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UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS. Facultad de Ingeniería civil. Opción de grado pasantías (TGTP-0056-2017): “Metodología
de criterios requeridos para el diseño civil de líneas de transmisión de alta tensión”, febrero 2018, Bogotá D.C, Colombia. 1
CRITERIOS CIVILES REQUERIDOS EN EL DISEÑO
DE PROYECTOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE
ALTA TENSIÓN
Jose Luis Ocampo Martín, ingeniero civil Universidad Santo Tomás, Colombia, [email protected]
Resumen – Considerando la importancia que tienen los
proyectos eléctricos que hacen parte del Sistema de
Transmisión de energía en Colombia (STN), fue primordial
definir y desarrollar aquellos criterios desde el punto de vista de
la ingeniería civil al momento de diseñar líneas de transmisión
de alta tension; esto con el fin de cumplir con el alcance y
objetivos definidos en el anteproyecto de grado. Por
consiguiente, se realizaron análisis relacionados con la
identificación de la geología y geomorfología, estudio de suelos,
presentando la investigación geotecnica efectuada, y por ultimo
se realizó el diseño de los tipos de cimentaciones previamente
seleccionadas, incluyendo memorias de cálculo y planos de
detalle.
Abstract – Considering the importance of the electric projects
that are part of the Power Transmission System in Colombia
(STN), it was essential to define and develop those criteria from
the point of view of civil engineering. While designing high
voltage transmission lines, an order was essential to comply
with the scope and objectives defined in the preliminary draft
degree. Because of analyzes being carried out, relationships
were found identifying characteristics of geology and
geomorphology alongside with the study of soils. These
analysis presented the geotechnical research being carried out
and the design of the types of foundations previously selected
with the addition of calculated memories and detail plans.
I. INTRODUCCIÓN
Los proyectos enfocados a la transmisión de energía en
Colombia, son una actividad fundamental para el desarrollo y
óptimo desempeño de todo mercado eléctrico. Su importancia
radica en que es el punto de encuentro de generadores y
comercializadores, a través del cual se logra el intercambio
físico de la energía eléctrica, viabilizando la competencia y
optimizando, mediante los intercambios, el uso de los recursos
de generación.
Es asi como nació la idea, gracias a la colaboración
ofrecida por Gestión y Diseños Eléctricos – GDEL S.A., de
desarrollar las labores y/o actividades enfocadas a los criterios
civiles tenidos en cuenta en el diseño de líneas de transmisión
de alta tension. Estos incluyeron el análisis de la geología y
geomorfología, resultados del estudio de suelos, mostrando la
investigación geotécnica efectuada y las características del
subsuelo, criterios de selección de las cimentaciones, y el
diseño de las cimentaciones para las estructuras de soporte de
la línea, elaborando las respectivas memorias de cálculo con sus
respectivos planos de detalle.
A lo largo de todo este período, se adquirieron,
profundizaron y colocaron en práctica aquellas habilidades,
destrezas y conocimientos desde una perspectiva profesional y
académica, que permitieron cumplir con el alcance de la opción
de grado.
II. ANÁLISIS GEOLÓGICO Y GEOMORFOLÓGICO
Consiste básicamente en realizar el análisis de la geología
general a lo largo de todo el corredor que compone un
determinado proyecto, como también la identificación de los
respectivos procesos morfodinámicos, abarcando las
características del relieve, las condiciones de estabilidad que
ofrecen cada una de las geomorfoestructuras litológicas que
afloran en la zona de estudio.
Como resultado final de estos análisis se obtienen
características esenciales de la morfodinámicos, el cual va
determinar el grado de estabilidad de los materiales aflorantes
en la zona del proyecto; los cuales a su vez deben ser
corroborados con los respectivos recorridos de campo que se
deben adelantar para realizar dicho procedimiento.
A. Metodología general para la evaluación geológica y
geomorfológica de una línea de transmission de alta
tension
Para adelantar la evaluación de la geología y
geomorfología a lo largo de una línea de transmisión, como
primera medida se debe realizar el análisis correspondiente
de imágenes de Google Earth, cartografía de la zona de
estudio a escalas recomendables de 1:100.000 y 1:25.000,
la confrontación y captura de las unidades litológicas que
contienen los planos geológicos 1.100.000, como también
el Atlas geológico de Colombia.
Seguido a ello, es posible determinar las diversas
unidades litológicas aflorantes, con sus respectivas
geomorfoestructuras (sedimentarias, ígneas, volcánicas,
aluviales, entre otras) y su consecuente afectación
determinada por los procesos geomorfodinámicos a lo
largo de todo el proyecto.
Las imágenes de espacio mapas a escala 1:100.000 y
1.25.000 se utilizan para realizar el análisis de los diferentes
cambios litológicos que se presentan a lo largo de la línea.
Permite además la visualización de las principales estructuras
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del relieve como son las fallas geológicas, anticlinales y
sinclinales de la zona.
A su vez, los planos geológicos facilitan la identificación de los
diferentes materiales que componen las unidades geológicas,
para posteriormente definir su composición estratigráfica
Fig. 1 Evaluación de imágenes google earth ®
Nota: La anterior imágen pertenece al Proyecto “Líneas de transmission
Copey-Cuestecitas a 500 kV”.
Fig. 2 Evaluación de planos geológicos
Nota: La anterior imágen pertenece al Proyecto “Líneas de transmission Copey-Cuestecitas a 500 kV”- tramo 1.
B. Criterios desde el punto de vista geològico y
geomorfológico
Geología: Consiste en la identificación de las clases de
rocas aflorantes a lo largo de los corredores, delimitando los
diferentes contactos geológicos donde se presenten cambios de
materiales litológicos; información está que es georeferenciada
de los planos geológicos y que posteriormente durante la visita
de campo de manera general se corrobora con el propósito de
definir la alternative más viable.
Geomorfología: Está relacionada con el ordenamiento del
relieve que conlleva a la definición de los diferentes paisajes y
modelados derivados de los tipos de rocas y depósitos
existentes por donde transcurren los alineamientos preliminares
que son ajustados durante la visita de campo para las diferentes
alternativas de trazado que se requieran.
Fig. 3 Paisaje geològico y geomorfológico característico
Nota: La anterior imágen pertenece al Proyecto “Líneas de transmission Copey-Cuestecitas a 500 kV”.
C. Evaluación de Geología y geomorfología de las
alternativas preseleccionadas para el Proyecto “Línea de
transmision Copey-Fundación a 220 kV”
De manera general se analizó que la geología aflorante para
las alternativas propuestas, la cual está determinada por rocas
competentes para el tramo de inicio desde Copey hasta la altura
de Caracolicito, donde se bifurcan para tomar corredores
separados; en consecuencia, estos primeros kilómetros para las
tres alternativas transcurren por rocas sedimentarias del
cretácico y aluviales hacia los valles de los drenajes principales
que descienden de la Sierra.
A partir de Caracolí las alternativas 1 y 2 comparten la
misma geología constituida por formaciones sedimentarias del
cuaternario que origina las zonas planas constituidos por
depósitos no consolidados de origen aluvial y que pueden ser
afectados por la dinámica morfológica de las corrientes
fluviales que descienden del Piedemonte de la Sierra.
Respecto a la alternativa 3 u occidental, en su totalidad esta
transcurre con un direccionamiento sur - noroccidente hasta la
ciudad de Fundación y como ya se dijo a través de zonas de
morfología totalmente plana; por consiguiente los materiales
aflorantes están determinados por una geología sedimentaria
perteneciente al cuaternario, la cual caracterizan las cuencas
medias de los ríos Ariguaní y Fundación.
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III. ESTUDIO DE SUELOS E INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA
Corresponde al respectivo análisis de la exploración
geotécnica realizada en las zonas homogeneas geotécnicas
definidas previamente que conforman la línea eléctrica,
incluyendo los resultados de los ensayos de campo y laboratorio.
Se efectúa la descripción descripción de las actividades
realizadas, los resultados de ensayos de campo y laboratorio
(Clasificación del suelo, Estratigrafía, Nivel freático, Densidad
del suelo, Límites de Atterberg, Acidez del suelo (PH), análisis
de sales y cloruros), la descripción de los materiales
encontrados, la información sobre capacidad portante, las
recomendaciones de cimentación para cada sitio, la
información de sitios con suelos de características especiales en
caso de que estos se encuentren, las conclusiones y los anexos
de registros de perforación y ensayos de laboratorio.
A. Exploración del subsuelo y ensayos de laboratorio
Para la investigación geotécnica referente a las LT
Colectora – Cuestecitas a 500 kV y LT Cuestecitas – La loma a
500 Kv, fue necesario dividir el subsuelo en zonas geotécnicas
las cuales se presentan en la figura 4.
Para la exploración del subsuelo se ejecutaron 14
perforaciones, de las cuales cuatro (4) se realizaron por medio
de barreno motorizado y los diez (10) sondeos restantes se
llevaron a cabo con equipo de rotopercusión tipo Petty. Los
resultados se complementaron con ensayos de penetración
estándar SPT. Adicionalmente, con el fin de complementar el
estudio de prediseño, se incluyeron once (11) sondeos
correspondientes a la línea de transmisión Copey-Cuestecitas.
Fig. 4 Localización zonas geotécnicas
Nota: La anterior imágen pertenece al Proyecto “Colectora – Cuestecitas a 500 kV y LT Cuestecitas – La Loma a 500 kV”
B. Resultados de laboratorio y propiedades geotécnicas
encontradas
Las muestras obtenidas durante la etapa de exploración de
campo fueron sometidas a una detallada inspección visual para
realizar una selección representativa para efectuar los ensayos
de clasificación (Humedad natural, límites de Atterberg,
granulometría por tamizado, pH, y peso unitario).
Suelo de fundación: En la exploración de campo se
encontraron suelos cohesivos como arcillas arenosas de
consistencia media a dura y arenas arcillosas con gravas con
densidad muy compacta. Estos suelos son los predominantes a
profundidades entre 2.0 y 3.0 metros.
Ensayos de campo: Para el suelo encontrado en campo, se
realizó el ensayo de penetración estándar (SPT) del cual se
obtuvo valores entre 5 y 100 golpes. De acuerdo con esto y con
las características visuales observadas en campo, se
encontraron arcillas arenosas de consistencia media a muy dura,
arenas arcillosas y gravas en matriz arcillosa color café y
amarillo con densidad media a muy compacta.
Ensayos de laboratorio: A partir de los ensayos de
laboratorio se obtuvieron límites líquidos entre 17 y 66% y
límites plásticos entre 9 y 22%, para los suelos cohesivos
encontrados. El peso unitario seco de este suelo varía entre 1.63
(g/cm3) y 2.27 (g/cm3); el peso unitario húmedo varía entre
2.03(g/cm3) y 2.40(g/cm3).
IV. SELECCÍON DE CIMENTACIONES
De manera general para líneas de transmisión se utilizan
diferentes tipos de cimentaciones, las cuales dependen del tipo
de estructuras y las recomendaciones del estudio de suelos, los
cuales tienen en cuenta la resistividad del terreno, capacidad
portante, pH, nivel freático y condiciones específicas del
terreno (licuefacción, expansión, etcétera). Los criterios
usualmente utilizados para la selección del tipo de cimentación
para las estructuras tipo torres metálicas en celosía, se aprecian
en la tabla 1.
Tabla 1
Selección de cimentaciones para torres metálicas
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De acuerdo con los ensayos de laboratorio efectuados a las
muestras obtenidas durante la exploración se presentan las
recomendaciones de cimentación por estructura; las cuales se
obtuvieron considerando las recomendaciones geológicas,
geotécnicas, la acides del suelo esperado por los tipos de
minerales que lo conforman, la estabilidad y el nivel freático el
cual no fue encontrado en ninguna perforación. la alternativa
que se presenta es la recomendada desde el punto de vista de
diseño.
Así se concluye que para las líneas de colectora y
cuestecitas se proyecta un total de 447 torres las cuales se
dividen en 224 para el tramo 1 R1 y 223 para el tramo 2 R1. Del
total de las torres el 28% se cimentarán en parrillas, 66% se
cimentarán en zapatas, 3% se cimentarán en pilas y 3% se
cimentarán en micropilotes.
V. DISEÑO DE CIMENTACIONES
La metodología implementada para realizar el diseño de las
cimentaciones a utilizar en cada una de las estructuras que
componen el proyecto eléctrico, cumplen las normas y
documentos técnicos de diseño colombianos (NSR-10, NTC) e
internacionales (AISC-LRFD, ACI 318, ASTM).
Para en este caso en específico y de acuerdo a las
recomendaciones geológicas y del resultado del análisis del
estudio de suelos presentados y a lo largo de los documentos
presentados durante el período de las pasantías, las
cimentaciones a diseñar son las siguientes: zapatas, parrillas
metálicas, pilas y micropilotes.
El diseño de estas cimentaciones resiste las reacciones
generadas por las diferentes hipótesis de carga que se
estipularon para cada tipo de estructura, Para lo cual se
utilizaron las reacciones de trabajo del análisis realizado con el
programa TOWER.
A continuación, se presenta de manera general los
parámetros y características de diseño para cada tipo de
cimentación:
A. Cimentación tipo zapata
Para un correcto análisis y diseño de la cimentación se
debe evaluar los siguientes parámetros que se muestran en
la
Tabla 2 Caracteristicas a evaluar en el diseño de una zapata
B. Cimentación tipo parrilla
El diseño de este tipo de cimentación debe realizarse acorde
al método de cimentaciones inclinadas, el considera los
siguientes parámetros:
Verificación al arranque
Verificación al volcamiento
Verificación del área neta
Verificación por compresión
A su vez, cada uno de los perfiles que conforman las
parrillas se dimensionan de acuerdo con la guía “American
Society of Civil Engineers, Design of latticed Steel
transmission Structures, ASCE 10-97”.
C. Cimentación tipo pila
El análisis y diseño de la cimentación se debe evaluar los
siguientes parámetros que se muestran en la tabla 3.
Tabla 3
Caracteristicas a evaluar en el diseño de una pila
Análisis de estabilidad Diseño estructural
Resistencia a la compresión Flexo-tracción
Verificación al arranque Flexo-compresión
Verificación al volcamiento
Determinación de la rigidez
Determinación de resistencia
última a carga lateral
D. Cimentación tipo micropilote
Para los elementos de concreto, en condiciones de diseño
referidos a esfuerzos cortantes y flexión:
Capacidad de compresión (micropilotes).
Análisis de arrancamiento (micropilotes).
Análisis de pandeo (micropilotes).
Análisis cortante (micropilotes).
Análisis de cortante (Cabezal).
Análisis de estabilidad Diseño estructural
Esfuerzo actuante sobre
el suelo ( compresión)
Cortante
Verificación de
arrancamiento
Punzonamiento
Verificación a
volcamiento
Flexión
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Análisis de punzonamiento (Cabezal).
Análisis a Flexión (Cabezal).
Capacidad a flexo-compresión y flexo tracción
(pedestal).
Capacidad cortante (Pedestal).
AGRADECIMIENTOS
El aprendizaje que se obtuvo durante el tiempo de la opción
de grado no habría podido ser gracias a la colaboración de los
ingenieros Christian Alexander Almeciga y Juan Miguel
Sanchez; director y par acadèmico respectivamente. A su vez
hacer mensión especial a mis padres que siempre apoyaron
dando sus mejores esfuerzos, a los directivos y todo el grupo
técnica y ambiental de Gestión y Diseños Eléctricos S.A., que
siempre estuvieron atentos para cualquier duda y/o revision.
Finalmente a Dios, quien ha sido mi guia y consejero spiritual.
BIBLIOGRAFIA
Comisión Reguladora de Energía y Gas - (CREG). (13 de Julio de 1995). Resolución N°025 - Código de Redes. Bogota, Colombia.
Gestión y Diseños Eléctricos S.A. (2016). Informe final de Diseño de cimentaciones "línea de transmisión Colectora -Cuestecitas a 500 kV. Bogotá.
Gestión y Diseños Eléctricos S.A. (2016). Informe final- Criterios de dicseño electromecanico y civil proyecto" Línea de transmisión Copey-
Cuestecitas a 500 kV. Bogota, D.C.
Gestión y Diseños Eléctricos S.A. (2016). Informe memoriia de árboles de
carga línea de transmisón Cuestecitas - Camelias a 500 kV. Bogotá, D.C.
Unidad de planeación Minero Energética –UPME (2014). Plan de
expanción de referencia. Generación y transmisión, Bogotá, D.C, Colombia.
