ESPECIFICACIONES TECNICAS GENERALES
ETG – A.0.21
DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE SUBESTACIONES
Enero 2005
ETG – A.0.21 ESPECIFICACIONES TECNICAS GENERALES DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE SUBESTACIONES
01 01.01 01.02
DISPOSICIONES GENERALES Alcance Normas Aplicables
……… ……… ………
3 3 3
02 02.01 02.02
DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE SUBESTACIONES Intensidad Sísmica de Diseño Espectro de Diseño
……… ……… ………
3 3 4
03
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS PARA ESTRUCTURAS Y FUNDACIONES DE EQUIPOS Equipos livianos Equipos rígidos
………
5
……… ………
5 9
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS PARA ESTRUCTURAS Y FUNDACIONES DE MARCOS DE LÍNEA Y MARCOS DE BARRAS
………
12
GRAFICO Nº 1: Espectro de Respuesta Lineal
………
13
TABLA Nº 1: Valores Típicos de Amortiguamiento
………
14
TABLA Nº 2: Zonificación Subestaciones de TRANSELEC
………
15
03.01 03.02 04
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ETG-A.0.21
ETG – A.0.21 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE SUBESTACIONES
01.
DISPOSICIONES GENERALES
01.01
ALCANCE
Esta Especificación establece las bases generales que se deberán cumplir para el diseño sísmico de estructuras de SS/EE El orden de prelación a aplicar en caso de contradicción será el siguiente: • Especificaciones Técnicas Particulares. • La presente Especificación Técnica General ETG – A.0.21 01.02
NORMAS APLICABLES
En todos aquellos puntos no explícitamente mencionados en esta Especificación, se deberán cumplir todos los requisitos de las ediciones de más reciente publicación del siguiente documento •
ETG – A.020
02. 02.01
Transelec. Especificación de Diseño Instalaciones Eléctricas de Alta Tensión
Sísmico
de
DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE SUBESTACIONES INTENSIDAD SISMICA DE DISEÑO
La intensidad sísmica, es decir, la caracterización de los parámetros que representan los máximos valores de aceleración, de velocidad y de desplazamiento horizontal en la superficie del terreno, será la que le corresponde a la sismicidad del lugar y a las características del suelo de fundación. Las Subestaciones de TRANSELEC se pueden clasificar en tres zonas sísmicas, ver Tabla 2, cada una de las cuales tiene la siguiente aceleración efectiva máxima del suelo, a:
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Zona I: Zona II: Zona III:
a = 0.3 g a = 0.4 g a = 0.5 g
Cuando no se conozca las características del terreno se deberán considerar los valores más severos para estos parámetros, dados por: a/g 0.5 02.02
v [cm/s] 50
d [cm] 25
ESPECTRO DE DISEÑO
• Se usará el espectro de respuesta lineal de aceleraciones establecido en el Gráfico N°1 al final de esta cláusula. Las curvas del Gráfico Nº1 son válidas para a=0,5g; para valores menores, a’, se deberá multiplicar la ordenada espectral por la relación: a' 0,5 ⋅ g • Se elegirá un valor de amortiguamiento ζ de acuerdo a las características de la estructura.
En las cláusulas 03.01.02 y 03.02.02 se indican valores de amortiguamiento para las estructuras y fundaciones de equipos típicos de subestaciones. En la Tabla N°1 al final de esta ETG, se indican valores típicos de amortiguamiento para otras estructuras. • Las ordenadas α(T) del espectro de diseño quedan dadas por las siguientes expresiones: α(T ) =
A (T, ζ ) , T ≥ T1 R
T T ∗ α(T1), 0 ≤ T < T1 α(T ) = 1 − ∗ a + T 1 T 1
donde: a
= aceleración horizontal máxima en la superficie del terreno en el lugar de la obra
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T1
= período correspondiente al punto final de la rama ascendente del espectro lineal de aceleraciones R = coeficiente de modificación de la respuesta A(T,ζ) = ordenada del espectro de respuesta lineal para T y ζ. Ver Gráfico N°1 • El coeficiente de modificación de la respuesta considera la ductilidad de la estructura, la existencia de más de un sistema de elementos resistentes y la experiencia acumulada acerca del comportamiento sísmico de obras similares analizadas. En el caso de estructuras soportantes y fundaciones de equipos eléctricos que presentan comportamientos dúctiles por ser de acero u hormigón, se aplicará un factor igual a 3.
03.
PROCEDIMIENTO DE ANALISIS FUNDACIONES DE EQUIPOS
PARA
ESTRUCTURAS
Y
Se recomienda trabajar con modelos de análisis estático diferenciando dos casos: 03.01
EQUIPOS LIVIANOS
Cuando se trate de estructuras soporte y fundaciones de equipos eléctricos livianos, las que presentan amplificaciones dinámicas importantes (cabeceo), el procedimiento a seguir consiste en un análisis estático Este análisis estático podrás además ser validado por un análisis modal espectral del conjunto equipo – estructura – fundación o del conjunto equipo – estructura o, alternativamente, de un ensayo en mesa vibratoria del conjunto equipo – estructura de acuerdo a lo indicado en la ETG A.0.20. El procedimiento a seguir es el siguiente:
01 Excitación Sísmica de Diseño
El espectro de respuesta lineal será el indicado anteriormente, y las solicitaciones sísmicas corresponden a las siguientes: - En dirección horizontal: un movimiento del terreno cuya intensidad sísmica corresponde a lo indicado en la cláusula 02.02 de estas ETG
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- En dirección vertical: un campo de aceleraciones uniforme y constante de intensidad igual al 60 % de la aceleración horizontal máxima del terreno indicada en la cláusula 02.01 de estas ETG. - La verificación sísmica se hará para dos (2) direcciones horizontales separada e independientemente, eligiendo en cada caso la combinación más desfavorable de direcciones y sentidos de las acciones horizontales y verticales. 02 Amortiguamiento
Para definir la ordenada espectral máxima que se utilizará en la determinación del coeficiente sísmico horizontal, se emplearán los siguientes valores de amortiguamiento expresados como un porcentaje del amortiguamiento crítico: - Estructuras soportantes con juntas soldadas = 3% - Estructuras soportantes con pernos de torque controlado = 5% 03 Ordenada Espectral Máxima
La ordenada espectral máxima A se determinará de la curva del Gráfico Nº1, según el valor de amortiguamiento ζ que corresponda. En el caso de que la aceleración efectiva máxima del suelo sea a’, menor que 0,5g, la ordenada espectral máxima A’ se obtendrá de multiplicar el valor de A por la relación
a' 0,5 ⋅ g Para valores de amortiguamiento intermedios a los mostrados en el Gráfico Nº 1, se podrá interpolar. 04 Coeficiente Sísmico
El coeficiente sísmico se calculará mediante la fórmula: C=
A Rg
donde: R = coeficiente de modificación de la respuesta
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ETG-A.0.21 05 Nivel Basal y Corte Basal
El nivel basal corresponde al plano horizontal en el cual está aplicada la acción sísmica y donde se equilibran mutuamente las resultantes horizontales de las fuerzas de inercia y de las reacciones del suelo de fundación. Este nivel corresponde al sello de fundación. El corte basal está dado por la ecuación: Qb = C ⋅ ∑ Wi , I
donde C es el coeficiente sísmico horizontal y
∑ Wi i
es la suma de los pesos de las partes del sistema situadas por encima del nivel basal, por lo tanto, incluye el peso del equipo, de la estructura, de la fundación y del suelo inmediatamente existente sobre la fundación. 06 Distribución de las fuerzas sísmicas horizontales según la altura
La fuerza de corte basal se distribuirá según la altura, descomponiéndola en fuerzas Fi aplicadas simultáneamente al nivel del centro de masas de cada una de las partes, todas dirigidas en el mismo sentido, en la dirección de análisis. La distribución se hará como se describe a continuación: - Se distribuirá Qb en proporción a los pesos Wi de las partes (distribución uniforme), obteniéndose así fuerzas Fi‘ dadas por la ecuación: Fi′ =
Wi Q b
∑W
= C • Wi
i
i
- Se distribuirá Qb en proporción a los productos hiWi (distribución triangular), obteniéndose así fuerzas Fi’’ dadas por la ecuación: Fi′′ =
hiWiQb
∑ hiWi i
donde hi es la altura del centro de masas de la parte identificada con el índice i, por encima del nivel basal.
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- Se calculará Fi como promedio ponderado de Fi’ y Fi’’, según la ecuación: Fi =
1 2 Fi'+ Fi' ' 3 3
07 Cortes y Momentos
Las fuerzas de corte serán las que resulten de la estática al aplicar Fi. Los momentos correspondientes a las fuerzas Fi se afectarán por un coeficiente de reducción J, dado por la relación:
J = 0,8 + 0,2 ×
h H
en que h es la cota de la sección en la cual se desea evaluar el momento reducido y H es la altura de la parte más alta del sistema, ambas medidas desde el nivel basal. 08 Componente Vertical
El efecto de la componente vertical del sismo se evaluará como se indica en la cláusula 03.01.01 anterior.
09 Verificación de la estabilidad de las fundaciones
La verificación de las presiones de contacto y de la estabilidad de las fundaciones se hará considerando la acción simultánea del sismo horizontal y vertical, para cada una de las direcciones horizontales de análisis consideradas separadamente. En el caso de fundaciones aisladas, el área de contacto entre la base de la fundación y el suelo no podrá ser inferior al 80 % del área de la base. 010 Criterios de Rigidez de las Estructuras de Soporte
Las Estructuras de Soporte de Equipo deberán tener una frecuencia fundamental mayor que cuatro (4) veces la frecuencia fundamental del equipo o mayor que 30 Hz, para evitar amplificaciones dinámicas en la respuesta de los equipos eléctricos ante solicitación sísmica.
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ETG-A.0.21 011 Diseño de Dispositivos de Sujeción de la Estructura a la Fundación
En el caso de que para el diseño de la estructura y su fundación se utilice una Intensidad Sísmica menor que a=0,5g, para el diseño de pernos de anclaje, placas de apoyo, llaves de corte y demás elementos de sujeción de la estructura a la fundación, se deberá emplear un coeficiente de reducción de la respuesta R = 2,25, es decir, las fuerzas de diseño de estos elementos debidas a la componente horizontal del sismo serán las especificadas anteriormente amplificadas por 1,33. Las fuerzas correspondientes al campo vertical se aplicarán sin modificación. 03.02
EQUIPOS RIGIDOS
Los equipos rígidos se caracterizan por no tener amplificaciones dinámicas de importancia y no presentar giro en torno de un eje horizontal al nivel de la fundación (Cabeceo). Estos equipos van anclados directamente a la fundación. El método de análisis sísmico para el diseño de las fundaciones de los equipos rígidos pesados, como son los autotransformadores y reactores, será preferentemente estático. Tanto la excitación sísmica de diseño, la ordenada espectral máxima, el coeficiente sísmico y el nivel y corte basal serán los mismos que para el análisis sísmico de estructuras con amplificaciones dinámicas significativas (ver cláusula 03.01 anterior). Sin embargo, la distribución de las fuerzas sísmicas horizontales según la altura, se realizará en su forma más simple empleando coeficientes sísmicos uniformes, iguales para todas las partes de la estructura e independientes del período natural de ésta. 01 Distribución de las Fuerzas Sísmicas Horizontales según la altura
La fuerza de corte basal se distribuirá según la altura descomponiéndola en fuerzas Fi aplicadas simultáneamente al nivel del centro de masas de cada una de las partes, todas dirigidas en el mismo sentido en la dirección de análisis. La distribución se hará como se describe a continuación: Se distribuirá Qb en proporción a los pesos Wi de las partes (distribución uniforme), obteniéndose así fuerzas Fi dadas por la ecuación:
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Fi =
WiQb = CWi Wi
∑ i
02 Amortiguamiento
Para los autotransformadores de poder, reactores y equipos pesados anclados directamente a la fundación, se emplearán los siguientes valores de amortiguamiento expresados como porcentaje del amortiguamiento crítico: Sobre terreno de Vs ≥ 1800 m/seg = 5% Sobre terreno de Vs < 1800 m/seg = 7% Con Vs = velocidad de propagación de las ondas transversales 03 Cortes y Momentos
Tanto las fuerzas de corte como los momentos correspondientes serán los que resulten de la estática al aplicar Fi
04 Componente Vertical
El efecto de la componente vertical del sismo se evaluará como se indica en la cláusula 03.01.01 anterior. 05 Verificación de la estabilidad de las fundaciones
La verificación de las presiones de contacto y de la estabilidad de las fundaciones se hará considerando la acción simultánea del sismo horizontal y vertical, para cada una de las direcciones horizontales de análisis consideradas separadamente. En el caso de fundaciones aisladas, el área de contacto entre la base de la fundación y el suelo no podrá ser inferior al 80 % del área de la base. 06 Diseño de Dispositivos de Sujeción del Equipo a la Fundación
El diseño de los dispositivos de sujeción se hará de acuerdo a lo indicado en la cláusula 03.01.11 anterior. 07 Validación Sísmica del Equipo completo
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Después de diseñada la fundación, se recomienda realizar un análisis modal espectral del conjunto equipo – fundación, según lo indicado en la especificación sísmica particular del equipo y en la ETG – A.0.20, para validar el diseño sísmico del equipo completo y verificar sus componentes dúctiles y frágiles, contrastando los resultados de las fuerzas sísmicas de diseño definidas para las componentes del equipo con el resultado analítico del modelo modal espectral del conjunto.
04.
PROCEDIMIENTO DE ANALISIS PARA ESTRUCTURAS Y FUNDACIONES DE MARCOS DE LINEAS Y MARCOS DE BARRAS Debido a que las solicitaciones sísmicas son proporcionales al peso de la estructura, en el caso del diseño de las estructuras y fundaciones de los Marcos de Líneas y Marcos de Barras, las solicitaciones sísmicas son considerablemente menores que las solicitaciones debido al peso y tensión de los conductores. Por esta razón, no es necesario incluir las solicitaciones sísmicas en el diseño de estas estructuras.
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Ordenadas Espectrales A(T)/g
Gráfico N°1 Espectro De Respuesta Lineal Para a = 0.5g; v = 50cm /s y Am ortiguam ientos Indicados ζ 0.5%
1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
Coordenadas Puntos Esquina T1 T2 ζ % [seg] [seg] 0.5 0.113 0.451 1 0.115 0.461 2 0.119 0.474 3 0.121 0.485 5 0.125 0.499 7 0.128 0.512 10 0.134 0.535 20 0.148 0.591
ζ 1% ζ 2% ζ 3% ζ 5% ζ 7%
A/g 1.840 1.605 1.370 1.230 1.060 0.945 0.820 0.585
ζ 10% ζ 20%
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Período T [seg] ζ 0.5%
ζ 1%
ζ 2%
ζ 3%
Ecuación de la hipérbola 2
A (T ) T 2 3 A = • , T 2 ≤ T ≤ 2 . 5 seg g g T
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ζ 5%
ζ 7%
ζ 10%
ζ 20%
1.8
2.0
TABLA Nº 1 VALORES TIPICOS DEL AMORTIGUAMIENTO NIVEL DE ESFUERZOS 1. BAJO: Esfuerzos debajo de 0.25 veces el punto de fluencia.
2. MEDIO: Esfuerzos cercanos a la mitad del de fluencia.
3. ALTO: Esfuerzos en la fluencia o justo por debajo de la fluencia.
4. SOBRE LIMITE DE FLUENCIA: Con deformaciones permanentes mayores que la deformación convencional de fluencia.
TIPO Y CONDICION DE LA ESTRUCTURA - Tuberías muy importantes. - Estructura de acero con uniones soldadas o apernadas, sin deslizamiento en las conexiones. - Estructura de hormigón presforzado o de hormigón armado, sin agrietamiento. - Tuberías muy importantes. - Estructuras de acero con uniones soldadas; hormigón presforzado; hormigón armado con solo ligeras grietas. - Hormigón armado considerablemente agrietado. - Estructuras de acero con uniones remachadas o apernadas. - Tuberías muy importantes. - Estructuras de acero con uniones soldadas o de hormigón presforzado sin pérdida completa del presfuerzo. - Estructuras de hormigón armado; hormigón presforzado con pérdida total del presfuerzo. - Acero con uniones remachadas o apernadas. - Tuberías.
± % 0.5 –1.0
1–2 2–3 3–5 5 2–3 5–7 7 – 10 10 5
- Estructuras de acero soldado. - Estructuras de hormigón armado y hormigón presforzado. - Estructuras de acero remachadas o apernadas.
5. TODOS LOS NIVELES: - Sobre roca, vs ≥ 1.800 m/seg (*). Para movimiento de cabeceo - Sobre terreno firme, vs ≥ 600 m/seg (*). de la estructura como un todo. - Sobre terrenos con vs < 600 m/seg (*). (*) vs = velocidad de propagación de ondas transversales
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7 – 10 10 – 15 15 2–5 5–7 7 – 10
ETG-A.0.21 TABLA Nº 2 ZONIFICACION SUBESTACIONES DE TRANSELEC
REGION
ZONA I
ZONA II
ZONA III
I
S/E Tarapacá S/E Lagunas
II
S/E Encuentro S/E Atacama S/E Paposo
III
S/E El Salado S/E Diego de Almagro S/E Carrera Pinto S/E Cardones S/E Castilla S/E Chuschampis S/E Huasco S/E Maitencillo S/E Vallenar S/E Dos Amigos
IV
S/E El Romeral S/E Pan de Azúcar S/E Los Molles S/E Los Vilos
V VI
S/E Quillota S/E Rancagua S/E Sauzal
VII
S/E Itahue S/E Ancoa S/E Loma Alta S/E Curillinque S/E Pehuenche S/E Cipreses
15 de 15
S/E Rapel
ETG-A.0.21
TABLA Nº 2 ZONIFICACION SUBESTACIONES DE TRANSELEC. Continuación
REGION VIII
ZONA I
ZONA II S/E Antuco S/E El Toro S/E Abanico
ZONA III S/E Charrúa S/E Cholguán S/E Concepción S/E San Vicente S/E Cerro Chepe S/E Petrox S/E Bocamina S/E Coronel S/E Laja S/E Los Angeles S/E La Esperanza
IX
S/E Temuco
X
S/E Puerto Montt
S/E Ciruelos S/E Valdivia
METROPOLITANA
S/E Cerro Navia S/E Alto Jahuel
S/E Polpaico
S/E Paine
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