DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kV ... - emsa … · ASCE 10-97 Design of latticed steel ... o A-394 Specification for Galvanized Steel Transmission ... Distortion during Hot

0 Emisión Inicial C. Alarcón M.Gómez A.Galindo 2013/03/16

Rev. Descripción Diseñó Revisó Aprobó Fecha

DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kV

ENTRE S.E. OCOA Y LAS S.E. GUAMAL Y SAN FERNANDO

CRITERIOS DE DISEÑO ELECTROMECANICODE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Diseñó: Revisó: Documento Nº.: Rev.

C. Alarcón M.Gómez 0Fecha: Fecha: Fecha: Codigo cliente: Rev Cliente.

2013/03/16 2013/03/16 2013/03/16

Aprobó:

A.Galindo 750-LTM-001

CRITERIOS DE DISEÑO ELECTROMECÁNICO (CONSORCIO DISEÑOS META A+ I&D)

750-LTM-001–Criterios de diseño electromecánico Página 2 de 30

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES ...................................................... 3

2. NORMAS APLICABLES ................................................................................ 4

3. CRITERIOS DE DISEÑO ............................................................................... 6

3.1 PARÁMETROS GENERALES .................................................................... 6

3.1.1 PARÁMETROS METEREOLÓGICOS ................................................ 6

3.1.2 PARÁMETROS ELECTROMECÁNICOS ........................................... 8

3.1.3 PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA LÍNEA .................................. 9

3.2 ELECTROMECÁNICOS ............................................................................ 10

3.2.1 SELECCIÓN DEL CONJUNTO ESTRUCTURAL ........................... 10

3.2.2 CRITERIOS PARA EL TENSIONADO DE CONDUCTORES Y CABLES DE GUARDA .................................................................................... 10

3.2.3 CRITERIOS DE DISEÑO PARA EVALUACIÓN DE CARGAS EN LAS ESTRUCTURAS ...................................................................................... 11

3.2.4 FACTORES DE SEGURIDAD ........................................................... 15

3.2.5 CURVAS DE UTILIZACIÓN ............................................................... 16

3.2.6 RESISTENCIA DE HERRAJES, AISLADORES Y ACCESORIOS 17

3.2.7 BALANCEO DE CADENAS ............................................................... 17

3.3 LOCALIZACIÓN ÓPTIMA DE ESTRUCTURAS ..................................... 17

3.3.1 DISTANCIAS DE SEGURIDAD MÍNIMAS ....................................... 19

3.3.2 PROCEDIMIENTO .............................................................................. 22

3.3.3 ANCHO DE SERVIDUMBRE............................................................. 22

3.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO DE CIMENTACIONES........ 23

3.4.1 Diseño de las cimentaciones en concreto y especiales .................. 25

3.4.2 Diseño de la zapata ............................................................................ 26

3.4.3 Diseño de la pedestal ......................................................................... 26

3.4.4 Diseño de cimentaciones especiales ................................................ 26

4. REFERENCIAS ............................................................................................ 27

5. Anexos ........................................................................................................... 28

5.1 MAPA DE AMENAZA EÓLICA (NSR-10 FIG B.6.4-1) ........................... 28

............................................................................................................................... 28

5.2 INFORME CLIMATOLÓGICO DE VILLAVICENCIO (IDEAM) .............. 29



1. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES En este documento se presentan los criterios básicos para el diseño electromecánico y estructural de la línea de transmisión a ser usada como interconexión entre la subestación de Ocoa en la ciudad de Villavicencio y las futuras subestaciones Guamal y San Fernando en el municipio de Guamal. El proyecto mencionado se lleva a cabo a petición de EMSA S.A. E.S.P., dentro del marco de su plan de mitigación de la demanda no atendida en la zona sur del departamento del Meta. La línea de transmisión proyectada soportará una tensión eléctrica de 115 kV y comenzará desde la subestación Ocoa dirigiéndose al sur a través de aproximadamente 30 km, hasta llegar al municipio de Guamal, en donde la línea se divide para llegar a dos subestaciones que se emplazarán allí. El proyecto será construido en dos etapas, la primera comprende la instalación del circuito a 115kV entre las subestaciones de Ocoa y S. Fernando, la segunda etapa será la correspondiente a la línea entre las subestaciones Ocoa y Guamal. Las líneas estarán conformadas, en su totalidad, por estructuras metálicas en torres con castillete de doble circuito (Conductores ACSR 605 MCM Peacock), además con un cable de guarda (OPGW), y se han definido los siguientes tipos de estructuras:

Torre tipo A, Suspensión Liviana Torre tipo AA, Suspensión Pesada Torre tipo B, Retención Liviana Torre tipo C, Retención Intermedia Torre tipo D, Retención Pesada y DT Torre Terminal.



2. NORMAS APLICABLES Las normas y documentos mencionados a continuación son parte integral de los presentes criterios. Se debe aplicar la última revisión o edición disponible. Cuando se haga referencia a las normas en el presente documento, los diseños, materiales suministrados y métodos para ejecutar el trabajo deben cumplir con los requerimientos establecidos de las siguientes normas, en el siguiente orden de jerarquía aplicable: 2.1. RETIE: Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas

2.2. EEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers

2.3. National Electrical Safety Code NESC C2-2007.

2.4. IEEE STD 80 "Guide for Safety in A.C. Substation Grounding"

2.5. IEEE- EPRI Transmission line reference book 345 kV and above

2.6. IEC: International Electrical Committee

2.7. IEC 60826 Loading and strength of overhead transmission lines

2.8. IEC 60071-1:1993, Insulation co-ordination − Part 1: Definitions, principles and rules.

2.9. IEC 60071-2:1996, Insulation co-ordination − Part 2: Application guide.

2.10. ASCE: American Society Civil of Engineers:

o Bulletin Nº 52, Guide for design of Steel Transmission Towers.

o Bulletin 74 Guidelines for Transmission Line Structural Loading

2.11. ASCE 10-97 Design of latticed steel transmission structures

2.12. AISC: American Institute of Steel Construction Manual of Load and

Bearing Factor Design Manual.

2.13. AWS: American Welding Society.

2.14. ANSI: American National Standards Institute

o B.1.1 Unified screw threads

o B.18.2.1 Square and Hex Bolts and Screws

o B.18.2.2 Square and Hex Nuts

2.15. ASTM: American Society for Testing and Materials

o A-36 Specification for Structural Steel

o A-90 Weight of Coating and Zinc Coating (Galvanized) iron or Steel Articles



o A-123 Standard Specification for Zinc (Hot dip) Galvanized Coatings on Steel Products.

o A-242 Standard Specification for High-Strength Low-Alloy Structural Steel.

o A-394 Specification for Galvanized Steel Transmission Towers Bolts.

o A-6 Specification General for Requirements for delivery of Rolled steel, plates, sheet piling and Bars for structural Uses.

o A-143 Recommended Practice for safeguarding Against Embrittlement of Hot Dip Galvanized Structural steel Products and procedure for detecting Embrittlement.

o A-153 Standard Specification for Zinc Coating (hot-dip) on Iron and Steel Hardware.

o A-384 Recommended Practice for Safeguarding Against Warpage and Distortion during Hot Dip Galvanizing of Steel Structures.

o A - 44 High Strength Low-Alloy Structural Manganese Vanadium Steel

o A - 563 Specification for Coal and Alloy Steel Nuts

o A - 572 Specification for High-Strength Low - Alloy Columbium - Vanadium.

o A-780 Standard Practice for Repair of Damaged and Uncoated Areas of Hot-Dip Galvanized Coatings

o B - 6 Standard Specification For Zinc (Slab Zinc).

2.16. AISI: American Iron and Steel Institute

2.17. NSR-10. Normas Colombianas de Construcciones Sismo Resistentes. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica.

2.18. Documento de Solicitud de Ofertas No. 110-2012, diseño detallado y gestión predial para la construcción de la línea a 115 kv entre la subestación Ocoa en el municipio de Villavicencio y las nuevas subestaciones Guamal y San Fernando en el municipio de Guamal en el departamento del Meta.

2.19. Demás normas mencionadas en la sección “Referencias” de éste documento.



3. CRITERIOS DE DISEÑO A continuación se presentan los parámetros atmosféricos y los parámetros electromecánicos que serán utilizados en el diseño de la línea de transmisión que forma parte del alcance del Proyecto.

3.1 PARÁMETROS GENERALES

Los parámetros generales para la línea fueron los establecidos en el documento de base de la invitación emitido en Diciembre del 2012.

3.1.1 PARÁMETROS METEREOLÓGICOS Las condiciones ambientales a las que va a estar sometida la línea de transmisión, son determinantes en el diseño de esta, por lo tanto los parámetros meteorológicos que se utilicen deben ser los datos más recientes dados por los estamentos competentes, ya que dichos parámetros influyen en la definición de cálculos tales como los árboles de carga, cálculos de aislamiento, selección del conductor, plantillado, etc. Los parámetros meteorológicos se tomarán de las siguientes fuentes: - Altura sobre el nivel del mar: Se hacen lecturas de éste parámetro sobre

planchas cartográficas del IGAC, para este dato se tomará el valor más representativo a lo largo de la línea.

- Velocidad del viento máximo. Éste valor se toma de la NSR-10, del título B,

figura B.6.4-1. En el anexo 1 de éste documento se observa dicha figura y se toma como la velocidad de diseño.

- Velocidad del viento máximo promedio (coincidente): Corresponde al valor

máximo promedio de la velocidad del viento. Para determinar la velocidad del viento coincidente se toma la recomendación de la norma IEC 60826, según la cual, en caso de falta de esta información se puede tomar como un 60% del viento máximo absoluto.

- Temperaturas: Estos valores se toman de los registros virtuales que del

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM. Para la ciudad de Villavicencio ya que para el municipio de Guamal no existe este reporte. En el anexo 2, se encuentra el informe del IDEAM para Villavicencio. También se tomó información de la base de datos de ISA, elaborada por el IDEAM en 1999. Además se tiene como referencia el manual de ISA “Metodología de diseño de líneas de transmisión y guía de



aplicación de las estructuras normalizadas” y los valores de otros proyectos que se consideren referenciales.

TEMPERATURAS Éste valor es importante debido a que genera cambios en la longitud y tensionamiento de los cables además de otros aspectos estructurales como resistencia mecánica de la estructura y parámetros eléctricos como las distancias de seguridad, etc. Se deben tener en cuenta las siguientes definiciones. - Temperatura máxima: valor de temperatura que con probabilidad del 2 % (periodo de retorno de 50 años) puede ser excedido en un año, obtenido a partir de la serie de registros anuales de temperatura máxima absoluta. - Temperatura coincidente: valor de la temperatura considerada como coincidente con las velocidades de viento del proyecto. Es el valor promedio de la serie de registros de temperatura mínima. - Temperatura mínima: valor mínimo de temperatura para la que con probabilidad del 2 % (periodo de retorno de 50 años) no se presentan temperaturas inferiores en un periodo de un año, obtenida a partir de la serie de registros anuales de temperaturas mínimas absoluta. - Temperatura máxima promedio: valor promedio de la serie de registros de temperatura máxima absoluta. - Temperatura mínima promedio: valor promedio de la serie de registros de temperatura mínima absoluta.

- Temperatura promedio: valor promedio de la serie de registros de temperatura promedio anual. VIENTO Las cargas de viento aplicado sobre los cables y las estructuras y los movimientos que inducen son éstos, constituyen un factor de alta relevancia en el comportamiento mecánico de la línea. Se deben tener en cuenta las siguientes definiciones para propósitos de diseño. - Velocidad de viento máximo: Corresponde al valor máximo instantáneo de la velocidad del viento, registrada en el anemógrafo, medido a 10 metros de altura sobre el terreno, en un área abierta y sin obstáculos.



- Velocidad máxima anual: Valor máximo de la velocidad del viento máximo. - Velocidad máxima promedio: Promedio de la serie de registros de velocidad máxima anual o mensual. - Velocidad de diseño: Velocidad máxima promedio, corregida para considerar las características topográficas de la zona de influencia del proyecto. - Velocidad de referencia para diseño: corresponde al valor máximo anual de la velocidad del viento (ráfaga de tres segundos), que tiene un período de retorno de 50 años. Para la definición de éstos parámetros, se tomarán como referencia las condiciones meteorológicas de las zonas climáticas del departamento del Meta, específicamente de las poblaciones en los extremos de la línea. En los casos en los que los datos no coincidieron para las dos poblaciones, se toma el valor que se considere más crítico para el diseño o las de Villavicencio cuando no existen datos para el municipio de Guamal. En consecuencia los parámetros atmosféricos que se usaran son:

ÍTEM DESCRIPCIÓN

Altura sobre el nivel del mar 467 m.s.n.m

Velocidad de viento de diseño 120 km/h

Velocidad de viento coincidente 60 km/h

Temperatura media 25 ºC

Temperatura máxima ambiental 36 ºC

Temperatura mínima 15 ºC

Temperatura coincidente 16 ºC Tabla 1. Parámetros meteorológicos usados

3.1.2 PARÁMETROS ELECTROMECÁNICOS

ÍTEM DESCRIPCIÓN

Tensión nominal 115 kV

Número de circuitos 2

Número de sub-conductores por fase 1

Temperatura máxima de operación del conductor 75 ºC Tabla 2. Parámetros electromecánicos generales



3.1.3 PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA LÍNEA

3.1.3.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS ESTRUCTURA S Para el diseño del tramo de interés se utilizarán estructuras metálicas con castillete y con tres fases a cada lado, con una altura aproximada de 30 metros. La línea conductora será construida con cable conductor ACSR 605 MCM Peacock, mientras que la línea de guarda se hará con cable conductor OPGW. Características generales del cable conductor Peacock.

ÍTEM DESCRIPCIÓN

Conductor PEACOCK Tipo ACSR Calibre 605 MCM Área total de la sección 346.0 mm2

Diámetro exterior 24.21 mm Masa unitaria 1.161 kg/m Tensión de rotura 95.87 kN Módulo de elasticidad 75000 MPa Coeficiente de dilatación lineal 1.96E-005 /ºC

Tabla 3. Características del cable conductor Peacoc k

Características generales del cable de guarda OPGW

ÍTEM DESCRIPCIÓN

Cable de guarda OPGW Tipo OPGW Número de Fibras ópticas 24 Área total de la sección 113 mm2

Diámetro exterior 14 mm Masa unitaria 0.547 kg/m Tensión de rotura 77.93 kN Módulo de elasticidad 106203 MPa Coeficiente de dilatación lineal 1.57 E-005

Tabla 4. Características del cable de guarda OPGW



3.2 ELECTROMECÁNICOS

3.2.1 SELECCIÓN DEL CONJUNTO ESTRUCTURAL Para el diseño de la línea se define un conjunto de estructuras, cada una con un propósito de utilización. Para definir los puntos de diseño, es decir los valores con los cuales se determinarán los árboles de cargas y curvas de utilización, se tomarán los datos más representativos del trazado para determinar los ángulos de deflexión, vano viento y vano peso para cada tipo de estructura basados en la experiencia en proyectos similares. Con base en esta información se deben definir los tipos de estructuras y los puntos de diseño.

3.2.2 CRITERIOS PARA EL TENSIONADO DE CONDUCTORES Y CABLES DE GUARDA

Teniendo en cuenta los parámetros mecánicos y meteorológicos previamente mencionados, para el cálculo de las flechas y tensiones se considerarán las siguientes condiciones limitantes utilizando la Ecuación de Estado exacta:

ÍTEM DESCRIPCIÓN Condición diaria promedio 20.0 %T.R Tensión con temperatura mínima y condición inicial 30.0 %T.R Tensión con temperatura coincidente y viento máximo 50.0 %T.R

Tabla 5. Para el cable conductor

ÍTEM DESCRIPCIÓN Condición diaria promedio 10.0 %T.R Tensión con temperatura mínima y condición inicial 30.0 %T.R Tensión con temperatura coincidente y viento máximo 50.0 %T.R

Tabla 6. Para el cable de guarda

Para el cálculo de los efectos del creep se utilizaron tanto la formulación del CIGRE, que permite predecir la elongación plástica a lo largo de un periodo de tiempo determinado considerando los parámetros de tensión y temperatura, como la metodología de PLS-CADD, con base en polinomios que permite calcular el creep a 10 años. La tensión diaria del cable de guarda se fijará para garantizar una flecha del orden del 90% aproximadamente de la flecha del conductor, es decir por una verificación de las distancias entre conductor y cable de guarda en las diferentes condiciones de carga.



Utilizando el programa de computo ID-FYT, el cual calcula las flechas y tensiones para el conductor y cable de guarda, para vanos reguladores seleccionados y con los valores de los parámetros del conductor y de las condiciones meteorológicas definidas, se realizará el cálculo mecánico del conductor de fase y del cable de guarda. Para el análisis de las diferentes hipótesis, el programa utiliza la ecuación de cambio de estado para calcular las flechas y tensiones para cada uno de los vanos reguladores requeridos. El programa calcula para los vanos considerados las tensiones horizontales y las flechas para las diferentes condiciones de carga (hipótesis) asumidas para los diferentes conductores. Los resultados obtenidos se utilizarán posteriormente, para el análisis mecánico de la línea en lo referente a distancia a tierra con temperatura máxima; condiciones de carga máxima sobre las estructuras (árboles de carga) y para las condiciones de tendido y regulación de los diferentes tramos de la línea.

3.2.3 CRITERIOS DE DISEÑO PARA EVALUACIÓN DE CARGAS EN LAS ESTRUCTURAS

Las diferentes solicitaciones a las que se verán sometidas las estructuras se presentan en los árboles de carga, en condiciones normal y excepcional, que se calcularán para cada una de las hipótesis de carga, en los puntos de diseño y aplicable a los vanos reguladores que se encuentren a lo largo del proceso de plantillado. Para proteger las estructuras de la acción de las cargas ejercidas por los conductores y de la variación aleatoria de fenómenos meteorológicos, tales como el viento y la temperatura, es necesario afectar las cargas de trabajo por un conjunto de factores de sobrecarga con los cuales se garantice la resistencia de las estructuras y por consiguiente la confiabilidad de la línea. Se realizará el cálculo de un árbol de cargas para cada tipo de estructura, con las condiciones más críticas de viento máximo (120km/h), que cubra el diseño de todas las estructuras y se modificarán los puntos de diseño para las estructuras que conforman las líneas de los lotes con menor velocidad de viento. A continuación se presentan las hipótesis a utilizar en los cálculos electromecánicos de acuerdo a lo establecido en la normatividad antes relacionada.

3.2.3.1 ESTRUCTURAS DE SUSPENSIÓN a. Hipótesis Normal Todos los conductores y el cable de guarda sanos con viento máximo, elasticidad final y temperatura coincidente (mínima promedio anual). No hay



carga longitudinal por desbalance provocadas por vanos adyacentes desiguales debido a la condición de suspensión

La carga transversal por ángulo sobre conductores y cables de guarda se evaluará calculando la tensión en condiciones finales con viento máximo de diseño y temperatura coincidente. Para el diseño estructural de las torres, la acción del viento se debe considerar actuando en sentido transversal.

b. Hipótesis Anormal Para los conductores sanos, las cargas transversales por ángulo y longitudinales sobre conductores y cables de guarda serán en condición de carga diaria inicial.

Para la rotura se considera la carga longitudinal como el 50% de los subconductores rotos en cualquier fase, los demás subconductores, fases y cables de guarda sanos, condición de carga diaria inicial, sin viento.

Las demás cargas asociadas con el conductor o el cable de guarda rotos, se disminuirán en los siguientes porcentajes de la carga del conductor sano: las cargas verticales debidas a peso del conductor o del cable de guarda en un 30%; y la carga transversal debida a ángulo de deflexión en un 50%.

En ésta hipótesis se considerarán dos casos. Un cable conductor y guarda rotos y las fases restante sanas. Dos cables de fase rotos al mismo lado de la torre, cable guarda y fases restantes intactos.

c. Hipótesis de montaje, tendido y mantenimiento A nivel de conductor se considerará:

Una carga vertical debida al vano peso de diseño aumentado en un cincuenta por ciento (50%) mas 4.0 kN de personal y equipo, carga diaria final y sin viento.

A nivel de cable de guarda se considerará:

Una carga vertical debida al vano peso de diseño aumentado en un cincuenta por ciento (50%) más 2.0 kN correspondiente al peso del personal más equipo, carga diaria final y sin viento.

En cuanto a montaje y tendido Para las cargas de tendido y tensionado (condición en poleas) se considerará que la carga vertical será la correspondiente al peso de los cables en el vano peso máximo, más el peso de los herrajes, más el peso de los aisladores y más 4.0 kN adicionales por personal con equipo para los conductores ó 2.0 kN adicionales para el caso de cables de guarda. Las cargas transversales se



calcularán con base en 2 veces la tensión de tendido de los conductores. La tensión de tendido se limitará al 80% de la tensión diaria promedio, sin viento. En cuanto a las cargas longitudinales, se considerarán todos los conductores y cable de guarda intactos, considerando que todas las cadenas y conjuntos de suspensión estén inclinados en sentido longitudinal un ángulo de 10º debido a un desnivel y a que el cable esté en poleas.

Se deben considerar las cargas aplicadas solo en un circuito para tener en cuenta, las líneas que estarán en esta condición de tal forma que las estructuras puedan resistir el desbalance generado por tener cargas solo a un lado de la torre. De esta manera se generan dos condiciones: En tendido y en amarre, por lo que se consideran en etapa de tendido un cable de fase y el cable de guarda mientras que el resto de cables están en amarre.

3.2.3.2 ESTRUCTURAS DE RETENCIÓN

a. Hipótesis Normal

Todos los conductores y el cable de guarda sanos con viento máximo, elasticidad final y temperatura coincidente (mínima promedio anual). Hay carga longitudinal por desbalance provocadas por vanos adyacentes desiguales debido a la condición de suspensión.

La carga transversal por ángulo sobre conductores y cables de guarda se evaluará calculando la tensión en condiciones finales con viento máximo de diseño y temperatura coincidente. Para el diseño estructural de las torres, la acción del viento se debe considerar actuando en sentido transversal.

b. Hipótesis Anormal Para los conductores sanos, las cargas transversales por ángulo y longitudinales sobre conductores y cables de guarda serán en condición de carga diaria inicial.

Para la rotura se considera la carga longitudinal como el 50% de los subconductores rotos en cualquier fase, los demás subconductores, fases y cables de guarda sanos, condición de carga diaria inicial, sin viento.

Las demás cargas asociadas con el conductor o el cable de guarda rotos, se disminuirán en los siguientes porcentajes de la carga del conductor sano: las cargas verticales debidas a peso del conductor o del cable de guarda en un 30%; y la carga transversal debida a ángulo de deflexión en un 50%.



En ésta hipótesis se considerarán dos casos. Un cable conductor y guarda rotos y las fases restante sanas. Dos cables de fase rotos al mismo lado de la torre, cable guarda y fases restantes intactos.

c. Hipótesis de mantenimiento A nivel de conductor se considerará:

Una carga vertical debida al vano peso de diseño aumentado en un cincuenta por ciento (50%) más 4.0 kN de personal y equipo, carga diaria final y sin viento.

A nivel de cable de guarda se considerará:

Una carga vertical debida al vano peso de diseño aumentado en un cincuenta por ciento (50%) más 2.0 kN correspondiente al peso del personal más equipo, carga diaria final y sin viento.

En cuanto a montaje y tendido Para las cargas de tendido y tensionado (condición en poleas) se considerará que la carga vertical será la correspondiente al peso de los cables en el vano peso máximo, más el peso de los herrajes, más el peso de los aisladores y más 4.0 kN adicionales por personal con equipo para los conductores ó 2.0 kN adicionales para el caso de cables de guarda. Las cargas transversales se calcularán con base en 2 veces la tensión de tendido de los conductores. La tensión de tendido se limitará al 80% de la tensión diaria promedio, sin viento. En cuanto a las cargas longitudinales, se considerarán todos los conductores y cable de guarda intactos, considerando que todas las cadenas y conjuntos de suspensión estén inclinados en sentido longitudinal un ángulo de 10º debido a un desnivel y a que el cable esté en poleas.

Se deben considerar las cargas aplicadas solo en un circuito para tener en cuenta, las líneas que estarán en esta condición de tal forma que las estructuras puedan resistir el desbalance generado por tener cargas solo a un lado de la torre. De esta manera se generan dos condiciones: En tendido y en amarre, por lo que se consideran en etapa de tendido un cable de fase y el cable de guarda mientras que el resto de cables están en amarre.

3.2.3.3 ESTRUCTURAS TERMINALES a. Hipótesis Normal Todos los conductores y el cable de guarda sanos con viento máximo, elasticidad final y temperatura coincidente (mínima promedio anual). Hay carga longitudinal por desbalance provocadas por vanos adyacentes desiguales debido a la condición de suspensión.



b. Hipótesis Normal

Se considerarán todos los conductores y el cable de guarda sanos de un solo lado de la estructura, tomando el máximo entre cualquier condición de carga. Del otro lado de la torre todas las fases estarán rotas

La carga transversal por ángulo sobre conductores y cables de guarda se evaluará calculando la tensión en condiciones finales con viento máximo y temperatura coincidente.

El cálculo de la carga de viento sobre la estructura se considerará con el viento máximo actuando transversalmente sobre la estructura.

c. Hipótesis de mantenimiento

Se considerarán todos los conductores y cable de guarda intactos sin viento, elasticidad final.

A nivel de conductor se considerará:

Una carga vertical debida al vano peso de diseño aumentado en un cincuenta por ciento (50%) más 4.0 kN correspondiente al peso del personal más equipo.

A nivel de cable de guarda se considerará: Una carga vertical debida al vano peso de diseño aumentado en un cincuenta por ciento (50%) más 2.0 kN correspondiente al peso del personal más equipo.

3.2.4 FACTORES DE SEGURIDAD Los factores de caga a utilizar en las diferentes hipótesis y condiciones de carga son los siguientes:

TIPO DE CARGA FACTOR Carga transversal, debida al viento en retenciones 2.00 Carga transversal, debida al viento en suspensiones 1.65 Carga transversal, debida al ángulo 1.40 Carga longitudinal 1.20 Carga vertical 1.10 Peso propio 1.00

Tabla 7. Factores de Mayoración



Se debe tener en cuenta que los anteriores valores para los factores de seguridad has sido obtenidos de la normativa establecida por CODENSA.

3.2.5 CURVAS DE UTILIZACIÓN Para el diseño de la línea se define un conjunto de estructuras, cada una con un propósito de utilización diferente. Para definir los puntos de diseño, es decir los valores con los cuales se determinan los árboles de cargas y curvas de utilización, se toman los datos más representativos del trazado para determinar los ángulos de deflexión, vano viento y vano peso para cada tipo de estructura basados en la experiencia en proyectos similares y en el plantillado preliminar. Una vez definidos los puntos de diseño, en base al trazado preliminar, se hace un análisis de sensibilidad iterativo para optimizar el uso y el costo de la línea cambiando el punto de diseño de las suspensiones. El proceso de optimización se realiza tomando la topografía del proyecto, para la cual se define un grupo de estructuras al que se le aplica el proceso de optimización. En este proceso se evalúa el peso aproximado de las estructuras, el cual se calcula en base a los árboles de carga (asociados a sus correspondientes puntos de diseño). Con la evaluación del peso de las estructuras se continúa con el cálculo de los costos para cada tipo de estructura y sus respectivos cuerpos. Con estos pesos se calcula el precio resultante de las torres y el costo debido al montaje, así como el costo de la puesta a tierra, los herrajes y aisladores y costos de la cimentación. La evaluación anterior de precios, produce el costo total de la línea de transmisión, la cual se puede optimizar cambiando el punto de diseño de las suspensiones iterativamente hasta obtener la combinación más económica y funcional para el proyecto. Este procedimiento se realiza para las líneas con las condiciones ambientales más críticas, obteniendo la combinación óptima de puntos de diseño (vano viento y ángulo de deflexión para cada estructura en dichas líneas), luego, con base en los árboles de carga obtenidos (cargas transversales y longitudinales) se iteran los puntos de diseño cada una de las demás zonas, para que los árboles de carga coincidan con las diferentes condiciones ambientales de temperatura y viento, con lo cual se obtienen las familias de estructuras optimizadas para el proyecto.



3.2.6 RESISTENCIA DE HERRAJES, AISLADORES Y ACCESOR IOS Con base en los resultados de flechas y tensiones, se tomará la tensión horizontal máxima en cualquiera de las condiciones de tensionado, como la tensión que deben resistir los herrajes, aisladores y accesorios, la cual se debe afectar por un factor de seguridad de tres (3) y multiplicarla por el número de subconductores por fase.

3.2.7 BALANCEO DE CADENAS Para el balanceo de las cadenas y para verificar el cumplimiento de los acercamientos de las cadenas a la estructura, según la Sección 23 del NESC - CLEARANCES, se considera el balanceo en tres condiciones, a saber: 1. Por sobrevoltajes a frecuencia industrial, con una presión de viento de 290

Pa. 2. Por sobrevoltajes de maniobra, con viento medio. 3. Por sobrevoltajes de descargas atmosféricas, sin viento.

3.3 LOCALIZACIÓN ÓPTIMA DE ESTRUCTURAS

Con base en los resultados del análisis de flechas y tensiones se obtendrán las tensiones requeridas para la realización del plantillado de la línea, teniendo en cuenta cada uno de los vanos reguladores resultantes. La longitud de los vanos reguladores se determinará con base en la longitud de los vanos componentes de cada tramo entre retenciones. La localización óptima de estructuras se llevará a cabo con la ayuda del programa PLS-CADD con base en las carteras del levantamiento topográfico del recorrido de la línea. Los registros e información de topografía se usarán para codificar la planta y el perfil a las escalas apropiadas. Además del perfil del terreno propiamente dicho, se codifica el perfil de seguridad, incluyendo todos los obstáculos registrados en el levantamiento de estas líneas, definiendo las distancias de seguridad que se deben respetar en cada caso de acuerdo a la normatividad vigente y conforme a los usos del suelo dependiendo del tipo de terreno u obstáculo, tales como carreteras, pasos peatonales, quebradas, zonas inundables, líneas de transmisión, etc. La catenaria para el proceso se calcula con base en los parámetros atmosféricos y condiciones limitantes descritas, temperatura máxima de operación, elasticidad final y para un vano regulador del 90% del esperado en el tramo para asegurar que la tensión real sea un poco mayor a la de la catenaria usada. La localización de estructuras se hará según un algoritmo que permite estudiar todas las posibles combinaciones de estructuras, considerando los obstáculos y perfiles reales y realizando el análisis económico.



Para verificar el cumplimiento de las condiciones de utilización de las estructuras, se usará la función respectiva del programa diseñada para calcular los parámetros de cada estructura tales como vano efectivo, vano viento, vano peso en condiciones de temperatura mínima y temperatura máxima (vano peso frío y vano peso caliente) y el vano regulador de los distintos tramos de alineamiento. Con base en estos parámetros se calcularan los ángulos de balanceo de las cadenas de aisladores. Tanto los parámetros de diseño de las estructuras, como los ángulos de balanceo de las cadenas se verifican con los máximos permitidos para verificar su viabilidad en las condiciones definidas en la localización. En los casos en que alguno de estos parámetros sobrepasó los máximos, se harán los ajustes pertinentes para corregir el problema. Las fórmulas utilizadas en la hoja de cálculo son las siguientes:

Donde:

Abscisa de la estructura k. : Abscisa de la estructura j.

Posición del vértice de la catenaria.

Figura 1. Diagrama de vanos para los cálculos.



Tensión horizontal

Peso unitario del conductor Angulo de balanceo

Fuerza transversal viento en el conductor : Fuerza transversal de viento en la cadena

: Fuerza vertical debido al conductor (CV*w) : Fuerza vertical debido a la cadena (peso de la cadena)

Luego de estos chequeos se re-calculan las condiciones de tensionado, utilizando el vano regulador de cada tramo y se actualizarán las catenarias en el PLS-CADD. Se verificará que no se presenten tramos en alineamiento con más de 12 estructuras en suspensiones seguidas o que superen los 6 kilómetros sin retención. En caso de superarse esta longitud, se instalará una torre de retención intermedia.

3.3.1 DISTANCIAS DE SEGURIDAD MÍNIMAS Las distancias de seguridad indicadas son de obligatoria aplicación entre conductores de líneas de transmisión y cualquier otro tipo de infraestructura o elemento en cercanías de la línea de alta, redes, edificaciones o estructuras en general, pasos vehiculares o peatonales, nivel del terreno, etc. Las distancias de seguridad se han obtenido del reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE), la cual establece que para ésta línea en específico las distancias de seguridad deben ser las especificadas en la siguiente tabla (Tabla 8) que se interpreta según la figura 2.



Figura 2. Distancias de seguridad esquematizadas. T omado del RETIE. Pag 56.

A.)Figura 13.2 del RETIE, B.) Figura 13.3 RETIE, C. ) Figura 13.4 RETIE.

DESCRIPCIÓN DISTANCIA

Distancia mínima al suelo “d” en cruces con carreteras, calles, callejones, zonas peatonales, áreas sujetas a tráfico (vehicular ver fig 2.A.)

6.1 m

Distancia mínima al suelo “d1” desde líneas que recorren avenidas, carreteras y calles (vehicular ver fig 2.A.) 6.1 m

Distancia mínima al suelo “d” en bosques de arbustos, áreas cultivadas, pastos, huertos, etc. Siempre que se respete los requisitos de altura máxima que pueden alcanzar las copas de los, arboles arbustos o huertos, localizados en la zonas de servidumbre

6.1 m

En áreas de bosques y huertos donde no se tiene control absoluto del crecimiento de estas plantas y sus copas puedan ocasionar acercamientos peligrosos.

8.6 m

Distancia mínima vertical en el cruce “f” a los conductores alimentadores de ferrocarriles electrificados, teleféricos, tranvías y trole-buses (fig 2.B)

2.3 m

A B

C



Distancia mínima vertical respecto del máximo nivel del agua “g” en cruce con ríos, canales navegables o flotantes adecuados para embarcaciones con altura superior a 2 m y menor de 7 m (fig 2.C)

10.6 m

Distancia mínima vertical respecto del máximo nivel del agua “g” en cruce con ríos, canales navegables o flotantes, no adecuadas para embarcaciones con altura mayor a 2 m

5.6 m

Distancia mínima vertical al piso en cruce por espacios usados como campos deportivos abiertos, sin infraestructura en la zona de servidumbre, tales como graderías, casetas o cualquier tipo de edificaciones ubicadas debajo de los conductores

12.0 m

Distancia mínima horizontal en cruce por campos deportivos que incluyan infraestructura, tales como graderías, casetas o cualquier tipo de edificación asociada al campo deportivo

7.0 m

Tabla 8. Distancias de seguridad tabuladas. Al efectuar la distribución de las estructuras en los planos de planta y perfil, los valores de distancias verticales mínimos obtenidos según la norma, se aumentarán para compensar las posibles diferencias debidas a la precisión de los planos, cálculos y tolerancias de construcción, de acuerdo con las distancias seleccionadas para cada caso en la tabla anterior. En el caso de zonas urbanas se tiene limitado el paso de líneas sobre construcciones, debido a que no puede haber líneas en sectores urbanos a menos que las edificaciones que se crucen estén a cargo del dueño de la línea. Según el RETIE en el artículo 13, Nota 2. Para líneas que tengan una tensión mayor de 57.5 kV, las distancias de aislamiento eléctrico deben ser aumentadas en un 3% por cada 300 m que sobrepasen los 900 metros sobre el nivel del mar. Como la altura del lugar donde se emplazará el proyecto es menor de 900 msnm, entonces no se deben hacer correcciones a la altura de seguridad por éste concepto. DISTANCIAS CON CRUCE DE LÍNEAS EXISTENTES El cruce de líneas existentes se obtiene del RETIE Artículo 13. En éste caso se observa una tabla de distancias entre la línea superior y la inferior, para 115kV.



Tabla 8.1. Distancias de seguridad con líneas exist entes.

La Línea superior se refiere a la línea de mayor voltaje en el cruce, entonces si la línea a diseñar se cruza con una línea de mayor voltaje entonces debe pasar por bedajo de dicha línea existente de tal manera que si la linea es de 220/230kV la distancia será de 2.9 m y si la línea es de 500 kV entonces la distancia sería de 4.6 m

3.3.2 PROCEDIMIENTO Para optimizar el plantillado de la línea, se realiza un proceso iterativo ayudado por el programa PLS-CADD, el cuál determina la ubicación y el tipo de estructuras que se usarán en la línea a partir de un análisis técnico y económico basándose en el costo de cada estructura y de su cimentación. La localización de las estructuras se realizará siguiendo la técnica de optimización por tramos, la cual consiste en ubicar un determinado número de estructuras, establecer la combinación de tipos y altura más económica del conjunto y seleccionar una de ellas como la óptima. Mediante plantillados iterativos y su análisis se realizará la selección óptima del conjunto de estructuras y la ubicación de las estructuras, variando entre cada ejercicio la altura básica de las torres y su curva de utilización, de acuerdo con los indicios y distribuciones que cada plantillado vaya arrojando, así como la tensión diaria del conductor y, obviamente, los valores de tensiones a diferentes estados (máxima temperatura, máxima velocidad de viento, inicial, etc.). De tal forma que el resultado además de establecer el conjunto óptimo de estructuras y el nivel de tensionado para construcción de la línea de transmisión, define la ubicación óptima del conjunto de estructuras.

3.3.3 ANCHO DE SERVIDUMBRE De acuerdo con lo expuesto en el RETIE, en el capítulo 4 “Requisitos para el proceso de transmisión”, artículo 22.2 “Zonas de servidumbre”, literal H, se indica la distancia horizontal de seguridad al conductor. Valor que depende de los niveles de tensión de la línea y del número de circuitos que se tiendan y de



la estructura sostenedora, como se observa en la tabla 9. En éste casos se tiene una línea con dos circuitos con estructuras en torre.

Figura 3. Zonas de servidumbre según la Tabla 23.1 y figura 23.1 del

RETIE Para propósitos de diseño electromecánico del presente proyecto se obtiene para las líneas de 115 kV, construidas con torres y de doble circuito, un ancho de servidumbre de 20 m en total.

3.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO DE CIMENTACIONES

Para la determinación del tipo de cimentación a utilizar en los diferentes sitios de estructuras, se efectuará un estudio detallado de las características geotécnicas y físico-químicas de los suelos en cada uno de ellos. La geología general de la zona dará suficiente información para definir en primera instancia la estabilidad y características generales de los diferentes tipos de suelos existentes, de acuerdo con las características propias de las formaciones geológicas encontradas. Conocidas las formaciones geológicas básicas, se procede a dar alternativas con el fin de definir corredores con las mejores características geotécnicas. La labor de geología se concluirá cuando se haya establecido la ruta definitiva de la línea y debe servir de base para el análisis de la estabilidad del suelo en los sitios de estructuras. Dada la gran variedad de tipos de suelos que pueden encontrarse a lo largo del corredor ocupado por la línea, es recomendable efectuar una zonificación por valores de capacidad portante con el fin de unificar los diferentes tipos de cimentaciones que puedan resultar en el diseño.



Es importante identificar la presencia de nivel freático, zonas inundables y determinar la composición química del suelo en relación con los elementos que puedan ser nocivos para el concreto o el acero de las parrillas, refuerzos y pernos de anclaje. Para el cálculo y diseño de las cimentaciones deben obtenerse las máximas reacciones a compresión, tracción y cortantes horizontales, cada una de las cuales pertenecerá en general a hipótesis de carga diferente. En ésta forma el diseño se ejecuta en tres fases, ya que los tres tipos de cargas citadas anteriormente se tratan por separado. Los tipos de cimentación asociados con el tipo de suelo recomendado se indican a continuación: a) Suelos con capacidad portante inferior a 0.5 kg/cm2 Son suelos muy compresibles y con riesgos de asentamientos diferenciales y generalmente con alto nivel freático. Para este tipo de suelos se recomienda cimentación con pilotes, cimentación en plateas o zapatas aisladas. b) Suelos con capacidad portante entre 0.5 kg/cm2 y 1.0 kg/cm2

Son suelos menos compresibles y con menor riesgo de asentamiento. El diseño de la cimentación se ejecuta para el límite inferior del rango (0.5 kg/m2). La cimentación más adecuada es la zapata aislada. Se recomienda obtener varias combinaciones de los valores de profundidad de la cimentación contra el tamaño de la losa de apoyo, hasta encontrar la más económica. c) Suelos con capacidad portante entre 1.0 kg/cm2 y 2.0 kg/cm2 Constituyen el rango de capacidades portantes más frecuentes encontradas. Generalmente estas capacidades corresponden a suelos cuya densidad o compactación les permite sostener taludes de excavación verticales. Las cimentaciones más recomendables son: - Zapatas, en sitios con presencia de nivel freático, patas de elefante, si el

suelo es cohesivo y permite ejecutar una excavación conformada

- Parrilla metálica en sitios en los cuales se tenga certeza de ausencia de nivel freático.

d) Suelos con capacidad portante superior a 2.0 kg/cm2 Por lo general se encuentran en terrenos bastante escarpados, son de difícil excavación y algunos de ellos de constitución rocosa. Las cimentaciones recomendadas son las zapatas, las patas de elefante, las parrillas o el anclaje en roca siempre y cuando se encuentre roca sana superficial. Las cimentaciones se diseñarán para que resistan todas las hipótesis de carga que se estipulen para cada tipo de estructura con los respectivos factores de sobrecarga que se consideran en el diseño, de tal forma que cada elemento sea diseñado para los esfuerzos más desfavorables.



Se presentarán las memorias de cálculo de los diseños de las fundaciones propuestas. Para la definición del tipo de fundación se considerarán los resultados obtenidos del estudio de suelos y los siguientes criterios definidos por ISA: CRITERIO DE SELECCIÓN

PARRILLA LIVIANA

PARRILLA PESADA

ZAPATAS AISLADAS

CIMENTACIONES ESPECIALES

Corrosividad según el pH

pH mayor o igual a 5.0

pH mayor o igual a 5.0

pH menor a 5.0

pH menor a 5.0

Corrosividad según la

Resistividad

Resistividad mayor a 5000

Ω - cm

Resistividad mayor a 5000

Ω - cm

Resistividad menor o igual a 5000 Ω - cm

Resistividad menor o igual a

5000 Ω - cm

Potencial de Expansión

Suelos no Expansivos

Potencial volumétrico

bajo

Potencial volumétrico

medio y alto

Potencial volumétrico muy

alto

Sumergencia Suelo en condición

seco.

Suelo en condición

seco.

Suelo en condición

seca o sumergida

Suelo en condición seca o

sumergida

Capacidad portante

mayor o igual a 20 ton/m2



menor a 5 ton/m2

Tabla 9. Criterios de diseño de cimentaciones

3.4.1 Diseño de las cimentaciones en concreto y esp eciales Las cimentaciones serán diseñadas teniendo en cuenta las cargas actuantes sobre ellas, la capacidad portante obtenida de acuerdo con el análisis de estabilidad y deformación y las condiciones de sumergencia. El diseño asegurará que las cimentaciones resistan la combinación de las cargas de compresión o tracción, así como las cargas horizontales resultantes del análisis con patas desiguales. Para los propósitos del diseño, las cargas generadas se considerarán aplicadas en la parte superior del cimiento. Se diseñarán cimentaciones para los capacidad de soporte admisible de 0.5, 1.0, 1.5, y 2 kg/cm² en condición de suelo seco y de sumergencia y para diferentes alturas de pedestal.



Se considerarán alturas de pedestal de 0.25, 0.75 y 1.25 m, para garantizar que la estructura no quede en contacto con el suelo, esta indicación se deben tener en cuenta en el momento de realizar el plantillado.

3.4.2 Diseño de la zapata Para calcular las dimensiones de la zapata y el acero de refuerzo necesario en la misma, utilizará el método de la rotura para concreto reforzado, de acuerdo con las normas aplicables. La base de las zapatas será cuadrada y el área mínima de la misma se obtendrá dividiendo la carga de compresión más el peso aproximado de la zapata y el pedestal por la capacidad de soporte del suelo; adicionalmente el área dispuesta debe absorber la sobrepresión ocasionada por los momentos de vuelco a su vez originados por las fuerzas de corte. Para este cálculo se utilizarán los esfuerzos a nivel de cimentaciones provenientes de las cargas de trabajo de las torres, es decir sin afectarlas por los factores de sobrecarga. La profundidad de la cimentación se determinará utilizando el método convencional del cono de arrancamiento.

3.4.3 Diseño de la pedestal Para el dimensionamiento y el cálculo del refuerzo del pedestal se tendrán en cuenta los esfuerzos debidos a las fuerzas axiales a compresión o tracción y a la flexión biaxial originada por las fuerzas de corte aplicadas en la parte superior del cimiento, en combinación con la flexión originada por la fuerza de arrancamiento. Además se deberá tener en cuenta que la punta del pedestal debe quedar sobresaliendo como mínimo 25 cm del nivel del terreno o de aguas máximas en caso de zonas inundables, por lo tanto se deben diseñar las cimentaciones en diferentes longitudes de pedestal, de acuerdo con el plantillado de extensiones de pata.

3.4.4 Diseño de cimentaciones especiales Las cimentaciones especiales (pilas, pilotes, anclajes, etc), se utilizarán en los sitios de torre con suelos de baja capacidad de soporte, en general de menos de 0.5 kg/cm2, donde sea necesario transmitir las cargas de compresión a estratos inferiores y donde se requiera un aporte de la fricción suelo - cimentación para que resista las cargas de arranque. Se diseñarán de acuerdo con los criterios definidos en el diseño de la zapata y del pedestal.



4. REFERENCIAS - METODOLOGÍA DE DISEÑO DE LINEAS DE TRANSMISIÓN Y GUÍA

DE APLICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS NORMALIZADAS. Informe Final. Interconexión Eléctrica S.A., 1989.

- MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA Resolución N. 18 0398 de 2004 (RETIE).

- NTD-LAT-206 CRITERIOS BASICOS PARA EL DISEÑO DE LINEAS AEREAS DE 115kV. Norma CODENSA.

- IDEAM. Principales parámetros meteorológicos (promedios históricos 1961-1990), (2007). [http://bart.ideam.gov.co/cliciu/yopal/temperatura.htm.] Actualizado: 2009-11-09



5. ANEXOS

5.1 MAPA DE AMENAZA EÓLICA (NSR-10 FIG B.6.4-1)

Proyecto Ocoa-Guamal



5.2 INFORME CLIMATOLÓGICO DE VILLAVICENCIO (IDEAM)

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DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kV ... - emsa … · ASCE 10-97 Design of latticed steel ... o A-394 Specification for Galvanized Steel Transmission ... Distortion during Hot