Líneas de Alta Tensión en la
Líneas de Alta Tensión en la
Provincia de Corrientes
Provincia de Corrientes
Los criterios de cargas por viento
Los criterios de cargas por viento
Ing.1.
Análisis
a. Breve historia sobre reconocimiento de los problemas
especiales del viento severo sobre líneas
El problema con el viento comenzó a tomar relevancia en mis consideraciones a partir del año 1996. En noviembre de ese año tuve la oportunidad de Supervisar la reparación de la Línea 132 kV Monte Caseros – Curuzú Cuatiá que había sido impactada por 2 tornados en menos de 4 años y habían puesto en serio riesgo el abastecimiento del SE de la Provincia de Corrientes. Lo singular de estos hechos es que los eventos estaban documentados.
El primer evento derribó 7 estructuras de hormigón pretensado simple terna y el segundo hizo colapsar 7 estructuras doble terna. Estas últimas eran estructuras que pesaban 14 t y fueron partidas a un m de la línea de tierra.
Como todo parecía ajustarse a las normas usuales de diseño y la Obra había sido ejecutada por una Empresa con gran experiencia (TEYMA AVENGOA), quise investigar un poco más sobre la magnitud de la tormenta.
Comencé por el Aeropuerto de Monte Caseros (Corrientes) me describieron el fenómeno que había ocurrido, los registros del viento no fueron asentados porque el equipo de medición salió de escala, sin embargo me dijeron que la UBA había mandado un profesional a investigar. Más tarde contacté con esa persona que resultó ser la Dra. María Luisa Altinger de Schwarzkopf, miembro del Task Force Committe on High Intensity Winds , quien desde 1971 conducía un Equipo en la UBA dedicado al Estudio de los Tornados en la República Argentina, los resultados de la investigación estaban destinados a ser aplicados en el diseño de Obras de Ingeniería, especialmente líneas de transmisión.
Por primer vez se tenían datos serios sobre un evento que había derribado 7 estructuras doble terna de hormigón y causado graves daños en la zona, un extracto del informe dice:
La tormenta fue el 26/10/1995, aproximadamente a las 15 h, se trataba de una tormenta severa de intensidad en la escala Fujita F1 con vientos estimados en 130-160 km/h, con una extensión de 3km de ancho por 40 km de largo.
Posteriormente fui conociendo un poco más sobre la actividad del Comité de expertos en vientos extremos. Un pequeño grupo de ingenieros asistidos por meteórologos y expertos en viento, comenzaron a estudiar los posibles caminos para minimizar los efectos de las tormentas severas (High Intensty Winds) en adelante HIWs. En fallas investigadas en los 80 en Argentina, Australia, Brasil , EUA y Canadá Central, descubrieron la importancia de los HIWs como causantes entre el 80 y el 100% de dichos sucesos.
En los años 90 un estudio sobre fallas en líneas de transmisión conducido por el Grupo WG.06 del Comité 22 de la CIGRE confirmó la conclusión anterior reportando que de 229 casos estudiados en 20 países en los últimos 10 años 139 fueron caídas por tormentas severas.
Las tormentas severas se caracterizan por desarrollar corrientes ascendentes de muy alta velocidad y relativamente poco ancho y algunas veces acompañado por tornados maduros. Este fenómeno es rara vez registrado por las estaciones meteorológicas convencionales y se dificulta aún más porque se produce junto con acontecimientos de vientos sinópticos (gran escala).
El Dr. Alan Davenport, Director del Tunel de Viento de la Universidad de Western Ontario, London, Canadá, ha señalado muy ejemplificadoramente ” Esos acontecimientos son tan localizados que se deslizan sin ser detectados a través de los sistemas que miden vientos convencionales, transformándose una línea de transmisión en el elemento más eficaz para poder interceptar y registrar dichos eventos ”
Todo lo dicho se traduce finalmente en la carencia de datos de HIWs lo que hace muy difícil predecir velocidades de viento y períodos de retorno basados en proyecciones de valores extremos, sin embargo un cierto progreso se está haciendo en la cuantificación de los riesgos asociados a HIWs.
La segunda característica importante de los HIWs es que pueden poner solicitaciones sobre las estructuras que no son cubiertas adecuadamente por las cargas que representan los acontecimientos sinópticos del viento, como se especifica en la mayoría de las reglas de hipótesis de cargas actuales, basadas en proyecciones de datos sinópticos recogidos por estaciones meteorológicas convencionales. La extrapolación de esos datos para largos períodos de retorno no siempre dan la necesaria información al ingeniero que trabaja en climas sujetos a HIWs.
b. Velocidad de diseño en Proyectos de LAT 132 kV en la
Provincia de Corrientes
Todos los Proyectos de principios de los noventa estaban basados en las recomendaciones de la Ex AyEE: “Mapa de Zonas Climáticas de la República Argentina”. Para el caso de Corrientes corresponde la Zona A, Vmax = 110 km/h; aun hoy en las facultades de Ingeniería se enseña con ese Mapa.
Los valores responden a una colección de datos recogidos durante años por la red de estaciones meteorológicas distribuidas a lo largo del país y refiere las velocidades de vientos sinópticos o sea el campo de viento generado por sistema de gran escala o sea cuando las dimensiones del fenómeno son mayores que la distancia que separa las estaciones, quedando garantizado el registro de los valores extremos anuales, estas estaciones casi nunca registran las particularidades de las tormentas severas, los jet ascendentes o descendentes o los tornados tipo F1 o F2 que en ellas por lo general se producen.
El Reglamento CIRSOC de Viento para Obras Civiles no era usado y creo que todavía no se enseña en la Facultad de Ciencias Exactas de la UNNE área Ingeniería Eléctrica. Según este Reglamento, versión 1980, analizando las isocletas (líneas de igual velocidad de viento) que pasan por Corrientes e Ituzaingó las Velocidades Básicas de Diseño deberían ser 163 km/h y 178 km/h
respectivamente. Esta Velocidad Básica de Diseño tiene una probabilidad del 50% de producirse en 25 años.
Por otra parte, en los estudios publicados por la UBA “ Riesgo de Tornados y Corrientes Descedendentes en la Argentina” de Schwarzkopf y Rosso estiman velocidades promedios máximas instantáneas en ráfagas de 5 seg para la región litoral de 165+/- 5 km/h con período de retorno de 50 años, estos valores surgen de un modelo de riesgo de ráfagas provenientes de celdas convectivas severas.
En el año 1996 no se tenía en la DPEC la información adecuada ni suficientes datos del terreno como para reconocer el efecto de micro y macro burst (corrientes descendentes) y de tornados como potenciales riesgos primarios por viento; solamente existía el convencimiento que el mapa de la Ex AyEE no respondía convenientemente a la realidad. Por ello no se arriesgaron cambios muy drásticos, se decidió no cambiar la regla general sino agregar una hipótesis más que tendría carácter extraordinario en el léxico de la Norma VDE, esto quiere decir que uno espera que una velocidad de viento de 145 km/h se produzca no más de 1 o 2 veces en la vida útil de la Obra.
Al ser hipótesis extraordinaria el coeficiente de seguridad de ese evento resultó ser muy bajo, cercano a 1 lo que significa prácticamente sin reserva ante este viento. Con este concepto se hizo una estructura apenas un 26% más segura globalmente que la tradicional de viento de 110 km/h.
Los derribos 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.
En el año 2004 se contrató al Laboratorio de Aerodinámica del Dpto. de Estabilidad de la Facultad de Ingeniería 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, consultar con expertos extranjeros y revisar las normas de proyecto empleadas en el diseño se expidió en el sentido de utilizar la tabla 5 modificada por ellos de la VDE 0210/12.85.
La VDE es el conjunto normativo actualmente usado en los Proyectos y por ello el estudio se concentró en adaptar sus prescripciones específicas a las condiciones meteorológicas locales.
La tabla 5 da directamente la presión dinámica a utilizar sobre los distintos elementos constructivos en función de su ubicación en altura respecto de la línea de tierra. Esta presión está vinculada a la velocidad máxima del viento a través de la siguiente expresión:
Así por ejemplo, para un conductor que se encuentre a una altura de más de 20 m la presión dinámica de cálculo en la tabla corregida es 0,98 kN/m2 y la velocidad máxima deducida de la fórmula anterior es Vmáx= 39,6 m/s o 143 km/h; esta velocidad se aplica para el cálculo de las hipótesis normales de cargas debidas a viento con un coeficiente de seguridad de 1,5 y es superior en un 24 % a la velocidad original de diseño, resultando presiones superiores un 53% a las presiones utilizadas en el diseño original.
De igual manera la presión dinámica sobre la torre alcanza 1,29 kN/m2 lo que equivale a una Vmáx de 164 km/h; respecto del Proyecto original los valores son superiores en 100% y 42% respectivamente.
La UNNE recomienda además considerar el impacto directo sobre la torre de un tornado tipo F2 ( 180 – 245 km/h) mientras que en el diseño original se consideraba un viento extremo de 145 km/h.
c. Caso Itaipú
El Sistema de Transmisión de la Represa Itaipú (Fox do Iguaςu) consta de 3
líneas 765 kV circuito AC (Corriente alterna) longitud aproximada 960 km y 2 líneas 600 kV circuito DC (Corriente contínua) longitud aproximada 800 km, ambas conforman una capacidad de transmisión de 12.600 MVA.
Las líneas fueron diseñadas para una velocidad de viento de diseño de 150 km/h en ráfagas de 30s a 30 m s.n.t. y período de retorno de 50 años siguiendo las prescripciones de la Norma brasileña NBR5422 sin considerar efectos tornádicos. Dese el año 1982 ocurrieron 9 eventos de gran magnitud causando daño en 39 estructuras, 25 de ellas en los últimos 3 accidentes. La mayor concentración fue sobre las estructuras del circuito AC, razón por la cual FURNAS decidió comenzar una investigación sobre dichas líneas.
Se hizo un relevamiento de las condicones de montaje, el análisis estructural y los estudios de viento, resultando que la causa principal de los colapsos se debía a fuerzas debidas al viento mayores que las utilizadas en el diseño original.
Se comprobó además que este no era un caso aislado donde las previsones meteorológicas resultaron subvaluadas. El efecto de tormentas severas en nuevos proyectos de Argentina y otros países eran tenidos en cuenta.
Furnas concentrando el estudio en las Suspensiones, decidió reforzar las estructuras existentes y establecer nuevos criterios de diseño según el siguiente esquema:
1. Habiéndose comprobado que para una misma velocidad de viento la Norma Brasileña daba presiones sustancialmente menores que la IEC 826, se adoptó esta última como guía básica de diseño
2. La velocidad de viento de diseño sería de 182 km/h en ráfagas de 3s a 30 m s.n.t. con período de retorno de 150 años
3. Se mantienen los criterios anticascadas y otras hipótesis de seguruidad
4. Se considera un tornado tipo F2 ( 200 km/h) a distintos ángulos de impacto sobre la torre y franja aledaña con ancho de tornado de 90 m
5. Se considera un efecto torsional de 160 km/h a ambos lados de la torre con sentidos contrarios
6. El vector velocidad de viento es considerado constante a lo largo de la torre
7. Las estructuras fueron verificadas con máximo peso y peso reducido
El resultado de estas nuevas condiciones de cálculo referido al original fueron: Las torres tipo arriendadas reforzadas resultaron con un incremento promedio de peso de 20%.
colapsos ocurrieron investigar Todas las líneas en 500 kV que salen de Yacyretá han considerado la potencial acción de vientos máximos del orden de 180 km/h para tormentas sinópticas y adicionalmente acción de tornados sobre las estructuras del tipo F2.
d. Velocidad de diseño en los Proyectos LEAT Yacyretá
Todas las líneas en 500 kV que salen de Yacyretá han considerado la potencial acción de vientos máximos del orden de 180 km/h para tormentas sinópticas y adicionalmente acción de tornados sobre las estructuras del tipo F2.
La tabla que sigue ha sido extractada del Pliego del tercer tramo Yacyretá que se encuentra en proceso de licitación; son las actuales condiciones climáticas a tener en cuenta en el Proyecto ejecutivo:
Elemento
Diferencia de cargas debidas al viento Nuevo/Original (%)
H. Guardia + 200
Conductor + 165
Tabla 1
Nota: El Pliego completo se puede consultar en la Web de Secretaría de Energía de la R.A. /Inversiones/ Plan Federal
Se puede apreciar la influencia de los criterios de diseño de Brian White en la consideración de los efectos de tornados que refuerza la seguridad global al corte y de la Dra. Schwarzkopf en la cuantificación de las velocidades para su modelo de impacto de un tornado sobre la línea; así mismo, se establecen varios estados de carga con acción de vientos verticales que anulan o disminuyen la acción gravitacional de los conductores.
Se han agregado además hipótesis nuevas de seguridad como la acción de torres vecinas en colapso que tiran de la torre en pié con porcentajes importantes de los tiros de las fases y del hilo de guardia. Sin embargo se ha mantenido el criterio de utilizar torres tipo retención o autoportantes solamente en lugares donde las torres S no se puedan aplicar ya sea por restricciones de espacio para servidumbre, ángulos mayores o exigencias especiales como cruce de ríos o condiciones de suelos muy desfavorables para los anclajes; estas consideraciones se oponen a quienes auspician colocar rompe tramos separados una distancia máxima, por ejemplo cada 5 km o cada 10 estructuras, independiente de toda otra condición.
2. Conclusiones
La zona NEA se caracteriza por padecer tormentas de carácter severo. En particular, en la Provincia de Corrientes se detectaron zonas de particular agresividad con hechos espectaculares como el derribo en un solo evento de 9 torres de 500 kV calculadas para condiciones extremas, impacto directo de tornado tipo F2 y siguiendo criterios de diseño de última generación como son los lineamientos de la Recomendación IEC 826.
Al decir de la Dra. Schwarzkopf: esos vientos siempre existieron en la zona, la mayor densidad de población y de líneas los están poniendo al descubierto.
En la Licitación del tercer tramo de Yacyretá se agregan algunas hipótesis adicionales, que no tienen nada que ver con la confiabilidad sino que son imposiciones determinísticas ligadas a la Seguridad y que tienden a parar fallas en cascada provocadas por colapso de torres adyacentes. En este punto es conveniente distinguir con fallas simultáneas que pueden producirse no por acción de torres adyacentes, sino por el impacto lateral de un micro / macro burst que se estudia en el ámbito de las probabilidades.
Tanto el Informe del Equipo de Aerodinámica de la F.I. UNNE, las especificaciones de las condiciones climáticas del Tercer Tramo Yacyretá y los hechos de colapsos ocurridos, son coincidentes en el sentido de aumentar las velocidades de diseño e introducir impactos directos de vientos turbulentos en los nuevos Proyectos de LAT en 132 kV. Estos impactos directos junto con vientos reducidos o nulos sobre los cables, tienden a bajar la Resultante horizontal de las cargas aumentando la capacidad al corte de la estructura proyectada.
En la siguiente figura se puede apreciar que el cálculo tradicional con vientos fuertes sobre los cables no responde bien ante el choque de un micro burst o un tornado:
Criterio B. White para tener en cuenta el efecto de tornados
Pandeo Montantes A Diagonales débiles Montantes Fuertes Fundaciones Grandes Levantamient Pandeo Diagonales B Diagonales + fuertes Montantes - Fuertes Fundaciones -tradicional Viento turbulento
La Estructura diseñada con el criterio A no responderá bien cuando se presente el caso B
Respecto de las caídas laterales simultáneas, es un asunto que todavía no encuentra respuestas concretas para el diseño.
Los futuros Proyectos, aun contemplando estas nuevas condiciones de cálculo, no tienen garantía anticolapso pues la probabilidad de falla siempre existe, así que deberán combinarse con buen planeamiento de acciones y recursos frente a las contingencias esperadas.
Los clientes comprenden los accidentes por tormentas lo que no toleran son las demoras extendidas de las reparaciones
