REFUERZOS DE ESTRUCTURAS DE TORRES

1. INTRODUCCIÓN

Un área de la ingeniería en la que se aprecian día a día los avances científicos y tecnológicos así como el continuo desarrollo de nuevas tecnologías son las telecomunicaciones. Desde el comienzo de la transformación económica en Polonia en la década de 1990, el mercado de las telecomunicaciones ha cambiado considerablemente: se abandonó la práctica del monopolio y se permitió que los proveedores de servicios compitieran entre sí. Dado que los servicios de telecomunicaciones y TI se han vuelto ampliamente asequibles, la demanda aumenta constantemente. Como consecuencia natural, la infraestructura de telecomunicaciones debe ampliarse y mejorarse. Los nuevos equipos y elementos auxiliares necesarios para operar la red de telecomunicaciones y proporcionar un acceso fluido y sin fallas a los servicios se han agregado continuamente a las estaciones transceptoras base existentes.

Las estructuras que soportan los equipos de telecomunicaciones podrán cumplir con los crecientes requisitos y transferir con seguridad cargas a menudo varias veces mayores, siempre que se mejore su capacidad de carga (Referencias 1 a 4). Una de las formas más eficaces de mejorar la capacidad y la vida útil de una estructura es reforzarla. Un diseño correcto y un ensamblaje cuidadoso de un refuerzo son claves para la operación segura de las torres de telecomunicaciones sujetas a mayores cargas.

El documento tiene como objetivo brindar orientación sobre lo que se debe considerar para que los diseños de refuerzo sean efectivos y económicos, y señalaralgunos errores comunes que se cometen al diseñar refuerzos para estructuras de soporte de torres.

2. IDENTIFICACIÓN DE LOS MIEMBROS QUE DEBEN REFORZARSE

El primer paso y el más importante al diseñar un refuerzo de estructura es identificar un conjunto de miembros cuya capacidad de carga será inadecuada cuando aumente la carga de la torre, es decir, "el eslabón más débil" de una estructura. Lo que más a menudo requiere refuerzo son las patas, que son los principales miembros de soporte de una torre (Refs. 5–8). A veces, sin embargo, una estructura tiene que reforzarse debido a la capacidad de carga insuficiente de los elementos de arriostramiento o juntas, o porque no cumple con el requisito del estado límite de servicio (SLS) debido a desplazamientos demasiado grandes o torsión de la torre, que es directamente relacionado con los requisitos tecnológicos (conexión constante con estaciones transceptoras base vecinas). Cada uno de estos casos requiere un enfoque diferente.

3. INGENIERÍA DE REFUERZO

Desarrollar un diseño de refuerzo suele ser mucho más difícil que producir un nuevo diseño. La secuencia de actividades debe analizarse en detalle, debe evaluarse la descarga máxima de miembros durante los trabajos de mejora, un medio de transferencia temporal de cargas desde la mejora

debe establecerse a otros miembros, y debe planificarse la introducción de soportes o arriostramientos adicionales (Ref. 9).

Hay dos hipótesis sobre el cálculo de los refuerzos estructurales: (1) suponiendo que los elementos añadidos (de refuerzo) están sujetos únicamente a las fuerzas

producidas por las cargas impuestas cuando el refuerzo está completo (los cálculos se refieren al rango elástico); y(2) suponiendo que cuando las tensiones alcanzadas en la sección transversal básica son relevantes para el estado plástico, las tensiones se distribuyen y equilibran dentro de un miembro tanto en la sección transversal básica como en la añadida (los cálculos se refieren al rango plástico) (Ref. 9 ).

Se recomienda que los diseñadores de refuerzos satisfagan los requisitos generales, como preservar la alineación en los nodos de la red y disponer las secciones transversales de refuerzo de manera que los centros de gravedad de las secciones transversales básicas y de refuerzo estén alineados entre sí y, si no es posible, verificar los elementos. en el nudo considerando esfuerzos adicionales producidos por momentos que ocurren debido a un montaje excéntrico de las secciones transversales adicionales (Ref. 9).

Los diseñadores siempre deben tener en cuenta que, además de un aumento efectivo en la capacidad de carga de una estructura, el diseño del refuerzo también debe cumplir una serie de otras condiciones, teniendo en cuenta los siguientes aspectos:- Ejecución: el refuerzo debe ser relativamente fácil de implementar; no debe chocar con miembros de una estructura existente; se requiere poco trabajo para montarlo; cuando sea posible, debe evitarse cortar, perforar o soldar miembros en el sitio, particularmente en altura; las soldaduras que conectan secciones transversales de refuerzo con miembros y nudos reforzados deben ubicarse en lugares donde puedan realizarse cómodamente y sean accesibles para el control de calidad; y las ubicaciones de los pernos y anclajes nuevos deben permitir apretar fácilmente las tuercas.

- Economía: los aspectos económicos están directamente relacionados con las condiciones de ejecución. Los miembros adicionales deben ser del menor peso posible y fáciles de montar (cuanto mayor sea el precio, más trabajo se requiere, más difícil es la ejecución y se necesita equipo especializado adicional).

- Estabilidad y durabilidad: el refuerzo debe fijarse permanentemente a una estructura existente para garantizar la transferencia de fuerzas internas a miembros adicionales y el refuerzo funciona junto con la estructura original.3. MIEMBROS DE COMPRESIÓN DE REFUERZO

Dependiendo de la operación de la estructura, la tecnología y las condiciones de ejecución, se utiliza una de las siguientes formas de reforzar los miembros que se encuentran principalmente comprimidos:(1) la disminución de la longitud de pandeo de los miembros, lo que da como resultado un refuerzo adicional de la estructura (para miembros esbeltos, en cuyo caso la capacidad de carga está determinada por la condición de estabilidad de los miembros);

(2) adición de elementos de refuerzo que aumentan el área de la sección transversal de diseño y al mismo tiempo no cambian considerablemente la esbeltez de una barra;

(3) aumentando simultáneamente la rigidez de la estructura (reduciendo tanto la longitud de pandeo como la esbeltez de un miembro) y su sección transversal (Ref. 9).

Para estructuras de torres, el refuerzo que implica cambiar el esquema estático agregando soportes intermedios y, por lo tanto, acortando las longitudes de pandeo de los miembros, brinda buenos resultados económicos y, en la mayoría de los casos, es la mejor opción.

3.1. Armadura por insuficiente resistencia al pandeo

Debido a las características de los elementos que componen las estructuras de celosía de acero que soportan los equipos de telecomunicaciones, como su considerable esbeltez y las fuerzas internas predominantes producidas por las acciones predominantes del viento, es decir, las fuerzas axiales, en la gran mayoría de los casos, la capacidad de carga de una torre está determinada por la condición de estabilidad. En estructuras planas y de barra espaciadora, la pérdida de estabilidad puede ocurrir como pandeo de ciertas barras o su estructura causada por una fuerza de compresión o como una pérdida local de estabilidad, es decir, deformación de la sección transversal de los miembros de compresión o flexión. (Referencia 9).

La condición de resistencia a pandeo de un miembro se caracteriza por la siguiente relación (Ref. 10):dónde:

A - área de la sección transversal del miembro,

Fy–límite elástico del acero del que está hecho el elemento, γM1–factor parcial igual aγM1=1.0, x–factor de pandeo, dado por la fórmula:y:

- =0.5 - -1+-(-−0.2)+-2- -,

dónde:

--esbeltez relativa,α–factor de imperfección, dependiendo del tipo de sección transversal del miembro.

La esbeltez relativa depende directamente de la longitud de pandeo del elementoLcrde acuerdo con la siguiente fórmula:dónde:

i–radio de giro de la sección transversal alrededor del eje relevante, mi–El módulo de Young.

Dado que tratamos con estructuras ya existentes, no tenemos control sobre sus características materiales, que por lo tanto son constantes. Al analizar las fórmulas anteriores, se puede ver fácilmente que para aumentar la resistencia al pandeo de los miembros, se deben modificar adecuadamente sus parámetros de sección transversal o sus longitudes de pandeo.

4. EJEMPLOS DE REFUERZOS EN ESTRUCTURAS DE TORRE QUE NO CUMPLEN CON LOS REQUISITOS DE DISEÑO EFECTIVO Y ECONÓMICO

A continuación se proporcionan varias de las deficiencias y deficiencias que se encuentran con más frecuencia en los refuerzos estructurales de las torres. Los ejemplos mostrados no cumplen al menos una de las condiciones mencionadas anteriormente de un diseño correcto y óptimo.

4.1. Refuerzos que implican una modificación del esquema estático de una estructura

Una tipología de torres de telecomunicaciones que se puede encontrar con mayor frecuencia en Polonia es una serie de estructuras de sección transversal en forma de triángulo equilátero y un sistema de arriostramiento en X (excepto el segmento superior que tiene un solo sistema de arriostramiento). Las patas de este tipo de torres están hechas de barras macizas, mientras que los elementos de arriostramiento son secciones en L laminadas en caliente de varios tamaños. Se pueden encontrar más detalles sobre estas estructuras en la Ref.8. En la figura 1 se muestra un refuerzo de patas en este tipo de torre realizado porque ya no se cumplía el requisito de resistencia al pandeo. Se utilizaron elementos de arriostramiento horizontales adicionales hechos de perfiles en L laminados en caliente, unidos mediante abrazaderas con las patas y mediante cartelas en el cruce de los elementos de arriostramiento, lo que tiene como objetivo disminuir la longitud de pandeo de los elementos principales de carga. de la torre (Fig. 2). Se debería notar, sin embargo, que las secciones adicionales están conectadas tanto con una pata como en el cruce de las secciones en L de arriostramiento usando un perno, por lo que deben considerarse miembros de doble articulación. Una solución de este tipo permite que los elementos de refuerzo giren en los nudos, por lo que pueden proporcionar un soporte insuficiente para la pierna. Para asegurarse de que el refuerzo funcionará correctamente, las secciones adicionales deben conectarse con dos pernos, al menos en un lado, para evitar la rotación y rigidizar la estructura.

En la Fig. 3 se muestra una solución similar. Nuevamente, aquí se usaron miembros horizontales adicionales para acortar la longitud de pandeo de las patas, pero en este caso las uniones se diseñaron con dos pernos para garantizar la rigidez adecuada de los miembros. Lo que podría generar dudas es la forma en que los travesaños adicionales se unen con los miembros de arriostramiento existentes del segmento: los miembros no están conectados en el nudo sino ligeramente debajo de él, y no están fijados permanentemente entre sí sino que solo se mantienen unidos por una pieza móvil de placa de hoja. Esta solución impone una flexión adversa sobre los tirantes diagonales existentes, por lo que no proporciona una conexión segura de los miembros.

Fig. 3 Refuerzo de pata: un elemento de arriostramiento horizontal adicional unido debajo del nodo con una pieza móvil de placa de hoja

En la Fig. 4 se muestra otro refuerzo del mismo tipo de estructura. En este caso, no se fijaron barras transversales adicionales en el cruce de las diagonales existentes. Los travesaños no funcionan con los arriostramientos existentes de la torre y son demasiado esbeltos para proporcionar a las patas un soporte adecuado y para considerar su punto de conexión como un soporte adicional.

En Polonia se pueden encontrar muchas soluciones que implican acortar la longitud de pandeo de un ala en este tipo de torre, incluyendo diseños que son ineficientes en términos de economía y difíciles de implementar. La Fig. 5 muestra un refuerzo logrado al agregar otro sistema de arriostramiento en X desplazado por la mitad de la longitud de un segmento (Fig. 6). Los miembros adicionales están hechos de armazón, lo que mejora su rigidez pero requiere más trabajo y hace que la instalación en la estructura sea mucho más difícil de realizar. Este diseño de refuerzo también es pesado, lo que sin duda encarece la construcción. También se puede observar que el apoyo adicional que introduce el refuerzo no siempre se encuentra a la mitad de la longitud original de pandeo de cada pata, lo que nuevamente afecta negativamente el desempeño de la estructura.

Otro ejemplo de refuerzo que requiere mucha mano de obra y es difícil de realizar se muestra en la Fig. 7. La estructura sujeta a refuerzo es una torre con un solo sistema de arriostramiento en todos los segmentos. La sección transversal de la estructura es un triángulo equilátero y sus patas y diagonales están hechas de secciones huecas circulares (CHS) de varios diámetros y espesores de pared.

el primero en pandearse y que estos miembros afectarán en mayor medida la capacidad de carga de la estructura; en consecuencia, el refuerzo utilizado resultará ineficaz.miembros del marco

Para acortar la longitud de pandeo de las patas de la torre, se diseñó un patrón de arriostramiento adicional que refleja el existente (Fig. 8). Esta solución es difícil de lograr en términos de tecnología (ya que se deben diseñar abrazaderas complejas para unir los arriostramientos diagonales nuevos y existentes en el cruce y los nodos del patrón de arriostramiento diseñado no están ubicados simétricamente para garantizar que no colisionen con los arriostramientos existentes). juntas) y costoso (ya que su peso, incluidas las abrazaderas adicionales, es mayor que el del sistema de arriostramiento existente). Además, este tipo de unión entre arriostramientos diagonales produce momentos de flexión adicionales en el sistema de arriostramiento original.

Otro tipo de refuerzo para estructuras descrito anteriormente se muestra en la Fig. 9. El cambio en el esquema estático se muestra en la Fig. 10. El problema en este caso parece ser la sección transversal de los miembros de refuerzo adicionales: son demasiado delgados, por eso no proporcionan suficiente apoyo a las piernas. En lo que respecta a las torres con un solo patrón de arriostramiento, primero se debe averiguar qué miembros proporcionarán una capacidad de carga inadecuada cuando se imponga más carga. En el caso que se muestra en la Fig. 9, es probable que las diagonales seanEl último ejemplo de refuerzo de una estructura de torre que implica una modificación de su esquema estático es una solución destinada a aumentar la capacidad de carga de las diagonales de la torre (Fig. 11). Se suponía que los miembros adicionales que se pueden ver en la foto acortarían la longitud de pandeo de las secciones en L utilizadas en el patrón de arriostramiento. Podemos ver en la foto que estos miembros soportan las diagonales solo en una dirección, concretamente en el plano del muro de la torre. No logran evitar el pandeo de las diagonales fuera del plano del muro. Para que el refuerzo sea completamente efectivo, se deben proporcionar miembros adicionales para rigidizar las diagonales también en la otra dirección.

Fig. 11 Refuerzo de diagonales – reducción del pandeo

longitud en el plano de la pared de la torre

4.2. Refuerzos que implican un aumento en la sección transversal de los miembros de compresión

En lugar de modificar el esquema estático de una estructura, se puede ampliar la sección transversal de aquellos miembros cuya capacidad de carga sea insuficiente. Tal operación generalmente da como resultado una mayor rigidez de un miembro ya que se vuelve menos esbelto. En la figura 12 se muestra un ejemplo de refuerzo de una torre de sección transversal en forma de triángulo equilátero, patas de barras macizas y diagonales de perfiles en L laminados en caliente. Se unieron secciones en C laminadas en caliente a las barras de las piernas, lo que aumentó la sección transversal de las piernas. El refuerzo puede parecer muy masivo. Las abrazaderas están espaciadas no muy lejos para satisfacer el requisito de integración correcta de los elementos de refuerzo y reforzados. Los inconvenientes de esta solución incluyen el elevado peso de la estructura adicional y su montaje excéntrico que introduce una excentricidad adversa.

Un método similar se utilizó en el caso de una torre con sección transversal triangular y patas y diagonales hechas de secciones en L (Fig. 13). Los elementos de refuerzo se fabrican nuevamente con perfiles en C laminados en caliente y se sueldan a las patas de la torre utilizando espaciadores con la separación adecuada.

Parece difícil establecer mediante cálculos qué parte de la fuerza será absorbida por los elementos de refuerzo y, debido a su peso, el refuerzo parece poco económico. La Figura 14 muestra un ejemplo de un intento de reforzar el mismo tipo de torre aumentando la sección transversal de sus patas mediante miembros adicionales hechos de pletinas. Las fotos indican que los miembros de refuerzo no están debidamente integrados con las secciones en L existentes y, por lo tanto, no participan en el trabajo de la estructura sino que solo imponen una carga adicional, ya que su peso es cercano al de las secciones en L existentes. En la foto inferior se aprecia el pandeo de una de las patas de la torre, lo que demuestra que los elementos adicionales no logran reforzar la estructura existente.

Otro ejemplo de refuerzo de torre ineficiente se proporciona 

medio de espaciadores

4.3. Refuerzos que se supone aumentan la rigidez global de una estructura

Además de proporcionar una capacidad de carga estructural suficiente, una cuestión clave en el caso de las torres de telecomunicaciones es también satisfacer los criterios relativos al estado límite de servicio (SLS), es decir, garantizar que no se excedan los desplazamientos máximos y las torsiones de la parte superior de la torre, lo que permite operación confiable de los BTS instalados en ellos.

Un ejemplo de refuerzo utilizado para una torre de sección cuadrada con el fin de reducir los desplazamientos se muestra en la Fig. 16.

Aquí se utilizaron diafragmas horizontales hechos de secciones en L y barras sólidas, comprimidas por medio de tornillos de botella. Debido a la forma de la sección transversal de la torre (un cuadrado es una figura geométricamente variable), la torre es vulnerable a las deformaciones causadas por una torsión del núcleo. Esta estructura también es considerablemente esbelta, lo que hace que su parte superior sea propensa a grandes desplazamientos bajo carga horizontal. Aunque los diafragmas tienen un papel beneficioso al limitar la torsión del núcleo de la torre, no tienen impacto en su desplazamiento en condiciones de carga. Para reducir los desplazamientos de la parte superior de la torre, se debe aumentar la rigidez global de la torre, es decir, se debe reducir su esbeltez (lo que requiere rediseñar la geometría de la estructura,

5. CONCLUSIONES

Los ejemplos de refuerzos implementados en estructuras de torre discutidos anteriormente no son del todo erróneos. Es probable que la mayoría de ellos mejoren la capacidad de carga, la rigidez o la estabilidad de las estructuras hasta cierto punto. Fueron diseñados, sin embargo, con base en algunos supuestos sobre el trabajo de la estructura, la transferencia de carga y el trabajo de refuerzo y miembros reforzados en su conjunto; estos supuestos no son válidos cuando se descuidan algunos aspectos clave (como la correcta integración de los miembros de refuerzo con una estructura existente). Dado lo anterior, es difícil predecir si, cómo y en qué medida los refuerzos presentados en el documento mejorarán las capacidades de las estructuras existentes. Algunos de estos refuerzos incumplen las normas de ingeniería económica y eficiente, aunque es muy probable que en realidad actúen como refuerzos. Esto se aplica a aquellos casos en los que la estructura de refuerzo adicional tiene un peso incomparablemente mayor o implica costos de fabricación y ensamblaje que superan con creces los beneficios relacionados con la capacidad de carga mejorada obtenida al implementar dicha estructura.

Fig. 16 Refuerzo de una estructura de torre en forma de vigas horizontales

diafragmas para evitar su torsión

Al analizar los ejemplos proporcionados anteriormente, así como las pautas para diseñar refuerzos efectivos, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

- Los diseñadores de refuerzos para torres de telecomunicaciones primero deben identificar el "eslabón más débil" real de una estructura, es decir, un miembro o un conjunto de miembros que realmente deben reforzarse.

- El refuerzo debe diseñarse para abordar capacidades insuficientes, como la estabilidad y la capacidad de carga de una sección transversal o juntas, o para ayudar a satisfacer las condiciones de servicio.

- Se debe prestar especial atención a la correcta integración de los miembros de refuerzo con una estructura existente para que trabajen entre sí como un todo.

- Al seleccionar un medio y una forma de refuerzo, se debe verificar si la carga adicional impuesta por el refuerzo (peso de los miembros nuevos, área de superficie contra el viento y la forma de los miembros nuevos que resulta en una carga horizontal más alta) no coincide o incluso excede la capacidad de carga excedente que se supone debe entregar.

- Aparte de mejorar la capacidad de carga estructural tras la implementación del refuerzo adecuado, hay otras cuestiones a considerar, como si la solución es rentable y fácil de diseñar y montar.

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