Monografia Torre

7/26/2019 Monografia Torre

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1Autor: Edgar Rodrguez Reinoso

UNIVERSIDAD DE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERAINGENIERIA CIVIL

ANLISIS Y DISEO COMPARATIVO ENTRE UNA TORRE AUTOSOPORTADA TRIANGULAR DE 40M DE ALTURA CON

MONTANTES UV Y UNA CON MONTANTES CIRCULARES

MONOGRAFA PREVIA A LAOBTENCIN DEL TTULO DEESPECIALISTA EN ANLISIS YDISEO DE ESTRUCTURAS DE ACERO Y HORMIGN ARMADO

AUTOR:ING. EDGAR ELOY RODRGUEZ REINOSO

DIRECTOR:DR. ROBERTO GAMN TORRES

CUENCA - ECUADORFEBRERO - 2015


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RESUMEN

Las torres de celosa auto-soportadas para antenas de telecomunicaciones sonde amplia utilizacin en el territorio nacional. Los ndices de fallos de este tipode estructuras ante cargas de viento son mayores que para otros tipos deestructuras, y se hace imprescindible profundizar los conocimientos acerca delcomportamiento de dichas estructuras. En este trabajo se muestran lasdiferencias en el comportamiento estructural de una torre con perfilesesquineros o montantes UV y otra con perfiles esquineros de seccin tubularcircular, sometidas a estados de carga similares, lo cual influye en el peso enlas estructuras analizadas.Palabras claves: Tipologa de torres, Torres auto-soportadas, Torresatirantadas, Mono-polos, Cargas de viento, Diseo de los perfiles, Uniones,Resistencia al Aplastamiento de Perforaciones, Rotura en rea Neta de laPlancha, Resistencia del Bloque de cortante.

ABSTRACT

Lattice towers for self-supporting telecommunications antennas are widely usedthroughout the country. The failure rate of this type of structure under windloads is higher than for other types of structures and it is essential to deepenour understanding of the behavior of such structures. In this paper thedifferences will be show between the structural behavior of a lattice tower builtwith structural shapes and corner attachments UV and another tower built withcorner section made of circular structural tubes, under similar load conditions,

the selection of which influences the overall weight of the towers analyzed inthis report.Keywords: Towers typology, self-supporting towers, guyed towers, monopole,wind loads, design profiles, connections, crushing strength perforations, Breackthe net area of the plate, block shear strength.


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AGRADECIMIENTO

Agradezco a mi esposa Mnica y a mis hijas Diana y Marisol quienes hansabido apoyarme y entenderme en los momentos que no he podido estar juntoa ellas y haberme dedicado a elaborar este trabajo. Las quiero mucho.

Mi imperecedero agradecimiento a mi tutor de la Monografa Dr. Roberto

Gamn Torres quien ha sabido guiar mi trabajo con mucha paciencia y don degente adems de impartir sus vastos conocimientos en la materia.


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NDICE DEL CONTENIDO Pg.

INTRODUCCIN 18Situacin problmica.. 20Objetivo general 21Objetivos especficos.. 21Hiptesis.. 22Metodologa de la investigacin 22Identificacin de las tareas de investigacin. 23 Alcance. 23CAPTULO I. 24ESTADO DEL ARTE.. 241.1.- HISTORIA DE LAS TORRES DE CELOSA. 241.2.- NORMAS Y MTODOS DE DISEO.... 301.3.- TIPOLOGA DE LAS TORRES 311.3.1.- Torres auto-soportadas 311.3.2.- Torres atirantadas..331.3.3.- Torres Tipo Mono-polo. 34

1.4.- CARGAS SOBRE TORRES..351.4.1.- Cargas gravi tacionales. 351.4.2.- Peso propio..361.4.3.- Peso de los equipos.. 361.4.4.- Peso de los cables. 371.4.5.- Peso de instalacin371.4.6.- Cargas laterales.. 37

1.4.6.1.- Cargas de viento. 371.4.6.2.- Cargas de sismo. 391.5.- SECCIN TRANSVERSAL DE LAS TORRES. 401.5.1.- Torres de seccin cuadrada 411.5.2.- Torres de seccin t riangular.. 421.5.2.1.- Uso de embreizado diagonal...431.5.2.2.- Diagonal simple.. 44

1.5.2.3.- Diagonal doble 451.5.2.4.- Otras formas de embreizado.. 45


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1.6.- MATERIALES Y ELEMENTOS QUE CONFORMAN LAS TORRES 471.6.1.- Perfiles doblados en frio. 471.6.2.- Perfiles laminados en caliente 491.7.- MTODOS DE DISEO 501.7.1.- Mtodo ASD (Diseo por tensiones admisibles).. 501.7.1.1.- Requisitos de Resistencia para ASD 501.7.1.2.- Combinaciones de cargas 511.7.1.3.- Cargas de viento o cargas ssmicas. 521.7.1.4.- Otras cargas. 521.7.2.- Mtodo LRFD (Diseo por Factores de Carga y Resistencia)... 531.7.2.1.- Fundamentos del diseo.. 531.7.2.2.- Requisitos de Resistencia para LRFD. 531.7.2.3.- Factores de Carga y Combinaciones de Cargas.. 551.7.2.4.- Factores de Carga y Resistencia.. 56

CAPTULO II. 57 ANLISIS Y DISEO DE LA TORRE CON ESQUINEROS UV. 572.1- GEOMETRA.. 57

2.2.- CARGAS 612.2.1.- Carga muerta 612.2.2.- Carga Viva. 612.2.3.- Carga de viento 652.2.3.1.- Clculo de la presin del viento.. 662.2.4.- Cargas ssmicas.. 722.3.- ANLISIS Y DISEO DE LA TORRE.. 73

2.3.1.- Combinaciones de carga.. 732.3.2.- Identificacin de barras y nudos 742.3.3.- Obtencin y anlisis de resultados 762.3.4.- Diseo de los perfiles. 772.3.5.- Uniones.. 782.3.5.1.- Tamaos y Uso de las Perforaciones. 812.3.5.2.- Espaciamiento Mnimo 82

2.3.5.3.- Distancia Mnima al Borde. 822.3.5.4.- Distancias a los Bordes y Espaciamiento Mximo. 83


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2.3.5.5.- Resistencia de Aplastamiento de Perforaciones de Pernos. 852.3.5.6.- Rotura en rea Neta de la Plancha.. 862.3.5.6.- Resistencia del Bloque de cor tante. 862.3.6.- Pesos elementos metlicos de la torre con esquineros UV. 93

CAPTULO III.. 97CLCULO Y DISEO DE LA TORRE CON ELEMENTOS ESQUINEROSCIRCULARES, CIMENTACIN 97 3.1.- ANLISIS Y DISEO 973.1.1.- Pesos total de la estructura con esquineros circulares. 993.1.2.- Peso de elementos esquineros UV.. 1023.1.3.- Peso de elementos esquineros circulares. 1023.2.- CLCULO Y DISEO DE LACIMENTACIN.. 1033.2.1.- Base de columnas. 1033.2.2.- Elementos de hormign, pernos de anclaje y placa base.. 104

CAPTULO IV. 109CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.. 109

4.1.- CONCLUSIONES 1094.2.- RECOMENDACIONES.. 110BIBLIOGRAFIA Y FUENTES DE INFORMACIN 111 ANEXOS 113


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NDICE DE IMGENES Pg.Imagen 1.1: Torre de celosa construida con fines blicos.. 24Imagen 1.2: Torres uti lizadas para sopor te de cables en 1933 25Imagen 1.3: Estructura metlica decorativa.. 26Imagen 1.4: Torre Eiffel 26Imagen 1.5: Torre Aeropuerto Sdney.. 28Imagen 1.6: Torre del Reino Unido 28Imagen 1.7: Torre auto soportada.. 29Imagen 1.8: Torre auto soportada.. 29Imagen 1.9: Colapso de torres. 29Imagen 1.10: Torre auto soportada, Base triangular. 32Imagen 1.11: Torre auto sopor tada, Base cuadrada.. 32Imagen 1.12: Torre atirantada.. 33Imagen 1.13: Torre atirantada.. 34Imagen 1.14: Mono-polo o mono-poste. 35Imagen 1.15: Secciones de tor res.. 41Imagen 1.16: Esfuerzos. 44Imagen 1.17: Esfuerzos. 45

Imagen 1.18: Elementos redundantes.. 46Imagen 1.19: Breizas.. 46Imagen 1.20: Perfiles doblado en frio 49Imagen 1.21: Perfiles laminados al caliente. 50Imagen 2.1: Disposicin de elementos en cada cara de torre 40m 57Imagen 2.2: Torre de 40m en 3d ingresada en sap2000 57Imagen 2.3: Torre de 40m con secciones transversales perfiles 3d.. 58

Imagen 2.4: Perfil UV150x60x8mm, creado en SAP2000.. 59Imagen 2.5: Perfi l angular, creado en SAP2000.. 60Imagen 2.6: Cables tipo coaxial.. 62Imagen 2.7: Torre con antenas 63Imagen 2.8: Torre con cables y escaleras 63Imagen 2.9: Cargas verticales aplicadas en los nudos en los niveles deinstalacin de antenas.. 64

Imagen 2.10: Cargas verticales repartidas en los perfi les que soportarn laplataforma para personal. 64


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Imagen 2.11: Cargas por viento. 72Imagen 2.12: Aplicacin de cargas s smicas en los nudos 73Imagen 2.13: Numeracin de nudos.. 74Imagen 2.14: Numeracin de barras 75Imagen 2.15: Reacciones en la base de la estructura 76Imagen 2.16: Desplazamiento de la torre.. 77Imagen 2.17: Uniones. 79Imagen 2.18: Pretensin de pernos AISC-2005 81Imagen 2.19: Dimensiones de agujero nominal AISC-2005.. 82Imagen 2.20: Dimensiones de agujero nominal AISC-2005.. 84Imagen 3.1: Torre con elementos esquineros de seccin circular. 98Imagen 3.2: Unin de estructura metlica con base de hormign 98Imagen 3.3: Unin elementos metlicos en la parte alta de la torre 99Imagen 3.4: Dimetros agujeros para pernos de anclaje AISC-2005. 106Imagen 3.5: Disposicin de pernos de anclaje, placa base y armadura decolumna de hormign. 106Imagen 3.6: Columna para cimentacin. 107Imagen 3.7: Cadena de hormign armado para unir columnas.. 107

Imagen 3.8: Zapata de hormign armado para cimentacin 107Imagen 3.9: Elementos de cimentacin. 108


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NDICE DE TABLAS Pg.Tabla 2.1: Coeficiente de correccin, .. 65Tabla 2.2: Factor de forma Cf. 67Tabla 2.3: Coeficiente de entorno/altura Ce 68Tabla 2.4: Clculo de la presin de viento.. 68Tabla 2.5: Clculo de la presin del viento sobre las diferentes seccionesexpuestas. 69Tabla 2.6: Clculo de la presin del viento sobre las diferentes seccionesexpuestas TIA/EIA. 71Tabla 2.7: Elementos y pesos de elementos constitutivos de la torre conelementos de seccin UV en las esquinas. 94Tabla 3.1: Elementos y pesos de elementos constitutivos de la torre conelementos de seccin circular en las esquinas.100Tabla 3.2: Peso de elementos esquineros UV 102Tabla 3.3: Peso de elementos esquineros circulares.. 103


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NDICE DE ECUACIONES Pg.(Ec. 1.1): Resistencia admisible mtodo ASD.. 51(Ec. 1.2): Resistencia requerida mtodo LRFD 53(Ec. 1.3): Requisitos de resistencia. 54(Ec. 2.1): Velocidad corregida del viento en Km/h.. 66(Ec. 2.2): Presin de clculo expresada en Pa N/m 2 66(Ec. 2.3): Fuerza horizontal del viento. 69(Ec. 2.4): Parmetro de comparacin de Ec. 2.3.. 69(Ec. 2.5): Presin de velocidad.. 69(Ec. 2.6): Coeficiente de exposicin. 69(Ec. 2.7): Factor de rfaga, velocidad mx. del viento en una milla 70(Ec. 2.8): Coeficiente de fuerza de la estructura 70(Ec. 2.9): Relacin de solidez.. 70(Ec. 2.10): rea proyectada efectiva de los componentes estructurales enuna cara 70 (Ec. 2.11): Resistencia a la fractura o rotura en la seccin neta efectiva delos elementos estructurales.. 79(Ec. 2.12): rea neta efect iva. 79

(Ec. 2.13): Resistencia al aplastamiento en perforaciones de pernoscuando la deformacin en la perforacin del perno bajo cargas de servicioconsidera en el diseo. 85(Ec. 2.14): Resistencia al aplastamiento en perforaciones de pernoscuando la deformacin en la perforacin del perno bajo cargas de serviciono se considera en el diseo 85(Ec. 2.15): Resis tencia a la rotura en rea Neta de la Plancha 86

(Ec. 2.16): rea neta efectiva del miembro 86(Ec. 2.17): rea neta del miembro 86(Ec. 2.18): Resistencia del bloque de cortante. 87(Ec. 3.1): rea de la plancha base 104(Ec. 3.2): rea de la plancha base 105(Ec. 3.3): rea de la plancha base 105(Ec. 3.4): Dimensin N de la plancha.. 105

(Ec. 3.5): rea de la plancha base para obtener el valor de B.. 105(Ec. 3.6): Valor m para clculo del espesor de la plancha m. 105


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GLOSARIO DE TRMINOS Y ABREVIATURAS AISC American Institute of Steel Construction. AISI American Iron and Steel Institute.LRFD Diseo por Factores de Carga y Resistencia. ASD Diseo por Tensiones Admisibles. NEC-11 Norma Ecuatoriana Construccin 2011.TIA/EIA-222-FTelecomunications Industry Association. ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana

para Pruebas y Materiales). A-36 Tipo de Aero Utilizado fy=2530 kg/cm2.D Carga Muerta. L Carga Viva.Lr Sobrecarga de Cubierta. S Carga Ssmica. Rr Carga de lluvia. W Carga de Viento. E Carga Ssmica.Ra Requisitos de Resistencia para ASD.

Rn Resistencia Nominal. Factor de Seguridad en ASD.i Factores de Carga. Qi Efectos de las Cargas. Ru Resistencia Requerida. Factor de Resistencia LRFD. Vh Velocidad corregida del viento en Km/h.

V Velocidad Instantnea Mxima del Viento en Km/h. Coeficiente de correccin del viento por caractersticastopogrficas.P Presin de clculo del viento expresada en Pa N/m2. Densidad del aire expresada en kg/m3.Vb Velocidad bsica del viento en m/s.Ce Coeficiente de entorno altura.

Cf Coeficiente de forma.


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F Fuerza horizontal del viento aplicada a una seccin de laestructura.qz Presin de velocidad.GH Factor de rfaga para velocidad.CF Coeficiente de fuerza de la estructura. AE rea proyectada efectiva de los componentes estructurales deuna cara.C A Coeficiente de fuerza para accesorio lineal o puntual. A A rea proyectada de un accesorio lineal. AG rea bruta de una cara de la torre, determinada como si la cara

fuera maciza.Kz Coeficiente de exposicin.V Velocidad bsica del viento correspondiente a la ubicacin de la

estructura (TIA/EIA).Z Altura por encima del nivel del terreno hasta el punto medio de la

seccin, accesorio o gua.h Altura total de la estructura.e Relacin de solidez.

AF rea proyectada de los componentes planos en una cara. AR rea proyectada de los componentes estructurales circulares en

una cara.DF Factor de direccin del viento para componentes estructuralesplanos.DR Factor de direccin del viento para componentes estructurales

circulares.

RR Factor de reduccin para componentes estructurales circulares.M Carga muerta (Para ingreso de cargas a software).V Carga viva (Para ingreso de cargas a software).Vi Carga de viento (Para ingreso de cargas a software).S Carga ssmica (esttica, para ingreso de cargas a software).Pn Resistencia a la fractura o rotura en uniones. Fu Resistencia a tensin mnima especificada para el tipo de acero

utilizado. Ag rea bruta del miembro.


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U Factor de rezago por corte.t Factor de resistencia en traccin LRFD. Ae rea neta efectiva del miembro.Rn Resistencia nominal. Lc Distancia libre, en la direccin de la carga, entre borde de la

perforacin y el borde de la perforacin adyacente o borde delmaterial, cm, mm.

t Espesor del material conectado, cm, mm.d Dimetro nominal del perno, cm, mm. An rea neta del miembro. D Dimetro estndar de la perforacin, cm, mm. Anv rea neta solicitada a corte, cm2, mm2.Ubs Coeficiente de reduccin en el clculo de la resistencia del bloque

de corte. Ant Area neta solicitada a traccin, cm2, mm2. Agv Area bruta solicitada a corte, cm2, mm2. A1 rea de la plancha base. A2 rea de la columna.fc Resistencia a la compresin del hormign a los 28 das.d Longitud de la plancha base, para una de las formas de calcular

A1 (Ec. 3.1). b Ancho de la plancha base, para una de las formas de calcular A1

(Ec. 3.1).N Longitud de la plancha base para otra forma de calcular A1 (Ec.

3.4). B Ancho de la plancha base, para una de las formas de calcular A1

(Ec. 3.4).m Longitud entre la seccin crtica y el extremo de la plancha base

en el sentido de N.n Longitud entre la seccin crtica y el extremo de la plancha base

en el sentido de B.tpn Espesor de la plancha base en el sentido de n. tpm Espesor de la plancha base en el sentido de m.

Tv Fuerza de corte.


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Tt Fuerza de traccin. n Nmero de pernos. d Dimetro del perno. Ab rea del perno. Fnt Esfuerzo mximo de traccin del perno.Rnt Resistencia a traccin del perno o pernos. Factor de resistencia. Fnv Esfuerzo mximo de corte del perno. Rnv Resistencia a traccin del perno o pernos.


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INTRODUCCIN

En la actualidad la tecnologa de las comunicaciones se ha desarrolladoaceleradamente por lo que juegan un papel cada vez ms importante en lasociedad. El aumento de los canales televisivos y el avance de la telefonacelular y convencional inalmbrica han ampliado la necesidad de aprovecharmejor las torres de telecomunicaciones que funcionan como soportes deantenas. Tambin han demandado el surgimiento de nuevas estructurasdestinadas a cumplir dicha funcin.

Las personas de todo el mundo necesitan contar con distintas formas decomunicacin para llevar a cabo sus actividades cotidianas. De todas las formade comunicacin, la ms utilizada es la telefona, ya que ella ha permitidomantener el contacto entre las personas. Actualmente debido al ritmo decrecimiento econmico de todas las ciudades, la telefona celular se haconvertido en una necesidad bsica para una produccin competitiva, sinolvidar tambin la existencia del sistema de telefona convencional inalmbricaque tambin est dentro de toda actividad de desarrollo.

Dentro de la telefona celular y convencional inalmbrica es necesario ejecutarobras civiles como torres metlicas para instalar antenas receptoras ytransmisoras de microondas, las mismas que son colocadas en puntosestratgicos. La posicin geogrfica y la altura de dichas antenas deben sertales que permitan obtener una ptima cobertura del servicio que se pretendebrindar a los sectores necesitados. El ingeniero constructor se ha apoyado

entonces en el uso de estructuras metlicas para a travs de la instalacin deantenas sobre ellas, satisfacer los requerimientos de las telecomunicaciones.La construccin de torres utilizando perfiles de acero constituye una formaeconmica, segura y prctica.

Las torres de telecomunicaciones son altamente vulnerables a la accin de lacarga de viento, principalmente bajo los efectos de los ciclones y huracanes y

tambin del efecto ssmico, fenmenos que ocasionan serios daos en estas


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estructuras que pueden llegar a inutilizarlas totalmente, originando gravesprdidas econmicas.

Las torres metlicas, por ser estructuras ligeras y flexibles con unionesarticuladas, tienen elementos que trabajan y soportan nicamente esfuerzosaxiales a traccin y compresin, sta ltima es la condicin crtica y amerita unanlisis importante, el mismo que se lo realizar oportunamente en estetrabajo.

Cabe mencionar que en la actualidad con la presencia de estas antenasinstaladas sobre torres metlicas, existe gran preocupacin acerca de lainfluencia de las ondas de telecomunicaciones sobre la salud de las personas,pero al no ser este el objeto de esta investigacin, lo dejamos sin tratarlo.

Las torres pueden ser de diferentes alturas, sin embargo para nuestro medio,por estar ubicados en la sierra y la cota con respecto al nivel del mar esimportante, se usan de una altura promedio de 40m.

En nuestro pas actualmente existe una enorme competencia en cuanto aproveer de los diferentes servicios de telecomunicaciones, llmense stos:televisin, radio, telefona, internet y otros, por parte de las diferentes empresasdedicadas a brindar dichos servicios. Esta necesidad de cubrir cada vez mslos diferentes sectores de la poblacin con estos servicios, ha merecido unainversin importante en la implementacin de torres metlicas auto-soportadaspara antenas que en su mayora son de base triangular. Cada una de las

empresas proveedoras de servicios de telecomunicaciones realiza sus diseosestructurales a travs de sus tcnicos, quienes en este proceso toman sudecisin de colocar perfiles metlicos de seccin UV, o de seccin circular conel espesor que indique el respectivo diseo como elementos principales,esquineros o montantes, as como perfiles angulares, circulares, etc., en susdiagonales. La presencia de cualquiera de estos elementos en las torres y lageometra utilizada permite tambin identificar a la empresa que es propietaria

de dicha estructura, es decir son diseos exclusivos de cada institucin.


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En el presente documento realizaremos un estudio comparativo, desde el puntode vista de diseo, de una torre metlica para antenas de telecomunicacionesde base triangular (tres apoyos) de 40m de altura, que ha sido bastante usadaen este medio, con elementos esquineros de perfiles con seccin transversalUV, con otra sometida a iguales condiciones de cargas horizontales yverticales, diseada bajo un mismo reglamento que rija su diseo, con lamisma geometra, es decir en igualdad de condiciones pero con perfiles deseccin transversal tubular circular en sus esquinas, con el fin de que podamosobtener y analizar los resultados tendientes a conocer si esta solucinpropuesta resulta ser ms conveniente desde el punto de vista del peso yconsecuentemente de sus costos, que la tomada como referencia.

Situacin problmica

Las estructuras se disean para resistir la accin de las cargas que debernsoportar durante su vida til. En el caso de las torres de telecomunicaciones lascargas principales que definen su diseo y actan sobre ellas, son lasecolgicas, ya que estas estructuras se encuentran generalmente en lugares

muy expuestos, son de gran altura y su peso propio es relativamente bajo encomparacin con las cargas de viento.

A nivel de nuestra zona, se han visto construidos diversos tipos de torresmetlicas auto-soportadas de base triangular, y cada una de ellas con suparticularidad en cuanto a geometra, tipo de perfiles y alturas. Sin duda dichastorres cumplen la funcin para la cual fueron diseadas de acuerdo a los

requerimientos de la entidad que amerita contar con este tipo de estructura.Existen torres de base triangular con perfiles UV en sus esquinas comoelementos principales y hay otras con tubos circulares como elementosesquineros. Sin embargo no existe un documento en el cual se muestre unanlisis comparativo entre torres de base triangular con perfiles esquineros deseccin UV, y torres con perfiles esquineros de seccin circular, que permitadeterminar cul de ellas es la ms conveniente usar.


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En este trabajo se tomar entonces como elemento de referencia una torremetlica diseada con elementos esquineros UV, para compararla con otratorre de las mismas caractersticas con perfiles esquineros de seccin circularcomo propuesta, para definir cul es ms conveniente usar, no sin antesrealizar un anlisis que nos permita establecer cmo influye en el diseo lapresencia de elementos circulares en las esquinas de una torre con respecto auna con perfiles UV.

En el mercado local no se encuentran disponibles los perfiles metlicosdenominados UV, stos pueden conseguirse nicamente mediante un pedidoespecial con un tiempo considerable de anterioridad, ya que deben seguir unproceso de produccin especial, no as los perfiles de seccin circular que seencuentran en el mercado de diferentes dimetros, espesores y tipos de acero.

Objetivo general

Disear una torre metlica para antenas de telecomunicaciones de basetriangular de 40m de altura, con elementos esquineros principales de seccin

transversal circular, basado en el anlisis realizado en una torre tambindiseada y tomada como referencia cuyos elementos de la celosa sonangulares y sus esquineros son perfiles UV, y;

Comparar los resultados obtenidos utilizando esquineros circulares sin variarlos elementos de la celosa, con los de la torre previamente diseada consecciones UV como esquineros.

Objetivos especficos

Realizar una bsqueda de informacin sobre el tema: normas y mtodosde diseo de torres, tipos de perfiles metlicos disponibles en elmercado local.

Aplicar los resultados del anlisis estructural realizado a la torre con

elementos esquineros de seccin UV para el diseo de la torre conelementos esquineros circulares.


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Disear estructuralmente los nuevos elementos metlicos circulares, enigualdad de condiciones que la torre con perfiles UV tomada comoreferencia.

Evaluar comparativamente los dos resultados del diseo para determinarcul de las dos soluciones ofrece mejores resultados desde el punto devista tcnico-constructivo y econmico.

Hiptesis

Las torres metlicas para antenas de telecomunicaciones de base triangular de40m de altura que utiliza elementos esquineros de seccin transversal tubularcircular muestran mayor eficiencia desde el punto de vista de la capacidadresistente de la torre, que las que poseen elementos de seccin transversalUV, lo cual implica un ahorro en el costo de la estructura.

Metodologa de investigacin

- Para proceder con el diseo de la torre metlica para antenas de

telecomunicaciones de base triangular de 40m de altura con elementosesquineros circulares, se utilizar toda la informacin referente a lanormativa y mtodo usados para el proceso de diseo de la torre conperfiles esquineros UV.

- Obtener informacin acerca de los diferentes perfiles metlicosdisponibles en el mercado local.

- Disear los elementos esquineros de la torre planteada como posiblealternativa de ahorro.

- Elaborar detalles grficos a escalas adecuadas de los elementosmetlicos que conforman la torre: nudos, elementos verticalesprincipales, uniones y tipos de unin.


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Identificacin de las tareas de investigacin

1.- Obtener los esfuerzos de diseo provenientes del anlisis realizado para latorre con perfiles UV en las esquinas.

2.- Realizar una tabulacin de los resultados del anlisis de la torrepreviamente diseada.

3.- Disear los elementos metlicos de la torre con elementos esquineros deseccin UV.

4.- Obtener los esfuerzos de diseo provenientes del anlisis realizado para latorre con perfiles circulares en las esquinas.

5.- Disear los elementos metlicos de la torre con elementos esquineros deseccin circular, mediante el mtodo y normativa que se utiliz en la torrereferencial.

6.- Elaborar un listado de elementos metlicos que conforman la torreplanteada y comparar con el peso de la torre de referencia.

Alcance

Este documento estar conformado bsicamente por cuatro captulos, losmismos que son: Captulo I, Estado del arte donde se indicarn las

definiciones y conceptos relacionados con el tema que se est investigando.Captulo II, Anlisis y diseo de la torre con esquineros UV, que servir deparmetro de comparacin. Captulo III, Aplicacin de los estados de carga delanlisis de la torre tomada como referencia al diseo de la torre con elementosde seccin circular en las esquinas. Captulo IV, Conclusiones yRecomendaciones.


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CAPTULO I

ESTADO DEL ARTE

1.1.- HISTORIA DE LAS TORRES DE CELOSA

Las torres a travs de la historia han jugado un papel preponderante en eldesarrollo de la humanidad ya que el hombre est buscado cada da construirestructuras ms altas. La construccin de torres estuvo inicialmente limitadapor los materiales y la tecnologa disponibles. El primer material utilizado en laconstruccin de las torres fue la madera (Ver Imagen 1.1), pero con eladvenimiento de la Revolucin Industrial y la aparicin del acero en el sigloXVIII el diseo y construccin de este tipo de estructuras fue revolucionadototalmente, debido a las propiedades que posee este material, como porejemplo: alta capacidad portante bajo diversas formas de estado tensional(traccin, compresin, flexin, etc.), ligereza, homogeneidad, ductilidad, entreotras. (Tesis Abel Carrasco Luzardo).

Imagen 1.1 Torre de celosa construida con fi nes blicosTomada de Boff ill Carmona 2007a


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Las torres auto-soportadas constituyeron una de las primeras opciones paracolocar sobre ellas los cables de telefona, cuando las telecomunicaciones seencontraban en pleno desarrollo.

Imagen 1.2 Torres util izadas para soporte de cables de telfona por el ao 1933

Al pasar el tiempo se ha disminuido el nmero de lados de las torres, esto fueposible gracias al ingreso del acero a la construccin, permitiendo que hoy seconstruyan torres de seccin triangular.

Una torre de celosa es una estructura formada por elementos lineales unidosentre s por sus extremos y logrando un arreglo espacial en forma de reticuladocinemtica-mente invariable. Esta forma constructiva permite gran resistenciacon poco consumo de material y por su permeabilidad reduce las fuerzas delviento que son generadas sobre la estructura.

Desde tiempos remotos se conoce de la existencia de estructuras tipo celosas,que se utilizaban para lograr grandes alturas, ya sea como arma de combate ocomo puntos de vigilancia contra el enemigo.

El hierro colado y luego el acero, llegan a su auge con la produccinestandarizada de piezas. Aparece el perfil "doble T" en 1836, reemplazando ala madera y revoluciona la industria de la construccin creando las bases de lafabricacin de piezas en serie.


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Existen tres obras significativas del siglo XIX exponentes de esta RevolucinIndustrial: la primera es el Palacio de Cristal (Reino Unido) (Imagen 1.3), estaobra representa un hito al resolver estructuralmente la prefabricacin y elmontaje, la Galera de las Mquinas, un edificio que descubre las ventajas delmetal como una estructura ligera que permite alcanzar grandes luces y lafamosa Torre Eiffel (Imagen 1.4) que se ha convertido en un smboloemblemtico de Pars, de Francia y del mundo.

Imagen 1.3 Estructura metlica decorativa

Imagen 1.4 Torre Eiff el


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Aunque hoy la Torre Eiffel es reconocida y admirada en todo el mundo, en sumomento fue rechazada por los parisinos, que deseaban su demolicin. Estoquizs se hubiera logrado de no ser por lasFuerzas Armadas, que se percataron de que poda ser utilizada como soporte

de antenas y para la trasmisin de radio. Se convierte entonces en una de lasprimeras torres que se utilizaron para las comunicaciones en todo el mundo.Con el surgimiento de la radio a partir del siglo XX, las torres de celosaadquirieron mayor uso y se diseminaron por todo el planeta. Luego latelevisin, la telefona celular y toda la tecnologa wi-fi en los ltimos aos, hanincrementado su uso como soportes de antenas para las comunicacionesinalmbricas. Los materiales ms comnmente utilizados han sido la madera yel acero.

Las funciones de una torre pueden ser muy diversas:

- De soporte de antenas y parbolas para la trasmisin televisiva- Para comunicaciones radiales- Para fines tursticos, en la cspide se construyen restaurantes y el

atractivo principal se debe a la altura en que se encuentran- Como faros- Para tener acceso a objetos que se encuentran a gran altura, como una

especie de andamios- Como torres de control del trfico areo- Para medir parmetros meteorolgicos a gran altura- Como smbolos o expresiones artsticas (Torre Eiffel)


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Imagen 1.5 Torre Aeropuerto Sdney

Imagen 1.6 Torre del Reino Unido

(Tesis Alina de la Cruz Lpez)


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Imagen 1.7 Torre autosoport ada Imagen 1.8 Torre autosoportada

(Tesis Fidel Vlads Alonso)

El diseo de una torre es uno de los desafos ms complicados que uningeniero puede enfrentar. Se han producido diversos colapsos de torres endiferentes sitios del mundo. Imagen 1.9.

Imagen 1.9 Colapso de to rres


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Por todo lo expresado anteriormente, es que se hace imprescindible el estudiopara la reduccin de la vulnerabilidad de este tipo de estructuras, que tienecarcter econmico, pero sobre todo poltico y social. (Tesis Alina de la CruzLpez)

1.2.- NORMAS Y MTODOS DE DISEO

Lo que se ha planteado en este trabajo de investigacin como objetivo general,se desarrollar estrictamente enmarcado dentro de lo que constituyen lasnormas que rigen el diseo de torres metlicas, ya sea que existan normasnacionales o a la falta de ellas, la aplicacin de normas internacionales, comopor ejemplo el AISI, para diseo con elementos conformados en fro, el AISC,para diseo de elementos laminados en caliente, y otras normas que permitenseguirlas en el proceso de diseo. Pues el diseo de la torre de referencia y laplanteada en este estudio se lo disearn utilizando el AISC.

La seccin de la torre que se disear ser de base triangular, cuyo anlisis fueya elaborado en el modelo matemtico de la torre diseada inicialmente con

montantes UV y que servir como parmetro de comparacin. En este trabajo,mostraremos una descripcin de los tipos de torres que generalmente se usanpara soportar antenas de telecomunicaciones. Adems se mencionar en eldesarrollo del trabajo cuales son los tipos de acero que se usan en este tipo deestructuras.

Actualmente para realizar el diseo estructural de elementos metlicos

sometidos a esfuerzos de traccin, compresin y flexin se est utilizando conmayor frecuencia el mtodo LRFD (Diseo por Factores de Carga yResistencia), y ser este el mtodo que utilizaremos en el desarrollo delpresente trabajo. No podemos dejar de mencionar al mtodo que hapredominado durante mucho tiempo en los procesos de diseo de elementosmetlicos llamado ASD (Diseo por Tensiones Admisibles). Ms adelante sehablar con mayor amplitud acerca del uso de estos mtodos de diseo. En el

diseo de estructuras reticulares como el caso de las torres metlicas deseccin triangular, los elementos estarn sometidos a esfuerzos de traccin,


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compresin, y flexin, siendo ste ltimo el que rija el diseo, debido a que elelemento puede perder su estabilidad local y esto conlleva a incrementar laseccin transversal del elemento, o a disminuir la longitud del mismo, lo quebajar la posibilidad de que se produzca el pandeo del elemento. Comoprincipio fundamental del anlisis y diseo de estructuras tridimensionales,debe cumplirse que para que un nudo pueda considerarse articulado, loscentroides de todos los elementos concurrentes a l deben coincidir en un solopunto, tal condicin debe hacerse cumplir tambin el momento de construirlas.

Para el anlisis de la estructura tomada como referencia se utiliz un softwaremuy conocido y utilizado como es el SAP2000, el mismo que permite ingresarla geometra, secciones transversales, tipos de apoyo, cargas, tipos de anlisisa realizar, combinaciones de carga, y luego obtener los esfuerzos listos parainterpretarlos y analizarlos, con los cuales se proceder al diseo de loselementos estructurales, mismos que utilizaremos para disear la torreplanteada.

1.3.- TIPOLOGA DE LAS TORRES

Las torres segn diferentes parmetros, se clasifican en:

Tipo estructural: Auto-soportadasAtirantadas

Seccin transversal: CuadradasTriangulares

RectangularesElementos constructivos: De angulares

De tubosMixtas

1.3.1.- Torres auto-soportadas

Las torres auto-soportadas, como bien indica su nombre, se sostienen por ssolas, apoyndose en tierra o en edificios. Su comportamiento es muy eficiente


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ante cargas ecolgicas (de viento y de sismo), a lo cual favorece el propio pesode la estructura. Existen diferentes tipologas, entre ellas las de celosas, quepor su configuracin espacial, requieren de secciones menores.

Este tipo de torre llamada tambin en cantilver o mstil trabaja como unvoladizo soportndose por s mismo, es decir, no necesitan de elementosexteriores para encontrar el equilibrio como las torres atirantadas o las de altatensin. Los esfuerzos a los que se someten los elementos de la torre debido ala accin de las cargas actuantes son axiales, es decir a traccin y acompresin, sin embargo al aplicar las cargas de viento uniformementedistribuidas sobre los elementos constitutivos de las torres, pueden tambinpresentarse esfuerzos de flexin y de torsin.

Las torres auto-soportadas son las ms rgidas, razn por la cual se utilizanpara soportar varias antenas de gran superficie y gran peso. Se instalanfundamentalmente cuando las limitaciones de terreno son importantes y/ocuando la cantidad y dimensiones de las antenas as lo obligan. Estas Torrespueden ser de base triangular (Imagen 1.10) o base cuadrada (Imagen 1.11),

siendo las ms usadas las de seccin triangular con respecto a la de seccincuadrada, por tener una cara menos y por la facilidad de instalar las antenas enlos tres lados de la torre, esto representa un ahorro significativo de material ypor ende son ms livianas.

Imagen 1.10 Torre autosoport ada Imagen 1.11 Torre autosoport adaBase triangular Base cuadrada


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Todas las torres metlicas construidas, estn totalmente expuestas a laagresin de los diferentes factores ambientales como lluvia, viento, humedad,sismos, etc., por ello es imprescindible que todos sus elementos constitutivossean galvanizados al caliente para darle una adecuada proteccin y as darleuna amplia vida til. (Tesis Jonas Antonio Dobias Nuila)

1.3.2.- Torres atirantadas

Las torres atirantadas presentan arriostres de cables en tres direccionesradiales, los cuales van sujetos al fuste en determinados puntos de su altura.Estas torres tienen el inconveniente de necesitar mucho terreno alrededor deellas para el anclaje de los cables. No obstante, permiten mayor economa conrelacin a la auto-soportadas, si se analizan como elementos de comparacinlos costos de produccin, montaje y cimentacin. Adems, la diferencia entrelos costos de ambas tipologas crece proporcionalmente con la altura de latorre. El anlisis se complejiza debido a la influencia de los cables en elcomportamiento general de la estructura.

En general necesitan un rea que permita inscribir una circunferencia de radioaproximadamente igual a la mitad de la altura de la torre.

Imagen 1.12 Torre atirantada


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Imagen 1.13 Torre atirantada

Segn su seccin transversal, las torres pueden ser triangulares, cuadradas orectangulares. La utilizacin de cada una viene dada por el consumo dematerial y el comportamiento a la torsin.

Los elementos que componen las torres pueden ser perfiles laminares (canales

o angulares de alas iguales o desiguales); tubos y mixtas, que combinan lasdos anteriores. La unin entre los elementos componentes de la torre se realizapor medio de pernos y planchuelas o directamente entre perfiles con pernos.Imagen 1.12, Imagen 1.13. (Tesis Alina de la Cruz Lpez).

1.3.3.- Torres Tipo Mono-polo

Estas estructuras son instaladas en lugares en donde hay limitacin deespacios y donde se requiere conservar la esttica y el aspecto natural dellugar. Se acostumbra pintarlas de cierto color o se adornan para permitir que laestructura se considere camuflada y se simule vegetacin, con el fin de alterarlo menos posible el lugar de implantacin. Imagen 1.14.


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Imagen 1.14 Mono-polo o mono-poste

1.4.- CARGAS SOBRE TORRES

Las torres metlicas autosoportadas y todo tipo de estructuras se encuentran

sometidas fundamentalmente a dos tipos de cargas, estas son: lasgravitacionales y las laterales.

1.4.1.- Cargas gravitacionales

Estas cargas actan en direccin de las fuerzas de la gravedad, y en generalson las cargas vivas y las cargas muertas. Las principales cargas que seconsideran en todo diseo de torres son: el peso propio de la estructura, elpeso de las antenas o equipo a sostener, el peso de los cables y el peso deequipo y personal durante la instalacin de la torre. Hay que considerartambin el peso de las personas que luego de la instalacin vayan a realizartareas de operacin y mantenimiento.


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1.4.2.- Peso propio

Se refiere al peso de todos los elementos estructurales que conforman la torrecomo son: la plataforma o canastilla que se coloca en la parte alta de la mismadonde se ubica el personal para operacin y mantenimiento de las antenas, laescalerilla para cables que bajan desde las antenas hasta los equiposinstalados junto a la torre y la escalerilla con proteccin que servir para que elpersonal de operacin y mantenimiento pueda subir a realizar los trabajosnecesarios en las antenas instaladas en la parte superior de la estructura.

Para obtener el peso de los elementos estructurales, se deben contar con losdatos de peso/m dado por los proveedores para con las dimensiones de cadaelemento obtener el peso respectivo o se puede tambin obtener del programao software utilizado para el modelamiento y anlisis de la estructura, donde esposible ingresar el tipo de elemento, su longitud, tipo de material utilizado, suseccin transversal y su peso.

1.4.3.- Peso de los equipos

Dependiendo del tipo de servicio que se pretenda brindar, la torre soportar ams de su peso propio, el peso de los equipos, los mismos que podemosmencionarlos:

- Sistema de proteccin contra descargas electro atmosfricas, que seencuentra conformado por un tubo de soporte de pararrayos.

- Sistema de iluminacin o balizamiento nocturno y tablero de control deluces de navegacin.

- Antenas cuyas dimensiones y peso dependern del servicio que se va abrindar a travs de ellas, as como de la estructura de soporte de lamisma con su respectiva cerrajera y cableado.

- Escalerillas para cables y para ascenso-descenso de personal deoperacin y mantenimiento.


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La presencia de antenas en las torres aade una mayor exigencia a laestructura, ya que estas generalmente son pantallas frente al viento quegeneran fuerzas y torsiones adicionales sobre la torre que en muchos casos,provocan la prdida de seal de las antenas y producen solicitacionesadicionales de torsin en los elementos estructurales. Para contrarrestar esteefecto, es comn que se utilicen sistemas de reduccin de torsin, los cualescolocados a diferentes alturas de la estructura, coincidente con la ubicacin deparbolas, limitan el giro de la seccin.

1.4.4.- Peso de los cables

El peso y la dimensin de los cables dependen del dimetro de los mismos ydel sistema de comunicacin que se brindar, su peso y caractersticas sernprovistos por el productor o por el vendedor.

1.4.5.- Peso de instalacin

Este peso se refiere a la carga viva adicional que se colocar en la estructura

de la torre durante su montaje y durante trabajos rutinarios de operacin ymantenimiento. Debido al personal y el equipo que se utiliza para realizar dichotrabajo, es recomendable asignar un valor de 100 kg/m.

1.4.6.- Cargas laterales

Las cargas laterales que deben ser consideradas en el diseo de toda

estructura, son las provocadas por la accin del viento y por la presencia desismos. Cabe sealar que nuestra zona, es decir la ciudad de Cuenca seencuentra expuesta la presencia de viento considerable y riesgo ssmico.

1.4.6.1.- Cargas de viento

El viento es en general predominante en el dimensionamiento de torres para

sistemas de comunicaciones. La accin del viento sobre el conjunto de antenas


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1.4.6.2.- Cargas de sismo

La humanidad ha experimentado a lo largo de su historia el efecto destructivode los terremotos. En el siglo XX, estas catstrofes naturales han ocasionadouna media anual del orden de 14.000 muertos, por encima de otros desastrescomo ciclones, huracanes, inundaciones, avalanchas y erupciones volcnicas).Adicionalmente, originan cuantiosas prdidas econmicas como resultado deldao en las obras de infraestructura pblica y construcciones privadas, lo cualimpacta negativamente en el desarrollo de las zonas afectadas. Latinoamricano es ajena a esta situacin y muchos de sus pases han sufrido el efectodesbastador de estos eventos.

La ingeniera estructural sismo resistente es una disciplina relativamente nuevay resulta difcil indicar con precisin cundo y dnde se origin. Lo cierto es quesurgi como una necesidad imperiosa para controlar el efecto de los sismos.Los terremotos pueden considerarse como hechos claves que muestran lavulnerabilidad de los centros urbanos ubicados en zonas ssmicas y originaronun cambio significativo en los criterios de clculo.

Durante un sismo el suelo se mueve en todas direcciones. Los efectos queproducen ms daos en las estructuras son, en general, los movimientosparalelos a la superficie del suelo, es decir horizontalmente, debido a que lasestructuras se disean, rutinariamente, para resistir cargas verticales degravedad. Por consiguiente, para fines de diseo el efecto mayor de un sismose considera en funcin de una fuerza horizontal similar al efecto del viento.

El efecto de fuerza provocado por el movimiento es, por lo general,directamente proporcional al peso muerto de la estructura y al peso soportadopor dicha estructura. Tambin este peso determina, en parte, el carcter de larespuesta dinmica de la estructura. Las otras influencias mayores en larespuesta de la estructura son su perodo fundamental de vibracin y suefectividad en la absorcin de energa. El perodo de vibracin estdeterminado, bsicamente por la masa, la rigidez y el tamao de la estructura.


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Para el diseo de una torre de estructura de acero, que es una estructuraesbelta, con uniones articuladas, flexibles y ligeras, entre la carga lateral deviento y la de sismo existe una relacin de 4 a 1 aproximadamente.

Las estructuras distintas a las edificaciones, incluyendo las estructuras autosoportadas que no son edificios, las cuales soportan cargas verticales y debenresistir los efectos ssmicos como torres de transmisin, deben cumplir concierto requerimiento mnimo del Cdigo Ecuatoriano de la Construccin:

- Prevenir daos en elementos no estructurales y estructurales, ante terremotospequeos y frecuentes, que pueden ocurrir durante la vida til de la estructura.- Prevenir daos estructurales graves y controlar daos no estructurales, anteterremotos moderados y poco frecuentes, que pueden ocurrir durante la vidatil de la estructura.- Evitar el colapso ante terremotos severos que pueden ocurrir rara vez durantela vida til de la estructura, procurando salvaguardar la vida de sus ocupantes.(Diseo Sismo resistente de Construcciones de Acero, Francisco JavierCrisafulli)

1.5.- SECCIN TRANSVERSAL DE LAS TORRES

Para proyectar una torre de telefona celular, como cualquier otro proyectoestructural, es necesario determinar las proporciones ms convenientes de laestructura, dimensionarla y dar el detalle de los elementos de los que estcompuesta, teniendo siempre presente la fase de construccin.

La decisin ms importante a tomar por parte del diseador en un proceso declculo, es la eleccin de la forma estructural ms conveniente de la torre parasatisfacer las diversas necesidades y objetivos solicitadas por el cliente. Dichaestructura debe cumplir con las necesidades funcionales, econmicas, esttica,entre otras. Para la eleccin de la seccin de la torre y los elementos que laconforman, debe tomarse en cuenta los perfiles disponibles en el mercado,

siempre y cuando cumplan con la norma ASTM A123, galvanizado en calientede grado A-36 para este medio. Ello debido a que en el mercado existe una


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variedad de perfiles. Estn los regulares, cuya demanda es alta y porconsiguiente su costo es bajo, y los especiales, cuyo uso es menos frecuente,lo que hace elevado su costo debido a la irregularidad en la fabricacin de losmismos. A su vez se deber tomar en cuenta los requerimientos solicitados porel cliente.

Se debe prever la fase de construccin y la necesidad inmediata de la torre, yaque existen diversos mtodos, unos con mayor eficiencia pero de mayor costo,y otros cuyo montaje toma ms tiempo pero de igual manera los costos puedenreducirse considerablemente.

Actualmente existe una amplia gama de secciones de torres, pero las mspopulares y utilizadas por su balance entre economa, funcionalidad y facilidadde construccin, son las torres de seccin triangular y las de seccin cuadrada.En este trabajo se realizar el diseo de una torre de seccin triangular.

1.5.1.- Torres de seccin cuadrada

Existen distintos diseos de torres con seccin cuadrada, stas pueden ser deseccin constante, de forma piramidal y de una forma combinada, es decir susprimeras secciones proyectan una forma cnica y finalizan con seccinpermanente. Imagen 1.15.

Imagen 1.15 Secciones de torres


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Estas torres generalmente se utilizan cuando el sistema de telefona requiere laubicacin de un nmero considerable de antenas y equipo, ya que al disponerde cuatro caras, su rea disponible se incrementa para la ubicacin de lasmismas.

Los elementos que conforman las torres de seccin cuadrada usualmente sonangulares de lados iguales, ya que por ser un cuadrado es fcil y prctica lautilizacin de este perfil. Este tipo de torres tiene la desventaja de serantieconmicas, ya que por tener cuatro caras, el volumen de acero requeridopara la fabricacin de la misma es elevado, aumenta as su peso y costo, lomismo sucede con la pintura y el galvanizado, ya que el rea superficial seincrementa con respecto al de una de seccin triangular.

La construccin y montaje de este tipo de torres es relativamente laboriosa,esto debido a la gran cantidad de empalmes que posee, que hace prolongadala fase de construccin y montaje de la misma.

1.5.2.- Torres de seccin t riangular

En la actualidad para la telefona celular, telefona convencional inalmbrica,servicios de banda ancha, y otros servicios, las torres auto-soportadas deseccin triangular son las de mayor demanda en el mercado local, esto debidoa que cuentan con el rea suficiente para la ubicacin de las antenas y equiposen solamente tres sectores. Este tipo de torres cuentan con ventajaseconmicas, ya que posee una cara menos que las torres de seccin

cuadrada, lo que las hace ms livianas, debido al menor volumen de acero, ycon esto el rea superficial para pintarla y galvanizarla se reduce.

Generalmente las torres de seccin triangular estn compuestas por elementosde secciones tubulares y angulares, para la ubicacin de los montantes y de lasdiagonales respectivamente. Tanto las torres de seccin triangular como lastorres de seccin cuadrada necesitan la misma cantidad de personal para la

fase de construccin y montaje, con la diferencia que en las torres de seccintriangular esta fase se efecta en menor tiempo.


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Al igual que las torres de seccin cuadrada, las torres de seccin triangularpueden ser de seccin constante, pueden tener una proyeccin piramidal enlas primeras secciones y constante en las ltimas. Imagen 1.10.

1.5.2.1.- Uso de embreizado diagonal

La fuerza provocada por la presin del viento es aplicada para efectos deanlisis en los nudos de la estructura, actuando en ellos mismos las fuerzas dereaccin interna. Dichas fuerzas son absorbidas por los elementosestructurales que conforman dicha torre, estos son los montantes, elementosprincipales o esquineros, y las diagonales como elementos secundarios o decelosa.

Los esfuerzos inducidos en la estructura, pueden hacer que sta seademasiado flexible, lo cual hace que el movimiento oscilatorio de la mismaperjudique la calidad del sistema de comunicacin. En otras palabras, lafuncin de las diagonales es proporcionar suficiente rigidez a la torre para

evitar dicho fenmeno. Las diagonales son miembros que tericamente nosoportan cargas muertas ajenas a su propio peso, ni cargas vivas que no seanotras que las causadas por el viento. Estas actan nicamente soportando lasfuerzas inducidas, en forma de esfuerzos axiales, a compresin y tensin. A suvez deben ser capaces de resistir la carga perpendicular debido a la presin delviento, ya que dicho esfuerzo puede hacer pandear a la misma.

La seccin del elemento a utilizar puede depender ms del tipo de su conexinen el extremo que de cualquier otro factor. Uno de los perfiles ms sencillos,utilizado como diagonales es el redondo o barra de seccin circular. Dicho perfilpresenta inconvenientes en la elaboracin de las juntas, ya que las mismasdeben ser planas.

Los redondos de las medidas ordinarias tienen baja rigidez y pueden

flexionarse fcilmente por su propio peso, y perjudicar la apariencia de laestructura. Otra desventaja de los redondos es la dificultad de fabricarlos con


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longitudes exactas, presentndose dificultades en el momento de la instalacin.A diferencia de los redondos, los angulares tienen muchas ventajas, entre ellassu facilidad en la fabricacin y ensamblaje en obra, con lo que se tiene mayorrigidez que con un tubo circular, ambos con la misma rea transversal. Losangulares de lados iguales resultan ms econmicos que los de ladosdesiguales, esto debido a que su radio de giro es de mayor valor para la mismarea. Por ello se plantea que la torre a ser diseada tendr como elementosprincipales o esquineros elementos metlicos de seccin circular y loselementos de arriostre horizontales y verticales sern de tipo angular.

1.5.2.2.- Diagonal simple

Las diagonales son elementos estructurales de segundo orden, diseadas paraque funcionen soportando cargas axiales, tanto a tensin como a compresin,sta ltima es la carga crtica. El uso de las diagonales en un sentido, tiene laventaja de necesitar poco material para la fabricacin de la torre, hacindolams liviana y econmica. As mismo el rea de contacto con el viento esmenor, por lo tanto los esfuerzos inducidos se reducirn considerablemente.

Imagen 1.16.

Este tipo de diagonales generalmente es usado en torres de seccin cuadradade base pequea y en torres arriostradas, ya que las diagonales son depequea longitud, y con esto la esbeltez de dichos elementos es pequea, paratrabajar sin ningn problema y absorber los esfuerzos de compresin.

Imagen 1.16 Esfuerzos


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1.5.2.3.- Diagonal doble

Generalmente toda torre empleada para telefona celular utiliza diagonalesdobles, ya que por la altura de las mismas su base se incrementa, y hace quelas diagonales se ubiquen en tramos largos, incrementan as su relacin deesbeltez y con esto su susceptibilidad al pandeo por compresin; por lo mismoes necesario colocar una en sentido opuesto para reducir dicho efecto,sujetndose entre ellas en el punto de interseccin. Al utilizar diagonalesdobles no slo se reduce la relacin de esbeltez, sino tambin se hace que losesfuerzos inducidos en los elementos secundarios sean distribuidos en dos,trabajando uno a compresin y el otro a tensin simultneamente en el mismotramo y en la misma cara. Cuando se dispone de diagonales dobles, en unnudo concurren cuatro, actuando dos a tensin y dos a compresin, se logracon esto que los esfuerzos de corte en los montantes sean despreciables,Imagen 1.17.

Imagen 1.17 Esfuerzos

1.5.2.4.- Otras formas de embreizado

Muchas veces se requiere del uso de diagonales muy largas. Cuando lasdimensiones de las mismas estn por encima del lmite de relacin de esbeltez,es necesario aumentar el ancho y espesor de dichos miembros. Al aumentardichas dimensiones, tambin se incrementa el peso de la pieza y con esto el

peso total de la estructura, elevando el costo de fabricacin de la misma. Asmismo la pieza puede pandearse por su propio peso. Para evitar dichos


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inconvenientes, el diseador se ve obligado a apoyarse de otros elementosllamados redundantes o diagonales auxiliares. Estos elementos se ubican alcentro de las diagonales principales de manera que se reduce la luz entreapoyos de las mismas, y disminuye as mismo su relacin de esbeltez. Imagen1.18.

Imagen 1.18 Elementos redundantes

Hay casos en que debido a la altura de la torre con base de gran tamao, y alas elevadas velocidades de viento, los momentos torsores pueden afectar a laestructura. En dichos casos es necesario colocar breizas auxiliares en el planode la seccin de la torre para contrarrestar dichos esfuerzos. Imagen 1.19.

Imagen 1.19 Breizas

Todo lo expresado en los prrafos anteriores se refiere a los elementosconstitutivos de las torres que no corresponden a los elementos principales oesquineros, es decir se refieren a los elementos de relleno de la estructura quepueden considerarse como elementos de arrostramiento.

Podemos entonces ahora hablar sobre aquellos elementos principales,esquineros o montantes que son los que transmitirn los esfuerzos a la base de


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la torre, para el caso que nos ocupa sern elementos tubulares de seccincircular, a diferencia del caso tomado como referencia que son de perfiles deseccin UV. (Tesis, Jons Antonio Dobias Nuila).

1.6.- MATERIALES Y ELEMENTOS QUE CONFORMAN LAS TORRES

1.6.1.- Perfiles doblados en frio

Los miembros estructurales de acero conformado en fro son perfiles que sefabrican plegando chapas metlicas, longitudes cortadas de bobinas oplanchas, o laminando bobinas o planchas laminadas en fro o laminadas encaliente; siendo ambas operaciones realizadas a temperatura ambiente, esdecir, sin agregar calor del modo que sera necesario para un conformado encaliente. Las configuraciones de las secciones transversales, los procesos demanufactura y las prcticas de fabricacin de los miembros estructurales deacero conformado en fro difieren en varios aspectos de los de los perfileslaminados en caliente. En el caso de los perfiles de acero conformado en fro,el proceso de formacin se lleva a cabo a temperatura ambiente, o a una

temperatura prxima a la misma, utilizando plegadoras, prensas o mquinasformadoras. Algunas de las diferencias significativas entre los perfilesconformados en fro y los perfiles laminados en caliente son:

1.- Ausencia de las tensiones residuales provocadas por el enfriamientodesparejo debido al laminado en caliente.2.- Falta de filetes en las esquinas.

3.- Aumento de la resistencia a la fluencia con una disminucin del lmite deproporcionalidad y de la ductilidad provocado por el conformado en fro.4.- Presencia de tensiones reducidas en fro cuando el acero conformado en

fro no ha sido finalmente recocido.5.- Predominio de elementos con elevadas relaciones entre su ancho y suespesor.6.- Esquinas redondeadas, y

7.- Las curvas tensin-deformacin pueden ser de tipo fluencia brusca o de tipofluencia gradual.


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La Especificacin AISI es aplicable exclusivamente a secciones conformadasen fro de no ms de una pulgada (25,4 mm) de espesor. Teniendo en cuentaque la mayora de los requisitos de diseo han sido desarrollados en base atrabajos experimentales con cargas estticas, la intencin es que laEspecificacin se utilice para miembros estructurales de acero conformado enfro que se utilizarn para soportar cargas en los edificios. Para otro tipo deestructuras es necesario considerar adecuadamente los efectos dinmicos.(Tesis, Carlos Alberto Faz Barahona, Diseo de una Torre Triangular Auto-soportada Para Antena de Comunicacin Celular de 60m de Altura).

Por la naturaleza de la estructura, realizaremos el diseo desde el punto devista de los perfiles doblados en fro de bajo carbono de acuerdo con lodefinido en general por los requisitos de las especificaciones de la ASTM,(Imagen 1.20), pero la norma que se utilizar ser la AISC, ya que esta normacubre y sirve para todo tipo de estructura, adems el programa SAP2000 utilizaesta norma para los diseos y nos permitir entonces realizar comparaciones alaplicar una norma nica. Sin embargo se observar en el proceso de diseo

cuales son los espesores que se adoptan para la torre y justificar el uso de lanorma mencionada. Para el anlisis de nuestras torres utilizaremos perfilesdoblados en fro ya que en nuestro medio encontramos este tipo de perfiles yporque la estructura debe ser relativamente liviana pero lo suficientementeresistente a las cargas horizontales y verticales y a los agentes naturalesagresivos, los espesores de estos perfiles varan entre 0,1 y 0,25 pulg 2,5 y6,25 mm respectivamente. Adems nuestro patrn de diseo ser la LRFD

debido a sus diversas ventajas, ya que este mtodo incluye muchas de lascaractersticas de los procedimientos de diseo comnmente asociados con eldiseo ltimo, el diseo plstico y el diseo lmite. Esto no quiere decir tampocoque no se utilicen perfiles laminados en caliente (Imagen 1.21), pues si en elproceso amerita su utilizacin se aplicarn los diseos adecuadamente yaplicando las normas pertinentes como la AISC mencionada.


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Imagen 1.20 Perfiles doblado en f rio

1.6.2.- Perfiles laminados en caliente

Los primeros perfiles estructurales hechos en Estados Unidos fueron ngulosde hierro laminados. Las vigas I de acero se laminaron por primera vez en esepas en 1884 y la primera estructura reticular fue montada en ese mismo ao.

Durante esos primeros aos, diversas laminadoras fabricaron sus propiosperfiles y publicaron catlogos con las dimensiones, pesos y otras propiedadesde esas secciones. El acero estructural puede laminarse en forma econmica

en una gran variedad de formas y tamaos sin cambios apreciables en suspropiedades fsicas. Generalmente los miembros estructurales msconvenientes son aquellos con grandes momentos de inercia en relacin consus reas. Los perfiles I y T tienen esta propiedad.

Por lo general los perfiles de acero se designan por la forma de sus seccionestransversales, por ejemplo se tiene perfiles en ngulo, tes, zetas y placas.


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A travs de los aos han existido cambios en las dimensiones de los perfiles deacero. Por ejemplo, puede haber poca demanda que justifique seguirlaminando un cierto perfil; un perfil puede descontinuarse porque se desarrollaun perfil de tamao similar, pero ms eficiente en su forma. Ocasionalmente elproyectista puede necesitar las propiedades de un perfil descontinuado que noaparece ya en las listas de los manuales. Por ello es aconsejable que losproyectistas conserven las ediciones viejas del manual para consultarlascuando se presenten tales situaciones. A continuacin se muestran los perfileslaminados que se pueden encontrar en el mercado, Imagen 1.21:

Imagen 1.21 Perfiles l aminados al caliente

(Diseo de Estructuras de Acero Jack C. McCormac)

1.7.- MTODOS DE DISEO

1.7.1.- Mtodo ASD (Diseo por tensiones admisibles)

Desde 1946 el mtodo de clculo de los miembros y conexiones estructuralesde acero conformado en fro, tal como se prescriba en las ediciones anterioresde la Especificacin AISI, se basaba en el mtodo de las tensiones admisibles.

1.7.1.1.- Requisitos de Resistencia para ASD

En el enfoque del clculo por tensiones admisibles, las resistencias requeridas(momentos flectores, fuerzas axiales y esfuerzos de corte) en los miembrosestructurales se calculan por medio de mtodos de anlisis estructuralaceptados para las cargas nominales o de servicio especificadas para todas lascombinaciones de cargas aplicables listadas en la Seccin A5.1.2 de la

Especificacin AISI.


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1.7.1.2.- Combinaciones de cargas

En ausencia de un cdigo o especificacin aplicable, o si el cdigo oespecificacin aplicable no incluye combinaciones de cargas para ASD, laestructura y sus componentes se deben disear de manera que las resistenciasde clculo admisibles sean mayores o iguales que los efectos de las cargasnominales para cada una de las siguientes combinaciones de cargas:

1.- D2.- D + L + (Lr o S o Rr)3.- D + (W o E)4.- D + L + (Lr o S o Rr) + (W o E)

Estas resistencias requeridas no pueden ser mayores que las resistencias declculo admisibles permitidas por la Especificacin AISI.

Un diseo satisface los requisitos cuando la resistencia de clculo admisible decada uno de los componentes estructurales es mayor o igual que la resistencia

requerida, determinada en base a las cargas nominales, para todas lascombinaciones de cargas aplicables la resistencia de clculo admisible sedetermina dividiendo la resistencia nominal por un factor de seguridad de lasiguiente manera:

Ra = Rn/ (Ec. 1.1, AISC B3-2)

Donde:Ra = resistencia de clculo admisibleRn = resistencia nominal = factor de seguridad

La naturaleza fundamental del factor de seguridad es compensar lasincertidumbres inherentes al diseo, fabricacin o armado de los componentes

de un edificio y las incertidumbres en la estimacin de las cargas aplicadas. Atravs de la experiencia se ha establecido que los actuales factores de


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seguridad proporcionan un diseo satisfactorio. Se debe destacar que elmtodo ASD utiliza un solo factor de seguridad para una condicin dada,independientemente del tipo de carga. (Especificacin AISI).

1.7.1.3.- Cargas de viento o cargas ssmicas

Cuando una carga de viento o una carga ssmica actan simultneamente conuna carga gravitatoria permanente, una sobrecarga, una sobrecarga decubierta, una carga de nieve o una carga de lluvia es poco probable que todasestas cargas alcancen su valor mximo simultneamente. En consecuencia, sepueden reducir los efectos de las cargas combinadas multiplicando por unfactor de combinacin de cargas igual a 0,75.

Histricamente el Mtodo de las Tensiones Admisibles permita incrementar latensin admisible aplicando un factor de un tercio cuando se consideraban losefectos del viento o de los movimientos ssmicos. Ellifritt investig elfundamento del incremento de un tercio en las tensiones elicas y ssmicas(Ellifritt, 1977) y concluy que la justificacin histrica del aumento de las

tensiones provocadas por el viento era la siguiente: "La accin del viento sobreuna estructura es altamente localizada y de muy corta duracin. Por lo tanto noes necesario tener un factor de seguridad tan elevado al disear para cargasde viento. El razonamiento que llev al incremento de un tercio en lastensiones de clculo admisibles correspondientes a cargas ssmicas es similaral expuesto para el caso del viento.

1.7.1.4.- Otras cargas

La Especificacin requiere que tambin se consideren los efectos estructuralesprovocados por otras cargas incluyendo (a) cargas debidas a fluidos, (b) cargasdebidas al peso y presin lateral del suelo y del agua del suelo, (c) cargas,fuerzas y efectos debidos al estancamiento y (d) fuerzas auto-deformantes ylos efectos provocados por los cambios de temperatura, contraccin, cambios

de humedad, fluencia lenta y movimientos debidos a asentamientosdiferenciales.


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1.7.2.- Mtodo LRFD (Diseo por Factores de Carga y Resistencia)

1.7.2.1.- Fundamentos del diseo

Un estado lmite es la condicin en la cual la utilidad estructural de un elementoo miembro portante se ve afectada a tal punto que deja de ser seguro para losocupantes de la estructura, o en la cual el elemento ya no es capaz desatisfacer la funcin para la cual fue diseado. Los estados lmites tpicos paralos miembros de acero conformado en fro son las deformaciones excesivas, lafluencia, el pandeo y llegar a la mxima resistencia luego del pandeo localizado(es decir, resistencia posterior al pandeo). Estos estados lmites se hanestablecido en base a la experiencia prctica o en laboratorio y han sidoinvestigados exhaustivamente a travs de investigaciones analticas yexperimentales. En el Diseo por Factores de Carga y Resistencia seconsideran dos tipos de estados lmites: (1) el estado lmite de resistenciarequerido para resistir las cargas extremas durante la vida til de la estructura,y (2) el estado lmite de la capacidad de la estructura de desempear la funcinpara la cual fue diseada durante toda su vida til. Estos dos estados lmites

generalmente se conocen como estado lmite de resistencia y estado lmite deservicio.

A pesar de la prevalencia del ASD, actualmente los ingenieros diseadoresestn adoptando gradualmente el mtodo LRFD. Este mtodo incluye muchasde las caractersticas de los procedimientos de diseo comnmente asociadascon el diseo ltimo, el diseo plstico y el diseo al lmite o el diseo por

colapso.

1.7.2.2.- Requisitos de Resistencia para LRFD

Para el estado lmite de resistencia el formato general del mtodo LRFD seexpresa mediante la siguiente ecuacin:

i Qi Rn (Ec. 1.2, Jack C. McCormac)o,


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Ru Rn (Ec. 1.3, AISC B3-1)

donde:

Ru = i Qi = Resistencia requeridaRn = Resistencia nominal = Factor de resistenciai = Factores de cargaQi = Efectos de las cargas Rn = Resistencia de clculo

La resistencia nominal es la resistencia del elemento o miembro para un estadolmite dado, calculada para las propiedades nominales de la seccin y para laspropiedades mnimas especificadas del material de acuerdo con el modeloanaltico adecuado que define la resistencia. El factor de resistencia toma encuenta las incertidumbres y variabilidades inherentes en la Rn, y generalmentees menor que la unidad. Los efectos de las cargas Qi son los esfuerzos en laseccin transversal (es decir, momento flector, fuerza axial y esfuerzo de corte)

determinados a partir de las cargas nominales especificadas mediante anlisisestructural y i son los correspondientes factores de carga que toman encuenta las incertidumbres y variabilidades de las cargas.

Las ventajas del LRFD son: (1) las incertidumbres y las variabilidades de losdiferentes tipos de cargas y resistencias son diferentes (por ejemplo, la cargapermanente es menos variable que la carga de viento), y con este mtodo

estas diferencias se pueden considerar utilizando diferentes factores; y (2) alutilizar la teora probabilstica los diseos idealmente pueden lograr unaconfiabilidad ms consistente. Por lo tanto el LRFD proporciona la base para unmtodo de diseo ms racional y refinado que el mtodo ASD. (Jack C.McCormac)


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1.7.2.3.- Factores de Carga y Combinaciones de Cargas

El propsito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar encuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de las cargasvivas y muertas. EL valor del factor de carga usado para cargas muertas esmenor que el usado por las cargas vivas, ya que se puede obtener con mayorprecisin las cargas muertas que las cargas vivas. Respecto a esto debenotarse que las cargas que permanecen fijas durante largos perodos variarnmenos en magnitud que aquellos que se aplican por cortos perodos talescomo las cargas de viento. A continuacin se presentan las posiblescombinaciones de carga a ser aplicadas en el presente estudio, los mismosque estn basados en las normas AISC y mtodo LRFD 99, donde los factoresde carga indican y cubren aquellas incertidumbres del comportamiento de laestructura al aplicar las cargas verticales y horizontales:

1.- 1,4 D2.- 1,2 D + 1,6 L3.- 1,2 D + 1 L + 1,6 W

4.- 1,2 D + 1 L - 1,6 W5.- 0.9 D + 1,6 W6.- 0,9 D 1.6 W7.- 1.2 D + 1 L + 1 E8.- 1.2 D + 1 L - 1 E9.- 0.9 D + 1 E10.- 0.9 D - 1 E

D = Carga MuertaE = Carga SsmicaL = Sobrecarga debida a la ocupacin;

Peso del hormign fresco en el caso de construccin mixtaW = Carga de Viento


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1.7.2.4.- Factores de Carga y Resistencia

Se puede pensar que es absurdo y antieconmico disear estructuras confactores de carga tan grandes y factores de resistencia tan pequeos, sinembargo a lo largo del tiempo se tomar conciencia de que dichos factoresobedecen a una infinidad de incertidumbres. Algunas de ellas que afectan aesos factores son las siguientes:

1.- La resistencia de los materiales puede variar inicialmente en formaconsiderable con respecto a los valores supuestos y la variacin ser mayorcon el paso del tiempo debido al flujo plstico, a la corrosin y a la fatiga.2.- Los mtodos de anlisis estn sujetos con frecuencia a errores apreciables.3.- los fenmenos naturales como huracanes, sismos y otros causancondiciones difciles de predecir.4.- Los esfuerzos producidos durante la fabricacin y el montaje a veces sonseveros debido al manipuleo grotesco al momento de colocar los elementos ensu posicin correcta y estos esfuerzos pueden a veces exceder a los que sesometer la estructura luego de instalada. La ductilidad del acero ayuda a que

ciertas estructuras sobrecargadas durante la construccin no fracasen.5.- Se presentan cambios tecnolgicos que afectan la magnitud de las cargasvivas.6.- Las cargas muertas de la estructura pueden estimarse ms precisamenteque las cargas vivas.7.- Otras incertidumbres son la presencia de esfuerzos residuales yconcentracin de esfuerzos, variaciones en las dimensiones de las secciones

transversales.


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CAPTULO II

ANLISIS Y DISEO DE LA TORRE CON ESQUINEROS UV

2.1- GEOMETRA

A continuacin podemos encontrar la memoria tcnica elaborada para elanlisis y diseo de la torre metlica auto soportada de 40m de altura, cuyageometra servir como modelo para el presente trabajo de comparacin, estatorre fue construida en algn local de telecomunicaciones de la EmpresaETAPA EP de la ciudad de Cuenca, cuyo diseador fue el Ing. Jos VsquezC., quien ha permitido que se lo use. Del modelo mencionado luego deproceder a cargarlo y analizarlo se han obtenido los esfuerzos axiales,cortante, flexin y otros, para realizar el diseo de los elementos constitutivosde la torre en estudio. La torre que servir como base de comparacin, objetode esta monografa, estar constituida por montantes o esquineros UV y loselementos de relleno o diagonales que sirven como riostras, estarnconstituidos por elementos angulares.A continuacin se muestra la geometra de la torre, es decir la forma ydisposicin de los elementos metlicos por cada cara de la estructura en sus40m de altura:

Imagen 2.1 Dispos icion de elementos Imagen 2.2 Torre de 40m en 3den cada cara de la torre de 40m ingresada en sap2000


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Imagen 2.3 Torre de 40m con secciones t ransversales de perfiles en 3d

El modelo matemtico ingresado en el programa, se basa fundamentalmenteen la forma o geometra que se present en el apartado anterior, la misma queest constituida estructuralmente por elementos esquineros o montantes,normalmente stos se colocan de seis metros de largo cada uno y en otroscasos de cuatro metros por las condiciones de la geometra del modelo, luego

cada 1.50m o cada 2m se colocan nudos de unin por los elementos dearriostre que van conformando la estructura, as mismo elementos horizontaleso diagonales van de extremo a extremo enteros y en sus intermedios se formannudos, esta descripcin se puede ver en plano general mostrado ms adelante.Los elementos o perfiles van articulados en sus extremos, es decir se modelaanulando los momentos en los nudos, produciendo lo que se denomina nudoarticulado, esta condicin es posible realizarla en el software utilizado.

Antes de proceder a asignar secciones o perfiles a cada uno de los elementosconstitutivos de la torre, fue necesario establecer el tipo de material a usar, es


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decir se colocaron los parmetros descriptivos del acero ASTM A-36. Luego seprocedi a ingresar secciones de perfiles metlicos a cada uno de loselementos constitutivos de la estructura tridimensional a ser diseada en elprograma SAP 2000, es menester someter a dicho modelo a un sistema decargas verticales y horizontales.

A continuacin presentamos un ejemplo de un elemento UV generado dentrodel programa, asignndole el tipo de material ya predeterminado, es deciracero A36:

Imagen 2.4 Perfil UV150x60x8mm, creado en SAP2000

Junto al grfico de la seccin transversal creada se puede tambin observar lascaractersticas y datos geomtricos de dicha seccin, (Imagen 2.4) en base alos cuales el programa procede a realizar las comprobaciones de resistenciapara los diferentes estados de carga y para los diferentes tipos de esfuerzo,tales como axial, flexin, cortante, torsin y esfuerzos combinados.

Ahora mostramos un ejemplo de ingreso de dimensiones y espesores de las

alas de un perfil angular utilizado en la torre para que represente a los


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elementos que conforman la celosa, es decir los elementos horizontales ydiagonales, Imagen 2.5:

Imagen 2.5 Perfil angular, c reado en SAP2000

De esta forma se han procedido a crear todos y cada uno de los elementosestructurales constitutivos de la torre para antenas de telecomunicaciones,ellos sern elaborados en acero A36 que es el acero ms comn en elmercado local.

Dentro del programa utilizado para el clculo y diseo de la torre como lo es elSAP2000, se procedi a ingresar perfiles angulares de diferente dimensin dealas y de espesores, los mismos que constan dentro de una extensa lista deperfiles existentes dentro del mismo programa, no as en el caso de los perfilesUV para los montantes o perfiles esquineros, los cuales fueron ingresadosmanualmente utilizando una de las herramientas del propio programa, estoselementos fueron ingresados en varias dimensiones y espesores con el fin de

proceder a ingresarlas el momento de realizar las iteraciones y llegar adeterminar cul es el elemento de seccin transversal de mayor eficienciaestructuralmente hablando, y el que absorber los esfuerzos ms crticos de lascombinaciones de carga ingresadas previamente.

.Los elementos que servirn para el armado de la torre pueden ser perfilesdoblados en fro, ya que son los que se consiguen en nuestro medio a precios

convenientes comparados con los laminados en caliente que si bien tienen la


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misma nominacin, son ms pesados y en la mayora de los casos debenrealizarse pedidos con anterioridad para su importacin.

Como se explic en la parte introductoria, el modelo ser sometido a cargasmuertas, vivas y de viento, pues la carga ssmica no constituye un efecto crticopara este tipo de estructuras ya que las masas en los diferentes niveles sonpequeas, sin embargo a continuacin se describen las cargas a las que sesometer la torre:

2.2.- CARGAS

2.2.1.- Carga muerta

- Peso propio de la estructura

2.2.2.- Carga Viva

- 3 Antenas de telecomunicaciones para WIMAX (Internet Mvil Banda

Ancha), dispuestas una en cada arista de la torre en el nivel ms alto dela misma. Cada una de ellas pesa 9 Kg, ms equipos y accesorios tenemos 50 kg (ANDREW DB682H120-AD).

- 3 Antenas de telecomunicaciones para EBDO (Internet Mvil BandaAncha Rural), dispuestas una en cada arista de la torre en el nivel 3mdebajo del anterior. Cada una de ellas pesa 7 Kg, ms equipos yaccesorios tenemos 50 kg . (SHENGLU SL12436A).

- 3 Antenas de telecomunicaciones para CDMA (Telefona InalmbricaFija), dispuestas una en cada arista de la torre en el nivel 3m debajo delanterior y 6m debajo de las primeras. Cada una de ellas pesa 7 Kg, msequipos y accesorios tenemos 50 kg . (SHENGLU SL12436A).

- Pararrayos Franklin de cobre ms accesorios, 22 kg(www.franklin_france.com)

- Baliza para aviacin para torres de hasta 45m, 5 kg

(www.navitronic.com.ar)


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- Cables de conexin, 16 filas de cable coaxial HCTAY-50-22 (7/8) 0,55kg/m, de donde para el nmero de cables indicados tenemos 8,80 kg/m.(Torre de telecomunicaciones de ETAPA EP, Ricaurte-Cuenca)

- Escaleras para acceso de personal de operacin y mantenimiento, 10kg/m (escalera con elementos verticales de ngulo de 40x40x3mm ypeldaos de tubo circular de 1x2mm cada 30cm. Ancho total 90cm concanastilla de proteccin en toda su altura). (Torre de telecomunicacionesde ETAPA EP, Ricaurte-Cuenca)

- Personal de operacin y mantenimiento (dos personas a la vez, 75 kgc/u), la misma que se distribuir uniformemente sobre los elementos quesoportarn su peso.

- Escaleras para cables 3 kg/m (escalera con elementos verticales dengulo de 1x1x2mm y peldaos de platina de 1x2mm cada 40cm.Ancho total 40cm). (Torre de telecomunicaciones de ETAPA EP,Ricaurte-Cuenca).

Las cargas descritas se calcularn de tal manera de que al ingresarlas alprograma de clculo se las haga mediante cargas puntuales que se aplicarn

en los nudos correspondientes.

Imagen 2.6 Cables tipo coaxial


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Imagen 2.7 Torre con antenas

Imagen 2.8 Torre con cables y escaleras


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Imagen 2.9 Cargas verticales aplicadas en los nudosEn los n iveles de instalacin de antenas

Imagen 2.10 Cargas verticales repartidas en los perfilesque soportarn la plataforma para personal


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2.2.3.- Carga de viento

De acuerdo a la Norma Ecuatoriana de la Construccin 2011, la velocidad dediseo para viento hasta 10 m de altura, ser la adecuada, aquella velocidadmxima para la zona de ubicacin de la torre, pero no ser menor a 75 Km/h ypara nuestro caso se tomar 80 km/h, considerando que en nuestra zona no seha producido un viento de mayores magnitudes. Adems debemos considerarque la estructura en estudio estar ubicada en zona despejada, es decir sinobstculo alguno y se aplicarn perpendicularmente a una de las caras de latorre, es decir en todos los elementos constitutivos de dicha cara de la torre,esta direccin del viento usada constituye la ms crtica, comparada conaquellas aplicaciones diagonales o a 60 grados, pues al ser triangular la torreen anlisis al tomar esta aplicacin del viento, vuelve a producir una cargasobre una de las caras de la misma.

Tabla 2.1 Coeficiente de correccin,

Altura (m) Sin obstruccin(Categora A)

Obstruccin Baja(Categora B)

Zona Edificada(Categora C)

5 0.91 0.86 0.8010 1.00 0.90 0.8020 1.06 0.97 0.8840 1.14 1.03 0.9680 1.21 1.14 1.06

150 1.21 1.22 1.16

(NEC-11, Cargas de viento)Nota:

- Categora A: Edificios frente al mar, zonas rurales o espacios abiertossin obstculos topogrficos.

- Categora B: Edificios en zonas suburbanas con edificacin de bajaaltura, promedio hasta 10m.

- Categora C: Zonas urbanas con edificios de alturaDicho valor, ser corregido aplicando el factor de correccin , indicado en laTabla 2.1, que considera la altura del edificio y las caractersticas topogrficas

y/o de edificacin del entorno, mediante la ecuacin:


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Vh = V * (Ec. 2.1, NEC-11)

Siendo:

Vh = Velocidad corregida del viento en Km/h;

V = Velocidad instantnea mxima del viento en Km/h, registrada a 10 m dealtura sobre el terreno; = Coeficiente de correccin de la Tabla 2.1.

2.2.3.1.- Clculo de la presin del viento

La accin del viento se considera que acta como presin sobre el elemento defachada. Para efectos de determinar la resistencia del elemento frente alempuje del viento, se puede establecer una presin de clculo P, cuyo valor sedeterminar mediante la siguiente expresin:

P = 0.5 * * vb2 * Ce * Cf (Ec. 2.2, NEC-11)

P = presin de clculo expresada en Pa N/m 2

= densidad del aire expresada en Kg/m3vb = Velocidad bsica de viento en m/sCe = coeficiente de entorno alturaCf = coeficiente de forma

En general, para la densidad del aire se puede adoptar un valor de 1.25 Kg/m3.La velocidad bsica de viento Vb corresponde al valor caracterstico de lavelocidad media del viento a lo largo de un perodo de 10 minutos, medida enuna zona plana y desprotegida frente al viento, a una altura de 10 metros sobreel suelo. Se puede considerar una velocidad bsica de 22m/s (80 km/h).Elcoeficiente de entorno/altura Ce, es un factor de correccin que tiene en cuenta

el grado de exposicin al viento del elemento considerado El coeficiente de


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forma Cf (Tabla 2.2), es un factor de correccin que tiene en cuenta la situacindel elemento dentro de la fachada.

Tabla 2.2 Factor de forma Cf

CONSTRUCCION Barlovento SotaventoSuperficies verticales de edificios +0.8Anuncios, muros aislados, elementos con unadimensin corta en el sentido del viento

+1.5

Tanques de agua, chimeneas y otros de seccincircular o elptica

+0.7

Tanques de agua, chimeneas y otros de seccincuadrada o rectangular

+2.0

Arcos y cubiertas cilndricas con un ngulo deinclinacin que no exceda los 45 grados

+0.8 -0.5

Superficies inclinadas a 15 grados o menos +0.3-0.7 -0.6Superficies inclinadas entre 15 y 60 grados +0.7-0.3 -0.6Superficies inclinadas entre 60 grados y la vertical +0.8 -0.6El signo positivo (+) indica presinEl signo (-) indica succin

(NEC-11, Cargas de viento)

Para enmarcar a nuestras estructuras y escoger un valor razonable delcoeficiente Cf se puede utilizar un valor de 1,5 (Tabla 2.2) por tratarse deestructuras expuestas, situadas en zonas rurales, prximas a escarpaduras,laderas de fuerte inclinacin, desfiladeros y otros.

El valor de Ce (Tabla 2.3) puede ser tambin escogido dependiendo delentorno en el que se encuentra la parte frontal de la estructura en contraste consu altura, para ello utilizamos una tabla que nos permite observar losparmetros y escoger dicho factor.


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Tabla 2.3 Coeficiente de entorno/altura Ce

Entorno del edificio Altura elemento sobre nivel de suelo exterior (m)3 5 10 20 30 50

Centro de grandes ciudades 1.63 1.63 1.63 1.63 1.68 2.15

Zonas urbanas 1.63 1.63 1.63 1.96 2.32 2.82Zonas Rurales 1.63 1.63 1.89 2.42 2.75 3.20Terreno abierto son obstculos 1.64 1.93 2.35 2.81 3.09 3.47

(Internet)

Utilizando todo el proceso descrito, y los diferentes valores que constan en lasdiferentes tablas que hemos presentado, mostramos un cuadro con los clculos

correspondientes, el mismo que lleva a conseguir obtener la presin del vientoa las diferentes alturas, de acuerdo a los requerimientos de la normativa y de laestructura misma, la cual va a estar sometida a este tipo de carga crticadurante su utiliz

Monografia Torre

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