¿Cómo mejorar la resistencia al viento de las torres de transmisión eléctrica?

Mecanismos de carga de viento que actúan sobre torres de transmisión

Los mecanismos de carga de viento generan tensiones críticas en las torres de transmisión eléctrica, lo que exige una comprensión precisa para un diseño eficaz de resistencia al viento. Las interacciones aerodinámicas crean patrones de fuerza complejos —especialmente en estructuras reticulares abiertas—, donde la separación del flujo turbulento, la formación de remolinos y la amplificación dinámica convergen y ponen a prueba la integridad estructural durante eventos de viento intenso.

Separación del flujo turbulento y desequilibrio de presión alrededor de las superficies de torres reticulares

Cuando el viento pasa junto a torres reticuladas, genera zonas de turbulencia y una distribución irregular de la presión sobre su superficie. Estas diferencias de presión provocan fuerzas de arrastre considerables que ejercen una carga adicional sobre las uniones estructurales y las partes delgadas del entramado, especialmente evidente cuando el flujo de aire queda atrapado en la estructura interna de la torre. Durante ráfagas intensas, con frecuencia se observan diferencias de presión superiores al 30 % entre lados opuestos de la torre, lo que acelera el desgaste en esos puntos de conexión críticos. Investigaciones realizadas mediante ensayos en túnel de viento respaldan esta conclusión, demostrando que dichos desequilibrios de presión constituyen, de hecho, una de las causas principales de los ciclos repetidos de tensión en estructuras reticuladas de transmisión, según hallazgos publicados en el Journal of Wind Engineering en 2017. Para abordar este problema, los ingenieros comienzan ajustando la separación entre los brazos transversales. Este cambio en el diseño ayuda a romper los patrones organizados del flujo de aire y a reducir las diferencias de presión antes de que se propaguen por todo el entramado de la torre.

Efectos de desprendimiento de vórtices, sombreado aerodinámico y amplificación dinámica

Cuando el viento fluye alrededor de los elementos de una torre, se genera un fenómeno denominado desprendimiento de remolinos, lo que provoca fuerzas alternativas de sustentación y arrastre sobre las estructuras. En ocasiones, estas fuerzas coinciden con las frecuencias naturales de vibración de la estructura, causando problemas. Los obstáculos ubicados aguas arriba, como otras torres cercanas o incluso características del relieve, proyectan lo que los ingenieros llaman «sombras aerodinámicas». Estas sombras alteran los patrones normales del viento y, de hecho, intensifican la turbulencia en ciertas zonas. La combinación de todos estos factores puede incrementar notablemente la respuesta estructural. Las pruebas de campo han demostrado que, cuando esto ocurre, las tensiones sobre los materiales pueden aumentar aproximadamente un 40 %, según estudios citados en el Manual ASCE 74 de 2010. Además, el viento que incide con un ángulo acentúa aún más estos efectos de sombra. Por ello, los ingenieros deben instalar sistemas de amortiguación, como estrías helicoidales envueltas alrededor de los postes o amortiguadores de masa sintonizada, similares a los que se observan en edificios altos. Estos dispositivos ayudan a romper los patrones de remolinos antes de que se vuelvan incontrolables y causen daños mediante este efecto en cadena.

Modos de fallo críticos y vulnerabilidades estructurales en eventos de viento intenso

Pandeo de uniones e inestabilidad de elementos: lecciones extraídas del tifón Mangkhut (2018)

Los vientos de 200 km/h del tifón Mangkhut pusieron de manifiesto debilidades graves en la forma en que se conectan las torres reticuladas, provocando una reacción en cadena de colapsos en toda la red eléctrica de Guangdong. Las fuerzas del viento que actuaban fuera del centro sobre las uniones atornilladas causaron un pandeo progresivo en los elementos estructurales angulares, especialmente evidente en las uniones de los brazos transversales, donde tanto las tensiones de flexión como las fuerzas de compresión superaron la resistencia de las conexiones. Al analizar las consecuencias, aproximadamente tres cuartas partes de todos los fallos de torres durante el paso de Mangkhut se debieron a estos problemas en las uniones, lo que generó daños superiores a 1200 millones de dólares, según una investigación publicada por Chen y colegas en 2022. Lo que distingue este fenómeno de una simple falla de componente es que los problemas de conexión se propagan rápidamente a través de toda la estructura reticulada. Por ello, nuevas normas industriales, como la IEC 61400-24 de 2019, exigen ahora a los ingenieros realizar análisis dinámicos no lineales al diseñar uniones para zonas frecuentemente afectadas por tifones.

Deterioro impulsado por la fatiga frente a colapso estático: por qué la evaluación moderna de torres debe evolucionar

La mayoría de los métodos tradicionales se centran en los límites de colapso estático y pasan por alto el daño progresivo por fatiga causado por la exposición repetida al viento. Según estudios recientes, aproximadamente el 60 % de los fallos relacionados con el viento se deben realmente a microgrietas que se propagan en zonas de concentración de tensiones, y no a eventos de sobrecarga súbita, tal como se indica en el Informe Anual de Resiliencia 2023 del EPRI. El problema empeora en las zonas costeras, porque la corrosión por agua salada actúa conjuntamente con los ciclos constantes de tensión, reduciendo casi a la mitad la duración durante la cual los materiales pueden resistir estas fuerzas. Debido a esta comprensión, muchas de las principales empresas eléctricas han comenzado a aplicar enfoques de evaluación tolerantes al daño, en lugar de limitarse únicamente a verificar la resistencia. Están sustituyendo las antiguas técnicas de inspección por ensayos ultrasónicos avanzados de matriz desfasada, capaces de detectar defectos ocultos bajo la superficie antes de que esas grietas crezcan hasta un tamaño que ya no pueda ignorarse.

Estrategias de diseño probadas para mejorar la resistencia al viento de las torres

Refinamientos aerodinámicos: optimización de la geometría del brazo transversal y técnicas de reducción de superficie

Cuando los ingenieros modifican la forma de los brazos transversales, pueden reducir la cantidad de viento que impacta contra la superficie frontal y evitar la formación de esos molestos remolinos. Los datos lo confirman: según una investigación del NREL publicada en 2023, las formas elípticas reducen efectivamente las vibraciones causadas por el aire turbulento en aproximadamente un 15 al 20 % en comparación con los diseños tradicionales de tipo prismático. Otra estrategia consiste en disminuir el área total expuesta al viento. Esto implica eliminar algunos elementos estructurales allí donde sea posible y perforar orificios en las piezas que no deben soportar cargas. Estos cambios reducen la resistencia aerodinámica en torno a un 10 al 14 %, manteniendo intacta la resistencia y estabilidad estructural. Modelos informáticos denominados simulaciones CFD (dinámica de fluidos computacional) verifican que todas estas mejoras funcionan correctamente incluso cuando el viento incide desde distintos ángulos, desde 0 grados (impacto frontal directo) hasta 180 grados (impacto frontal opuesto). En torres especialmente altas —superiores a cincuenta metros— ubicadas en zonas propensas a tifones, garantizar que la relación entre área sólida y área total permanezca por debajo de 0,3, mediante una mayor separación entre los componentes estructurales, marca una diferencia significativa. Esto contribuye a reducir las vibraciones indeseadas, especialmente durante condiciones meteorológicas caóticas, cuando el viento sopla simultáneamente desde múltiples direcciones.

Refuerzo estructural: mejoras en los tirantes, rigidización de las uniones e integración de amortiguación

Al reforzar estructuras contra fallos, los ingenieros se centran en las zonas problemáticas mediante sistemas de arriostramiento triangular que ayudan a distribuir las fuerzas del viento provenientes de los lados. La mejora de los arriostramientos diagonales puede aumentar la rigidez lateral aproximadamente entre un 25 y un 30 por ciento. La configuración de arriostramiento en K resulta especialmente eficaz para evitar el pandeo de los elementos sometidos a compresión cuando se enfrentan a ráfagas extremadamente intensas, según normas como la IEC 61400-24 de 2019. El endurecimiento de las uniones implica acciones como la incorporación de placas de refuerzo (gussets), el apriete previo a la instalación de los pernos de alta resistencia y el refuerzo de las placas de base. Este enfoque reduce los problemas de rotación y disminuye en torno a un cuarenta por ciento la probabilidad de iniciación de grietas por fatiga. Para una protección adicional contra las vibraciones provocadas por el viento, se emplean métodos complementarios de amortiguación, tales como amortiguadores de masa sintonizada o dispositivos rellenos de fluidos viscosos que absorben aproximadamente entre un quince y un veinticinco por ciento de la energía cinética durante esas molestas vibraciones inducidas por el viento. En conjunto, estos distintos enfoques desplazan el punto de colapso estructural más allá de velocidades del viento de cincuenta y cinco metros por segundo. Pruebas a escala real han confirmado esta eficacia bajo condiciones simuladas de tifón, lo que otorga a los ingenieros confianza en sus diseños.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la separación de remolinos?

La separación de remolinos ocurre cuando el viento pasa sobre una estructura, generando zonas alternas de baja presión que provocan un movimiento de vaivén, lo que origina fuerzas de sustentación y arrastre sobre la estructura.

¿Cómo puede afectar el sombreado aerodinámico una torre de transmisión?

El sombreado aerodinámico altera los patrones normales del viento, intensificando la turbulencia y aumentando las tensiones sobre las estructuras de la torre, especialmente en las zonas situadas detrás de obstáculos como otras torres o accidentes del terreno.

¿Cuáles son algunas estrategias de diseño para mejorar la resistencia al viento en torres de transmisión?

Las estrategias de diseño incluyen la optimización de la geometría de los brazos transversales, técnicas de reducción de superficie, incorporación de refuerzos en las diagonales, rigidización de las uniones y la integración de amortiguadores, con el fin de distribuir las fuerzas del viento y prevenir vulnerabilidades estructurales.