TITULO DEL DOCUMENTO: Código: Fecha: 18-Agos-2011 Versión: 01 DOCUMENTO ELECTRICO Página :1 de 34 Barzal Alto Vía Azotea, PBX 6614000, Línea Gratis: 9800 918615 Fax: 661 0665 – A.A. 2749 E-mail: [email protected]Villavicencio - Meta GUIAS PARA EL DISENO DE ESTRUCTURAS DE SOPORTES DE PORTICOS SUBESTACION CAMPOBONITO 115 kV REVISIÓN FECHA DESCRIPCIÓN ELABORÓ APROBÓ LA SALIDA AL CLIENTE APROBÓ CLIENTE A 30/09/2011 Revisión Inicial LES FIRMAS Nombre del documento: GUIAS PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE SOPORTES DE PORTICOS CAMPOBONITO 115 kV Consecutivo del documento: LE-FR-CON-256-CI-004
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CON-256-CI-004_Guias Diseno Estructurales y Cimentaciones Porticos
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Presentar los fundamentos generales y los resultados del estudio realizado para definir las cargas de diseño (estructuras y fundaciones), tablas de tendido de las templas para los pórticos correspondientes al Proyecto de Subestación Campobonito 115kV., sujeto a lo contemplado en las Especificaciones Técnicas del proyecto y las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo resistente, NSR-10.
2 ALCANCE
Define la memoria, los criterios y los resultados obtenidos de la estimación de cargas sobre estructuras de pórticos y el cálculo de las tablas para el tendido de las templas de la subestación. Dichos cálculos consideran los efectos de viento, cortocircuito, sismo y las variaciones de temperatura de los conductores, controlando flechas máximas de forma tal que se respeten las distancias eléctricas mínimas permitidas entre las fases.
3 DESARROLLO
3.1 PARAMETROS AMBIENTALES, METEREOLOGICOS Y ELECTR OMECANICOS DE LOS CONDUCTORES.
A continuación se presentan los parámetros ambientales y meteorológicos a tener en cuenta para realizar las estructuras de soporte de los equipos de la subestación Campo Bonito 115kV.
Tabla 1. Características ambientales y meteorológic as de la subestación
a. Altura sobre el nivel del mar, m 250 b. Temperatura ambiente: - Mínima, °C 20 - Media, °C 30 - Máxima, °C 45 c. Velocidad básica del viento,km/h 120 d. Zona de amenaza sísmica Baja
e. Coeficientes para sismo - Aa 0.05 - Av 0.1 f. Coeficiente de uso o importancia para sismo (IV) 1.5 g. Parámetros para suelo tipo----------------- D - Fa 1.6 - Fv 2.4 h. Coeficiente de reducción sísmica ( R ) 3 i. Coeficiente sísmico último (5% de amortig.) (g) 0.30 j. Humedad relativa (%) - Máx. promedio mensual 80 - Media mensual 80 k. Precipitación media anual, mm 430
Tabla 2. Características eléctricas y mecánicas del conductor para pórtico de línea
Número de conductores por fase 2 1 Tipo ACSR ACSR Código PEACOCK MINORCA Calibre, MCM 605 110.8 Sección, mm² 192.8 56.14 Diámetro exterior, mm 24.21 12.2 Peso, daN/m 1.162 0.4038 Módulo de Elasticidad, daN/mm² 5600 11000 Coeficiente de Dilatación Térmica, 1/°C 1.89E-05 1.54E-05 Carga de Rotura, daN 9790 5120
Tabla 3. Características de la cadena de aisladores para pórtico de línea
Número de aisladores 10 Diámetro, mm 273 Longitud, mm 146 1460 Peso, daN 4.5 58.5 Esfuerzo combinado electromecánico, daN 12000 Longitud de herrajes, mm 241 Peso de herrajes, daN 3.15 Longitud Total de la cadena + herrajes, mm 1701 Peso Total de la cadena + de herrajes, daN 61.65
Se requiere estimar la temperatura del conductor para diferentes condiciones de circulación de corriente, temperatura ambiente, radiación solar y viento. En el cálculo de las cargas se considera conservativamente una variación de la temperatura entre 5ºC y 45ºC. Se asume que la temperatura mínima del conductor es igual a la mínima ambiente.
3.3 CARGAS SOBRE LOS PORTICOS
Las estructuras estarán sometidas a cargas de conexión, pesos propios, viento y sismo.
3.3.1 CARGAS DE CONEXION
Se tomaron unos valores máximos de tensión estática y dinámica para el nivel de cortocircuito especificado, el tipo de conductores y los vanos máximos que se presentan según la disposición física. Se considera 20°C para la temperatura básic a del conductor en el cálculo de las tensiones finales y las cargas de diseño.
Para el cálculo de las cargas de conexión sobre el pórtico se ha utilizado como datos de entrada toda la información necesaria sobre las características del conductor; así como los datos de temperatura ambiente (máxima, media y mínima), altura sobre el nivel del mar, separación entre fases, desnivel entre los puntos de las conexiones, velocidad básica del viento, parámetros eléctricos y físicos para definir los efectos del cortocircuito.
3.3.1.1 CARGAS DEBIDAS AL CAMBIO DE CONDICIONES O D E TEMPERATURA
Se resuelve el sistema para las condiciones iníciales dados los parámetros eléctricos y físicos, y se encuentra las condiciones nuevas a diferentes temperaturas.
Las cargas de cortocircuito se obtienen para un nivel de cortocircuito especificado y para la temperatura máxima y mínima, utilizando la formulación recomendada por el método simple del grupo de trabajo 23.11 del CIGRE de 2002. Para evaluar las fuerzas de cortocircuito se sistematizo dicho método simple. Este procedimiento permite el cálculo de las tensiones y desplazamientos máximos durante y después de un cortocircuito para un sistema de barras flexibles.
3.3.2 CARGAS DE VIENTO
Para la estimación de las cargas de viento se siguió la metodología ilustrada en el capítulo B.6. de la NSR-10
Se tomó una velocidad del viento básica de 120 Km/h. Se hicieron todas las consideraciones de diseño para calcular la presión del viento de acuerdo con el capítulo B.6 de la NSR-10.
La fuerza del viento se obtiene al multiplicar la presión por el área expuesta y por su correspondiente coeficiente de fuerza.
La fuerza del viento sobre la estructura debida a la presión del viento sobre los conductores se calcula como:
ff AGCqF ×××=
En donde, F Fuerza debida al viento, en daN. q Presión dinámica del viento, en daN/m².
Cf Coeficiente de fuerza
Af Área frontal efectiva de la estructura, en m2. La presión dinámica del viento q, está dada por:
IVKKKq dztz ×××××= 2613.0
En donde, KZ Coef. de exposición de presión por velocidad. KZ Factor topográfico. Kd Factor de dirección del viento. I Factor de importancia para cargas de viento q Presión por velocidad [N/m2] G Factor de ráfaga
Para simplificar el diseño y la fabricación de las estructuras se determinan las cargas verticales, transversales y longitudinales máximas de diseño en cada punto de aplicación, que incluye la acción del viento con y sin la condición de cortocircuito y las siluetas típicas principales.
Las cargas calculadas se redondean a valores de orden práctico y buscando una normalización de los diferentes tipos de estructuras. Estos valores siempre serán superiores a los teóricos calculados para tener en cuenta posibles divergencias entre el cálculo y el resultado del montaje.
En las cargas de diseño no se incluyen factores de sobrecarga. Sin embargo, en el análisis de la estructura metálica realizado por el fabricante se deben considerar sobrecargas.
3.3.3 CARGAS DE SISMO
Las cargas de sismo sobre el equipo, la estructura y los conductores se hallaron de acuerdo a la metodología de la NSR-10
3.4 TABLAS DE TENDIDO DE TEMPLAS
Las tablas de tendido para cada uno de los barrajes de la subestación, se presentan en forma conjunta con el cálculo de cargas de conexión. Las cargas de tendido de los barrajes se calcularon con el mismo procedimiento mencionado en el numeral 4, donde la tensión básica es obtenida según los cálculos efectuados para las cargas de conexión, considerando el control de flechas y teniendo en cuenta que para el tendido no se consideran los bajantes, ya que en la práctica éstos se instalan cuando se haya efectuado el tendido del barraje.
En el cálculo de las flechas y tensiones se tiene en cuenta el efecto de las cadenas de aisladores, el desnivel entre los puntos de anclaje de las conexiones y los desniveles y pendientes del terreno. Considerando 20 ºC para la temperatura básica del conductor en el cálculo de la tabla de tendido.
Para el cálculo de las tensiones de tendido del cable de guarda se considera la tensión a la temperatura mínima de 5ºC para efectos del diseño de los pórticos.
Para obtener las máximas solicitaciones a las que se encuentran sometidas la estructura, se utilizan las siguientes combinaciones de cargas de servicio y cargas mayoradas:
Donde, W: Carga debida al peso propio de la estructura y al peso de los conductores y cables de guarda. Ct: Carga de tensión mecánica. Cc: Carga de cortocircuitos. CSx,y,z: Carga de sismo en dirección x, y ó z. CVx,y: Carga de viento en dirección x ó y. Combinaciones de servicio:
W + Ct W + Ct + CVx W + Ct + CVy W + Cc + CVx W + Cc + CVy W + Ct + 0.7CSx + 0.7CSz W + Ct + 0.7CSx - 0.7CSz W + Ct + 0.7CSy + 0.7CSz W + Ct + 0.7CSy - 0.7CSz W + Cc + 0.7CSx + 0.7CSz W + Cc + 0.7CSx - 0.7CSz W + Cc + 0.7CSy + 0.7CSz W + Cc + 0.7CSy - 0.7CSz
Máxima Fuerza de Tensión durante el cortocircuito 2070.27 1454.72 Máxima Fuerza de Tensión después del cortocircuito 1761.56 1234.06 Máxima Fuerza de Tensión de diseño 2070.27
RESULTADOS PARA LA TABLA DE TENDIDO DEL CONDUCTOR: ( SIN BAJANTES Y SIN VIENTO )
Por cond. Por fase
Temp. Final Delta de Temp Tensión Final Flecha Tensión Final °C °C daN m daN
15.00 -15.00 278.66 0.32 557.32
20.00 -10.00 245.83 0.36 491.66
25.00 -5.00 220.07 0.40 440.14
30.00 0.00 200.00 0.44 400.00
35.00 5.00 183.91 0.48 367.82
40.00 10.00 170.79 0.52 341.57
45.00 15.00 159.78 0.55 319.56
50.00 20.00 150.70 0.58 301.39
RESULTADOS DE CARGAS LONGITUDINALES CON BAJANTES :
CARGA UNIFORME EQUIVALENTE 1.83 daN/m RELACIÓN CARGAS UNIFORMES EQUIV/CABLE 1.58
TENSIÓN BÁSICA CON BAJANTES 300.00 daN
Por cond. Por fase
Temp. Final Delta de Temp Tensión Final Flecha Tensión Final °C °C daN m daN
15.0 -15.00 391.21 0.31 782.42
20.0 -10.00 355.19 0.34 710.37
25.0 -5.00 325.17 0.37 650.34
30.0 0.00 300.00 0.40 600.00
35.0 5.00 279.22 0.43 558.44
40.0 10.00 261.32 0.46 522.65
45.0 15.00 246.11 0.48 492.22
50.0 20.00 233.18 0.51 466.37
55.0 25.00 221.67 0.54 443.34
60.0 30.00 211.61 0.56 423.23
65.0 35.00 202.80 0.59 405.60
70.0 40.00 194.98 0.61 389.96
75.0 45.00 187.79 0.63 375.57
80.0 50.00 181.34 0.66 362.67
Máxima Fuerza de Tensión durante el cortocircuito 1303.76 980.68 Máxima Fuerza de Tensión después del cortocircuito 1072.70 869.18 Máxima Fuerza de Tensión de diseño 1303.76
SISMO ( En ambos sentidos L y T ) METODO : FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE Zona de riesgo sísmico: Baja Aa = 0.05 Av = 0.10 Coeficientes de sitio, para suelo tipo D Fa = 1.60 Fv = 2.40
Coef. de Importancia (Grupo de Uso IV) I = 1.50 Altura máx. (m ): hn = 15.40
Ct= 0.072
α= 0.8
Período de vibración aprox. :cthnα Ta = 0.64 seg
Tc=0,48 (Av Fv)/(Aa Fa) Tc = 1.44 seg
TL= 2,4 Fv TL= 5.76 seg
Sa : Sa = 0.30 Coeficiente de Disipación de Energía : R = 3.00 Coeficiente sísmico en la base Cs: Sa/R Cs = 0.10
Fs [kgf] = 254
Fs (vert) [kgf] = 170
SISMO en cables ( En ambos sentidos L y T ) CARACTERISTICAS Altura máxima del elemento
hx= 15.40 m
Altura equivalente heq= 11.55 m Aceleración máxima en el suelo
CARGAS PARA EL DISEÑO DE LAS CIMENTACIONES DEL PÓRT ICO DE BARRAS
Sistema estructural: Pórtico en celosía en estructura metálica.
CARGAS PESO PROPIO (W) COLUMNAS
Cantidad Longitud [m] Peso [kgf/m] Peso total [kgf]
1 8.40 100 840
total 840
VIGA TRANSVERSAL
Cantidad Longitud [m] Peso [kgf/m] Peso total [kgf]
1 10.00 100 1000
total 500
Peso total [kgf]= 1,340
Nota: Para el cálculo de la carga muerta se supuso un peso de 150 Kgf/m2.
CARGAS VERTICALES SOBRE CONDUCTORES (Wcon) Cantidad de conductores 3 Peso del conductor [kgf] 2.324 Longitud conductor [m] 17.6
Peso total de los aisladores [kgf] 61.65
Carga vertical total sobre conductores [kgf]= 308
SISMO ( En ambos sentidos L y T ) METODO : FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE Zona de riesgo sísmico: Baja Aa = 0.05 Av = 0.10 Coeficientes de sitio, para suelo tipo E Fa = 1.60 Fv = 2.40
Coef. de Importancia (Grupo de Uso IV) I = 1.50 Altura máx. (m ): hn = 8.40
Ct= 0.072
α= 0.8
Período de vibración aprox. :cthnα Ta = 0.40 seg
Tc=0,48 (Av Fv)/(Aa Fa) Tc = 1.44 seg
TL= 2,4 Fv TL= 5.76 seg
Sa : Sa = 0.30 Coeficiente de Disipación de Energía : R = 3.00 Coeficiente sísmico en la base Cs: Sa/R Cs = 0.10
VIENTO ( En ambos sentidos L y T ) Cálculo de las fuerzas de viento : Torre de celosía V (Mapa de amenaza eólica) [Km/h] 120 Mapa amenaza eólica Figura B.6.4-1 de la NSR-10
V (Mapa de amenaza eólica) [m/s] 33 Categoría de Exposición C
KZ: Coef. de exposición de presión por velocidad. 0.96
KZt: Factor topográfico. 1.00
Kd: Factor de dirección del viento. 0.85
I: Factor de importancia para cargas de viento 1.15 q: Presión por velocidad [N/m2] 642 G: Factor de ráfaga 0.85
CARGAS PARA EL DISEÑO DE LAS CIMENTACIONES DEL PÓRT ICO DE LINEAS Y BARRAS
Sistema estructural: Pórtico en celosía en estructura metálica.
CARGAS PESO PROPIO (W) COLUMNAS
Cantidad Longitud [m] Peso [kgf/m] Peso total [kgf]
1 15.40 100 1540 total 1540
VIGAS
Cantidad Longitud [m] Peso [kgf/m] Peso total [kgf]
2 10.00 100 2000 1 10.00 100 1000
total 1500 Peso total [kgf]= 3,040
Nota: Para el cálculo de la carga muerta se supuso un peso de 150 Kgf/m2.
CARGAS VERTICALES SOBRE CONDUCTORES pórtico linea ( Wcon) Cantidad de conductores 3 Peso del conductor [kgf/m] 2.324 Longitud conductor [m] 26.6 Peso total de los aisladores [kgf] 61.65
Carga vertical total sobre conductores [kgf]= 370
CARGAS VERTICALES SOBRE CONDUCTORES pórtico barras (Wcon) Cantidad de conductores 3 Peso del conductor [kgf/m] 2.324 Longitud conductor [m] 17.6 Peso total de los aisladores [kgf] 61.65
Carga vertical total sobre conductores [kgf]= 308
CARGAS VERTICALES SOBRE CABLES DE GUARDA (Wcable gu arda) Peso del cable [Kgf/m] 0.407 Cantidad Longitud (m) Cables 1_longitudinal 1 31 Cables 2_transversal 1 11
Carga vertical total sobre cables guarda [kgf]= 17
SISMO ( En ambos sentidos L y T ) METODO : FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE Zona de riesgo sísmico: Baja Aa = 0.05
Av = 0.10 Coeficientes de sitio, para suelo tipo E Fa = 2.50 Fv = 3.50 Coef. de Importancia (Grupo de Uso IV) I = 1.50
Altura máx. (m ): hn = 15.40 Ct= 0.072 α= 0.8
Período de vibración aprox. :cthnα Ta = 0.64 seg
Tc=0,48 (Av Fv)/(Aa Fa) Tc = 1.34 seg
TL= 2,4 Fv TL= 8.40 seg
Sa : Sa = 0.47 Coeficiente de Disipación de Energía : R = 3.00
Coeficiente sísmico en la base Cs: Sa/R Cs = 0.16 Fs [kgf] = 475
Fs (vert) [kgf] = 318
SISMO en cables pórtico línea ( En ambos senti dos L y T ) CARACTERISTICAS Altura máxima del elemento hx= 15.40 m Altura equivalente heq= 11.55 Aceleración máxima en el suelo As= 0.21 Coef. Aceleración horizontal ax= 0.63 Fuerza sísmica horizontal Fp= 121 Kgf Fp (vert)= 81 Kgf
SISMO en cables pórtico barras ( En ambos sentid os L y T ) CARACTERISTICAS Altura máxima del elemento hx= 15.40 m Altura equivalente heq= 11.55 Aceleración máxima en el suelo As= 0.21 Coef. Aceleración horizontal ax= 0.63 Fuerza sísmica horizontal Fp= 96 Kgf Fp (vert)= 64 Kgf
VIENTO ( En ambos sentidos L y T ) Cálculo de las fuerzas de viento : Torre de celosía V (Mapa de amenaza eólica) [Km/h] 120 V (Mapa de amenaza eólica) [m/s] 33 Categoría de Exposición C
KZ: Coef. de exposición de presión por velocidad. 1.10
KZt: Factor topográfico. 1.00
Kd: Factor de dirección del viento. 0.85 I: Factor de importancia para cargas de viento 1.15 q: Presión por velocidad [N/m2] 730 G: Factor de ráfaga 0.85