de remate final y ángulos mayores de 10°.
5.3.2 El
concreto para la placa de cimentación tendrá una resistencia característica de 210 Kg/cm2 a los 28 días de colado.
La incorporación de la nueva normativa de apoyos para líneas de 30, 45 y 66 kV según NI 52.15.01, así como la definición de apoyos de perfiles metálicos según NI 52.10.01 hace necesario recoger en el presente documento las cimentaciones de los mismos, a la vez se procede a la revisión de todas las cimentaciones incluidas en el presente documento. Este documento sustituye y anula al anterior MT-NEDIS 2.23.30 de fecha (9507) edición 1ª. 1 Objeto El presente documento tiene por objeto especificar los cálculos justificativos y dimensiones, de las cimentaciones de hormigón y anclaje en roca destinadas a los apoyos de líneas aéreas de Iberdrola. Campo de Aplicación Este documento se aplicará a todas las cimentaciones de apoyos de las líneas aéreas hasta 66 kV de Iberdrola, a excepción de aquellas situadas en terrenos de fangos turbosos, pantanosos, de rellenos sin consolidar, etc., que precisen de cimentaciones especiales (pilotes, cimentaciones flotantes, etc.). Documentos de Consulta RLAAT Reglamento técnico de líneas aéreas de alta tensión EH-82 Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armados. MTNEDIS 2.23.32 Construcción de líneas aéreas de alta tensión. Ejecución de
accesos y MT-NEDIS 2.23.39 Construcción de líneas aéreas de alta tensión. Apoyos metálicos de celosía series 30T, 45T y 66T. NI 18.80.01 Pernos de anclaje para apoyos de líneas aéreas NI 52.04.01 Postes de hormigón armado vibrado NI 52.04.02 Postes tubulares de hormigón armado vibrado NI 52.10.01 Apoyos de perfiles metálicos para líneas aéreas hasta 30kV. NI 52.10.10 Apoyos de chapa metálica para líneas aéreas de baja y alta tensión NI 52.15.01 Apoyos metálicos de celosía para líneas eléctricas aéreas de 30,45 y 66k
ESTUDIOS DE SUELOS Acciones que el suelo puede proveer Uno de los aspectos importantes a tomar en cuenta
para el diseño, planificación y construcción de este tipo de
estructuras, así como muchas otras, es el suelo sobre el que se va a cimentar, ya que este es el más importante en las ecuaciones de diseño, en los costos y en la ubicación. Por lo anterior debe tenerse gran cuidado en el estudio de suelos que se hará, así como en el tratamiento de los datos que se obtienen, además es importante identificar las
zonas de alto riesgo para las estructuras y diseñar con márgenes de seguridad adecuados. Tipo de estudio a realizar Es importante en primer lugar identificar el tipo de estudio de suelo a efectuar, según el tipo de estructura, para esto se tomará como base las normas recomendadas para Guatemala por la Asociación Guatemalteca de Ingeniería Estructural y Sísmica (AGIES). En la norma NR-2 AGIES 2002, se específica en el capítulo 6, lo referente al sitio, en donde se norma lo referente a las condiciones del terreno; debe identificarse donde será construido el edificio, no se debe de realizar proyectos si existe una alta probabilidad de derrumbes, deslaves, licuación del suelo, o problemas de agentes meteorológicos, fracturas geológicas, sismos, etc. Las precauciones especiales se tomarán para cada estructura conforme al nivel de protección sísmica. El grado de protección sísmica de este tipo de estructuras será de A o B debido a la clasificación de esta estructura u obra, como utilitaria, por lo tanto el Índice de sismicidad que se dará será de entre 2 y 3, excepto en los casos en que así lo requiera el lugar para construcción, puede tomar un valor más alto. De acuerdo a lo anterior, debe de efectuarse un dictamen geotécnico Tipo II o III. Para el Tipo II debe haber verificación geológica del área general e investigación del subsuelo a cargo del ingeniero civil o geotecnista, para determinar la capacidad portante del suelo; el tipo de material por encontrar, con la presentación de perfiles estratigráficos; profundidad recomendable a cimentar;
tipo
de
cimentación
recomendable;
empujes
laterales
y
recomendaciones de estabilidad de cortes verticales mayores a 2 m durante la construcción. Para un estudio Tipo III: Investigación del subsuelo a cargo del ingeniero civil geotecnista, características para el diseño de estructuras especiales que requieran la evaluación de interacción suelo-estructura o para cimentaciones especiales que deban de estudiarse en conjunto con el comportamiento elástico del subsuelo; tales como placas de cimentación, vigas en soporte elástico, pilotes o similar. Toma de muestras Para esto se realizará tomas de muestras inalterada s, según los procedimientos adecuados, ya sean estos por medio de pozos a cielo abierto o por medio de perforaciones de profundidad.
Debe tenerse el cuidado adecuado en la toma de muestras para que estas den un resultado satisfactorio en los ensayos a realizar Ensayos necesarios y resultados Los ensayos a realizar, son: Peso volumétrico del suelo, ensayo triaxial sin drenaje, clasificación del suelo, granulometría y corte simple, los datos a obtener están especificados en la norma NR-2 AGIES
2002 especificados
anteriormente, son de vital importancia para el diseño el peso volumétrico del suelo, la cohesión C, el ángulo de fricción interna φ . Debido a que estos datos son los necesarios para el diseño de la cimentación. Para tener una idea general de los rangos de valores de los datos necesarios para el diseño de cimentaciones se pueden tener los siguientes valores para condiciones medias
2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES y ejemplo de dimensionamiento.
CONCLUSIÓN Las torres de las líneas de transmisión constan de diversas formas y tipos que permiten soportar las fuerzas propias de los cables y fuerzas externas incluyendo las fuerzas sísmicas. Su fabricación debe ser ligera o robusta en la medida de y peso de los conductores a traces de la distancia requerida por vanos. La cimentación es acorde a la fuerza resultante que debe soportar y trasmitirlas al suelo, para la cual es necesario efectuar la evaluación del suelo a fin de predecir la forma y dimensión de los cimientos que trasmitirán las fuerzas al suelo por lo que es importante conocer la capacidad portante del suelo a fin de tomar las decisiones correspondientes que nos permitan diseñar las dimensiones y forma de la fundación. Se deberá tener cuida en elegir el método respectivo para el cálculo de los parámetros de la fundación.
BIBLIOGRAFÍA. La bibliografía correspondiente es el artículo del Ing. Tadeo Maciejewsky Calculo de fundaciones para líneas de transmisión de energía eléctrica con el método de Sulzberger - revista Electrotécnica argentina - Marzo Abril 1964 – pag. 59 a 69
