Las torres de telecomunicaciones garantizan las comunicaciones del país y garantizan el desarrollo del mismo. Estas estructuras deben soportar carga de peso propio y carga de viento, siendo esta última la principal causa de fallo de las mismas debido a los vientos huracanados durante la temporada ciclónica. En los últimos años el país ha sido azotado por varios fenómenos atmosféricos como ciclones, que han provocado el colapso parcial o total de un gran número de torres de telecomunicaciones. El número de colapsos de las torres de telecomunicaciones con respecto a otras estructuras de similar complejidad es elevado (Roitshtein 1999, Smith 2007). En el período de 1996-2012 colapsaron un total de 59 torres de telecomunicaciones (Martín 2012). Con el fin de mantener y prolongar el período de servicio de estas estructuras se estudia cómo obtener modelos más económicos y eficaces a partir de cambios en los elementos componentes de acuerdo a las tecnologías existentes en el país.

La forma, dimensiones y distribución espacial de los elementos que conforman las torres de celosía son aspectos que influyen notablemente en las cargas de viento. Esto determina que pequeñas variaciones en algunos de los parámetros geométricos de la torre pueden cambiar su respuesta frente a las cargas de viento extremas.

El primer paso para el diseño de torres de telecomunicaciones es escoger la tipología apropiada de la estructura que puede ser autosoportada o atirantada. Luego es necesario definir algunas características como son: secciones transversales (cuadradas, triangulares y rectangulares), tipos de configuraciones de arriostramiento, perfiles para los elementos estructurales (angulares, tubulares o mixtas), entre otras (Duhovnik 2012

El Laboratorio de Análisis y Modelación de Torres de Telecomunicaciones de la Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría (CUJAE) en la búsqueda del perfeccionamiento del sistema de comunicación de la Unión de Ferrocarriles de Cuba, creó el modelo GT con alturas de 33 m, 45 m y 60 m (Ver Figura 1) basado en una torre autosoportada de sección triangular, en el que se combinan elementos tubulares para las columnas y angulares para el resto de los elementos.

Por problemas tecnológicos, en el país se construyeron las torres modelo GT sustituyendo las secciones tubulares en las columnas por elementos angulares. Este trabajo se basa en el análisis de las variaciones de solicitaciones y de velocidad resistente de los modelos GT (33 m, 45 m y 60 m) al ser sustituidas las secciones tubulares de las columnas por perfiles angulares.

2- MÉTODOS Y MATERIALES

El objeto de estudio de esta investigación son las torres modelo GT-33, GT-45 y GT-60 que forman parte de la red de nuevas torres proyectadas para la infraestructura de comunicaciones del ferrocarril cubano. El diseño original de la torre contaba con tranques y diagonales conformados por perfiles de alas iguales y las columnas de sección tubular variable con la altura de la torre.

Sobre la base de la distribución geométrica de estos modelos, se diseñaron tres variantes de torres de diferentes alturas (33 m, 45 m y 60 m) únicamente constituidos por elementos angulares, ellas son:

I. Torre que presenta forma de troncotetraedro hasta los 26 metros de altura a partir de este punto, continúa con la forma de prisma de base triangular equilátera de 1 metro hasta los 33 metros.

II. Torre con forma de troncotetraedro hasta los 38 metros y a partir de esta altura continúa con la forma de prisma de base triangular equilátera de 1 metro hasta alcanzar los 45 metros.

III. Torre con forma de troncotetraedro hasta los 53 metros y a partir de esta altura continúa con la forma de prisma de base triangular equilátera de 1 metro hasta alcanzar los 60 metros (Figura 2).

Modelación de la torre

El fuste se modeló como una armadura espacial, que conforma la estructura tridimensional mediante las columnas, diagonales y tranques horizontales. Los elementos fueron considerados como barras, elementos lineales con dos nudos extremos. La modelación se realizó de forma computacional, utilizando el programa SAP-2000 versión 14.0, software basado en el método de los elementos finitos.

Las columnas se consideraron continuas para todos los modelos desde la base hasta el tope de la torre, ya que las uniones entre ellas garantizan la transmisión de momentos. Estas se encuentran arriostradas por los tranques, los cuales disminuyen la longitud de pandeo del elemento y rigidizan la estructura. Las uniones entre los elementos tranques y columnas y entre las diagonales, se consideraron articuladas debido a que, en todos los casos, la asociación entre estos elementos se realiza mediante pernos en dependencia de la torre en cuestión.

Los tres puntos de apoyo de la torre en su base se consideraron como articulados, ya que la resultante de la fuerza de los elementos que llegan al apoyo coinciden con el centroide de la plancha base, aunque en el diseño de la misma se colocaron cuatro pernos que son capaces de tomar los posibles momentos que se pudieran generar. Los materiales utilizados en las torres típicas GT fueron A-572 G50 para las columnas y A-36 para tranques y diagonales. Las características de estos se muestran en la Tabla 1. En el análisis se consideraron trabajando en su régimen elástico y lineal.

Los nuevos diseños de torres están conformados por acero A-36 (tensión de rotura: 400 MPa, límite de Fluencia: 250 MPa). Sus propiedades se consideraron linealmente elásticas y constantes en el tiempo.

Para el análisis de la estructura se analizaron la carga permanente y la carga de viento extrema. Al peso propio de la torre se le añade el peso de la antena, para el caso de este análisis, se consideró el modelo GSM 800 10310 del fabricante Kathrein (Kathrein 2010) y el peso de los accesorios (chapas y tornillos) que está establecido como un 10% del peso total de la estructura.

La componente dinámica de la carga de viento es la que corresponde al valor de la componente fluctuante de la velocidad de viento y la NC 285: 2003 establece que debe ser considerada siempre que la estructura presente un período de oscilaciones propias mayores de 1 segundo (T=1.0s). En estas torres no fue necesario realizar el análisis de esta componente, ya que ninguna presenta períodos de oscilación mayores de un segundo (Oficina Nacional de Normalización 2003)

Se toma como dirección del viento 0 grado según plantea la Norma Cubana y, las direcciones 60 y 90 grados planteadas por las normas específicas de torres (British Standards Institution 1995, Canadian Standards Association 2001, Telecomunications Industry Association 2005), ya que en estas normas son consideradas como críticas para el cálculo de carga de viento en estructuras de sección triangular (Figura 3) (Casas 2010).

El cálculo de la carga de viento que actúa sobre las antenas (Figura 4) se realizó según lo establecido por la norma estadounidense de torres de telecomunicaciones (TIA/EIA-222-G 2005).

Cambios realizados al modelo original

El cambio realizado en la sección de los elementos es la sustitución de las columnas en el Modelo GT por perfiles angulares de alas iguales. En la Tabla 2 se muestran algunas de las características de ambos tipos de sección.

Las combinaciones de carga fueron determinadas a partir de lo establecido por la norma cubana vigente de combinaciones de carga NC 450, 2006 (Oficina Nacional de Normalización 2006) (Tabla 3). La Tabla muestra las combinaciones para 0 grados, son las mismas para 60 y 90.

3- RESULTADOS Y DISCUSIONES

Los resultados que se muestran de fuerzas interiores y reacciones de apoyo corresponden al modelo GT de 33 m ya que los restantes modelos se comportan de forma análoga. Los elementos se identifican según la nomenclatura utilizada en la Figura 3, las columnas se denominaron como: A, B y C, correspondiendo con los vértices, y las diagonales y tranques como: AB, BC y CA, según las caras. El convenio de signos adoptado fue: para las compresiones (-) y (+) para las tracciones. No se tomaron en cuenta las fuerzas interiores de momento y cortante, debido a que sus valores son muy pequeños y los elementos que conforman el fuste están sometidos principalmente a fuerza axial de compresión y tracción.

Modelo GT-33

Columnas

El análisis de los resultados reveló que en las columnas los máximos valores de solicitación se encontraban en las cercanías de la base de la estructura, hecho que corrobora el comportamiento tipo voladizo que presentan las torres ante carga de viento (Figura 5).

Los valores máximos absolutos tanto a tracción como a compresión se localizaron en la columna del vértice C para las direcciones 60 y 0 grados en las combinaciones 0.9CP+1.4CVT+CVA y 1.2CP+1.4CVT+CVA, respectivamente.

Diagonales

Se observa que existen irregularidades en el comportamiento de las diagonales. Este comportamiento se debe de un primer cambio de arreglo de las diagonales de Tipo K a Cruz de San Andrés y producto de un segundo cambio de rigidez del fuste de la torre de troncotetraedro a prisma de base triangular equilátera, ver Figura 6. A continuación, se puede observar los máximos valores de fuerzas axiales de tracción y compresión de la torre en cada una de sus caras.

Tanques

En los tranques el análisis del comportamiento reveló que la ubicación de los máximos valores de solicitación difiere en función de la dirección de viento analizada. En los tranques al igual que en las diagonales, el cambio de arreglo de las diagonales y de la rigidez del fuste de la torre inciden en el comportamiento estructural. Este hecho produce irregularidades en su comportamiento.

Los mayores valores de solicitación de compresión y tracción se obtuvieron para las direcciones de viento 0 y 60 grados en las combinaciones 0.9CP+1.4CVT+CVA y 1.2CP+1.4CVT+CVA

En el caso de las reacciones de apoyo, los resultados arrojaron que las mayores reacciones de tracción y compresión ocurrieron en la columna C para las direcciones 0 y 60 grados respectivamente

Modelo GT-33 modificado (construido en Bainoa)

La torre situada en la localidad de Bainoa, municipio Jaruco presenta cambios sin previa consulta con el proyectista por lo que se hará el análisis de las modificaciones que aparecen en las fuerzas interiores con respecto al modelo original y se cuantifica la máxima velocidad de viento que es capaz de resistir.

A través del análisis estructural se detectó que en el caso de las diagonales la dirección que provoca los máximos valores de tracción es 60 grados y los de compresión 0 grados, en el caso de los tranques la dirección más desfavorable es la de 0 grados al igual que en las columnas. En las Figuras 9, 10, 11 se muestran los mayores valores de fuerzas interiores de los elementos de las torres.

Análisis estructural de torre autosoportada con modificaciones en sus elementos bajo la acción del viento

En las Figuras 9 y 10 se muestran los resultados de las columnas, diagonales y tranques más solicitados para ambos modelos (GT 33 original y GT 33 modificado) tanto a tracción como a compresión. En ellos se puede observar que para los casos de fuerzas de compresión aumentaron al modificar las secciones de las columnas, mientras que en las solicitaciones de tracción solo aumentaron para las columnas y las reacciones de apoyo. En las diagonales y tranques las variaciones en fuerzas interiores no fueron significativas ya que ambos modelos tienen la misma configuración en estos elementos. Los aumentos se deben en gran medida al incremento que existe en la presión de viento que actúa sobre la torre.

Análisis de la velocidad de viento máxima resistente de los modelos

Se realizó un análisis de la carga de viento máxima que es capaz de resistir las columnas como elementos principales de los modelos de estudio según las solicitaciones de la norma cubana. Se demuestra que los Modelos GT 33,45 y 60 son capaces de resistir la velocidad de viento que establece la normativa cubana vigente NC 285: 2003, sin embargo, al modificar estos modelos, sustituyendo sus columnas tubulares por angulares estas se encuentran en fallo para la misma velocidad. Para estos modelos se realizaron iteraciones, disminuyendo la carga de viento en 10% hasta determinar la velocidad máxima que es capaz de resistir la estructura. En la Tabla 4 se muestran los resultados obtenidos para la combinación más desfavorable en los modelos de torre objeto de estudio.

Como se observa en la Tabla 4 en el caso del modelo GT-33 modificado solo con un decremento de un 10% en la carga de viento la torre resiste. Para el caso del modelo GT-45 modificado solo resiste con un decremento del 50% de la carga de viento. En el modelo GT-60 a la velocidad establecida en la NC 285:2003 para la región occidental existen elementos en fallo, manifestado en dos de las diagonales principales del quinto tramo de la torre. Además, el diseño no es satisfactorio para ninguna de las regiones del país por lo que se recomienda no usarlo con los cambios analizados.

4- CONCLUSIONES

. Las variaciones en la capacidad resistente de las torres son mayores del 20%, alcanzando valores significativos que deben ser tomados en cuenta para el diseño de las mismas. Los resultados reflejaron incrementos en las fuerzas interiores de las columnas de los modelos GT-33, GT-45 y GT-60 modificados respecto a los modelos GT con columnas tubulares de un 18%.

2. La carga de viento actuante sobre los modelos GT aumenta en un 20% si se sustituyen las columnas tubulares por angulares de alas iguales.

3. Los modelos GT-33, 45 y 60 diseñados con elementos angulares solo soportan el 90%, 50% y 20% de la carga que se establece en la NC 285: 2003 para la zona occidental del país respectivamente, lo cual equivale a una velocidad de viento de 156 km/h, 116 km/h y 73 km/h respectivamente (promedio en 10 minutos).

Referencias

Casas, D. G. (2010) Estudio comparativo de normas para torres de telecomunicaciones. Facultad de Ingeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. Tesis de Diploma.

Duhovnik, P. T. (2012) ¨A comparative criteria method for telecommunications towers with different topological designs¨. Mechanical. 18(2), 127-134. ISSN 1392 1207.

Kathrein. (2010) Base Station Antennas, Filters, Combiners and Amplifiers for Mobile Communications, in Catalogue 2010.

Martín, P. (2012) Evaluación de la vulnerabilidad estructural de torres autosoportadas de telecomunicaciones bajo cargas de viento y sismo. GREDES, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. Tesis de Maestría.

Oficina Nacional de Normalización (2003). Carga de viento. Método de cálculo NC 285:2003. Ciudad de La Habana, Cuba.

Oficina Nacional de Normalización (2006). Edificaciones-Factores de Carga o Ponderación-Combinaciones. NC 450:2006. Ciudad de La Habana, Cuba.

Roitshtein, M. (1999) ¨Analysis of Masts and Towers Failures¨. IASS Masts and Towers Working Group Meeting. Krakow.

Smith, B. W. (2007) Communication structures. London, Great Britain.

TIA/EIA-222-G (2005). Structural standards for Steel Antenna Towers and Antenna Supporting Structures. Telecommunications Industry Association, USA.