Quina és la capacitat de càrrega exigida per als torrats elèctrics?

Càrregues estructurals fonamentals que actuen sobre les torres elèctriques

Càrregues gravitatòries: pes dels conductors, accessoris i pes propi de la torre

Les càrregues gravitatòries o mortes sobre les torres de transmissió inclouen elements com el pes dels conductors, els aïllants, diversos components mecànics i la mateixa torre. Aquestes forces constants cap avall solen representar aproximadament entre el 60 i el 70 per cent de les càrregues operatives normals que els enginyers tenen en compte per a aquestes estructures. És molt important determinar correctament els pesos reals i les propietats dels materials durant la fase inicial de disseny, ja que els errors en aquesta etapa poden provocar problemes posteriors, com ara la deformació progressiva dels materials, l’assentament de les fonaments o el desgast prematur dels components. Quan els dissenyadors subestimen aquests pesos bàsics, es generen problemes greus més endavant, especialment quan també hi intervenen tensions relacionades amb les condicions meteorològiques.

Càrregues laterals: pressió del vent, ràfegues dinàmiques i efectes de desprendiment de vòrtex

Els vents forts exerceixen una pressió lateral significativa sobre les torres i els seus cables de suport. Les ràfegues sobtades poden generar pics de pressió inesperats, i quan el vent flueix al voltant d'elements estructurals es produeix un fenomen anomenat desprendiment de vòrtex. Aquest patró oscil·latori fa vibrar realment les estructures a les seves freqüències naturals, cosa que, amb el temps, provoca la formació de fissures degut a cicles repetits d’esforç. Segons les normes establertes per l’ASCE 7-22, qualsevol disseny construït en àrees propenses a vents forts ha de ser capaç de suportar les condicions de tempesta de 50 anys. L’entrellat no és només un element addicional inclòs per precaució: és absolutament essencial per a una distribució adequada de càrregues. Sense aquests suports transversals, les forces del vent actuen sense control i desgasten molt més ràpidament les connexions, arribant finalment a comprometre l’estabilitat global de l’estructura.

Amplificació ambiental: acumulació de gel i la seva magnificació no lineal de càrrega

Quan es forma gel sobre les línies elèctriques, les forces gravitatòries habituals i la pressió del vent es converteixen en problemes greus que no són senzills de calcular. Només un centímetre de gel al voltant d’un conductor afegeix aproximadament 15 quilograms per metre al seu pes, mentre que l’àrea superficial exposada al vent augmenta uns 30 per cent. Aquesta combinació pot arribar, de fet, a triplicar la càrrega mecànica que la línia ha de suportar durant determinades tempestes d’hivern. El que fa encara més greu la situació és quan el gel es forma de manera desigual en diferents trams de la línia, ja que això genera forces de torsió i tensions de flexió que la majoria de dissenys habituals simplement no estan preparats per suportar. Mirant cap al futur, les darreres projeccions climàtiques de la NOAA indiquen que, cap al 2040, probablement patirem un augment del 30 per cent tant en tempestes de gel importants com en huracans de categoria 4. Davant d’aquestes tendències, els enginyers han de deixar de considerar els factors de seguretat regionals com a opcions addicionals i han d’integrar-los directament als seus dissenys si volem que les nostres xarxes elèctriques mantinguin la seva fiabilitat davant d’aquests esdeveniments meteorològics cada cop més extrems.

Marges de seguretat i normes reguladores de càrrega per a torres elèctriques

Requisits ASCE 7-22 i NESC 2023: factors de càrrega nominals d’1,5× a 2,5×

L’estàndard ASCE 7-22, juntament amb les noves normatives NESC 2023, estableix els marges de seguretat exigits que ajuden a tenir en compte les incerteses en la modelització, les variacions en els materials i les toleràncies de construcció inevitables. Segons aquestes normes, els enginyers han de multiplicar les combinacions de càrregues per diferents factors segons la situació. Les càrregues permanents habituals més les càrregues variables es multipliquen per un factor d’aproximadament 1,5, mentre que aquelles situacions extremes que impliquen vent i gel requereixen una amplificació fins a 2,5 vegades. Algunes situacions de disseny especialment importants inclouen el càlcul de la pressió màxima de vent sobre els conductors, la determinació de l’acumulació de gel segons la taula 250-1 de la NESC per a zones concretes i la gestió de forces gravitatòries combinades quan es produeixen simultàniament diverses condicions extremes. Prenguem com a exemple les torres reticulades: una torre dissenyada per suportar una tensió normal dels conductors de 200 kN ha d’arribar, efectivament, a suportar entre 300 i 500 kN quan s’apliquen tots els coeficients de seguretat. Aquesta redundància integrada contribueix a garantir la integritat estructural, mantenint alhora els costos dins de límits raonables per a la majoria de projectes.

Debat sobre la resiliència climàtica: Reavaluació dels marges de seguretat mínims davant de l'intensificació dels esdeveniments de vent/gel

Últimament estem observant esdeveniments meteorològics compostos més freqüents i intensos, especialment aquells que impliquen combinacions de vent i gel. Els antics factors de seguretat ja no són suficients. Aquests multiplicadors tradicionals d’1,5 vegades passen per alt completament com les situacions es descontrolen quan fins i tot capes fines de gel es combinen amb vents forts. De fet, hem observat pics de mesures de càrrega superiors a tres vegades el valor previst en alguns casos. Organismes com l’Edison Electric Institute i els experts en resiliència de la xarxa del NIST estan defensant nous multiplicadors que tinguen en compte les vulnerabilitats climàtiques. Aquests canvis s’han de posar en pràctica especialment en àrees de risc elevat, com ara la franja gelada del Midwest o la costa del Golf, on els huracans impacten regularment. S’ha previst actualitzar les normes ASCE 7 incorporant dades climàtiques locals, de manera que puguin establir requisits mínims superiors a dues vegades els nivells actuals allà on la història mostri un augment dels perills. Aquest enfocament intenta trobar el punt òptim entre una inversió econòmica raonable i la reducció efectiva dels riscos que sabem que existeixen.

Capacitat de càrrega en escenaris extrems i de fallada desequilibrada

Trencament del conductor: descàrrega sobtada i redistribució asimètrica de la tensió

Quan els conductors fallen per causes com la fatiga del metall, les vibracions galopants o els danys provocats per tempestes severes, això provoca pèrdues sobtades de tensió en el sistema. Aquestes pèrdues creen desequilibris que es transmeten als trams veïns i als suports de les torres. Què passa llavors? L’esforç addicional pot causar problemes estructurals, com ara l’embolcallament de parts comprimides o fer que els perns d’ancoratge superin el seu límit de ruptura. Actualment, els enginyers construeixen torres amb característiques especials que els permeten suportar millor aquestes forces imprevistes. Fan servir mètodes avançats per analitzar com es distribueixen les càrregues a través de les estructures i incorporen sistemes de suport de reserva per garantir que tot romangui estable, fins i tot si un conductor es trenca. Segons les proves de camp, les torres construïdes segons les normes més recents de l’Annex B del NESC sobre càrregues dinàmiques han reduït aproximadament dos terços les fallades en cadena en comparació amb les aproximacions tradicionals basades en dissenys estàtics.

Càrrega de gel desequilibrada: torsió induïda per asimetria, flexió i risc d’ensorrada progressiva

Quan el gel s’acumula de forma desigual sobre una torre o un conjunt de conductors, genera forces de torsió i corbatures excèntriques que superen àmpliament els valors previstos en els dissenys habituals. Aquest tipus de desequilibri és, de fet, la causa principal dels col·lapses progressius observats en sistemes d’infraestructura antics, especialment quan les peces metàl·liques han patit corrosió al llarg del temps o danys previs que han debilitat punts de connexió crítics. Per resoldre aquest problema, els enginyers han de centrar-se no només en la resistència dels materials, sinó també en la seva capacitat de deformar-se sense trencar-se i de suportar forces de torsió. La realitat també ens ofereix moltes pistes: penseu en allò que va passar durant la gran onada de fred a Texas l’any 2021. Les torres dotades d’un reforç diagonal adequat a totes les cares i fabricades amb acer capaç d’estirar-se en lloc de trencar-se van resistir perfectament, malgrat haver acumulat més de 2 centímetres de gel a la cara a favor del vent dels seus conductors.

Reforç estructural i disseny de fonaments per a un rendiment òptim de suport de càrrega de les torres

Sistemes de contreventament: Eficiència diagonal en la resistència al pandeig, a la torsió i al balanç

L'arriostament diagonal utilitza triangles per transformar les forces laterals i els moviments de torsió en forces de línia recta, el que fa que els materials funcionin millor i evita que es deformin massa. En el cas dels elements comprimits, una bona col·locació dels angles impedeix que es corbin sota pressió, simplement reduint-ne la longitud efectiva. Per lluitar contra la torsió provocada pel vent o per l’acumulació desigual de gel, els enginyers sovint instal·len arriostaments en creu a angles rectes, que formen estructures de marc resistents capaces de suportar la rotació. Els angles exactes on es col·loquen aquests suports requereixen un càlcul cuidadosament elaborat, de manera que puguin mantenir estables els edificis durant els moviments, però al mateix temps permetin l’expansió normal quan canvien les temperatures. Estudis publicats en revistes professionals indiquen que uns sistemes d’arriostament de qualitat poden augmentar la capacitat de càrrega aproximadament un 40 % en comparació amb edificis que no disposen d’aquest tipus de suport. Aquest tipus de reforç continua sent una de les opcions amb millor relació qualitat-preu, tant per a la construcció de noves edificacions com per a la millora d’estructures existents.

Solucions de fonamentació: Pilars foradats respecte a fonaments estesos per a les exigències de volcament i suport del sòl

El tipus de fonamentació utilitzat determina si una torre pot resistir forces com el volcament, l'elevació i l'assentament desigual. Els pilots foradats, també coneguts com a caixons, es col·loquen a una profunditat d’uns 15 a 30 metres en capes de sòl compacte. Aquests resulten especialment eficaços en sòls cohesius i en zones amb vents forts, ja que aprofiten tant la fricció lateral com el suport a la base. Ofereixen una millor resistència a l’elevació o al volcament, tot i fer servir menys formigó en comparació amb altres opcions. Les fonaments esteses funcionen de manera diferent. Necessiten una superfície de base ampla, normalment quatre a vuit vegades més gran que la base real de la torre. Solen tenir un rendiment òptim quan es col·loquen en sòls sorrencs o gravallosos compactats, on el terreny pot suportar càrregues importants sense enfonsar-se. L’inconvenient? Per assolir el mateix nivell d’estabilitat que ofereixen els pilots foradats durant terratrèmols o quan el sòl es mulla, les fonaments esteses necessiten aproximadament un 60 % més de formigó. No obstant això, abans de prendre cap decisió, és absolutament essencial obtenir informació detallada sobre què hi ha realment sota terra mitjançant proves geològiques adequades. Intentar triar fonaments basant-se en regles ràpides en lloc de les condicions reals del lloc és el que provoca la majoria dels problemes que observem en la pràctica amb el col·lapse de torres.

FAQ

Què són les càrregues gravitatòries sobre les torres elèctriques?

Les càrregues gravitatòries inclouen el pes dels conductors, els aïllants, els components de ferralla i la pròpia torre, i representen aproximadament entre el 60 i el 70 per cent de les càrregues normals d’operació.

Per què és important tenir en compte les càrregues laterals en el disseny de les torres?

Les càrregues laterals provocades pel vent poden fer que les estructures vibrin i es fisuregin amb el pas del temps. Els contraforts en diagonal ajuden a distribuir aquestes forces per mantenir l’estabilitat.

Com afecta l’acumulació de gel les torres elèctriques?

L’acumulació de gel augmenta el pes i la superfície exposada, intensificant l’esforç mecànic durant les tempestes i podent provocar una torsió i una flexió més severes.

Quins són els estàndards de seguretat per a les torres elèctriques?

L’ASCE 7-22 i el NESC 2023 estableixen factors de càrrega de 1,5 a 2,5 per tenir en compte les incerteses i les condicions extremes, com el vent i el gel.