Zona de carga de hielo pesado: Diseño estructural y guía de verificación de carga para postes de transmisión de acero cónicos de 69 kV a 230 kV
El desafío estructural de las zonas de mucho hielo para las líneas de transmisión de EE. UU.
La parte superior del Medio Oeste, el Noreste y Alaska enfrentan graves riesgos de acumulación de hielo cada invierno.. La tormenta de hielo de enero de 1998 en el noreste de Estados Unidos, que provocó derrumbes generalizados de torres de transmisión y fallas en las líneas, sigue siendo un libro de texto para la industria.. El impacto de la acumulación de hielo en los postes de acero de transmisión se extiende mucho más allá del aumento de las cargas verticales:La acumulación de hielo aumenta el área expuesta al viento de los conductores y cables de tierra., multiplicando las cargas de viento transversales;desprendimiento de hielo desigual y galoparGeneran importantes tensiones longitudinales desequilibradas entre vanos adyacentes.; más críticamente, elAparición combinada de cargas de hielo y viento.impone demandas de resistencia a las estructuras de postes que superan con creces las de los escenarios de diseño convencionales.
Para postes tubulares de acero cónicos de 69 kV a 230 kV, la verificación de la carga es fundamental para garantizar la integridad estructural en zonas con mucho hielo. Este artículo describe sistemáticamente los requisitos de carga y los criterios de selección estructural para el diseño de postes en zonas de hielo pesado, según las regulaciones NESC y los estándares de diseño ASCE/SEI 48-19.
Requisitos de carga de zonas de hielo pesado del NESC y clasificación de distritos
ElCódigo Nacional de Seguridad Eléctrica (NESC, ANSI C2)es el estándar fundamental obligatorio para el diseño de líneas aéreas de transmisión en los EE. UU.. NESC divide el país en tres distritos de carga climática:
Fuente: Tabla 250-1 del NESC
En el distrito de carga pesada, ejemplificado por Pensilvania, las instalaciones aéreas deben diseñarse paraHielo radial de 0,5 pulgadas + viento de 40 mph + temperatura de 0°F.
Factores de carga para estructuras de acerobajo NESC Grado B Construcción se especifican de la siguiente manera:
Carga extrema de hieloes otro requisito crítico para el diseño de zonas de hielo pesado: las instalaciones deben resistir unacarga radial mínima de hielo de 1,25 pulgadas (31,8 mm), con una densidad de hielo de57 pcf (aprox. 913 kg/m³), temperatura a 0°F y velocidad del viento a 0 mph. Algunos estados y empresas de servicios públicos han adoptado normas internas aún más estrictas..
Norma de diseño estructural ASCE/SEI 48-19
ASCE/SEI 48-19, Diseño de estructuras de postes de transmisión de acero, es el estándar de diseño especializado emitido por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, que proporciona una base técnica uniforme para el diseño, detalle, fabricación, prueba, ensamblaje y montaje de estructuras tubulares de acero cónicas conformadas en frío.. La norma se aplica tanto a estructuras autoportantes como arriostradas, y cubre varios tipos de cimientos, incluidos cajones de concreto, pilotes de acero y empotramiento directo..
Para aplicaciones en zonas con mucho hielo, ASCE/SEI 48-19 requiere que los diseñadores consideren las siguientes combinaciones de carga:
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Regla NESC 250B (carga de distrito): Combinación estándar de cargas de hielo y viento.
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Regla NESC 250C (viento extremo): Se aplica solo a estructuras que superan los 60 pies (18,3 m) de altura
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Regla NESC 250D (Hielo extremo con viento simultáneo): Período de retorno de 100 años combinación de carga extrema de hielo y viento
El Manual 74 de la ASCE, Directrices para la carga estructural de líneas de transmisión eléctrica, proporciona además metodologías de cálculo de carga basadas en la confiabilidad y sirve como referencia autorizada para el análisis de carga en zonas de hielo pesado..
Selección de material y espesor de pared para postes de acero cónicos
Selección de grado de acero
Para aplicaciones en zonas con mucho hielo,ASTM Gr50 (límite elástico mínimo 345 MPa) o Gr65 (límite elástico mínimo 448 MPa)Se recomienda acero de alta resistencia.. Gr65 ofrece una mayor capacidad de momento con el mismo espesor de pared, lo que ayuda a controlar el peso general del poste y los costos de transporte.
Requisitos de espesor de pared
El boletín RUS 1724E-224 exige un espesor mínimo del metal base para los componentes de torres de acero galvanizado:
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Miembros de esquina principales: ≥3/16 pulgada (4,76 mm)
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Otros miembros: ≥1/8 de pulgada (3,18 mm)
En zonas con mucho hielo, los diseñadores suelen profundizaraumentar el espesor de la pared a topepara abordar el momento máximo en la línea de tierra resultante de combinaciones de carga NESC. El espesor específico de la pared a tope debe determinarse en función del momento de la línea de tierra calculado a partir de los casos de carga NESC, asegurando que la relación de tensión no exceda 1,0..
Diseño de poste cónico
Las líneas de zonas con mucho hielo se sirven mejor mediantepostes cónicosque varían el espesor de la pared y el diámetro de la sección a lo largo de la altura del poste, fortaleciendo la sección de tope mientras se mantiene una rigidez superior adecuada. Para diseños de ajuste deslizante de múltiples secciones, se debe prestar especial atención a la verificación de pandeo local en la zona de empalme (normalmente ≥24 pulgadas/610 mm de longitud de compromiso).
Parámetros clave para la verificación de carga
Los siguientes parámetros son críticos para la verificación de carga de postes de acero cónicos de 69 kV a 230 kV en zonas con mucho hielo:
Consideraciones de diseño de cimientos y empotramiento directo
Para postes de acero empotrados directamente en zonas con mucho hielo, el diseño de los cimientos requiere atención adicional a:
1. Profundidad de empotramiento y resistencia lateral de la tierra
Las cargas laterales incrementadas por la acumulación de hielo se transmiten directamente a la sección empotrada, lo que requiere suficiente profundidad de empotramiento para proporcionar resistencia lateral al suelo. Los diseñadores deben calcular el corte y el momento de la línea de terreno basándose en las combinaciones de carga NESC y determinar la profundidad efectiva de empotramiento según el tipo de suelo.
2. Consideraciones sobre las heladas
Las zonas con mucho hielo suelen coincidir con la penetración de heladas estacionales. La sección incrustada debe extendersedebajo de la línea de escarchaSe deben utilizar materiales de relleno no susceptibles a las heladas (p. ej., piedra triturada, arena/grava) para evitar el levantamiento de las heladas.
3. Protección contra la corrosión para la sección empotrada
La sección integrada enfrenta dos desafíos: la corrosión del suelo y los ciclos de congelación y descongelación. Se recomienda aplicarrevestimiento bituminoso o protección con funda termorretráctilsobre elASTM A123 Grado 100 (100μm)Revestimiento galvanizado en la zona de empotramiento.
Conclusión
El diseño estructural de postes de acero cónicos de 69 kV a 230 kV en zonas con mucho hielo debe cumplir estrictamente conNESC C2requisitos de carga yASCE/SEI 48-19Metodologías de diseño estructural. Desde cargas de hielo distrital de 0,5 pulgadas hasta escenarios de hielo extremo de 1,25 pulgadas, desde un factor de carga de viento de 2,50 hasta un umbral mínimo de espesor de pared de 3/16 de pulgada, cada parámetro impacta directamente la seguridad estructural en condiciones invernales extremas.
Para proveedores que planean participar en licitaciones de proyectos de transmisión en el Alto Medio Oeste, Noreste o Alaska, especificando explícitamente“Cumple con el Distrito de Carga Pesada NESC”,“Diseño ASCE/SEI 48-19”Y una tabla completa de parámetros de verificación de carga en las propuestas técnicas es la base para establecer la credibilidad técnica.
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