Com millorar la resistència al vent dels torres de transmissió d'energia?

Mecanismes de càrrega de vent que actuen sobre les torres de transmissió

Els mecanismes de càrrega de vent generen tensions crítiques en les torres de transmissió elèctrica, la qual cosa exigeix una comprensió precisa per dissenyar eficaçment la resistència al vent. Les interaccions aerodinàmiques creen patrons de forces complexes —especialment en estructures reticulades obertes— on la circulació turbulenta, la desprendiment de vòrtexs i l'amplificació dinàmica convergeixen i posen a prova la integritat estructural durant esdeveniments de vent fort.

Separació del flux turbulent i desequilibri de pressió al voltant de les superfícies de les torres reticulades

Quan el vent passa per les torres reticulades, genera zones de turbulència i una distribució irregular de la pressió a la superfície. Aquestes diferències de pressió provoquen forces de resistència importants que exerceixen una càrrega addicional sobre les unions estructurals i les parts més primes de l’estructura, especialment perceptibles quan el flux d’aire queda atrapat a l’interior de l’estructura interna de la torre. Durant ràfegues intenses, sovint es registren diferències de pressió superiors al 30 % entre costats oposats de la torre, fet que accelera el desgast d’aquests punts de connexió essencials. Investigacions realitzades en túnels aerodinàmics ho confirmen, mostrant que aquestes desequilibris de pressió són, efectivament, una de les causes principals dels cicles repetits d’esforç en estructures reticulades de transmissió, segons les conclusions publicades a la revista Journal of Wind Engineering l’any 2017. Per fer front a aquest problema, els enginyers comencen per ajustar la separació entre els braços transversals. Aquest canvi de disseny ajuda a trencar els patrons organitzats del flux d’aire i a reduir les diferències de pressió abans que es propaguin per tota l’estructura de la torre.

Efectes de desprendiment de vòrtex, ombrejat aerodinàmic i amplificació dinàmica

Quan el vent circula per les elements de la torre, es produeix un fenomen anomenat desprendiment de vòrtex que provoca forces alternades de sustentació i arrossegament sobre les estructures. A vegades, aquestes forces coincideixen amb la freqüència natural de vibració de l’estructura, provocant problemes. Els elements situats a favor del vent, com ara altres torres properes o fins i tot característiques del terreny, projecten allò que els enginyers anomenen ombres aerodinàmiques. Aquestes ombres alteren els patrons normals del vent i, de fet, intensifiquen la turbulència en determinats punts. La combinació de tot això pot incrementar significativament la resposta estructural. Les proves in situ han demostrat que, quan això succeeix, les tensions als materials poden augmentar aproximadament un 40 %, segons estudis citats al Manual ASCE 74 de 2010. El vent que arriba en angle fa que aquests efectes d’ombra siguin encara més pronunciats. Per això, els enginyers necessiten instal·lar sistemes d’amortiment, com ara estríes helicoidals envoltades als pals o amortidors de massa sintonitzats, com els que es veuen en edificis alts. Aquests sistemes ajuden a trencar els patrons de vòrtex abans que es descontrolin i causin danys mitjançant aquest efecte en cadena.

Modes de fallada crítics i vulnerabilitats estructurals en esdeveniments de vents forts

Flamament de connexions i inestabilitat de membres: Lliçons del tifó Mangkhut (2018)

Els vents de 200 km/h del tifó Mangkhut van posar de manifest debilitats greus en la manera com es connecten les torres reticulades, provocant una reacció en cadena d’esfondraments a tota la xarxa elèctrica de Guangdong. Les forces del vent que actuen fora del centre sobre les unions per cargols van provocar un pandeig progressiu en els components estructurals angulars, especialment perceptible en les unions dels braços transversals, on tant les tensions de flexió com les forces compressives van superar la resistència de les connexions. En analitzar les conseqüències, aproximadament tres quarts de tots els esfondraments de torres durant el tifó Mangkhut es van deure a aquests problemes de connexió, amb danys que van superar els 1.200 milions de dòlars, segons una recerca publicada per Chen i col·legues l’any 2022. El que fa que aquest fenomen sigui diferent de la simple fallada de components és que els problemes de connexió es propaguen ràpidament per tota l’estructura reticulada. Per això, les normes sectorials més recents, com ara la IEC 61400-24 de 2019, exigeixen ara als enginyers que realitzin anàlisis dinàmiques no lineals en dissenyar les unions per a zones sovint afectades per tifons.

Degradació per fatiga vs. col·lapse estàtic: Per què l’avaluació moderna de torres ha d’evolucionar

La majoria de mètodes tradicionals es centren en els límits de col·lapse estàtic i passen per alt el deteriorament gradual per fatiga causat per l’exposició repetida al vent. Segons estudis recents, aproximadament el 60 % de les avaries relacionades amb el vent són, de fet, conseqüència de petites fissures que es propaguen en zones de concentració de tensió, i no d’esdeveniments sobrecarregats sobtats, tal com es cita al «Informe anual de resiliència 2023» de l’EPRI. El problema s’agrava a les zones costaneres, ja que la corrosió per aigua salada actua conjuntament amb els cicles constants de tensió, reduint gairebé a la meitat la durada durant la qual els materials poden suportar aquestes forces. A causa d’aquesta comprensió, moltes de les principals empreses elèctriques han començat a aplicar enfocaments d’avaluació tolerants als danys, en lloc de limitar-se a verificar únicament la resistència. Estan substituint les antigues tècniques d’inspecció per proves ultrasonores avançades d’array desfasat, capaces de detectar defectes ocults sota la superfície abans que aquestes fissures arribin a una mida impossible d’ignorar.

Estratègies de disseny provades per millorar la resistència al vent de les torres

Millore aerodinàmiques: optimització de la geometria dels braços transversals i tècniques de reducció de superfície

Quan els enginyers modifiquen la forma dels braços transversals, poden reduir la quantitat de vent que impacta contra la superfície frontal i evitar la formació d’aquelles molestes vòrtex. Les dades ho confirmen: segons una investigació del NREL de 2023, les formes el·líptiques redueixen efectivament les vibracions causades per l’aire en rotació un 15 a un 20 % respecte als dissenys tradicionals de tipus caixa. Un altre truc consisteix a reduir l’àrea total exposada al vent. Això implica eliminar alguns elements estructurals sempre que sigui possible i fer forats en les parts que no han de suportar càrregues. Aquestes modificacions redueixen la resistència aerodinàmica aproximadament un 10 a un 14 %, tot mantenint la mateixa resistència i estabilitat. Models informàtics anomenats simulacions CFD (dinàmica de fluids computacional) verifiquen que totes aquestes millores funcionen correctament fins i tot quan el vent arriba des de diferents angles, des dels 0 graus (de cara) fins als 180 graus (de cara directa). En torres molt altes, superiors als cinquanta metres, situades en zones propenses a tifons, és fonamental assegurar que la relació entre àrea sòlida i àrea total sigui inferior a 0,3, separant més els components estructurals. Això fa una gran diferència per reduir les oscil·lacions indesitjades, especialment durant condicions meteorològiques caòtiques, quan el vent bufada des de diverses direccions simultàniament.

Refort estructural: millores dels tirants, rigidització de les unions i integració de l'amortiment

Quan es reforça l'estructura per prevenir fallades, els enginyers es centren en les zones problemàtiques mitjançant sistemes de suport triangulars que ajuden a distribuir les forces del vent des dels costats. Millorar les barres diagonals pot incrementar la rigidesa lateral aproximadament entre un 25 i un 30 per cent. La configuració de suports en forma de K és especialment eficaç per evitar el pandeig dels elements comprimits quan s'exposen a ràfegues molt intenses, segons normes com la IEC 61400-24 de 2019. Reforçar les unions implica accions com afegir plaques de reforç (gussets), apretar prèviament els cargols d’alta resistència abans de la instal·lació i reforçar les plaques base. Aquest enfocament redueix els problemes de rotació i disminueix en uns quaranta per cent la probabilitat d’inici de fissures degudes a fatiga. Per una protecció addicional contra les vibracions provocades pel vent, s’apliquen mètodes complementaris d’amortiment, com ara amortidors de massa sintonitzats o dispositius omplerts de fluids viscosos que absorbeixen aproximadament entre un quinze i un vint-i-cinc per cent de l’energia cinètica durant aquelles molestes vibracions induïdes pel vent. En conjunt, aquests diferents enfocaments allunyen el punt de col·lapse estructural fins a velocitats del vent superiors a 55 metres per segon. Proves a escala real han confirmat aquesta eficàcia en condicions simulades de tifó, cosa que dona als enginyers confiança en els seus dissenys.

FAQ

Què és la desprendiment de vòrtex?

El desprendiment de vòrtex es produeix quan el vent passa per sobre d’una estructura, provocant zones alternades de baixa pressió que generen un moviment d’anada i tornada, donant lloc a forces de sustentació i d’arrossegament sobre l’estructura.

Com pot afectar l’ombra aerodinàmica una torre de transmissió?

L’ombra aerodinàmica altera els patrons normals de vent, intensificant la turbulència i augmentant les tensions sobre les estructures de la torre, especialment en zones situades a l’abric d’obstacles com altres torres o característiques del terreny.

Quines són algunes estratègies de disseny per millorar la resistència al vent en les torres de transmissió?

Les estratègies de disseny inclouen l’optimització de la geometria dels braços transversals, tècniques de reducció de superfície, l’afegit de reforços addicionals, l’rigidesa als nusos i la integració d’amortidors per distribuir les forces del vent i evitar vulnerabilitats estructurals.