UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
TESIS
PRESENTADA POR EL BACHILLER:
BENDEZÚ VARGAS, Amilcar Edison
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO
HUANCAYO – PERÚ 2021
ANÁLISIS DEL REFORZAMIENTO ESTRUCTURAL DE UNA TORRE DE TELECOMUNICACIONES DE LA
ESTACIÓN DE “PUNTAS PICO” PARA AUMENTAR
SU CAPACIDAD PORTANTE
i ASESOR
Ing. Alcides Luis Fabián Bráñez
ii AGRADECIMIENTO
A Dios por darme fuerzas en todo momento para hacer posible el desarrollo de mi carrera y haberme brindado este lindo camino que es la Ingeniería Mecánica.
A mis padres por el esfuerzo pleno y constante; fue crucial para mí ya que me brindaban mucho aliento y fuerzas para seguir adelante con mis metas y mis sueños.
A los docentes de mi facultad, por sus enseñanzas compartidas en todo momento a todos los que formamos parte de esta linda carrera.
A mi asesor por su apoyo y hacer posible esta presentación.
iii DEDICATORIA
Con mucho cariño, respeto y aprecio a mis padres, compañeros de mi facultad y docentes de la Facultad Ingeniería Mecánica de la UNCP.
Amilcar Edison Bendezú Vargas
iv RESUMEN
La presente investigación tiene como objetivo determinar las características del reforzamiento estructural de la torre de telecomunicaciones de la estación 0101802 de “Puntas Pico”, ubicado en el distrito de Zorritos, en la provincia Contralmirante Villar del departamento de Tumbes, el tipo y nivel de investigación son aplicada y descriptivo-explicativo respectivamente, el diseño de la investigación es no experimental de corte transversal. El cálculo de esfuerzos, deformaciones, y desplazamientos se hicieron utilizando el método de los elementos finitos, utilizando el MS Tower, software adecuado para torres de telecomunicaciones.
En los resultados obtenidos se observa que el comportamiento actual de la torre de telecomunicaciones con cargas existentes y con cargas futuras, presentaron montantes y diagonales con una relación de esfuerzo axial y permisible (ratio) más críticos de 143,5 % y 238,6 %, 168,4 % y 308,4 % respectivamente, sobrepasando el ratio de 100 % por lo cual la estructura con cargas existentes y futuras no soportan las cargas de diseño, asimismo el desplazamiento máximo en la cima de la torre con cargas existentes y con cargas futuras fueron de 523 mm y 625 mm respectivamente, además presentaron ángulos de deflexión y giro torsional máximo de 0,426° y 0,0974°; 0,510° y 0,0859° como corresponde;
finalmente, tras el reforzamiento estructural de la torre de telecomunicaciones autosoportada, los perfiles metálicos presentaron ratios máximos menores al 100
%, por lo cual la estructura con cargas existentes, más cargas futuras menos las antenas a desmontar, soportan las cargas de diseño, incrementando su capacidad portante, por otra parta, su máximo desplazamiento en la cima de la torre fue de 505 mm, con una deflexión de 0,412° y giro torsional de 0,017°.
Palabras claves: Reforzamiento, capacidad portante, elementos finitos.
v ABSTRACT
The present research aims to determine the characteristics of the structural reinforcement of the telecommunications tower station 0101802 “Puntas Pico”
located in the district of Zorritos, in the Contralmirante Villar province of the department of Tumbes, the type and level of research are applied and descriptive-explanatory respectively, the research design is non-experimental cut cross. The calculation of stresses, deformations, and displacements were made using the finite element method, using the MS Tower, suitable software for telecommunications towers.
In the results obtained, it is observed that the current behavior of the telecommunications tower with existing loads and with future loads, presented uprights and diagonals with a more critical axial and allowable stress ratio (ratio) of 143,5 % and 238,6 %, 168,4 % and 308,4 % respectively, exceeding the ratio of 100 % for which the structure with existing and future loads do not support the design loads, as well as the maximum displacement at the top of the tower with existing loads and with Future loads were 523 mm and 625 mm respectively, and they also presented deflection angles and maximum torsional twist of 0,426° and 0,0974°; 0,510° and 0,0859° as appropriate; Finally, after the structural reinforcement of the self-supporting telecommunications tower, the metal profiles presented maximum ratios of less than 100 %, therefore the structure with existing loads, plus future loads minus the antennas to be dismantled, support the design loads, increasing their bearing capacity, on the other hand, its maximum displacement at the top of the tower was 505 mm, with a deflection of 0,412° and torsional twist of 0,017°.
Keywords: Reinforcement, bearing capacity, finite elements.
vi ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTO ii
DEDICATORIA iii
RESUMEN iv
ABSTRACT v
ÍNDICE GENERAL vi
ÍNDICE DE FIGURAS x
ÍNDICE DE TABLAS xiii
INTRODUCCIÓN xvi
CAPÍTULO I 18
1. PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 18
1.1. Fundamentación del problema 18
1.2. Formulación del problema 19
1.2.1. Problema general 19
1.2.2. Problemas específicos 19
1.3. Objetivos de la investigación 19
1.3.1. Objetivo general 19
1.3.2. Objetivos específicos 19
1.4. Justificación 20
1.4.1. Razones que motivan la investigación 20
1.4.2. Importancia del tema de investigación 20
1.5. Limitaciones del estudio 20
CAPÍTULO II 22
2. MARCO TEÓRICO 22
2.1. Antecedentes de la investigación 22
2.2. Bases teóricas 26
2.2.1. Normas de diseño utilizadas 26
vii 2.2.2. Cargas actuantes consideradas en la torre 28
2.3. Bases conceptuales 31
2.3.1. Norma TIA/EIA 31
2.3.2. Tipos de torres de telecomunicación 32
2.4. Hipótesis 35
2.5. Operacionalización de las variables 36
CAPÍTULO III 37
3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 37
3.1. Método de investigación 37
3.2. Tipo de investigación 37
3.3. Nivel de investigación 38
3.4. Diseño de investigación 38
3.5. Población, muestra o unidad de observación 38 3.6. Técnicas e instrumentos de recolección de datos 39
3.6.1. Técnicas de recolección de datos 39
3.6.2. Instrumentos de recolección de datos 39
3.7. Procedimiento de recolección de datos 39
CAPÍTULO IV 40
4. ANÁLISIS DE REFORZAMIENTO DE UNA TORRE
DE TELECOMUNICACIONES AUTOSOPORTADA 40
4.1. Características de la torre autosoportada 40
4.2. Características estructurales de la torre 43
4.2.1. Tipos de paneles usados 44
4.3. Tipos de perfiles usados en la estructura de la torre 46
4.4. Cargas existentes 47
4.5. Cargas futuras 48
4.6. Consideraciones para el análisis 48
viii
4.7. Ingreso de los datos en el MS Tower 49
4.7.1. Geometría estructural de la torre 49
4.7.2. Cargas de la estructura 50
4.7.3. Ejecutando el análisis 51
4.8. Demostración de cálculos con MS Tower 54
4.8.1. Cálculo con cargas existentes 54
4.8.2. Cálculo con cargas futuras 60
4.8.3. Cálculo de reforzamiento más cargas futuras 64
CAPÍTULO V 68
5. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 68
5.1. Resultados de la investigación 68
5.1.1. Comportamiento actual de la torre de telecomunicaciones con
sus cargas existentes 68
5.1.2. Elementos críticos de la torre de telecomunicaciones con sus
cargas futuras 73
5.1.3. Características de la torre de telecomunicaciones con
el reforzamiento estructural 79
5.1.4. Características del reforzamiento estructural de la torre
de telecomunicaciones 81
5.2. Análisis estadísticos de los resultados 85
5.2.1. Análisis estadístico para la torre de telecomunicaciones con
sus cargas existentes 85
5.2.2. Análisis estadístico para la torre de telecomunicaciones con
sus cargas futuras 90
5.2.3. Análisis estadístico para la torre de telecomunicaciones
con reforzamiento estructural 95
5.3. Prueba de hipótesis 100
5.4. Discusión e interpretación de resultados 103
ix 5.4.1. Discusión del comportamiento actual de la torre
de telecomunicaciones con sus cargas existentes 103 5.4.2. Discusión de los elementos críticos de la torre
de telecomunicaciones con sus cargas futuras 108 5.4.3. Discusión de las características de la torre de
telecomunicaciones con reforzamiento estructural 113
5.5. Aporte y aplicaciones 118
CONCLUSIONES 119
RECOMENDACIONES 120
BIBLIOGRAFÍA 121
ANEXOS 123
ANEXO A: SOFTWARE MS Tower 123
ANEXO B: PLANOS 206
x ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2-1: Torre arriostradas o atirantadas 33
Figura 2-2: Torre autosoportada 33
Figura 2-3: Torre autosoportada angular 34
Figura 2-4: Torre arriostrada tubular 34
Figura 4-1: Ubicación de la antena 40
Figura 4-2: Torre de Puntas Pico 41
Figura 4-3: Antenas existentes en los primeros paneles 41 Figura 4-4: Antenas existentes en los últimos paneles 42
Figura 4-5: Base de la torre autosoportada 42
Figura 4-6: Medidas de la cartela en la base de la torre 43
Figura 4-7: Medida de los cables 43
Figura 4-8: Panel tipo DL 44
Figura 4-9: Panel tipo X 44
Figura 4-10: Panel tipo XH3 44
Figura 4-11: Base del tipo PLD 45
Figura 4-12: Base del tipo PLS 45
Figura 4-13: Base del tipo PL1 45
Figura 4-14: Base del tipo PL3X 46
Figura 4-15: Pantalla de inicio de MS Tower 49
Figura 4-16: Ingreso de geometría en MS Tower 50
Figura 4-17: Ingreso de la carga en MS Tower 50
Figura 4-18: Ejecución del programa 51
Figura 4-19: Uso de normas de antenas de telecomunicación 51
Figura 4-20: Definición de reacciones 52
Figura 4-21: Data del análisis con Ms Tower 52
Figura 4-22: Resultados que muestra el programa 53
Figura 4-23: Diagonal con ratio máximo 56
Figura 4-24: Vista a detalle de diagonal 57
Figura 4-25: Desplazamiento horizontal de cargas existentes sin montantes 58
Figura 4-26: Desplazamiento de nodos en X, Y y Z 58
Figura 4-27: Ratios de cargas existentes con y sin montantes de refuerzo 60
Figura 4-28: Desplazamiento horizontal de cargas futuras sin montantes 62
xi Figura 4-29: Ratios de cargas futuras con y sin montantes de refuerzo 64 Figura 4-30: Reforzamiento de la estructura con cargas futuras y
cargas existentes 65
Figura 4-31: Desplazamiento horizontal del reforzamiento de la torre 66 Figura 5-1: Torre autosoportada de telecomunicaciones de “Puntas pico” 68 Figura 5-2: Vista isométrica de la torre autosoportada de telecomunicaciones
de “Puntas pico” 69
Figura 5-3: Diagrama de ratios de la torre autosoportada de
telecomunicaciones de “Puntas pico” con cargas existentes 70 Figura 5-4: Diagrama de desplazamientos angulares de la torre
autosoportada con cargas existentes 72
Figura 5-5: Diagrama de las cargas futuras para la torre autosoportada. 74 Figura 5-6: Vista de presentación de la torre atusoportada con cargas futuras 75 Figura 5-7: Diagrama de ratios de la torre autosoportada de
telecomunicaciones de “Puntas Pico” con cargas futuras 76 Figura 5-8: Diagrama de desplazamientos angulares de la torre
autosoportada con cargas futuras 78
Figura 5-9: Diagrama de ratios de la torre autosoportada de
telecomunicaciones de “Puntas Pico” con reforzamiento estructural 79 Figura 5-10: Diagrama de desplazamientos angulares de la torre
con reforzamiento estructural 81
Figura 5-11: Ratio de esfuerzo de las diagonales para la torre con
cargas existentes 104
Figura 5-12: Ratio de esfuerzo de las montantes para la torre con
cargas existentes 104
Figura 5-13: Ratio de esfuerzo de las horizontales para la torre con
cargas existentes 105
Figura 5-14: Ratio de esfuerzo de las redundantes para la torre con
cargas existentes 106
Figura 5-15: Diagrama de fallas de las montantes y diagonales en base al
análisis de la torre con cargas existentes 108
Figura 5-16: Ratio de esfuerzo de las diagonales para la torre con cargas
futuras 109
xii Figura 5-17: Ratio de esfuerzo de las montantes para la torre con cargas
futuras 109
Figura 5-18: Ratio de esfuerzo de las horizontales para la torre con cargas
futuras 110
Figura 5-19: Ratio de esfuerzo de las redundantes para la torre con
cargas futuras 111
Figura 5-20: Diagrama de fallas de las montantes y diagonales en base al
análisis de la torre con cargas futuras 112
Figura 5-21: Ratio de esfuerzo de las diagonales para la torre con
reforzamiento estructural 113
Figura 5-22: Ratio de esfuerzo de las montantes para la torre con
reforzamiento estructural 114
Figura 5-23: Ratio de esfuerzo de las horizontales para la torre con
reforzamiento estructural 114
Figura 5-24: Ratio de esfuerzo de las redundantes para la torre con
reforzamiento estructural 115
Figura 5-25: Vista de elevación para el diagrama de reforzamiento de la
torre autosoportada 117
Figura 5-26: Vista de elevación para el diagrama de reforzamiento de la
torre autosoportada 118
xiii ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2-1: Operacionalización de la variable dependiente 36 Tabla 2-2: Operacionalización de la variable independiente 36
Tabla 4-1: Antenas tipo “RF” 47
Tabla 4-2: Antenas tipo “MW” 47
Tabla 4-3: Roldana 47
Tabla 4-4: Cables 47
Tabla 4-5: Escaleras 48
Tabla 4-6: Antenas tipo “MW” 48
Tabla 4-7: Ratios más altos con cargas existentes sin montantes de refuerzo 57 Tabla 4-8: Resumen de cargas existentes sin montantes de refuerzoa
un desplazamiento angular de 90 km/h 59
Tabla 4-9: Ratios máximos con cargas existentes sin montantes de refuerzo 59 Tabla 4-10: Ratios de cargas existentes con montantes de refuerzo 60 Tabla 4-11: Ratios de cargas futuras sin montantes de refuerzo 62 Tabla 4-12: Resumen de cargas futuras sin montantes de refuerzo a
un desplazamiento angular de 90 km/h 63
Tabla 4-13: Ratios máximos con cargas futurass sin montantes de refuerzo 63 Tabla 4-14: Ratios de cargas futuras con montantes de refuerzo 64 Tabla 4-15: Ratios de reforzamiento con cargas futuras y existentes 65 Tabla 4-16: Resumen del reforzamiento a un desplazamiento angular de
90 km/h 67
Tabla 5-1: Ratios más críticos para los perfiles metálicos de la
torre autosoportada con cargas existentes 71
Tabla 5-2: Ratios más críticos por panel para las diagonales y montantes
para la torre con cargas existentes 71
Tabla 5-3: Ratios más críticos para los perfiles metálicos de la
torre autosoportada con cargas futuras 77
Tabla 5-4: Ratios más críticos por panel para las diagonales y montantes
para la torre con cargas futuras 77
Tabla 5-5: Ratios más esforzados para los perfiles metálicos de la
torre autosoportada con reforzamiento estructural 80
xiv Tabla 5-6: Análisis de t de Student para los ratios de esfuerzo más críticos para la torre autosoportada con cargas existentes 86 Tabla 5-7: Estadística descriptiva para los ratios de esfuerzo más críticos para la torre autosoportada con cargas existentes 87 Tabla 5-8: Análisis de t de Student para los ángulos de deflexión y torsión
de la torre con cargas existentes 88
Tabla 5-9: Estadística descriptiva para el ángulo de deflexión para la
torre autosoportada con cargas existentes 89
Tabla 5-10: Estadística descriptiva para el ángulo de giro torsional para la
torre autosoportada con cargas existentes 89
Tabla 5-11: Análisis de t de Student para los ratios de esfuerzo más críticos
para la torre autosoportada con cargas futuras 91
Tabla 5-12: Estadística descriptiva para los ratios de esfuerzo más críticos
para la torre autosoportada con cargas futuras 92
Tabla 5-13: Análisis de t de Student para los ángulos de deflexión y torsión
para la torre con cargas futuras 93
Tabla 5-14: Estadística descriptiva para el ángulo de deflexión para la
torre autosoportada con cargas futuras 94
Tabla 5-15: Estadística descriptiva para el ángulo de giro torsional para la
torre autosoportada con cargas futuras 94
Tabla 5-16: Análisis de t de Student para los ratios de esfuerzo más críticos
para la torre autosoportada con reforzamiento 96
Tabla 5-17: Estadística descriptiva para los ratios de esfuerzo más críticos para la torre autosoportada con reforzamiento estructural 97 Tabla 5-18: Análisis de t de Student para los ángulos de deflexión y torsión
para la torre con reforzamiento 98
Tabla 5-19: Estadística descriptiva para el ángulo de deflexión para la
torre autosoportada con reforzamiento estructural 99 Tabla 5-20: Estadística descriptiva para el ángulo de giro torsional para la torre autosoportada con reforzamiento estructural 99 Tabla 5-21: Análisis estadístico para obtener el estadístico de F 101 Tabla 5-22: Análisis estadístico para las comparaciones múltiples de
Fisher 102
xv Tabla 5-23: Análisis de varianza para el método LSD de Fisher 102 Tabla 5-24: Agrupación de información utilizando el método LSD de Fisher
y una confianza del 95 % 103
xvi INTRODUCCIÓN
Hoy en día, las tecnologías de transmisión de datos son una de las ramas de la industria técnica de más rápido desarrollo, hecho que se observa tanto en términos de nuevas tecnologías, como en el creciente número de usuarios de la red (por lo tanto, el incremento en el número de dispositivos locales que debe tener la red). Este último factor introduce una necesidad continua de ampliar la cobertura de la red, lo que genera la necesidad de instalar muchos dispositivos nuevos (Winkelmann y Duch, 2019).
Como la eficiencia de la red de telecomunicaciones requiere claramente una elevación adecuada de transmisores y receptores dedicados, las estructuras de transmisores de soporte de gran altura son elementos inseparables de la red teletécnica. En particular, las torres y mástiles de gran esbeltez se utilizan a menudo para este propósito en diferentes áreas. En muchos casos, la adecuación o modificación de estructuras existentes es la única solución para la ampliación de la red, ya sea por criterio de coste o por imposibilidad de construcción de una nueva estructura en las densas zonas urbanas residenciales (Winkelmann y Duch, 2019).
Esto, a su vez, significa que existe la necesidad de instalar nuevas cargas de
lastre (relacionadas con nuevos dispositivos de transferencia de datos) en las
estructuras diseñadas en el pasado, originalmente diseñadas teniendo en cuenta
diferentes esquemas de carga, combinaciones y estados límite. Además, junto
con la carga muerta de las instalaciones, las grandes superficies de las antenas
y los receptores producen nuevas cargas secundarias no despreciables
inducidas por el viento, la nieve y la formación de hielo. Según la experiencia
profesional de los autores, la mayoría de las torres de telecomunicaciones
existentes están operando actualmente dentro del 90 % - 95 % de su capacidad
de carga nominal, por lo que un aumento en la suma de cargas que actúan sobre
estas estructuras puede implicar la necesidad de realizar una experiencia técnica
de su estado de capacidad de carga actual antes de la adición de carga o incluso
su rediseño (Winkelmann y Duch, 2019).
xvii Por lo mencionado anteriormente en la presente investigación se plantea reforzar estructuralmente la torre de telecomunicaciones de la estación de “Puntas Pico”
para incrementar su capacidad portante.
La presente investigación presenta la siguiente estructura:
En el capítulo I se fundamenta y formula el problema del incremento del mayor número de antenas en la torre de telecomunicaciones de “Puntas Pico”;
asimismo, se explican las razones que motivan la investigación y la importancia de la investigación.
En el capítulo II se presenta el marco teórico de la investigación haciendo énfasis en las normas de diseño utilizadas, las cargas actuantes consideradas en la torre, norma TIA/EIA y el tipo de torres de telecomunicaciones.
En el capítulo III, se describe la metodología de la investigación haciendo énfasis en el tipo, nivel y diseño de investigación, además, de las técnicas, instrumentos y procedimiento de recolección de datos.
En el capítulo IV se describe el reforzamiento de la torre de telecomunicaciones autosoportada, haciendo énfasis en las características estructurales de la torre, los tipos de perfiles utilizados, cargas existentes y futuras; asimismo se describe el ingreso de datos en el programa MS Tower y la demostración de los cálculos con cargas existentes, cargas futuras y reforzamiento estructural.
Finalmente, en el capítulo V se describen los resultados de la investigación,
describiendo el comportamiento actual de la torre de telecomunicaciones, los
elementos críticos de la torre al incrementar las antenas y las características de
la torre con el reforzamiento estructural.
18 CAPÍTULO I
1. PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1. Fundamentación del problema
En los últimos años el uso de telefonía móvil, se ha incrementado considerablemente, por lo que las empresas se han visto obligadas en ampliar el número de antenas en cada torre de sus estaciones de telecomunicaciones para brindar una cobertura más amplia y competitiva.
Así es el caso de la estación de Puntas Pico, en el cual se ha dispuesto la
instalación de más antenas. El ratio máximo encontrado en el estado que
se encuentra es de 2,386; el cual se encuentra a 41,5 m de la base de la
torre. El incremento de un mayor número de antenas en la torre implicaría
que sus elementos soporten cargas superiores a su carga admisible
haciendo que su ratio sea mayor al 100 %, dando como resultado el fallo
de la torre. Para evitar las fallas por sobrecarga en la torre se hace
necesario un reforzamiento estructural lo cual se busca el ratio sea inferior
al 100 % y así nos permita aumentar su capacidad portante de un mayor
número de antenas en la torre.
19 1.2. Formulación del problema
1.2.1. Problema general
¿Cuáles son las características del reforzamiento estructural de la torre de Telecomunicaciones de la estación de “Puntas Pico” para aumentar su capacidad portante?
1.2.2. Problemas específicos
¿Cuál es el comportamiento actual de la torre de telecomunicaciones con sus cargas existentes?
¿Cuáles son los elementos críticos de la torre con el incremento de antenas?
¿Qué características presentará la torre de telecomunicaciones con el reforzamiento estructural?
1.3. Objetivos de la investigación 1.3.1. Objetivo general
Determinar las características del reforzamiento estructural de la torre de Telecomunicaciones de la estación de “Puntas Pico” para aumentar su capacidad portante.
1.3.2. Objetivos específicos
Describir el comportamiento actual de la torre de telecomunicaciones con sus cargas existentes.
Determinar los elementos críticos de la torre con el incremento de antenas.
Determinar las características de la torre de telecomunicaciones
con el reforzamiento estructural.
20 1.4. Justificación
1.4.1. Razones que motivan la investigación
El reforzamiento estructural de la estructura de la torre de Telecomunicaciones de la “Estación de Puntas Pico” aumentará su carga portante, el cual le permitirá soportar un mayor número de antenas.
1.4.2. Importancia del tema de investigación
El incremento de las antenas en las torres de telecomunicación se hace necesario porque esto permite tener una mejor cobertura y así brindar un buen servicio en el tema de comunicación por telefonía móvil.
1.5. Limitaciones del estudio
Se estimó la nueva carga portante en la torre mediante el posible incremento del número de antenas y su respectiva distribución de las mismas, los cuales fueron especificados por la empresa que solicito el estudio.
El estudio se hizo considerando la teoría del comportamiento elástico.
El incremento de la capacidad portante de un mayor número de antenas en la torre se hizo mediante el reforzamiento estructural en la torre. Este reforzamiento estructural implicó el cambio o incremento de elementos estructurales de tal manera que todos estos elementos de la estructura modificada permitan soportar los esfuerzos resultantes producidos por el incremento de antenas en la torre.
El diseño de los elementos estructurales se hizo cumpliendo normas técnicas: Código Americano de Telecomunicaciones TIA/EIA – 222–F;
American Institute of Steel Construction (AISC), y Reglamento Nacional de
Edificaciones 2006: E – 090.
21
El análisis de reforzamiento estructural de la torre Autosoportada de la
estación de “Puntas Pico” para aumentar su capacidad portante se
desarrolló usando el programa MS Tower.
22 CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la investigación
Silva Muñoz, (2016) en su investigación titulada “Rediseño de la estructura de la torre autosoportada de H=71 m para que soporte las antenas de radiofrecuencia y microondas existentes, y 06 antenas de microondas futuras ubicada en la estación 0101711 Pi El Alto, Piura”, realizó una evaluación actual de la torre con las cargas existentes y el escenario de la torre con las cargas existentes y futuras, posteriormente analizó el rediseño para las cargas existentes y futuras, para el análisis utilizaron el software Mstower, considerando la norma TIA-222F, las especificaciones AISC y el reglamento nacional de edificaciones, para el análisis considero predominantemente la acción del viento sobre la del sismo; determino que la torres presenta fallas por resistencia, en su estado actual y con cargas futuras, superando los límites máximos de desplazamientos angulares, concluyó que la torre necesita un reforzamiento y propuso el rediseño para evitar las fallas de resistencia de la torre y pueda soportar las cargas existentes más las cargas futuras.
Apolo Sócola y Cangás Herrera, (2014), en su investigación titulada
“Análisis estructural de las torres de telecomunicación para antenas de
23 última tecnología”, realizaron un inventario de estructuras tipo torre autosoportadas, del cual escogieron una torre autosoportadas de base triangular y una atirantada para estandarizar el análisis estructural, el cual lo realizaron con el programa SAP2000 según la norma ASCE 7-10 para la combinación de cargas, mientras que para la distribución de la carga del ciento sobre la estructura utilizaron la norma AISC; concluyeron que ambas torres analizadas presentaron condiciones estables, ya que su relación carga externa/peso torre fue menor a 1, las deformaciones de los elementos no sobrepasaron los limites elásticos, asimismo, determinaron que las estructuras analizadas son lo suficientemente conservadoras como para añadir equipos adicionales a los existentes y proyectados, finalmente, observaron que el factor de seguridad fue mayor a dos, encontrando sobredimensionamiento en sus elementos.
Rivera Hurtado, (2015); en su trabajo de investigación titulado “Diseño de una torre autosoportada de telecomunicaciones de 120 metros de altura mediante la norma ANSI/TIA-222-G”, diseñaron una torre de 120 m de altura y un ancho mínimo de 12 m, que se ubicó en la selva de Yarimaguas, con forma de tronco cónico y un tramo recto para la ubicación de las antenas las cuales contaron con un ancho de 1,2 m; la torre fue armada con perfiles angulares de acero, dichas características hizo que la estructura cumpliera con las condiciones de resistencia para una velocidad de viento de 100 km/h; asimismo, la estructura cumplió con el desplazamiento y rotación permitida presentando valores de 0,61° y 0,14°
respectivamente, asimismo la relación de fuerzas fue satisfactoria con una capacidad del montante más esforzado de 0,947; para facilitar el diseño utilizó los programas de Ms Tower, Risa Tower y SAP 2000.
Paredes Llontop, (2019) en su investigación titulada “Evaluación estructural
de la torre autosoportada cuadrada de telecomunicaciones mediante
métodos convencionales en la estación 131003 La Pimentel, Lambayeque
24 2019”, determino el estado actual de la torre autosoportada en base a la recopilación de datos en la visita a las estaciones existentes, realizó el modelamiento de datos con el programa Ms Tower aplicando los métodos LRFD y ASD, además considero que las cargas de viento predominan más que las cargas de sismo sobre la torre, concluyendo que con el método ASD y a una velocidad de diseño de 100 km/h los montantes, diagonales y pernerías presentaron fallas por resistencia con un ratio mayor al 90 %, mientras que con el método LRFD para una velocidad del viento de 121 km/h los montantes y diagonales comprometen una falla estructural por resistencia con un ratio mayor al 100 %, finalmente recomendó que es importante enfocarse en el uso de perfiles metálicos en la estructura de la torre autosoportada de telecomunicaciones.
En la investigación de Rao et al., (2017) titulada “Investigación de fallas de las torres de comunicación GFRP” presentaron las fallas encontradas en la prueba a gran escala de una torre de comunicación triangular de GFRP de 24 m de altura diseñada por el fabricante de perfiles pultrusionados basándose exclusivamente en las propiedades derivadas de los resultados de la prueba de cupón de tracción; los ángulos GFRP de 60° como puntales exhibió un modo de pandeo por torsión-flexión y los ángulos de 90° fallaron por pandeo por flexión, el elemento en capas ANSYS Shell 281 utilizado para modelar los puntales de GFRP predijo las cargas de falla más cerca de los experimentos, los ángulos de GFRP de 60° como miembros de montante han mostrado un modo de pandeo por torsión-flexión hasta la falla, pero finalmente fallaron por desunión de capas en el caso de secciones angulares hechas de estera cosida y por corte de la sección transversal en ángulos con técnicas multiaxiales. Los ángulos de 60°
sometidos a compresión exhibieron una mayor resistencia a nivel de
componente en comparación con el miembro de montante en la torre
restringido por refuerzos secundarios. La resistencia y el comportamiento
de los ángulos GFRP con tejidos técnicos multiaxiales (± 45°/90°) son
superiores en comparación con los ángulos con tapete cosido.
25 Winkelmann y Duch, (2019) en su investigación titulada “Análisis de sensibilidad básicos de una torre de telecomunicaciones que complementa el proceso de diseño de refuerzo estándar”, evaluaron la sensibilidad sencilla de una torre de telecomunicaciones, identificaron los elementos de la torre que pueden ser reforzados con la mayor ventaja estructural;
propusieron un enfoque basado en probabilidades para verificar y complementar los proyectos de diseño de armaduras, al contrario de la acción existente; realizaron el análisis en un ejemplo de una torre de celosía de telecomunicaciones espacial estándar sujeta a un conjunto estándar de cargas, prestaron especial atención a la carga de viento y hielo; adoptaron las áreas transversales de bordillos y tirantes de cada segmento de torre como variables aleatorias del problema, en forma de conjuntos de incrementos porcentuales de los valores iniciales del área de la sección transversal; observaron el impacto conjunto del cambio de variable individual y el cambio impuesto por grupos de variables clave con un impacto similar en la capacidad de carga estructural; finalmente propusieron una solución beneficiosa del refuerzo, manteniendo la fiabilidad de la torre inicial.
En la investigación de Ksatria, (2019), titulada “Diseño alternativo de la estructura de la estación transceptora base de la torre (Estudio de caso:
Road Sungai Lilin, South Sumatra)” analizó el rendimiento de la torre de cuatro patas que tiene carga de trabajo existente y carga adicional; para el análisis estructural, utilizó el programa de ayuda de Ms Tower y para el control de compresión y tracción en elementos estructurales utilizó el método LRFD asistido con las instalaciones de diseño en el programa de Ms Tower. La carga que trabaja en esta estructura consiste en carga muerta en forma de peso de la torre, peso de la antena y peso del dispositivo; calculó la carga de viento según el estándar TIA/EIA-222-G:
estándar estructural para torres de antenas de acero y estructura de
26 soporte de antenas; en base a los resultados, el investigador aportó claridad en la selección de torres/torres estructurales, construcción de torres conjuntas, sabiendo qué tan pesada es la capacidad de la torre existente para soportar la carga y la forma de refuerzo si la torre es incapaz de soportar cargas adicionales.
2.2. Bases teóricas
2.2.1. Normas de diseño utilizadas
Las normas consideradas en la evaluación de la torre son las siguientes:
Structural Standards for Steel Antenna Towers an Antenna Supporting StructuresTIA/EIA-F 1996.
Reglamento Nacional de Edificaciones 2006: E – 090 Estructuras Metálicas.
Asimismo, se utiliza el Código Americano de Telecomunicaciones TIA/EIA – 222 – F, que brinda normas para las estructuras de torres y antenas; para el diseño de los elementos de la torre, en el caso específico de perfiles angulares de acero estructural, las tensiones de comprensión admisibles serán calculados con la norma
"Specification for Allowable Stress Design of Single Angle Members"
de AISC, en el caso de pandeo flexotorsional no se aplican los requisitos (Telecomunications Industry Association, 1996).
En el que en su capítulo 3, numeral 3.1.14.1 acepta la utilización de los esfuerzos permisibles según lo normado por el American Institute of Steel Construction (AISC).
En tal caso no será necesario aplicar coeficientes de seguridad a las
cargas actuantes, ya que las fórmulas de los esfuerzos admisibles
establecidos en el AISC, ya tienen factores de seguridad que
reducen su valor y que están en función de la esbeltez de sus
miembros.
27 Las fórmulas empleadas se encuentran en los numerales 1.5.1.3.1 y 1.5.1.3.2 del manual AISC, siendo estas las siguientes:
Cuando 𝑘 ∗
𝐿𝑟
< 𝐶
𝑐𝐹𝑎 =
[1 − ( 𝑘𝑙 𝑟 )
22𝐶
𝑐2] ∗ 𝐹𝑦 5
3 + 3 ∗ ( 𝑘𝑙 𝑟 ) 8𝐶
𝑐− ( 𝑘𝑙
𝑟 )
38𝐶
𝑐3(1)
Cuando 𝑘 ∗
𝐿𝑟
> 𝐶
𝑐𝐹𝑎 = 12 ∗ 𝜋
2𝐸 23 ∗ ( 𝑘𝑙
𝑟 )
2(2)
Donde 𝐶
𝑐= √
2𝜋2 𝐸𝐹𝑦
En cuanto a la relación de esbeltez se considerará como máximo k l/r < 200
Para este tipo de estructuras se asume k = 1.0
Las fórmulas para los esfuerzos de tensión: Ft <= 0.6 x Fy
Las normas TIA/EIA – 222 – F en su numeral 3.1.1.1 establecen que para estructuras de altura menores a 213 m como en el presente caso, los esfuerzos permisibles obtenidos según el AISC pueden ser incrementados en 1/3, lo que se tendrá en cuenta al diseñar los elementos.
En cuanto a la relación de esbeltez para miembros a compresión en el numeral 3.1.12 de la norma TIA/EIA-222-F considera lo siguiente.
Para montantes como máximo kl/r < 150
Para elementos de arriostre kl/r < 200
Para elementos redundantes o miembros a compresión que no
hayan sido calculados kl/r < 250
28 2.2.2. Cargas actuantes consideradas en la torre
A. Cargas permanentes
Llamada también carga muerta, se considera el peso de la estructura, accesorios y riendas (Telecomunications Industry Association, 1996).
B. Cargas eventuales de viento (W)
A solicitud del cliente se realiza la evaluación para una velocidad de viento de 100 km/h.
Sismo (E). No se considera, pues la acción del viento es mucho mayor.
Nieve (S). No se considera a solicitud del cliente.
Para el cálculo de la estructura se considera un análisis tridimensional, y las fuerzas producto del viento se aplican a 0º, 45°, 90°, 135°, 180º, 225°, 270° y 315°.
Para determinar la carga total de viento de diseño se debe sumar las fuerzas horizontales que van en la dirección de viento y se aplican a la estructura, además es importante determinar la carga de viento de diseño sobre accesorios puntuales y riendas (Telecomunications Industry Association, 1996).
Para hallar las fuerzas horizontales que se aplican en cada sección de la estructura, se utiliza la siguiente ecuación (Telecomunications Industry Association, 1996):
𝐻
𝑡= 𝑞
𝑧𝐺
𝐻[𝐶
𝐹𝐴
𝐸+ ∑(𝐶
𝐴𝐴
𝐴)] [𝑘𝑔] (3)
Donde:
𝐻
𝑡= Fuerza horizontal aplicada a cada sección de la estructura
𝑞
𝑧= Presión de la velocidad del viento
29
𝐺
𝐻= Factor de ráfaga
𝐶
𝐹= Coeficiente de fuerza
𝐴
𝐸= Área proyectada efectiva de los componentes estructurales en una cara
𝐶
𝐴=Coeficiente de fuerza para accesorios lineares o discretos
𝐴
𝐴= Área proyectada de un accesorio linear
𝑞
𝑧= 0,063277 𝐾
𝑍𝑉
2[ 𝑘𝑔
𝑚
2] (4) Donde:
𝐾
𝑍= Coeficiente de exposición
𝑉= Velocidad básica del viento respecto a la localización de la estructura [𝑚/𝑠]
𝐾
𝑍= ( 𝑧 10 )
2
7
(5)
Donde:
𝑧= Altura media desde la base de la torre hasta el punto medio de la sección o accesorio [𝑚]
𝐺
𝐻= 0,65 + 0,60 ( ℎ
10 )
1 7
(6)
Donde:
ℎ= Altura total de la estructura[𝑚]
30 𝐶
𝐹= 4,0 𝑒
2− 5,9 𝑒 + 4,0 (𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠) (5)
Donde:
𝑒= Radio sólido
𝑒 = 𝐴
𝐹+ 𝐴
𝑅𝐴
𝐺(7) Donde:
𝐴
𝐹= Área proyectada de componentes estructurales planos en una cara [𝑚
2]
𝐴
𝑅=Área proyectada de los componentes estructurales circulares en una cara [𝑚
2]
𝐴
𝐺= Área transversal de una cara de la torre como si fuera sólida.
C. Carga de viento sobre las antenas
Según el TIA/EIA las fórmulas para calcular las cargas de viento sobre las antenas son las siguientes:
𝐻
𝐴= 24,7177𝐶
𝐴(𝐾
𝑍𝐺
𝐻𝐴𝑉
2) (8) Donde:
𝐻
𝐴= Fuerza axial actuando a lo largo del eje de la antena [𝑘𝑔]
𝐶
𝐴, 𝐶
𝑠𝑦 𝐶
𝑀= Coeficientes contenidos en tablas B1 a B6 en anexo B de las normas TIA/EIA–222F.
A= Área exterior de antena parabólica (𝑚
2).
𝑉= Velocidad básica del viento respecto a la localización de la antena [𝑚/𝑠]
𝐾
𝑧= (𝑧/10)
2/7(9)
31 𝐺
𝐻= 0,65 + 0,60
(ℎ/10)
1/7(10) Considerando que:
𝐻
𝑠= Fuerza lateral actuando perpendicular al eje de la antena.
𝑀 = Momento del giro en el plano que actúan 𝐻
𝐴𝑦 𝐻
𝑠 𝐷= Diámetro exterior de antena parabólica.
D. Desplazamiento de la torre
Para hallar el desplazamiento máximo de la torre se usa la siguiente formula.
(∆ 𝑚𝑎𝑥)
2= (𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 − 𝑥)
2+ (𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 − 𝑦)
2(11) E. Angulo de deflexión
∅ = 180
𝜋 tanh
−1( ∆ 𝑚𝑎𝑥
𝐻 ) (12)
2.3. Bases conceptuales 2.3.1. Norma TIA/EIA
Las Normas y Publicaciones de Ingeniería de TIA/EIA se diseñan con el objetivo de servir al interés público eliminando los malentendidos entre fabricantes y compradores, facilitando la intercambiabilidad y mejoramiento de los productos y ayudando al comprador a seleccionar y obtener con la menor demora posible el producto mejor adaptado a sus necesidades particulares (Telecomunications Industry Association, 1996).
Esta norma brinda criterios mínimos para el diseño de estructuras de
acero y torres para antenas utilizadas en servicios de
comunicaciones, las cuales pueden ser las antenas microondas,
32 celular TV, AM, CATV, entre otros; para aplicar esta norma es necesario determinar la velocidad máxima del viento en una milla, característico de la zona de estudio, así como la carga de hielo, dichos datos pueden ser recopilados de las bases meteorológicas.
2.3.2. Tipos de torres de telecomunicación
Estas estructuras pueden variar según sus necesidades y las características del lugar donde se vaya a colocar y podrán ser de diversas alturas.
Los tipos de torres son las siguientes:
A. Torres arriostradas o atirantadas
Conocidas también como torres ventadas, son torres modulares que presentan una sección constante, para instalarlas son necesarios vientos llamados así a los cables tensores, los cuales ayudan a salvaguardar la verticalidad de la torre, al anclarlos a una distancia mínima de la tercera parte de la altura de la torre (Apolo Sócola y Cangás Herrera, 2014).
Las torres arriostradas utilizan tres direcciones de viento a 120 ° si su sección es triangular, además, según la altura de la torre se utilizarán 3,6 y 9 anclajes; en el caso de que su sección sea cuadrada, emplearan cuatros direcciones cada 90 ° (Apolo Sócola y Cangás Herrera, 2014).
Por lo general estas torres se usan en edificios y en zonas donde
hay amplios espacios por los tirantes que se tienen que anclar.
33
Figura 2-1: Torre arriostradas o atirantadas Fuente: Entel Perú
B. Torres autosoportada
La característica principal de estas torres es que autosoportan su propia masa incluidos las cargas adicionales, haciéndola una estructura muy estable (Apolo Sócola y Cangás Herrera, 2014).
Figura 2-2: Torre autosoportada Fuente: Entel Perú
Torres autosoportada angular
Según su ubicación, las torres autosoportadas se construyen
con piernas, péndales y diagonales fabricados en ángulos de
34 acero de diferentes dimensiones, su estructura es adecuada para soportar grandes cargas medianas o pesadas, este tipo de torres se utilizan comúnmente para antenas de redes troncales, celulares o concentradores de comunicaciones centrales (Apolo Sócola y Cangás Herrera, 2014).
Figura 2-3: Torre autosoportada angular Fuente: Entel Perú
Torres arriostrada tubular
Son torres más compactas ya que sus piernas y refuerzos se fabrican con perfiles tubulares, lo cual hacen de estas torres más resistentes al viento y a cargas de gran magnitud (Apolo Sócola y Cangás Herrera, 2014).
Figura 2-4: Torre arriostrada tubular
Fuente: Entel Perú
35 C. Torres tipo monopolo
Son torres con estructuras estables, con formas troncocónicas, secciones poligonales y determinado número de caras, se construyen con planchas de acero que forman tubos cónicos que se acoplan perfectamente uno sobre otro (Rivera Hurtado, 2015).
2.4. Hipótesis
El reforzamiento estructural de la torre de telecomunicaciones permite
aumentar su capacidad portante.
36 2.5. Operacionalización de las variables
Tabla 2-1: Operacionalización de la variable dependiente
Variable dependiente
Dimensión
Indicadores Unidades Instrumento Fuente
Capacidad portante de una torre de telecomunicaciones
Resistencia de los elementos
- Relación de esfuerzo axial y
esfuerzo permisible (ratios) Adimensional
Software MS Tower
Torre de telecomunicacion es autosoportada
de Puntas Pico - Desplazamiento
- Angulo de deflexión y torsión
-Milímetros -Grados
Fuente: Elaboración propia
Tabla 2-2: Operacionalización de la variable independiente
Variable
independiente Dimensión Indicadores Tratamiento
Reforzamiento estructural
Tipos de elementos
Espesor Ancho Longitud
Velocidad del viento de 100 km/h
Resistencia de la torre
-Desplazamiento -Ángulo de deflexión y
torsión en grados
Velocidad del viento de 90 km/h
Fuente: Elaboración propia
37 CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
3.1. Método de investigación
El método de investigación tecnológica tiene como fin utilizar los conocimientos científicos para solucionar los diferentes problemas o situaciones, busca restaurar procesos en función de descubrimientos ya ejecutados (Espinoza Montes, 2014).
3.2. Tipo de investigación
La investigación aplicada, tiene como fin generar conocimientos que puedan ser aplicados directamente y a corto o mediano plazo a problemas determinados en sectores definidos, evitando el desarrollo de teorías, este tipo de investigación utiliza los conocimientos que se obtienen de la investigación básica (Lozada, 2014).
La presente investigación es del tipo aplicada debido a que se aplicó la
norma TIA/EIA y el software MS Tower para el análisis estructural de la
torre autosoportada de telecomunicación “Puntas Pico”, con el fin de
proponer reforzamientos para incrementar su capacidad portante y poder
mitigar los problemas descritos en la fundamentación del problema.
38 3.3. Nivel de investigación
El nivel descriptivo explicativo, en el caso del nivel de investigación descriptivo se basa en el recojo de información, buscando describir características y propiedades importantes del fenómeno a analizar, mientras que el nivel de investigación explicativa busca instituir la causa de los sucesos o del fenómeno analizado (Hernández Sampieri et al., 2014).
En la presente investigación se aplica un nivel de investigación descriptivo- explicativo, debido a que se tomó en cuenta la información recopilada en el análisis estructural de la torre autosoportada, de acuerdo al software MS Tower se realizó una evaluación estructural de la torre en base a la norma TIA/EIA y se explicó por qué presenta una baja capacidad portante en base a la relación de esfuerzos de los perfiles metálicos, además, se sugirió reforzamientos para la estructura describiendo y explicando los efectos que estos refuerzos tendrían sobre la relación de esfuerzos de los perfiles metálicos de la torre de telecomunicaciones y por ende en su capacidad portante.
3.4. Diseño de investigación
Diseño no experimental de corte transversal, los cuales recopilan datos o realizan análisis de fenómenos o hechos en un tiempo determinado, su fin es describir las variables que influyen en el fenómeno y analizar su interrelación en un momento dado, en esta investigación no experimental las variables no pueden ser manipuladas, porque se generaron según la evaluación estructural de la torre autosoportada y de acuerdo a la norma TIA/EIA; es de corte transversal porque los datos fueron recolectados en un solo tiempo (Hernández Sampieri et al., 2014).
3.5. Población, muestra o unidad de observación
Elementos de una torre de telecomunicaciones de la estación de "Puntas
Pico”.
39 3.6. Técnicas e instrumentos de recolección de datos
3.6.1. Técnicas de recolección de datos
Las técnicas de recolección de datos tienen como función organizar la información, la cual servirá para la obtención de nuevos conocimientos, las técnicas cumplen las siguientes actividades:
ordenar las etapas de la investigación, construir instrumentos de medición, realizar el control de datos y encaminar a la adquisición de los nuevos conocimientos (Espinoza Montes, 2014).
La técnica de recolección de datos que se utiliza es el empírico.
A. Técnicas empíricas
Permite la observación en contacto directo con el fenómeno analizado, asimismo, con el fin de buscar la verdad, confronta la teoría con la práctica, basándose en el acopio de testimonios (Espinoza Montes, 2014).
Se utilizó la observación de imágenes el cual describió las características de los elementos de la torre, además del informe elaborado por el montajista. Posteriormente se determinó los esfuerzos, deformaciones, y desplazamientos a través del método de los elementos finitos.
3.6.2. Instrumentos de recolección de datos
El software de Elementos Finitos utilizado es el MS Tower, el cual es más adecuado para torres de telecomunicaciones.
3.7. Procedimiento de recolección de datos
Mediante el MS Tower se determinarán los desplazamientos, deflexión,
ángulos de torsión, esfuerzos y el factor de seguridad, que resultan de las
cargas aplicadas.
40 CAPÍTULO IV
4. ANÁLISIS DE REFORZAMIENTO DE UNA TORRE DE TELECOMUNICACIONES AUTOSOPORTADA 4.1. Características de la torre autosoportada
La torre de la Estación 0101802 de Puntas Pico se encuentra en el distrito de Zorritos, provincia Contralmirante Villar en el departamento de Tumbes.
El tipo de torres es Autosoportada Cuadrada de 70,25 m de altura.
Figura 4-1: Ubicación de la antena
Fuente: Elaboración Propia
41
Figura 4-2: Torre de Puntas Pico
Fuente: (B&P diseño e ingeniería del acero S.A.C., 2015)
Figura 4-3: Antenas existentes en los primeros paneles Fuente: (B&P diseño e ingeniería del acero
S.A.C., 2015)
42
Figura 4-4: Antenas existentes en los últimos paneles Fuente: (B&P diseño e ingeniería del acero S.A.C., 2015)
Figura 4-5: Base de la torre autosoportada
Fuente: (B&P diseño e ingeniería del acero S.A.C., 2015)
43
Figura 4-6: Medidas de la cartela en la base de la torre Fuente: (B&P diseño e ingeniería del acero S.A.C., 2015)
Figura 4-7: Medida de los cables
Fuente: (B&P diseño e ingeniería del acero S.A.C., 2015)
4.2. Características estructurales de la torre
La torre está formado a base de perfiles angulares de acero ASTM A-36 cuya resistencia mínima a la fluencia es de Fy = 2530 Kg/cm
2. Los perfiles están unidos por pernos de alta resistencia ASTM A325 y el tipo de soldadura que se ha usado es el AWS E60XX.
La torre tiene una altura de 70,25 m compuesto de 35 paneles, estos se
cuentan de arriba hacia abajo. Se construyó un plano de la vista en
44 elevación de la torre cuadrada H=70,25 m y en vista en planta de roldana y antenas RF detalle de zapata, presentada en el anexo B.1.
4.2.1. Tipos de paneles usados
Los primeros 18 paneles son del tipo “DL”
Figura 4-8: Panel tipo DL
Fuente: (Engineering Systems, 2008)
El panel número 19 es del tipo “X”
Figura 4-9: Panel tipo X
Fuente: (Engineering Systems, 2008)
Los paneles del 30 al 35 son del tipo “XH3”
Figura 4-10: Panel tipo XH3
Fuente: (Engineering Systems, 2008)
45
Las bases del 04 al 18 es son del tipo “PLD”
Figura 4-11: Base del tipo PLD Fuente: (Engineering Systems, 2008)
La base del panel 19 es del tipo “PLS”
Figura 4-12: Base del tipo PLS Fuente: (Engineering Systems, 2008)
Las bases del panel 20 al 29 son del tipo “PL1”
Figura 4-13: Base del tipo PL1 Fuente: (Engineering Systems, 2008)
Las bases del panel 30 al 35 son del tipo “PL3X”
46
Figura 4-14: Base del tipo PL3X Fuente: (Engineering Systems, 2008)
Para el caso de los techos y rombos utilizados en cada panel se construyó un plano de vistas en planta de techos y rombos existentes en torre autosoportada, presentado en el anexo B.3.
4.3. Tipos de perfiles usados en la estructura de la torre
Montantes 1 EA64X64X6 2 EA75X75X6 3 EA100X100X10 4 EA102X102X6 5 EA125X125X10 6 STA125X10+100X5 8 STA150X10+100X10 9 STA125X10+100X8 10 EA150X150X10
Tejido
13 EA45X45X5
14 EA50X50X5
15 EA50X50X6
16 EA63X63X6
17 EA63X63X6
18 EA75X75X6
19 EA100X100X6.
47 4.4. Cargas existentes
Entre las cargas existentes están antenas, cables, roldanas, escaleras.
Tabla 4-1: Antenas tipo “RF”
Tipo X Y Z Peso
promedio Ángulo Dimensiones RF1 0,967 -2,105 69,65 70 30 2,40x0,26x0,12 m RF2 0,035 -2,105 69,65 70 30 2,40x0,26x0,12 m RF3 -0,833 -2,105 69,65 70 30 2,40x0,26x0,12 m RF4 -0,227 2,063 69,65 70 200 2,40x0,26x0,12 m RF5 -1,088 1,708 69,65 70 200 2,40x0,26x0,12 m RF6 -1,891 1,377 69,65 70 200 2,40x0,26x0,12 m RF7 0,185 1,406 64,35 70 200 1,45x0,30x0,23 m RF8 -1,415 -0,953 64,35 70 75 1,45x0,30x0,23 m Fuente: Elaboración Propia
Tabla 4-2: Antenas tipo “MW”
Tipo X Y Z Peso
promedio Ángulo Dimensiones
MW-1 -0,96 -1,062 60 110 75 1,2 m
MW-2 -0,852 -1,037 54,6 160 75 2,0 m
MW-3 1,402 -2,052 37,75 110 70 1,2 m
MW-4 -1,734 1,982 35,65 200 220 2,2 m
MW-5 -2,364 2,575 16,75 110 220 1,2 m
Fuente: Elaboración Propia
Las antenas tipo MW fueron presentadas en el plano de vistas en planta ubicación de antenas MW en torre. Vista de escuadras, presentado en el anexo B.2.
Tabla 4-3: Roldana
Tipo X Y Z Ángulo
ROLD1 0 0 69,75 0
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 4-4: Cables
Tipo Punto inicial Punto final
Ángulo
X Y Z X Y Z
P-LADDER 1 0 0 1 0 49,45 315
R-LADDER -1 0 0 -1 0 49,45 135
P-LADDER1 0,26 0,28 49,45 0,26 0,28 70,25 270
R-LADDER1 -0,3 -0,3 49,45 -0,3 -0,3 70,25 90
Fuente: Elaboración Propia
48
Tabla 4-5: Escaleras
Tipo Punto inicial Punto final
Ángulo
X Y Z X Y Z
FDR1 -0,557 0,182 2,6 -0,557 0,182 66 90
FDR2 -0,57 0,145 2,6 -0,57 0,145 66 90
FDR3 -0,545 0,145 2,6 -0,545 0,145 66 90
FDR4 -0,55 0,02 2,6 -0,55 0,02 62 90
FDR5 -0,54 -0,02 2,6 -0,54 -0,02 56 90
FDR6 -0,54 -0,035 2,6 -0,54 -0,035 37 90 Fuente: Elaboración Propia
Para la presentación de los materiales, antenas y equipos existentes en la torre autosoportada de telecomunicaciones de Punta Pico, se construyó el plano de presentación de cuadro de materiales, antenas y equipos existentes en torre, ubicado en el anexo B.4.
4.5. Cargas futuras
Las cargas futuras son lo que se tiene en propuesta añadir por parte del cliente, y estas son las siguientes.
Tabla 4-6: Antenas tipo “MW”
Tipo X Y Z Peso
promedio Ángulo Dimensiones
MW-20 -1,604 -2,173 29 160 40,27 1,8 m
MW-21 -1,604 -2,173 36 160 40,27 1,8 m
MW-22 1,813 -0,016 59 160 239,18 1,8 m
MW-23 1,085 -1,081 53 240 40,27 2,4 m
MW-24 -0,984 1,144 59 160 239,18 1,8 m
MW-25 -1,604 -2,173 43 240 40,27 2,4 m
MW-26 2,057 2,43 22 160 239,18 1,8 m
Fuente: Elaboración Propia
4.6. Consideraciones para el análisis
El análisis se hace en el programa MS Tower, para lo cual se toman las siguientes consideraciones.
Se revisó el informe de inspección de los montajistas, en el cual se encontró
toda la información levantada en campo, así como azimut, altura, algunas
imágenes en el cual se visualiza las medidas de los perfiles o alguna
49 característica en particular, además tener presente las antenas instaladas en la torre en su momento inicial.
Altura: 70,25 m
Velocidad del viento: 100 km/h
Azimut: 315°
En B y P Diseño e Ingeniería del Acero S.A.C se cuenta con el área de dibujo, quien elabora los planos de las torres a inspección.
Estos planos son muy importantes, ya que de ellos se sacó las diferentes características de la torre y estas cargarlos al programa MS Tower.
Características como los tipos de perfiles, altura de cada panel, ubicación de cada antena.
Además, se corroboró las imágenes que tomo el montajista en campo.
4.7. Ingreso de datos en el MS Tower
Una vez ya tenido los datos del dibujante, se empezó a cargar los datos en el MS Tower.
Figura 4-15: Pantalla de inicio de MS Tower Fuente: Elaboración propia
4.7.1. Geometría estructural de la torre
Para ingresar la geometría estructural de la torre es necesario ubicarse en el MS Tower y dirigirse a la siguiente ubicación:
Tower/Build Tower/Edit Tower Data File
50
Figura 4-16: Ingreso de geometría en MS Tower Fuente: Elaboración propia
En esta ventana se ingresa, tipo de torre (torre Autosoportada), ingresar las dimensiones generales de la torre (número de caras, altura de panel, ancho de base, ancho de sima), tipos de perfiles, los pernos que se usan en el armado.
Los datos ingresados al software se muestran en el anexo A.1.
4.7.2. Cargas de la estructura
Para ingresar las cargas, se ingresó con la siguiente ruta:
Figura 4-17: Ingreso de la carga en MS Tower Fuente: Elaboración propia
En esta ventana se ingresó el azimut o norte, la velocidad del viento
(velocidad de supervivencia). Para calcular el desplazamiento se
evaluó con el 75 % de la velocidad de supervivencia. Se ingresó
también la acción del viento en diferentes direcciones (para torre
autosoportada cuadrada a 0°; 45°; 90°; 135°; 180°; 225°; 270°; 315°),
las cargas en la torre con sus respectivas coordenadas.
51 Los datos ingresados al software se muestran en el anexo A.2.
4.7.3. Ejecutando el análisis
Se ejecutó el análisis de carga con la dirección: Tower/Build Load Analisis.
Figura 4-18: Ejecución del programa Fuente: Elaboración propia
Posterior a ello se seleccionó la norma que se está usando, la cual es TIA-EIA222F.
Figura 4-19: Uso de normas de antenas de telecomunicación Fuente: Elaboración propia
Seguidamente se definió las reacciones, en los ángulos que se ha
mencionado.
52
Figura 4-20: Definición de reacciones Fuente: Elaboración propia
Ya concluido este paso, se sacó los datos que brinda el programa
Figura 4-21: Data del análisis con Ms Tower Fuente: Elaboración propia
Las unidades con que se maneja son:
Para dimensiones, longitud, área “m, m
2”
Para las fuerzas “kN”
Para esfuerzos “N/mm
2(MPa)”
La norma que se usaron para el análisis es el EIA-222-F, con un factor de seguridad 1,33.
Los valores que brinda el programa son los siguientes:
Fy: Esfuerzo de fluencia
Nb: N° de pernos en la conexión final.
C: Sección 5.7 sub-cláusula utilizado para KL/r.
KL/r: Sección 5.7.4 relación de esbeltez.
53
x/y/v: Eje de pandeo.
P: Fuerza axial en los elementos, kN.
C: Compresión
F: Esfuerzo axial en los miembros, MPa.
F: Esfuerzo permisible, MPa.
*: Relación de esfuerzos (ratio) > 1,0
#: Puntos donde exceden los límites de esbeltez
Figura 4-22: Resultados que muestra el programa Fuente: Elaboración propia
Para que un elemento de la torre cumpla, debe cumplir lo siguiente
Relación de esfuerzos menor a uno f/F < 1,0
En cuanto a la relación de esbeltez para miembros a compresión en el numeral 3.1.12 de la norma TIA/EIA-222-F considera lo siguiente.
Para montantes como máximo kl/r < 150
Para elementos de arriostre kl/r < 200
Para elementos redundantes o miembros a compresión que no hayan sido calculados kl/r < 250
De ello lo que interesa es el esfuerzo a compresión ya que la tensión en los elementos no es significativa. En estos elementos a compresión se consideró la relación de esbeltez y, la relación entre esfuerzo axial y esfuerzo permisible.
Los datos de salida del programa se muestran en el anexo A.3.
54 4.8. Demostración de cálculos con MS Tower
4.8.1. Cálculo con cargas existentes
El análisis del elemento a compresión para el acero estructural ASTM BA36 es el siguiente
A. Cargas existentes sin montantes de refuerzo
Diagonal del panel 23, Elemento 4042 “EA63x63x6”
𝐸 = 199955 𝑀𝑃𝑎 𝐹
𝑦= 248,22 𝑀𝑃𝑎 𝐴 = 767,74 𝑚𝑚
2𝑟
𝑧= 12. ,24 𝑚𝑚 𝐾 = 1
𝐿 = 3440,93 𝑚𝑚
Calculó de la relación de esbeltez ( 𝐾𝐿
𝑟 )
𝑧
= 1 ∗ 3440,93
12,24 = 281,06
Por el valor obtenido se estaría hablando de un elemento esbelto 𝐶
𝑐= √ 2𝜋
2𝐸
𝐹
𝑦= √ 2 ∗ 𝜋
2∗ 199955
248,22 = 126,10 Entonces
( 𝐾𝐿 𝑟 )
𝑧
> 𝐶
𝑐Por lo que se usa la ecuación (2) 𝐹
𝑎= 12 ∗ 𝜋
2∗ 199955
23 ∗ 281,06 = 13,03 𝑀𝑃𝑎
Haciendo el incremento de 1/3 según el numeral 3.1.1.1 de las normas TIA/EIA-222-F
𝐹
𝑎= 13,03 + 13,03 3 𝐹
𝑎= 17,38 𝑀𝑃𝑎
Tenemos que 𝑓 = 42 𝑀𝑃𝑎 Por lo tanto, el Ratio
𝑓
𝐹
𝑎= 42
17,38 = 2,4167
55 Para cargas existentes el MS Tower brinda los siguientes resultados.
Relación máxima de, esfuerzo axial y esfuerzo permisible (Ratio).
𝑓
𝐹
𝑚𝑎𝑥= 2,386
Esto se da en el panel 23 de la torre, se trata de una diagonal de perfil EA63x63x6, el cual tiene una longitud de 3,441 m.
Montante del panel 23, Elemento 4021 “EA102x102x6”
𝐸 = 199955 𝑀𝑃𝑎 𝐹
𝑦= 248,22 𝑀𝑃𝑎 𝐴 = 1245,16 𝑚𝑚
2𝑟
𝑧= 19,89 𝑚𝑚 𝐾 = 1
𝐿 = 2000 𝑚𝑚
Calculamos la relación de esbeltez ( 𝐾𝐿
𝑟 )
𝑧
= 1 ∗ 2000
19,89 = 100,56 𝐶
𝑐= √ 2𝜋
2𝐸
𝐹
𝑦= √ 2 ∗ 𝜋
2∗ 199955
248,22 = 126,10 Entonces
( 𝐾𝐿 𝑟 )
𝑧
< 𝐶
𝑐Por lo que usamos la ecuación (1)
𝐹
𝑎=
[1 − 100,56
22 ∗ 126,10
2] ∗ 248,22 5
3 + 3 ∗ 100,56
8 ∗ 126,10 − 100,56
38 ∗ 12
