ESTUDIOS EN TÚNEL DE VIENTO TORRES DE LÍNEAS TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL NORESTE

ARGENTINO

Dr. Ingeniero Civil Mario Eduardo De Bortoli , Facultad de Ingeniería (UNNE). En el año 2009 fue distinguido con el Premio “Ing. Enrique Butty 2009” por la Academia

Nacional de Ingeniería. Profesor Titular Ordinario de Mecánica de los Fluidos.

Msc. Ingeniero Mecánico Jorge Omar Marighetti , Facultad de Ingeniería (UNNE). Profesor Adjunto y Asociado, en las cátedras de Control automático de Procesos y

Sistemas de Control. Resumen Las líneas de transmisión de energía eléctrica del Noreste argentino (NEA), torres tensadas y autoportantes, son estructuras de perfiles metálicos reticulados. Desde el punto de vista aerodinámico, torres y conductores, se consideran estructuras esbeltas, pero por su peso son consideradas estructuras livianas. Intensivamente construidas desde principios del siglo XX, aún siendo apropiadamente diseñadas bajo criterios de los códigos de viento más actualizados, sufren colapsos imprevistos con vientos fuertes. Para verificar y comparar coeficientes de fuerza obtenidos de los reglamentos vigentes en Argentina, el Laboratorio de Aerodinámica, Facultad de Ingeniería - UNNE, disponiendo de las herramientas y recursos humanos adecuados, realizó ensayos en túnel de viento de capa límite con modelos reducidos de torres, de dimensiones y formas geométricas de las utilizadas en esta región. Empresas de energía eléctrica que operan en la región, sugieren que las causas de colapsos de algunas torres podrían deberse a tormentas distintas a los reproducidos en túnel de viento de capa límite. Finalmente, se propone un nuevo enfoque en la valoración de cargas a partir del diseño y construcción de un túnel de viento, manteniendo el concepto de capa límite, que reproduce tormentas verticales descendentes desplazadas por tormenta extra tropicales. Abstract Noreste Argentina (NEA) line transmission towers, guyed tower and freestanding tower, are metallic and lattice profiles structures. Towers and conductors, from aerodynamic point of view, are slender structures, but light structures regarding the dead weight. Intensely built since the early XX century, even being properly designed under criteria of the most current wind codes, unexpected collapses by strong winds happen. The Laboratorio de Aerodinámica, Facultad de Ingeniería-UNNE, having suitable equipment and human resources, conducted scale model towers boundary layer wind tunnel tests, with geometric shapes and dimensions used in NEA region and compared with force coefficients from current Argentinean wind codes. NEA region electric power company operators suggests that some tower collapse causes could be from different storms those wind tunnel boundary layer simulated. This work proposes a load assessing method upgraded from the redesign and construction of a new wind tunnel, which reproduces downburst storms displaced by extra-tropical storm, keeping the boundary layer concept

1. INTRODUCCIÓN

La utilización de torres metálicas reticuladas como estructuras soportes de líneas de transmisión eléctricas, se intensificó después de la Segunda Guerra Mundial cuando se construyeron en los EEUU un gran número de torres transmisoras de radio. Sin embargo, solo a partir de 1950 se comenzaron a realizar numerosos estudios orientados a aportar información para códigos de viento, de manera que los coeficientes de carga consideren adecuadamente la acción del viento en este tipo de estructuras.

En general, las líneas de trasmisión y distribución de energía eléctrica, emplean torres del tipo tensadas (guyed tower) y autoportantes (freestanding tower), cuyas estructuras se componen de diversas configuraciones construidos con perfiles metálicos dispuestos en forma reticulada. Desde el punto de vista aerodinámico, torres y conductores de un línea de transmisión eléctrica, se consideran estructuras esbeltas, pero por su peso son consideradas estructuras livianas.

Por otra parte, debido a la extensión de las lineas de transmisión de energía eléctrica, es alta la probabilidad de ser sometidas a cargas de viento provenientes de tormentas fuertes de gran escala hasta tormentas muy localizadas, como ser tormentas eléctricas, corrientes descendentes, huracanes y tornados, situándola desde el punto de vista de la Confiabilidad Estructural como una estructura civil con características particulares. Desarrollos de métodos de cálculo, utilización de materiales cada vez más sofisticados y nuevas tecnologías en estructuras civiles, estimuló el diseño y la construcción de estructuras más livianas, de baja rigidez y menor amortiguamiento, convirtiendo a éstas en elementos altamente sensibles a los efectos inducidos por el viento. Adicionalmente, en estructuras civiles consideradas livianas, tales como, antenas, chimeneas, puentes de grandes vanos, cables, torres y tableros de puentes, líneas de transmisión de energía eléctrica, entre otras, las fuerzas provocadas por la interacción fluido-estructura pueden originar fenómenos de inestabilidad dinámica, capaces de provocar el colapso de las mismas.

Los reglamentos de viento vigentes para determinar la acción del viento sobre estructuras, en los que se incluyen estas torres, consideran al viento provocado por tormentas extratropicales (vientos sinópticos), en condiciones de atmósfera neutralmente estable. Esta hipótesis implica que las masas de aire son desplazadas cientos de kilómetros, alcanzando un estado de equilibrio dinámico con la rugosidad superficial sobre la que se desplaza, provocando la turbulencia de tipo mecánica varias veces superior a la convectiva. Este tipo de tormenta es lo suficientemente conocida, porque al desplazarse en grandes extensiones fueron registradas por sensores de velocidad convenientemente ubicados, de modo que actualmente se dispone de suficiente información para describir la estructura espacial y temporal del campo de velocidades de viento atmosférico y así relacionar con el estado de carga que provoca. Las principales característica de este tipo de viento es que, usualmente la velocidad del viento está constituida por la adición de una componente media paralela a la superficie, alineada con la dirección del escurrimiento medio y disminuyendo en altura, y la componente de velocidad instantánea que provocan las fluctuaciones aleatorias del viento atmosférico [1, 2, 3, 4]. Los túneles de viento de capa límite, como el disponible en el Laboratorio de Aerodinámica de la UNNE, reproducen en escala reducida estos eventos, por medio del escurrimiento de capa

límite turbulenta en estado estacionario. Los vientos simulados en estos túneles incluyen la caracterización de vientos medios, con gadientes de velocidad creciente en altura y la distribución espacial de las componentes turbulentas [5].

Sin embargo, estas torres, aún siendo apropiadamente diseñadas bajo criterios de los códigos de viento más actualizados, sufren colapsos imprevistos con vientos fuertes, algunas veces, de velocidades menores que la velocidad básica del sitio del proyecto o de diseño [6]. En menos de cuatro años, entre 1991 y 1995 la línea de 132 kV (LAT), Monte Caseros – Curuzú Cuatiá, fue impactada por dos tornados que habían puesto en serio riesgo el abastecimiento del SE de la Provincia de Corrientes. El primer evento derribó siete estructuras de hormigón pretensado simple terna y el segundo hizo colapsar siete torres doble terna. La segunda tormenta, octubre de 1995, resultó de severa intensidad, en la escala Fujita F1 [7] con vientos estimados en 130-160 km/h y una extensión de 3km de ancho por 40 km de largo. Datos recogidos en estos accidentes indican que las causas de la mayoría de los accidentes en líneas de transmisión se deben a otros tipos de tormentas, no contempladas en la mayoría de los códigos de viento, cuyas características, naturaleza y dinámica son completamente diferentes. Estas tormentas, típicamente, son de corta duración, con componentes de velocidades verticales descendentes y elevada intensidad local en lo que se incluyen los tornados y las tormentas TS [8].

En este trabajo, en una primera etapa, se presenta los procedimientos de valoración del viento atmosférico y los coeficientes adimensionales de cargas utilizados por las normas de cálculo de torres metálicas a la acción del viento vigentes en Argentina.

Posteriormente, considerando la escasa y dispersa información normativa que se dispone en el país respecto a estas estrucutras y con el objetivo de incorporar la acción de las componentes fluctuantes en la determinación de los coeficientes de fuerza, se diseña y realiza ensayos con modelos reducidos de torres en el túnel de viento de la UNNE. Considerando el instrumental disponible en el laboratorio, se desarrolló el diseño y construcción de la balanza de medición, adecuado a la estructura a ensayar; se sistematizó los métodos de adquisición y procesamiento de registros para fuerzas de arrastre y sustentación. Posteriormente se contrastaron los coeficientes obtenidos en el ensayo con los aportados por normas vigentes en Argentina para evaluar si los coeficientes sugeridos son adecuados para el proyecto y diseño de este tipo de estructuras.

Por último, se propone el diseño de un túnel viento orientado a reproducir específicamente tormentas TS, con una escala de simulación adecuada a las prácticas de construcción de modelos en el área estructural, de manera de superar las actuales limitaciones en la reproducción de dichos eventos, que hasta el momento se realizan en muy pequeña escala. Con la construcción del nuevo túnel, la reproducción de eventos transitorios permitirá abordar el estudio a escala reducida de torres y líneas de transmisión de energía eléctrica expuestas a la acción de tormentas con caracerísticas transitorias.

2. CARACTERIZACIÓN DE VIENTOS E INTERACCIÓN CON LA ESTRUCTURA PARA DISEÑO DE TORRES

El viento atmosférico son masas de aire en movimiento debido a la radiación solar, proveedor de energía a la atmósfera, generando un sistema de circulación por el calentamiento no uniforme de la superficie terrestre, provocando que la densidad del aire disminuya en proximidad del ecuador, respecto a los polos. Como consecuencia, el aire de menor densidad se desplazaría del ecuador hacia el polo, y el aire más denso desde los polos hacia el ecuador, generándose una región de recirculación de flujo. Considerando además el fenómeno de rotación de la tierra, el retraso producido por la fricción superficial, la turbulencia, los obstáculos montañosos, las diferentes características del suelo que componen la superficie terrestre (agua, arena, bosques) y las variaciones del estado del agua en la atmósfera, se obtendrían desplazamientos de masas de aire característicos que constituyen el viento climático.

Los reglamentos de viento consideran que la carga es proporcional a la presión dinámica del viento, la sección transversal expuesta y el coeficiente adimensional de fuerza. La ponderación correcta de esta carga requiere, por un lado, una correcta valoración del viento incidente y, por el otro, una adecuada estimación de los coeficientes adimensionales.

Para la determinación de la acción del viento sobre las torres, los reglamentos valoran la presión dinámica del viento a partir de registros sistemáticos de vientos atmosféricos de estaciones metereológicas, incorporando conceptos de estadísticas y probabilidad. De esta manera, las características del viento que se observan de mediciones realizadas, incluyen caracterizaciones del viento relacionadas con desplazamientos de masas de aire en gran escala, debido a las distancias de las estaciones meteorológicas.

Un método sugerido para visualizar las escalas espaciales involucradas, consiste en cambiar el registro de velocidad del viento del dominio del tiempo al dominio de las frecuencias. El primer espectro de este tipo fue presentado por Van der Hoven en Brookhaven, Long Island, NY, USA, [9] (figura 1), que permite visualizar el registro temporal en el dominio de las frecuencias y exhibe las características del viento en sus distintas escalas de desplazamientos.

Fig. 1: Espectro de Van der Hoven del viento atmosférico (Cook, 1985).

Las diferencias entre las escalas de los desplazamientos de masas de aire que genera el clima, de cientos de kilómetros hasta el milímetro, permite que los vientos correspondientes a ambas fuentes podrían separarse estadísticamente. El mayor pico se localiza a una frecuencia de 0.01 ciclo/hora (pico macro meteorológico) y corresponde a un sistema de clima desarrollado de cuatro días. El segundo pico se ubica en frecuencias más altas y asociadas con la turbulencia de la capa límite (pico micro meteorológico), extendido sobre un rango que comprende desde 10 minutos hasta 3 segundos. Entre ambos, se define un rango de frecuencia de un orden de magnitud; una región (depresión del espectro) de bajo contenido de energía que produce poca fluctuación en la velocidad del viento.

Así, el espectro de Van der Hoven confirma la diferencia entre las escalas del clima y el viento en la capa límite atmosférica, permitiendo establecer diferentes criterios de valoración. En este sentido, como las estructuras tienen dimensiones finitas, la ponderación del viento incidente sobre la estructura, descripta por los reglamentos se relaciona con la zona del valle espectral (velocidades medias horarias), ponderando los picos del espectro macro meteorológico mediante la valoración de modelos probabilísticas de valores extremos y los picos de la región micro meteorológica, incorporando los coeficientes picos.

3. PROCEDIMIENTOS NORMATIVOS DE CÁLCULO PARA TORRES ELÉCTRICAS UTILIZADOS EN ARGENTINA

3.1 Valoración de las presiones dinámicas según los reglamentos vigentes.

Los códigos de viento, o normas de cálculo para torres de energía eléctrica, vigentes en argentina, basan en el cálculo de la velocidad básica de viento proveniente de movimientos circulatorios del aire en torno a los centros de baja presión, originados por la interacción de masas de aire a lo largo de frentes. Estas tormentas, cuyo modelo es simulado en túnel de viento de baja velocidad, son conocidas como sistemas de presión plenamente desarrollados o simplemente tormentas EPS (extended pressure systems). Son caracterizadas por una atmósfera verticalmente estable y mantienen una velocidad media razonablemente constante durante algunas horas. Este tipo de tormenta origina vientos fuertes que pueden ser caracterizados por la velocidad media y las fluctuaciones en torno a esa media, originadas casi exclusivamente por la turbulencia mecánica. Esos vientos son los más estudiados y sirven de base a la mayoría de las normas de viento

Los criterios para la determinación de la velocidad de diseño varían entre reglamentos, algunos cuantifican con modelos probabilísticas velocidades medias anuales a determinados percentiles, otros, para relacionar con la vida útil de la estructura incorporan periodos de retorno variables, y los más actualizados consideran las fluctuaciones de velocidades como ráfagas de viento por medio de coeficientes que se relacionan con la teoría de valores picos.

Con relación a los valores de presión dinámica a utilizar compatibles con el procedimiento de cálculo establecido por el Reglamento DIN VDE 0210/12.85 [10] vigente en Argentina, es necesario advertir que la presión dinámica se basa en registros obtenidos en Alemania (país de origen de tal reglamento). Sin embargo, los coeficientes de fuerza adimensionales para torres no especifican bajo que base

estadística son valorados, dejando a criterio del calculista la utilización de presiones dinámicas promediadas en una hora o incorporando efectos de ráfagas.

En el parágrafo 8.1.2, Cargas Horizontales, Ítem 8.1.2.1, refiere a las cargas de viento asumiendo cargas de viento horizontal, dadas por la expresión (1).

AqCW f= (1)

Siendo Cf, es el coeficiente aerodinámico, qz la presión dinámica y A la superficie de exposición.

Por su parte el Reglamento Agua y Energía Eléctrica Líneas Aéreas de Transmisión de Energía Eléctrica [11] en ítem II.1 Condiciones Climáticas y Cálculo Mecánico de Conductores y Protección de Cables III.1. La presión dinámica del viento, en Anexo VI, Especificaciones Técnicas, GC-EI-T No. 1, Versión 1979, es calculada por la expresión (2).

θsenVkWe16

2

= (2)

Siendo, We, carga de viento superficial unitaria, K, coeficiente de presión dinámico, θ, ángulo formado por la dirección de viento horizontal y el plano contenedor del elemento estructural y la velocidad al cuadrado refiere a la presión dinámica del viento. El Anexo introduce también la variación del la velocidad promedio con la altura y sus modificaciones para las siguientes condiciones: a) las hipótesis asumidas para la velocidad del viento son válidas hasta 20 metros de altura; b) para alturas mayores de 20 metros, hasta 30 metros, se tomaran los mismos valores incrementados en un 5 % y c) para valores mayores a 30 metros modifica la velocidad anterior con la altura.

Con intención de actualizar las presiones dinámicas a los nuevos registros meterológicos disponibles, este reglamento modifica el mapa original de velocidades de viento por otro modificando solamente los valores de velocidades medias horarias.

El Reglamento ATEERA, 2004 [12] define la carga de viento en el Capítulo 3, Ítem 3.2.7, Cargas de viento sobre estructuras, dada por la expresión (3).

θsenVkWe16

2

= (3)

Siendo, V, velocidad de viento, K, coeficiente de presión dinámica, θ, el ángulo medido entre la dirección de viento y la estructura.

Por su parte, el Reglamento CIRSOC 102 [13] pondera la carga de viento, asumiendo viento horizontal, dada por la expresión (4).

AqcW zi= (4)

Siendo, Ci el coeficiente aerodinámico, qz, la presión dinámica y A, la superficie de exposición. A diferencia de los reglamentos presentados anteriormente, este valora las fluctuaciones de viento (región micro-metereológica) promediando las velocidades en ráfagas de tres segundos de duración e incorpora información sobre categorías de terreno, niveles de probabilidad, entre otros. La presión dinámica de cálculo qz es definida como:

( ) dz2

pd ccc000613,0)z(q β=

Siendo, cp, Factor de velocidad más probable, el cuál toma en cuenta el riesgo y el tiempo de la construcción de la estructura, en consideración del tipo y uso que se le dedica; β , el la Velocidad de Referencia, promediada sobre un intervalo de tiempo de 3 segundos, en terreno abierto a una altura de referencia de 10 metros de altura y con un periodo de recurrencia de 1 año. cz, coeficiente que expresa la ley de variación de la presión dinámica con la altura, tomando en cuenta la rugosidad del terreno; cd, coeficiente de reducción que toma en cuenta las dimensiones de la estructura.

Una actualización de este último reglamento, el CIRSOC 102, 2001 [14], en Anexo II, Coeficientes de fuerza para estructuras o elementos estructurales con secciones transversales uniforme, Ítem II.3, Secciones transversales con bordes cortantes, Tabla II.4, Coeficiente de fuerza para estructuras, presenta la siguiente expresión (5).

zff qACGF = (5)

Siendo, qz, presión dinámica, G, factor de ráfaga, Af, área de exposición, Cf, coeficiente de fuerza. La velocidad del viento en este código, ítem 5.4.1, la velocidad básica del viento puede ser incrementada en aquellos lugares donde los registros, o la experiencia, muestran velocidades más altas que las indicadas en el reglamento, que toma en cuenta la velocidad de viento local más alta. La presión dinámica, qz (z), registrada a una altura z, es calculada según la expresión,

IVkkkq dztzz2613,0=

Siendo, Kd, factor de la dirección de viento, Kz, coeficiente de exposición de la presión dinámica, Kzt, factor del tipo de terreno, V, velocidad básica de viento y I factor de importancia.

El proyecto de Recomendación CIRSOC 307 [15], en el Capítulo 2, Ítem 2.4, Datos sobre las Acciones, 2.4.2 Estructuras, del CIRSOC 102, consideran la utilización de diferentes velocidades de los diferentes códigos, cuando hayan sido obtenidas de exhaustivos estudios de las condiciones atmosféricas locales. Este análisis refiere a las dos versiones del código de viento CIRSOC 102, versión 1982 y versión 2001.

Por último, la AEA, 2003 [16] en el Ítem 10, para solicitación de cargas externas, dan las condiciones para el calculo en áreas específicas para velocidades de viento, con la expresión dada por (6).

( ) ( )( )ψψψ 2222cos22,01 senCACAsenGVZQF ftmtflmltP ++= (6)

Siendo, F, la fuerza actuante en una dada dirección, ψ , el ángulo medido en un plano horizontal, Aml, área de todos los elementos en la cara de la estructura paralela a la dirección longitudinal, Cfl, coeficiente de fuerza asociados a esas áreas, Amt, área de todos los elementos en la cara de la estructura que son perpendiculares a la línea, Q, coeficiente de la densidad del aire, V, velocidad básica del viento del Reglamento CIRSOC 102, ZP, factor del terreno, Gt, factor de respuesta estructural a las ráfagas.

Este código, para las LT ubicadas en el centro y sur de la provincia de Buenos Aires, Córdoba, Santa Fe, Entre Ríos, Corrientes, Chaco, Formosa y Misiones, permite que las velocidades de viento reportadas en los mapas del reglamento puedan ser actualizadas con registros de datos climáticos considerando la influencia de los tornados.

3.2 Coeficientes adimensionales de fuerza para estructuras reticuladas metálicas según reglamentos vigentes.

A los fines de mantener un criterio acotar la comparación de los coeficientes de fuerza extraídos de los reglamentos, solamente se utilizan los tres reglamentos específicos para líneas de transmisión de energía eléctrica y masivamente utilizados en el cálculo de estas estructuras. En Tabla 1 se muestran los coeficientes de fuerza extraídos de los reglamentos vigentes más específicos para el cálculo de torres de transmisión.

Tabla 1: Coeficientes de fuerza obtenidos en reglamentos vigentes

A y E Estructura reticulada de perfiles 2.8

VDE Postes reticulados cuadrados y rectangulares formados por perfiles

2.8

ATEERA Estructura reticulada de perfiles 2.8

4. DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS ACCIDENTES EN LA REGIÓN

En las dos últimas décadas, se registró un gran avance en el sector energético y el de las telecomunicaciones en nuestro país, propiciada por inversiones estatales y empresas privadas, nacionales e internacionales. Las redes de transmisión de energía eléctrica se acrecentaron en magnitud y complejidad. La mayor parte de esas redes son construidas empleando torres metálicas reticuladas, principalmente en líneas de potencia media y alta, debido a su rapidez de ejecución, economía de materiales y seguridad.

La zona NEA (Noreste Argentino) se caracteriza por padecer tormentas de carácter severo, por ejemplo, en el informe de Schwarzkopf [4] y Serrani [6] se reportaron

informes de localidades correntinas con tormentas fuertes. En el año 1996 la Dirección Provincial de Energía de Corrientes (DPEC), inició investigaciones propias referentes a las causas y efectos de Corrientes descendentes (micro y macro burst) y de los tornados como potenciales riesgos primarios por viento. A fin de mejorar la seguridad en sus cálculos para el diseño de torres de líneas eléctricas, agregó una hipótesis más de carácter extraordinario, considerando la aparición de una velocidad de viento de 145 km/h que se produzca no más de 1 o 2 veces en la vida útil de la Obra. Los colapsos ocurridos con posterioridad demostraron que esta condición no resultó suficiente para bajar a niveles aceptables la probabilidad de colapsos; hasta el punto de observar la caída de 9 torres de 500 kV de una línea paralela, una instalación calculada para vientos de 180 y 240 km/h.

A continuación, se describe una cronología de accidentes en torres de líneas de alta tensión en ocurridas en las dos últimas décadas en la región Noreste del país.

Tornado derriba 7 estructuras de hormigón de simple terna de LAT 132 kV Montecaseros – Curuzú Cuatiá (1993).

Tornado que derriba 7 torres de hormigón doble terna de LAT 132 kV Montecaseros – Curuzú Cuatiá (Octubre de 1995).

Repetidos colapsos de la Línea 132 kV Paso de los Libres – La Cruz, en un número mayor a cuarenta estructuras metálicas derribadas (Oct. 1997 – Dic. 2003).

Innumerables daños por tormentas fuertes en La Cruz, Alvear, Mercedes, Gobernador Martínez y Goya con el saldo de 2 personas muertas (Octubre de 1997).

Fuerte tormenta afecta líneas de MT en Palmar Grande- S Miguel – Caa Catí. En la sección más afectada los postes de madera son seccionados a 1 m de la línea de tierra. Este tipo de evento se repite en 1998 (1997).

LMT 33 kV Saladas-Mburucuyá, son partidos y derribados varios soportes de hormigón (1997).

LMT y BT postes de madera seriamente afectadas en Esquina, Bella Vista y San Roque (Noviembre de 1998).

LAT 132 kV Curuzú Cuatía – Mercedes, una estructura de hormigón derribada (1998).

LAT 132 kV Rincón Santa María-Ita Ibaté, cuatro torres metálicas derribadas (Septiembre de 1998).

LAT 132 kV Rincón Santa María-Ita Ibaté, una torre metálica derribada (Noviembre de 1998).

Tornado en Santo Tomé, derribó la torre Telecom, afectó seriamente la Central y todas las líneas de BT y MT. Se encontraron trazas de tres tornados en una tormenta severa con velocidades de aproximadamente de 160 km/h (1999).

LAT 132 kV Rincón Santa María-Ita Ibaté, cinco estructuras metálicas derribadas (Noviembre de 2000).

LAT 132 kV Rincón Santa María-Ita Ibaté, veintitrés estructuras metálicas derribadas (Octubre de 2002).

Tormenta severa en el Chaco, cercana a Resistencia, colapso de torres de hormigón de las salidas a Formosa, Barranqueras 1 y 2 salidas a Corrientes y Santa Catalina (Abril de 2003).

LAT 132 kV, Rincón Santa María-Ita Ibaté, treinta estructuras metálicas derribadas. Esta tormenta afectó también las torres de 500 kV aflojando los anclajes y produjo cuantiosos daños en todo el sur de Paraguay (Octubre de 2003).

Tornado en Esquina (Corrientes). Dañadas líneas eléctricas, postes de madera y caída de árboles (Noviembre de 2003).

LAT 132 kV Virasoro – Santo Tomé en “los Cerritos”, Santo Tomé, cayeron siete estructuras metálicas. En Sao Borjas (Brasil) colapsaron dos torres de radio (Noviembre de 2003).

Fuerte temporal en Paraje Atalaya, a 5 km de Santo Tomé (Diciembre de 2003).

LAT, 500 kV, Rincón Santa María – Paso de la Patria, nueve torres metálicas derribadas (Diciembre de 2003).

LAT 132 kV, Paso de Los Libres – La Cruz. Fuerte tormenta derriba dos Retenciones y 15 Suspensiones. Derriba en LMT trece torres metálicas, 2kV, en la misma zona. Daños en LMT 33 kV Mercedes – Perugorría y LMT 33 kV Saladas – Mburucuyá (Noviembre de 2004).

Vientos fuertes derriban diecinueve estructuras metálicas y de hormigón de 132 kV en zona de Sáenz Peña - Charata (Chaco) y catorce estructuras de hormigón de 132 kV en zona Ceres – Tostado (Santa Fe) (Noviembre de 2004).

En el año 2004 se contrató al Laboratorio de Aerodinámica (Dpto. de Estabilidad) de la Facultad de Ingeniería de la UNNE para que efectuara recomendaciones de velocidades a usar en futuros Proyectos de Líneas de Transmisión de energía eléctrica en nuestro territorio. Luego de analizar la información disponible, consultas con expertos extranjeros y revisar las normas de proyecto empleadas en el diseño, este laboratorio se expidió sugiriendo el uso de la presión dinámica aconsejada por la VDE 0210/12.85modificada y adecuada a la zona.

Similar inquietud fue asumida en su momento en la “Jubileum Conference on Wind Effects on Buildings and Structures”, llevada a cabo en Gramado, Brasil, Mayo 1998, en la que participaron investigadores de este laboratorio [17]. Especialistas de varios países concedieron que el número de tormentas e intensidad tiene mayor alcance en el mundo, entre las que se contaban las zonas comprendidas entre Argentina y Brasil. Así, los esfuerzos para analizar y comprender los fenómenos involucrados estuvieron dirigidos, por un lado, a obtener nuevos registros meteorológicos y, por otro, a profundizar el análisis de estados de cargas confiables por medio de estudios de torres a escala natural, técnicas numéricas y el área experimental por medio de ensayos en túnel de viento con modelos a escala.

5. ESTUDIOS EN TÚNEL DE VIENTO DE UNA TORRE PARA LÍNEAS DE TRANSPORTE ELÉCTRICA

Los coeficientes de fuerza aportados por los códigos de viento vigentes fueron obtenidos en ensayos en túneles de viento expuestos a flujo uniforme y suave. Si bien las torres metálicas están ubicadas generalmente en terrenos de Categoría I de los reglamentos (campo abierto), donde las intensidades de turbulencia son bajas, los vientos uniformes no reproducen las variaciones de velocidades con la altura y no incluyen la disminución de la intensidad de la turbulencia al aumentar la distancia respecto al suelo.

Las características de variación de velocidades de viento e intensidad de la turbulencia influyen en la definición del lugar del punto de desprendimiento de la capa límite sobre la superficie y en el ancho e intensidad de la turbulencia en la zona de la estela, a sotavento del modelo, influyendo así en el coeficiente de arrastre.

Respecto al tipo de perfil utilizado en la torre, los reglamentos proveen coeficientes para formas geométricas simples. Blessmann (1990), menciona los ensayos realizados por Flachsbat que indican que la fuerza de arrastre sobre un reticulado depende fundamentalmente del índice de área expuesta, no dependiendo de la forma y de la disposición de las barras (excepto para barras de sección circular).

Según el actual estado de conocimientos, los principales factores estructurales que definen las cargas de viento sobre torres metálicas reticuladas son la esbeltez de la torre, relación altura/ancho. En torno de reticulados lo suficientemente esbeltos, el flujo pude ser considerado bidimensional, lo que conduce a coeficientes de fuerza aerodinámica mayores [18, 19].

La determinación de la acción del viento en torres reticuladas, pueden presentarse de dos maneras [20]: por un lado, la determinación de la fuerza que actúa sobre cada elemento del reticulado, sumándose las fuerzas individuales de todos ellos. Por el otro, la división de la estructura de la torre en módulos, determinándose las fuerzas de arrastre sobre esas partes. Así, la fuerza total, obtenida de la suma de las fuerzas parciales es más práctica y rápida.

Como se expuso arriba, los coeficientes de fuerza de los códigos obtenidos en ensayos en túnel de viento no consideran el efecto de la turbulencia (flujo uniforme y suave), careciendo, desde un punto de vista aerodinámico, del efecto de la región micro metereológica del espectro de Van der Hoven El aporte de esta energía contenida en el viento atmosférico es actualmente considerada relevante al momento de un análisis de carga de viento sobre cualquier estructura. .

Para subsanar esta limitación a continuación se presentan los primeros ensayos de torres metálicas reticuladas realizados en el país en el túnel de viento de la UNNE, con reproducción de la capa límite atmosférica en modelo reducidos, incluyendo el empleo de las leyes de semejanda geométrica, cinématica y dinámica para que los coeficientes adimensionales obtenidos sean extrapolados a escala real.

5.1 Túnel de Viento de la UNNE

El túnel “Jacek P. Gorecki” de la UNNE es un túnel de capa límite de circuito abierto. La longitud total del túnel es de 39,65 m. La cámara de ensayos tiene 2,4 m de ancho x 1,8 m de alto x 22,8 m de largo. Posee dos mesas de ensayos giratorias de 1,2 m de diámetro; una a 3,8 m del inicio de la cámara (mesa I), y la otra a 19,4 m (mesa II). La regulación de la velocidad se hace a través de un regulador de caudal mecánico. En figura 2 se aprecia un croquis del túnel y en figura 3 una fotografía exterior del mismo [21].

ContractionHoneycombMotor Turntable II

A ir f l o w

0 , 64 , 2 0

3 , 8 0

1 9 , 4 0

1 5 , 6 03 , 4 0

3 , 6 00 , 81 , 2 57 , 0 0

3 , 4 º

1 , 50

1 , 50

0 , 3 0

1 1 ,2 07 , 2 02 , 0 02 , 4 0

0 , 5 0

Fig. 2: Planta y vista del túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la UNNE.

Fig. 3: Túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la UNNE.

El conjunto de simuladores fue dimensionado de acuerdo al tipo de terreno en el cual se encuentran la torres. Este terreno corresponde a la categoría de exposición II, conforme a la clasificación del reglamento CIRSOC 102, y está definida como: “Zonas llanas, poco onduladas con obstrucciones dispersas, tales como cercas, árboles o construcciones muy aisladas con alturas entre 1,5 y 10 metros”.

Las figuras 4 a 7 muestran las principales características del viento simulado en el túnel: perfil de velocidades medias equivalentes a medias horarias de la atmósfera; espectros de potencia, perfil de intensidad turbulencia y escalas integrales de las fluctuaciones longitudinales, siguiendo el procedimiento propuesto por Cook [9].

0

20

40

60

80

100

120

140

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

z [cm]

U/Ur e f

n = 0.14

Experimental Power law

Fig. 4: Perfil de velocidades medias.

1 10 100 1000

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

fS( f) /σ2

f [hz]

Z = 40 cm

Experimental Atmosfera

Fig. 5: Espectro de potencia.

0

20

40

60

80

0.00 0.05 0.10 0.15

Iu

z[cm

]

Fig. 6: Intensidad de turbulencia local

0

20

40

60

80

0.0 0.2 0.4 0.6 L x , u [m ]

z [cm ]

Fig. 7:Escala integral

5.2 Construcción del modelo reducido

El informe de accidentes ocasionados por el viento en LT implementadas en la región Noreste de Argentina, se observa un área donde la situación es crítica; líneas de 33 kV (LMT) 132 kV y de 500 kV (LAT), las reticuladas metálicas soportan colapsos masivos, principalmente la línea instaladas en la parte norte, región central, de la Provincia de Corrientes.

En virtud de ello, para los estudios de la cargas de viento en túnel de viento se seleccionó la torre de suspensión de perfiles de acero galvanizado reticulados diseñada por ABB TD/L Brasil y que es utilizada en las Líneas de 132 kV “Ituzaingó – Itá Ibaté”, “Ituzaingó – Gdor. Virasoro”, “Gdor. Virasoro – Santo Tomé” y “Santo Tome – La Cruz” entre otras, sumando unos 350 Km de línea en el Nordeste correntino.

Para los estudios en el túnel de viento de la UNNE, la torre fue dividida en tramos seccionales de 9,7 metros, tramo inferior, 12,1 metros, tramo medio y 6,1 metros para el tramo superior. En figura 8 se observan dimensiones generales del prototipo

de la torre reticulada utilizada en los ensayos, donde se observan los tres tramos seccionales mencionados.

Fig. 8: Torre reticulada de la LAT, utilizada en los ensayos en túnel de viento de la

UNNE.

En esta figura, también muestra la disposición direccional que se emplearon durante los ensayos; de izquierda a derecha, la torre presenta su área transversal perpendicular a la dirección del viento (denominada, en los ensayos, dirección 0°), en el centro su área tangencial a la dirección del viento (denominada, en los ensayos, dirección 90°) y, por último, el área obli cua a la dirección del viento (denominada, en los ensayos, dirección 53°).

El modelo rígido de la torre se construyó con perfiles de chapa de aluminio en escala de 1/10 dividida en tres tramos auto-rigidizados, considerando características estructurales de la torre, de los materiales disponibles y las dimensiones de la cámara de ensayos del túnel de viento de la UNNE. En figura 9 se muestran el modelo reducido en tres tramos para su ensayo.

Fig.9: Vista del ensayo en túnel de viento del tramo medio de la torre y los tres tramos en que fue seccionado el modelo de la torre.

La semejanza dinámica del modelo se alcanzó con altos números de Reynolds en la cámara de ensayos, donde la conjunción de escurrimiento turbulento del viento simulado y modelo reducido de la torre con elementos estructurales de aristas vivas, permiten independizar la condición de igualdad en el Número de Reynolds.

5.3 Equipamiento de medición

La balanza para medir fuerzas de arrastre globales en dirección longitudinal respecto a la dirección del viento, de cada sección del modelo de torre, fue desarrollada y construida por este laboratorio; esta, consiste en dos placas rígidas vinculadas por cuatro chapas de acero deformables, sobre la que se implementaron las células de carga que registran la deformación. La célula de carga está formada por bandas extensométricas en una disposición de medio puente Wheastone, las que son registrada a través de un acondicionador de señales Vishay System 2100 y una plaqueta de adquisición Computer Boards PCI-DAS 1602, de 16 canales. Las lecturas se realizaron con una frecuencia de adquisición de 100 Hz en intervalos de tiempo de 20 segundos por lectura. En la figura 10 se muestra la implementación de la balanza de medición en la mesa del túnel de viento

Fig 10: Vista del montaje de la balanza de medición en la mesa de ensayo y el montaje de uno de los tramos de la torre sobre esta.

En los estudios experimentales llevados a cabo en el túnel de viento de la UNNE, los coeficientes de fuerza global, para cada tramo seccional de la torre reticulada, son derivados de la expresión (7).

Aq

FC

d

F = (7)

Donde, F es la fuerza de arrastre generada por el modelo, A, el área de la sección transversal al viento y qd, es la presión dinámica a la altura de referencia del modelo. La altura de referencia, donde se ubica el tubo Pitot-Prandtl que registra la presión dinámica, es la altura máxima que tiene cada tramo de la torre ensayada. Las mediciones de la fuerza de arrastre, para cada tramo de la torre, se midieron para direcciones de viento de 0° 53° y 90°.

6. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES.

En Tabla 2 a 4 se muestran los coeficientes de fuerza obtenidos en los ensayos en el túnel de viento de la UNNE, para los tramos seccionales individuales, en tanto, en Tabla 5 se consignan los coeficientes de fuerza de la torre completa.

Tabla 2: Coeficientes de fuerza global para el tramo seccional inferior

α qd [KPa] Área [m2] F [KN] α1F

C

0 0,320 0.0338 0.0240 2.21

53 0,320 0.0375 0.0219 1.99

90 0,320 0.0172 0.0210 2.11

Tabla 3: Coeficientes de fuerza global para el tramo seccional medio.

α qd [KPa] Área [m2] F [KN] α1F

C

0 0.315 0.0260 0.0185 2.26

53 0.315 0.03042 0.0179 1.90

90 0.315 0.0247 0.0176 2.16

Tabla 4: Coeficientes de fuerza global para el tramo seccional superior.

α qd [KPa] Área [m2] F [KN] α1F

C

0 0.233 0.02176 0.0087 1.72

53 0.233 0.02142 0.0007 1.40

90 0.233 0.01394 0.0052 1.05

Tabla 5: Modelo completo de la torre.

α qd [KPa] Área [m2] α1F

C

0 0.370 0.0815 1.70

53 0.370 0.08904 1.23

90 0.370 0.0558 2.12

Los coeficientes de fuerza obtenidos en los ensayos experimentales en el túnel de viento de la UNNE, adicionando la región del espectro micro metereológico de Van der Hoven, no evidencian variaciones significativas respecto a los aportados por los reglamentos vigentes que fueron obtenidos en túnel de viento sin reproducción de la capa límite atmosférica. La adición de las características turbulentas en el viento incidente produjeron en general una disminución en las magnitudes de los coeficientes obtenidos.

Informes de colapsos imprevistos en líneas de transmisión de energía eléctrica, indican que la mayor parte de los accidentes fueron causados por tormentas no contempladas en los códigos de viento. Las empresas de transporte de energía de EE.UU. [22], Sudáfrica, Brasil, Uruguay y Argentina [23] entre otros divulgaron que las tormentas causantes de daños significativos estaban asociadas con vientos transitorios extremos causados por los desplazamientos de masas de aire descendentes. Estos vientos de difícil detección por la brevedad de su tiempo de acción (fenómeno no estacionario) y por ser espacialmente localizados, constituyen un fenómeno cuyo registro es de extrema dificultad. Podría concluirse, que la información referida a las tormentas descendentes es insuficiente, siendo necesario sistematizar el procedimiento de valoración de carga utilizado en los códigos de viento para definir comunes denominadores que tienden a unificar criterios. También es oportuno desarrollar técnicas de simulación experimental y numérica para obtener información en una manera sistemática y económica, respeto a la interacción de las corrientes descendentes y las torres de transmisión de energía.

El problema de las escalas de reproducción del evento es uno de los inconvenientes críticos y debe ser mejorado para que simulaciones obtenidas en laboratorio puedan utilizarse en el área de la ingeniería estructural. Considerando la dificultad planteada, este trabajo aborda el problema de escala y propone un diseño innovador de túnel de viento que, conservando las virtudes y el equipamiento utilizado en túneles de viento de capa límite, permite incrementar la escala de simulación combinando flujos de aire verticales y horizontales, incluyendo los efectos transitorios. En este sentido el laboratorio propone la construcción de un nuevo túnel de viento [24] y superar las limitaciones actuales respecto a las pequeñas escalas geométricas actualmente alcanzadas en laboratorio. En figura 11 se muestra un bosquejo del diseño propuesto que esta desarrollando este laboratorio.

Figura 11: Bosquejo del diseño del túnel de viento para incorporar eventos transitorios.

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[9] Cook, N. J.; “The designer's guide to wind loading of building structures”, Building Research Establishment Report, Part 1, Butterworths, London,1985.

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[12] Guía de Diseño General de Líneas de Transporte Distribución troncal de la Asociación de Transportistas de Energía Eléctrica de la República Argentina (2004, ATEERA).

[13] Reglamento CIRSOC 102 Acción del Viento sobre las Construcciones (1982).

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[15] Proyecto de Recomendación CIRSOC 307 Estructuras de Acero para Líneas de Transmisión de Energía Eléctrica (1986).

[16] Reglamentación sobre Líneas Aéreas Exteriores mayores a 1 KV de la Asociación Electrotecnia Argentina (AEA, 2003).

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