Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
DISEÑO NORMALIZADO DE LAS ESTRUCTURAS MAYORES DE SUBESTACIONES
ELÉCTRICAS DE TRANSMISION
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Jorge Iván Vilar Rojas , Juan Carlos Corona Fortunio ,
2
Fernando De Artola Noble
RESUMEN
Se presenta el concepto de diseño normalizado de los marcos de subestaciones de Transmisión. Se comentan
las características de las subestaciones y los tipos de estructuración propuestos. Se describe además la
selección de las condiciones regionales de sismo y viento seleccionadas para el diseño, las modelación en el
análisis y los casos y combinaciones de carga, para los estados de operación y viento máximo de diseño. Se
comentan además los criterios de diseño seguidos en los diferentes tipos de estructuraciones y
consideraciones para el diseño de conexiones. Finalmente se presentan las conclusiones del empleo de
subestaciones normalizadas.
ABSTRACT
The concept of normalized design is presented. Typical arrangements of the substations and the proposed
structure types are commented. The selection of regional wind and earthquake requirements are discussed, as
well as the basic loading conditions and load combinations. Design criteria for the different structure types an
their connections are also discussed. The benefits of normalized design are concluded.
INTRODUCCIÓN
Las subestaciones de transmisión de energía eléctrica constituyen la liga entre la generación y la transmisión y
entre la transmisión y la distribución. Por ello, son una parte importante del sistema eléctrico nacional que
maneja la Comisión Federal de Electricidad (CFE). La forma más eficiente y económica para mantener los
arreglos eléctricos requeridos es el empleo de cables sin aislamiento soportados por estructuras metálicas que
mantienen las distancias dieléctricas necesarias para evitar arcos eléctricos entre los cables energizados a
voltajes de cientos de miles de voltios. Las necesidades de expansión de la red de suministro de energía a
nivel nacional han llevado a la construcción de una gran cantidad de subestaciones y líneas de transmisión
nuevas o ampliación de las existentes. Esto es con el objeto de proporcionar energía en zonas donde no se
tenía suministro, ampliar el suministro en zonas donde ya existía y proporcionar alimentación alternativa para
asegurar dicho suministro en caso de fallas de algunos equipos o líneas de alimentación para tener un sistema
redundante.
Comúnmente, cuando se construye una subestación nueva, el diseño estructural se lleva a cabo para las
condiciones locales del sitio en donde se ubicará la subestación. Esto da como resultado que se tenga una
variedad de diseños diferentes a lo largo del territorio nacional. Por ello, surgió la idea de emplear
subestaciones normalizadas, que se diseñan para condiciones regionales. Esto presenta varias ventajas como
es uniformidad de diseños y niveles de seguridad, incremento en la eficiencia de los elementos estructurales,
facilidad de construcción y mayor fluidez en el proceso de planeación y licitación de las obras.
1
Investigador, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Gerencia de Ingeniería Civil, Calle Reforma No. 113,
Col. Palmira, Cuernavaca, Morelos, México, C.P. 62490, Tel/Fax: (777) 362-38-11, jvilar@iie.org.mx,
jccf@iie.org.mx.
2
Jefe de Disciplina de Estrcturas, Comisión Federal de Electricidad, Departamento de Ingeniería Civil de la
Coordinación de Proyectos de Transmisión y Transformación, Mississipi #71, 7o piso, Col. Cuauhtémoc,
México D.F., CP 06500, Tel: (55)5229-4400, fernando.deartola@cfe.gob.mx.
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Veracruz, Ver. 2008.
TIPOS DE ESTRUCTURACIÓN
La función principal de las estructuras de las subestaciones de transmisión es dar soporte a los cables y
equipos que conforman el arreglo eléctrico, manteniendo su posición relativa y nivel sobre el terreno. Estos
requisitos determinan su altura y separación, incrementándose estos valores en función del voltaje manejado.
Para mantener los niveles requeridos, las flechas en los cables se limitan a valores máximos permisibles, lo
cual resulta en tensiones mecánicas elevadas. Por las dimensiones requeridas para los voltajes que se emplean
en las subestaciones de transmisión en nuestro país (115 kV, 230 kV y 400 kV) y la rigidez requerida de las
estructuras para mantener las flechas dentro de límites aceptables, la estructuración más empleada en las
estructuras mayores de subestaciones es empleando marcos de acero con trabes y columnas de celosía
formados por ángulos estructurales de lados iguales. Normalmente, las subestaciones se construyen en el
campo ó en los suburbios de las ciudades. Por ello, su apariencia física no es un aspecto que determine el
diseño; sin embargo, existen ubicaciones en las que es necesario tener un mejor impacto visual, para lograr
una mejor armonía con el entorno. En estos casos se busca emplear estructuras más simples desde el punto de
vista de apariencia, que logren una mayor integración con el entorno. Para estos casos, CFE ha propuesto el
empleo de subestaciones con elementos tubulares, que tienen una estructuración más limpia, con la cual se
elimina el aspecto industrial de las subestaciones de celosía. Las figuras 1 y 2 muestran una subestación típica
de celosía empleada en México y una subestación tubular diseñada en el extranjero.
Figura 1 Subestación de celosía
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Figura 1 Subestación tubular
ARREGLOS FÍSICOS
La primera etapa en el diseño de una subestación es la definición del funcionamiento eléctrico requerido. A
partir de este diseño eléctrico se definen los arreglos físicos que se emplearán en la subestación, en función de
las características físicas de los equipos y sus bases y de las distancias dieléctricas de seguridad requeridas en
función del voltaje en la subestación y de las condiciones ambientales. De esta manera se proponen las
características físicas de los marcos, definiendo sus dimensiones generales y geometría general. De acuerdo
con las necesidades de expansión del sector eléctrico Nacional, se han trabajado los siguientes arreglos
físicos de subestaciones de transmisión, las características generales de los arreglos se describen adelante:
1.
2.
3.
4.
5.
Subestación 400 kV, arreglo de doble interruptor
Subestación 400 kV, arreglo de interruptor y medio en I
Subestación 400 kV, arreglo de interruptor y medio en U
Subestación 230 kV, arreglo de barra principal, barra auxiliar y de Transferencia
Subestación 115 kV, arreglo de doble barra y barra de Transferencia
Figura 2 Subestación de 400 kV, arreglo de doble interruptor
Subestación de 400 kV, arreglo de Doble Interruptor
El arreglo físico de la subestación, las dimensiones generales de los marcos y su disposición relativa, se
pueden ver en la figura 2. Esta figura muestra una estructuración de celosía; para el caso tubular, las
dimensiones generales y ubicación de trabes y columnas son iguales, variando solamente la forma de dichos
elementos. Como puede apreciarse, la subestación se compone de tres tipos de marcos acero. El marco 1 es
una estructura con planta en forma de “U”, con un claro en el sentido transversal y dos claros en el sentido
longitudinal. Está formado por cinco columnas: dos columnas de esquina y una columna central que soportan
una trabe longitudinal a la altura de 23.5 m, dos columnas cortas que reciben trabes transversales en los
niveles 14.5 m y 19.0, para sujeción de los buses. El marco 2 es un marco longitudinal de cuatro claros,
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Veracruz, Ver. 2008.
formado por un solo tipo de columna y trabes en el nivel de 23.5 metros. El marco 3 es un marco de un solo
claro, con una columna alta igual a las columnas de esquina del marco 1 una columna corta para recibir a la
trabe transversal a la altura de 14.5m. En el caso de estructuración de celosía, las columnas más altas son de
sección variable hasta el nivel de la trabe (nivel 14.5m), y las trabes son de sección cuadrada. En la
estructuración tubular, las columnas tienen dos patas en forma de A; las columnas más altas incluyen un
elemento trasversal intermedio y las trabes están formadas por un solo elemento. Estos elementos son de
sección octagonal hueca.
Figura 3 Subestación de 400 kV, arreglo de interruptor y medio en I
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Figura 4 Subestación de 400 kV, arreglo de interruptor y medio en U
Subestación de 400 kV, arreglo de Interruptor y Medio en I
El arreglo físico de la subestación, las dimensiones generales de los marcos y su disposición relativa se
pueden ver en la figura 3. Se compone de tres tipos de marcos de acero. Como puede apreciarse, el marco 1
tiene planta en forma de “E”, con un claro en el sentido transversal y cuatro claros en el sentido longitudinal.
Las trabes longitudinales se ubican a 23.5 m sobre el desplante; las transversales extremas en el nivel 14.5 m
y las intermedias a 19.0 m de altura. Está formado por ocho columnas: tres columnas de esquina que conectan
con las trabes transversales y longitudinales, dos columnas intermedias que soportan las trabes longitudinales
superiores y tres columnas cortas de soporte de las trabes transversales. El marco 2 es un marco longitudinal
de cuatro claros, formado por un solo tipo de columna y trabes en el nivel de 23.5 metros. El marco 3 es un
marco plano pequeño de un solo claro con una trabe a una altura de 14.5 m. Como en el arreglo anterior, en la
estructuración de celosía las columnas más altas son de sección variable en la parte inferior y constante en la
parte superior; las columnas cortas son de sección constante. En la estructuración tubular, las columnas tienen
forma de A y las columnas más altas incluyen un elemento trasversal intermedio. Los elementos son de
sección octagonal hueca.
Subestación de 400 kV, arreglo de Interruptor y Medio en U
La subestación se compone de dos tipos de marcos como puede apreciarse en la figura 4. El marco 1 es una
estructura con planta en forma de “8”, con dos claros en el sentido transversal y cuatro claros en el sentido
longitudinal. Las trabes longitudinales se ubican a 23.5 m sobre el desplante; las trabes transversales extremas
se encuentran en el nivel 14.5 m y las intermedias a 19.0 m de altura. Está formado por trece columnas: seis
columnas de esquina que conectan con las trabes transversales y las longitudinales, cuatro columnas
intermedias que soportan las trabes longitudinales superiores y tres columnas cortas de soporte de las trabes
transversales. El marco 2 es una estructura con planta en forma de peine, con un claro en el sentido transversal
y cuatro claros en el sentido longitudinal. Las trabes longitudinales se ubican a 23.5 m sobre el desplante y las
transversales en el nivel 14.5 m. Está formado por diez columnas en dos hileras: cinco columnas que conectan
con las trabes transversales y longitudinales y cinco columnas cortas que soportan las trabes transversales.
Como en los arreglos anteriores, las columnas de celosía más altas son de sección variable en la parte inferior
y constante en la parte superior y las columnas cortas son de sección constante. En la estructuración tubular,
las columnas tienen forma de A y las columnas más altas incluyen un elemento trasversal intermedio. Los
elementos son de sección octagonal hueca.
Subestación de 230 kV, arreglo de Barra Principal, Barra Auxiliar y de Transferencia
Esta subestación se compone de dos tipos de estructuras. La geometría de los marcos y sus características
físicas la se muestran en la figura 5. El marco 1 se compone, a su vez, de marcos dos planos longitudinales del
lado de la acometida y tres marcos planos transversales. Los marcos longitudinales tienen cuatro claros, y
cuentan con trabes a una altura de 18 m. Los marcos transversales son de tres claros con dos columnas
comunes con los marcos longitudinales en un extremo y dos columnas cortas en el otro; las trabes extremas
son de claro menor que central y se ubican una altura de 11.0 m. El marco transversal interior tiene
esencialmente la misma geometría que los anteriores, con una altura de trabes de 14.5 m. El marco 2 es un
marco plano en la dirección longitudinal que consta de cuatro claros. Con trabes ubicadas a una altura de
18.00 metros.
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Veracruz, Ver. 2008.
Figura 5 Subestación de 230 kV, arreglo de Barra Principal, Barra Auxiliar y de Transferencia
Figura 6 Subestación de 115 kV, arreglo de Doble Barra y Barra de Transferencia
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Subestación de 115 kV, arreglo de Doble Barra y Barra de Transferencia
La subestación se compone de dos marcos cuyas características y dimensiones se pueden ver en la figura 6.
El marco 1 se compone, a su vez de dos marcos planos longitudinales cargados hacia un lado de la
subestación, separados 10.0 m y dos marcos transversales en los extremos. Los marcos longitudinales son de
dos claros, con dos columnas extremas y una columna intermedia con trabes a 11.0 m de altura. Los marcos
transversales son de dos claros, con dos columnas altas comunes con los longitudinales, una columna corta y
trabes a 8.00 metros de altura. El marco 2 es un marco plano longitudinal de dos claros, formado por un solo
tipo de columna; las trabes se localizan a una altura de 11.0 metros.
DISEÑO NORMALIZADO
Por las necesidades de expansión del sistema eléctrico Nacional, la Comisión Federal de Electricidad (CFE)
ha estado llevando a cabo en forma continua la construcción de nuevas subestaciones de transmisión o la
ampliación de las existentes, en diversas zonas del territorio Nacional. Es común que al construir una
subestación nueva se lleve a cabo el diseño completo de la nueva subestación, y las características de la
misma y nivel de seguridad pueden diferir de las existentes. Por otro lado, también es común la necesidad de
realizar ampliaciones de las subestaciones existentes, lo cual implica realizar refuerzos, modificaciones o
adaptaciones a los marcos, lo cual puede afectar el funcionamiento propio de la subestación.
Para evitar tener que llevar a cabo diseños específicos para cada locación y lograr una uniformidad en los
arreglos físicos y estructurales, se ha planteado emplear diseños normalizados, que se desarrollan para las
condiciones más críticas de las regiones en que se ubicarán las subestaciones. Esto contempla desde el diseño
eléctrico hasta el estructural. El diseño normalizado presenta ventajas adicionales como lo son la uniformidad
de diseños y niveles de seguridad, incremento en la eficiencia de los elementos estructurales, facilidad de
construcción y mayor fluidez en el proceso de planeación y licitación de las obras. Por otro lado, desde la
etapa de diseño se contempla la adición de nuevas etapas de expansión, integrándose en los modelos las
solicitaciones adicionales, integrando en los planos constructivos las preparaciones para construir dichas
ampliaciones sin necesidad de interrumpir la operación de las subestaciones.
Las acciones más importantes en el diseño de las estructuras mayores de subestaciones son las relacionadas
con los efectos del viento, del sismo y las tensiones en los cables, que, a su vez, dependen del viento y de las
condiciones ambientales de presión y temperatura. Como las presiones del viento dependen del cuadrado de la
velocidad, y de las características de la estructura, por economía resulta atractivo contar con varios diseños
para cubrir las variaciones de velocidad de viento en la república. No obstante, resulta impráctico contar con
una muchos diseños por la cantidad de información que se debe almacenar y manejar. Por esto, se consideró
conveniente realizar dos diseños regionales, que cubriesen efectivamente la mayor parte del territorio
nacional. Observando el mapa de isotacas de la república de la figura 7, podemos observar que la mayor parte
de las zonas costeras con incidencia de huracanes tiene velocidades regionales de viento entre 160 km/h y
200 km/h, y que sólo zonas limitadas de la República exceden esta última velocidad. En la zona central, las
velocidades de viento fluctúan entre 80 km/h y 160km/h. En consecuencia, se decidió que las velocidades
regionales de viento máximo para el diseño por emplear en el diseño serían de 200 km/h y 160 km/h, para la
zona costera y zona central, respectivamente. En la figura 7 se aprecian de dos tonos de verde las zonas con
velocidad regional menor o igual a 160 km/h, de anaranjado las zonas con velocidades entre 160 km/h y 200
km/h y de rojo las zonas con velocidad mayor que 200 km/h. Por otro lado, para el caso de fuerzas de viento
coincidentes con temperatura mínima (ver figura 8), de acuerdo con las zonas seleccionadas, las velocidades
de viento coincidente con temperatura mínima serán de 130 km/h, para vientos todas las velocidades de viento
máximo. Con respecto al diseño sísmico, analizando las zonas afectadas por estas velocidades, para diseño
sísmico se decidió emplear los espectros de las zonas sísmicas D y C, para zonas costera y central,
respectivamente.
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Figura 7 Mapa de velocidades regionales de viento para período de retorno de 200 años
Figura 8 Mapa de velocidades regionales de viento para período de retorno de 200 años
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CONDICIONES BÁSICAS Y COMBINACIONES DE CARGA
El diseño se llevó a cabo para combinaciones de acciones permanentes (peso propio de estructura, accesorios
y cables), variables (tensiones en cables en diferentes condiciones) y accidentales (Viento y Sismo). Las
condiciones básicas y combinaciones de carga empleadas en el diseño corresponden con las solicitadas en la
especificación JA 100-57 de CFE. Es preciso mencionar que las diversas condiciones básicas de carga
indicadas en esta especificación se subdividieron en función de las combinaciones de colocación de cables
que pueden presentarse en la etapa de construcción de la subestación o durante su vida útil. Estas opciones de
colocación de cables difieren de un marco a otro, en función de su geometría y del arreglo de los cables. Para
el diseño se emplearon los casos más críticos, tomando en cuenta la dirección de incidencia del viento en cada
caso. Las combinaciones de carga que se emplearon en el diseño son las siguientes:
1.4 (PP+PEC+TTCCN)
1.2 (PP+PEC+TTCCN) + 1.3 PVMPE
1.2 (PP+PEC + TTCCN) + 1.3 PVMNE
1.2 (PP+PEC+TTCCN) + 1.3 PVM45
1.2 (PP+PEC+TMCCN) + 1.3 PvmPE
1.2 (PP+PEC+TMCCN) + 1.3 PvmNE
1.2 (PP+PEC+TTCCN) + 1.5 CSNE
1.2 (PP+PEC+TTCCN) - 1.5 CSNE
1.2 (PP+PEC+TTCCN) + 1.5 CSPE
1.2 (PP+PEC+TTCCN) - 1.5 CSPE
donde:
PP
PEC
TTCCN
TMCCN
PVMPE
PVMNE
PVM45
PvmPE
PvmNE
CSNE
CSPE
= Peso propio de la estructura
= Peso de equipo y cables apoyados en la estructura
= Tensiones de trabajo de cables en condiciones normales
= Tensiones máximas de cables en condiciones normales (con temperatura mínima)
= Presión de viento máximo paralelo a la estructura
= Presión de viento máximo normal a la estructura
= Presión de viento máximo actuando a 45
= Presión de viento medio paralelo a la estructura (coincidente con temperatura mínima)
= Presión de viento medio normal a la estructura (coincidente con temperatura mínima)
= Carga de sismo normal a la estructura
= Carga de sismo paralelo a la estructura
NOTAS:
Con el fin de evitar duplicar las tensiones de los cables en las combinaciones de carga que incluyen viento, en
las condiciones básicas de carga de viento se incluye la diferencia de las fuerzas en los apoyos de las
tensiones en los cables de la condición total (viento más peso y tensiones de trabajo) menos las reacciones en
estos puntos en las condiciones de peso y tensiones de trabajo.
En los marcos que tienen solamente tensiones balanceadas, se incluyeron combinaciones con viento máximo
que incluyen el desbalanceo por rotura de tres cables en diferentes ubicaciones para tomar en cuenta una
posible rotura de conductor; a estas tensiones se les aplicó un factor de impacto de 1.8.
Las combinaciones de diferentes etapas de colocación de cables se analizaron considerando solamente viento
medio.
FUERZAS DE VIENTO
Las presiones y fuerzas de viento en las condiciones de viento máximo y viento coincidente con temperatura
mínima se calcularon siguiendo las recomendaciones del Manual de Obras Civiles de CFE, capítulo de
Diseño por Viento y de la especificación JA 100-57 de CFE vigente. Los valores de las presiones de viento y
fuerzas sobre la estructura fueron calculadas en función de las características de los marcos y las
consideraciones siguientes. Las fuerzas de viento y tensiones en los cables se incluyeron como reacciones en
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Veracruz, Ver. 2008.
los apoyos de las cadenas de aisladores. En esta distribución se tomaron en cuenta los valores relativos de
tensiones, fuerzas transversales y cargas verticales y la abertura de las cadenas.
Clasificación de la estructura y velocidad regional
Se consideró que los marcos son estructuras del grupo A. Como se mencionó, se consideraron velocidades
regionales máximas de viento de 200 km/h y de 160 km/h. Para el viento coincidente con temperatura mínima
la velocidad regional considerada fue de 130 km/h y 110 km/h, respectivamente.
Categoría del terreno y topografía local
Las subestaciones generalmente se construyen cerca de los suburbios de las ciudades y en campo abierto, por
las necesidades de espacio para colocación de los equipos y arreglos de buses y cables. Por ello, se consideró
un terreno plano, con pocos obstáculos (terreno categoría 2) en todos los casos. Adicionalmente se empleó un
factor de corrección por topografía de FT=1.0, correspondiente a terreno plano.
Corrección por presión y temperatura
Para corregir los efectos eólicos por efecto de la presión ambiental y la temperatura, se consideraron alturas
sobre el nivel medio del mar de 0 metros para zona costera y de 100 metros para zona central. Las
temperaturas ambientales en todos los casos fueron de 20 C y -10 C, para las presiones de viento máxima y
media coincidente, respectivamente.
Presiones y fuerzas sobre los elementos
En el cálculo de las presiones y fuerzas sobre los elementos se empleó el método dinámico. Las fuerzas sobre
los elementos de las subestaciones de celosía se obtuvieron por secciones. Posteriormente, las fuerzas
calculadas se distribuyeron uniformemente entre los nodos de cada tramo. En los marcos tubulares, las fuerzas
de viento se obtuvieron por cada elemento del modelo y se aplicaron como cargas uniformes ellos. En todos
los casos se tomaron en cuenta los modos y frecuencias de vibrar y las dimensiones de la estructura. Para ello,
en el modelo de análisis se tomó en cuenta la masa propia de la estructura, de los cables y accesorios y, en las
tubulares, los pesos de las conexiones.
EFECTOS SÍSMICOS
Los efectos sísmicos se calcularon siguiendo las recomendaciones de la versión vigente del Manual de Diseño
de Obras Civiles de CFE, capítulo de diseño por sismo, empleando análisis dinámico modal espectral. En los
modelos se incluyó la masa de la estructura (peso propio), masa de conexiones y masa de los cables y de las
cadenas de aisladores. Estas últimas se supusieron concentradas en los puntos de sujeción de los cables,
proporcionalmente a la reacción en ellos. Los efectos se obtuvieron con las siguientes consideraciones:
Clasificación de la estructura
De acuerdo con su destino, las estructuras de subestaciones pertenecen al grupo A, por lo que las
ordenadas espectrales definidas para el grupo B se deberán incrementar en 50 %.
En función de su estructuración, los marcos pueden considerarse estructuras industriales, por lo que
la estructura es tipo 6.
Factor de comportamiento sísmico
El valor de la relación /Q para estructuras industriales (tipo 6) para los casos de marcos de celosía y
tubulares se tomó como:
Q
0.36; para marcos de celosía
0.33; para marcos tubulares
(1)
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Espectros de diseño
Como se mencionó previamente, para los diseños de zona costera se empleó el espectro de la zona sísmica D
y para zona central el de la zona sísmica C. En ambos casos se supuso terreno tipo II. Los espectros
corregidos reducidos por ductilidad y amortiguamiento y considerando la importancia de la estructura se
muestran en las figuras 9 y 10.
Figura 9. Espectro de diseño reducido por ductilidad y amortiguamiento para zona costera
Figura 10. Espectro de diseño reducido por ductilidad y amortiguamiento para zona central
MODELOS ANALÍTICOS
El análisis y diseño estructural se llevó a cabo empleando el programa de diseño STAAD.Pro, de Research
Engineers, de Bentley Systems. Se generó un modelo de análisis por cada uno de los marcos que conforman
la subestación. En el caso de los marcos de celosía, la revisión de la capacidad de los elementos se llevó a
cabo con el programa; en el caso de los marcos tubulares, se llevó a cabo un diseño preliminar con el
programa empleando secciones circulares y una revisión final para las propiedades octagonales en hojas de
excel.
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Veracruz, Ver. 2008.
Marcos de celosía
En los modelos se emplearon las dimensiones de los marcos, correspondientes a los centroides de la sección
transversal de los elementos, considerando el tamaño promedio de los perfiles en las trabes y columnas. La
geometría general de uno de los modelos generados se muestra en la figura 11. Los modelos de los marcos
incluyeron bahías adicionales para incluir futuras ampliaciones. Esto es debido a que las ampliaciones pueden
incrementar los elementos mecánicos en los elementos comunes del arreglo original y la ampliación.
Para tomar en cuenta el comportamiento real de los elementos y de las conexiones, se emplearon elementos
viga para modelar las cuerdas de las trabes y columnas y elementos tipo armadura para los elementos
diagonales. Los elementos transversales de las trabes se modelaron como elementos tipo viga para representar
la continuidad de estos elementos en la conexión con los paneles en el interior de las trabes. En la figura 12 se
resaltan los elementos tipo viga de un modelo; para facilitar la visualización, se excluye la ampliación.
Los puntos de apoyo en las bases de las columnas se modelaron como articulaciones sujetas a desplazamiento,
dejando libres las rotaciones, de acuerdo con el diseño de este tipo de conexiones, como se menciona más
adelante.
Figura 11. Modelo de un marco de celosía, SE 115 kV
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Figura 12. Elementos viga en un modelo, SE 115 kV
Marcos tubulares
Las dimensiones de los marcos empleadas en los modelos tubulares correspondieron con los ejes centroidales
de los elementos de trabes y columnas, tomando en cuenta las dimensiones de las uniones en la parte superior
de las columnas y la modulación de las secciones en el diseño. Para tomar en cuenta los tamaños de las
uniones, el efecto de ellas en la rigidez y las dimensiones reales de los elementos, se empleó la opción de
conexiones excéntricas de los elementos (offset) en las conexiones de la parte superior de las columnas. Se
emplearon elementos viga en todos los elementos de las trabes y las columnas, considerando uniones rígidas
con transmisión de momento, de acuerdo con los detalles estructurales de las conexiones. En la figura 13 se
muestra la geometría general de uno de los modelos, indicándo los elementos y los puntos nodales.
Análisis estructural
Tanto la opción de celosía como en la tubular, en los casos de cargas de peso propio, peso de equipo y cables,
tensiones en cables y fuerzas de viento se llevó a cabo análisis estático. El peso propio de la estructura se
modeló con la función interna del programa; los pesos de equipos y cables se aplicaron como cargas en los
puntos de soporte de los cables. Para tomar en cuenta los efectos de segundo orden, se empleó análisis
P-delta. En los casos de efectos sísmicos se recurrió al análisis modal espectral, considerando los primeros 30
modos tridimensionales de las estructuras. En este caso, además de las masas de la estructura, se consideraron
las masas de cables y cadenas de aisladores correspondientes a los pesos incluidos en las condiciones básicas
de Peso propio y peso de equipo y cables. Las fuerzas de viento sobre los cables se aplicaron como reacciones
en los puntos de soporte de las cadenas de aisladores. Las fuerzas sobre los elementos de los marcos de
celosía se dividieron uniformemente entre los nodos extremos de las secciones de trabes y columnas. En los
tubulares se aplicaron como cargas uniformemente repartidas sobre los elementos (perpendiculares a su eje)
de acuerdo con la dirección de la presión del viento.
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Figura 13. Modelo de marco tubular, SE. 400 kV
DISEÑO DE ELEMENTOS
Marcos de celosía
El diseño de los elementos se llevó a cabo empleando la opción interna de diseño y revisión de código que
incluye el programa siguiendo los criterios de especificación (AISC, 2005), que viene integrada en el
programa, para las combinaciones y factores de carga que se mencionaron antes, con el criterio de factores de
carga y resistencia (LRFD). En general, el diseño fue regido por estados límite de resistencia, aunque en
algunos casos, hubo necesidad de modificar la rigidez de los marcos incrementando perfiles o dimensiones de
para evitar deformaciones excesivas. Preferentemente se empleó acero A-36, pero, debido a que se emplean
tres conductores por fase, en las patas de las columnas más esforzadas fue necesario emplear acero de alta
resistencia.
En el diseño de elementos a compresión, AISC recomienda tomar en cuenta la excentricidad de la carga axial
en el diseño. Dicha excentricidad se puede ignorar si se emplean valores modificados de longitud efectiva de
pandeo. (ASCE, 1997a) propone también expresiones que se apegan más al funcionamiento de las estructuras
de subestaciones y estructuras de transmisión, por lo que se emplearon estas últimas. Las consideraciones de
Kl/r empleadas en el diseño son las siguientes:
En las cuerdas de columnas y trabes, donde el elemento está conectado en ambas alas:
Kl
r
l
r
(2)
En diagonales y demás elementos con excentricidad de conexión en los extremos es:
Kl
r
60 0.5
l
r
(3)
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El diseño de elementos en general se rigió por estados límite de resistencia. La selección de perfiles se limitó
a perfiles comerciales. El catálogo empleado se refinó para emplear los perfiles de mayor eficiencia. Se evitó
el empleo de los perfiles que requieren colada mínima. Por seguridad, uniformidad en el diseño y simplificar
el proceso de fabricado y ensamble, los diseños se realizaron por grupos. En cada caso, se empleó el perfil
más ligero del catálogo que fuese capaz de soportar los elementos mecánicos resultantes del análisis. Esto
significa que los perfiles se usarán cerca de su capacidad máxima, pero empleando el elemento de mejor
capacidad en cuanto a resistencia, lo que resulta en un diseño más eficiente, económico y seguro.
En el diseño por tensión se supuso un área efectiva, verificando finalmente la resistencia a tensión de los
elementos considerando el área neta real en función de los tornillos empleados en el diseño de las conexiones,
como se menciona más adelante.
Marcos tubulares
El diseño de los elementos que forman los marcos de las subestaciones tubulares se llevó a cabo en dos
etapas:
1.
2.
Diseño preliminar con STAAD, con elementos circulares huecos
Diseño definitivo con elementos tubulares poligonales
En la etapa de diseño preliminar se realizó el diseño de los elementos suponiendo secciones circulares huecas,
empleando la opción interna de diseño y revisión de código que incluye STAAD.Pro. Este proceso se realizó
de acuerdo con los criterios de (AISC 2005) que viene integrada en dicho código empleando el criterio de
factores de carga y resistencia (LRFD).
En la etapa de diseño final se llevó a cabo un ajuste del diseño, mediante corridas adicionales del programa de
análisis, sustituyendo las secciones circulares por secciones octagonales de la misma dimensión exterior,
revisando su resistencia y sustituyendo (reforzando) los elementos que requiriesen refuerzo. La revisión de la
resistencia de los elementos se realizó con las recomendaciones de AISC para elementos de sección hueca.
Adicionalmente, se realizó una segunda revisión de la capacidad de los elementos siguiendo las
recomendaciones de (ASCE 1997b) para el diseño de estructuras de transmisión a base de postes de acero,
que incluyen expresiones específicas para secciones poligonales de acero A-36.
Todos los elementos se revisaron como elementos sujetos a fuerza axial y flexión biaxial, revisando por
interacción entre fuerza axial y momentos flexionantes. Para el cálculo de resistencia a carga axial y
estabilidad, en los elementos de las columnas se consideró un factor de longitud efectiva de pandeo K=2.0; la
longitud empleada en el cálculo de la resistencia es igual a la longitud total de las patas de la columna
(considerando los tramos inferior y superior). En las trabes, se consideró un factor de longitud efectiva de
pandeo K=1.0; la longitud no soportada empleada en este cálculo es la longitud total de las trabes, entre
apoyos. En el cálculo de resistencia a momento, se consideraron las expresiones aplicables a secciones
cerradas huecas, considerando las posibles reducciones en el momento resistente por el pandeo local, en caso
de tratarse de secciones esbeltas.
En el diseño preliminar se realizó un diseño optimizado para un catálogo de perfiles de usuario, con secciones
tubulares de diámetros entre 200 y 1000 mm con variaciones de 50 mm entre cada sección y espesores entre
4.8 y 25.4 mm con variaciones de 1.6 mm (1/16”). El catálogo se ordenó en orden ascendente de áreas, para
que el programa escogiera el perfil más ligero que fuese capaz de resistir los efectos e los elementos. Este
proceso se llevó a cabo en forma iterativa, actualizando en cada caso las fuerzas de viento sobre los
elementos.
La selección de los elementos se basó inicialmente siguiendo en los criterios de resistencia. Sin embargo, las
propiedades se modificaron en caso de no cumplirse con los límites admisibles de deformación
(desplazamientos). Por seguridad, uniformidad en el diseño y simplificar el proceso de fabricado y ensamble,
los diseños se realizaron por grupos de perfiles. En cada caso, en el prediseño se empleó el perfil más ligero
del catálogo que fuese capaz de soportar los elementos mecánicos resultantes del análisis.
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Veracruz, Ver. 2008.
Revisión de desplazamientos
Otro aspecto del diseño de los marcos de las subestaciones es el cumplimiento de los desplazamientos
máximos permisibles. En este aspecto, se limitaron los desplazamientos máximos en la combinación de
cargas permanentes sin factorizar, incluyendo el peso propio, peso de equipo y cables y tensiones de cables en
condiciones normales. Los valores admisibles del desplazamiento en columnas fueron de H/360 (H=altura).
En trabes, el desplazamiento máximo admisible es de L/360 en trabes (L=claro libre).
En la versión vigente de la especificación de estructuras mayores y menores no se incluye revisión de
desplazamientos en condiciones de sismo y viento. Esto es debido a que son combinaciones requeridas
únicamente para evitar el colapso en condiciones extremas. La posibilidad de ocurrencia es muy baja y, en
caso de presentarse, sería solamente por unos instantes.
DISEÑO DE CONEXIONES
Conexiones en marcos de celosía
El diseño de las conexiones se realizó de acuerdo con (AISC, 2005), bajo el criterio de factores de carga y
resistencia (LRFD) para las cargas de los elementos y reacciones en los apoyos obtenidas en el análisis de los
marcos. Las conexiones se agruparon en dos tipos de uniones: conexiones en extremos de elementos y diseño
de placas base. En el primer tipo se verifica la capacidad de los elementos considerando la tortillería y la
capacidad de la unión. En el segundo caso, se revisa la capacidad de los tornillos y la placa base y los
esfuerzos en el concreto. Los materiales empleados en el diseño de conexiones son los siguientes: Tornillos
A-325, Placas base de acero A-36 y anclas de varilla corrugada roscada con fy=41.2 kN/cm2 y
fu=61.8 kN/cm2.
La capacidad de los elementos en la unión se revisó, tomando en cuenta los tamaños y posiciones de los
tornillos y la reducción real en el área efectiva por los agujeros. Esto último se realizó por grupos de
elementos, para las envolventes de tensiones y compresiones de cada grupo de perfiles, en función de las
trayectorias posibles de falla, la cantidad de tornillos y su ubicación.
Se calculó la cantidad y diámetros de tornillos requeridos en los extremos de los elementos, determinando
distancias a los bordes, separaciones entre tornillos y gramiles mínimos y máximos, para cada grupo de
perfiles. Se realizaron las siguientes revisiones:
Resistencia al corte de los tornillos,
Resistencia al aplastamiento de los elementos conectados en función del diámetro de tornillos y
espesor de elementos
Resistencia a la falla por bloque de cortante.
Las placas base se diseñaron para resistir las reacciones en los apoyos de las columnas, obtenidas del análisis
estructural. Se consideraron dos casos: placas base para patas sujetas a compresión y placas para patas
trabajando a tensión.
En el diseño de las placas sujetas a compresión se revisó que el esfuerzo máximo transmitido en el concreto
no excediera el esfuerzo máximo en el concreto, limitado a 0.75*0.8*f´ c. En esta revisión se consideró
concreto de f´c=250 kg/cm2. El espesor de la placa se obtuvo revisando la flexión causada por la reacción en
el concreto, considerando tres líneas de falla, como se muestra en la figura 14. Se revisó también que las
anclas resistiesen el cortante transmitido en aplastamiento y corte directo.
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 14. Líneas de falla en placa base a compresión
En las placas base de las patas sujetas a tensión se revisó que las anclas fuesen capaces de resistir la fuerza
directa proveniente de la tensión en la pata, las fuerzas de palanca (prying) generadas por la flexibilidad de la
placa y la fuerza cortante total transmitida a la cimentación. Asimismo, se revisó la flexión de la placa
producto de estas fuerzas. En este caso, por la ubicación de las anclas, se consideraron dos líneas de falla
solamente, como se muestra en la figura 15.
Figura 15. Líneas de falla en placa base a tensión
Conexiones en marcos tubulares
El diseño de las conexiones se llevó a cabo de acuerdo con la estructuración propuesta en cada tipo de unión,
de acuerdo con (AISC, 2005) bajo el criterio de factores de carga y resistencia (LRFD). De acuerdo con el
tipo de conexión y su funcionamiento, se propusieron cinco tipos de uniones:
1.
2.
3.
4.
5.
Placa base de patas de columnas
Unión en extremo superior de columnas
Unión bridada para empalme de elementos
Unión trabe/caballete-pata de columna
Atraques de cables
Las características generales de cada tipo, las revisiones y criterios seguidos en cada tipo de conexión se
mencionan a continuación. Los materiales fueron los mismos que en el caso de las subestaciones de celosía.
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Veracruz, Ver. 2008.
Placa base de patas de columnas
Las placas base de patas de columna se diseñaron empleando la opción de diseño de placas base de columnas
que se incluye en el programa STAAD.etc, que es parte del STAAD Structural Suite. En algunos casos se
empleó el programa RISABase versión 1.02 de RISA Technologies. El diseño se realizó para las reacciones
en los soportes de columnas de cada modelo, considerando las combinaciones de carga más criticas. Se
consideraron la carga axial de tensión o compresión, los momentos y los cortantes en la base. Los esfuerzos
máximos transmitidos a la cimentación se limitaron para un concreto de f’c=250 kg/cm2.
Unión en extremo superior de columnas
En este tipo de unión las columnas de sección octagonal se unen en su parte superior con una sección I
formada por placas soldadas, en cuya parte superior se coloca la extensión para el cable de guarda. Para evitar
el pandeo del alma de la viga I y evitar falla de sus patines debido a las cargas concentradas provenientes de
las columnas, se emplean siete atiesadores colocados simétricamente, en cada lado de la sección I.
Adicionalmente, para recibir la trabe que se une en la parte superior de las columnas, entre los tres atiesadores
centrales se colocan dos placas, a cada lado de la viga. La geometría general de la conexión se muestra en la
figura 16.
Figura 16. Conexión en tope de columnas
Las revisiones realizadas para asegurar el funcionamiento adecuado de la conexión son las siguientes:
Revisión de flexión en patín inferior de viga I entre atiesadores. Esta revisión se realiza como una
serie de vigas simplemente apoyadas sujetas a las fuerzas máximas en las placas de las columnas,
calculadas como el esfuerzo máximo en los elementos superiores de las columnas, por el área de las
placas que forman la sección transversal de las columnas.
Revisión de capacidad de atiesadores de la viga I, como elementos en compresión. En esta revisión,
la carga en los atiesadores es la suma de reacciones de las vigas que modelan los patines de la viga I
provenientes de las columnas, obtenidas en el punto anterior. La longitud de los elementos es la
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altura de los atiesadores y se supuso conservadoramente un factor de longitud efectiva de pandeo
K=1.0.
Revisión de las placas que reciben las trabes, por flexión entre atiesadores, sujeta a las cargas
transmitidas por las trabes. Estas cargas se toman como el esfuerzo máximo en la trabe, multiplicado
por el área de las placas que forman la sección transversal de la trabe.
Revisión de atiesadores centrales por compresión lateral causada por las fuerzas en trabes. Se revisan
estos atiesadores como columnas cortas con factor de longitud efectiva K=2.0 y longitud igual al
ancho de los atiesadores.
Unión bridada para empalme de elementos
Este tipo de conexión sirve para unir longitudinalmente trabes o patas de columnas sin necesidad de emplear
soldadura en la unión de campo. En los extremos de cada uno de los elementos por unir se coloca una placa
que funciona en forma parecida a las bases de columnas. Para mantener la estética de la conexión, la placa de
unión tiene forma octagonal. La conexión se revisa para las combinaciones más críticas de fuerza axial,
cortante y momento resultantes. En cada caso, se encuentra la resistencia máxima de la conexión
considerando la misma excentricidad que se tiene en las cargas en la conexión, encontrando la posición del
eje neutro. Para ello, se realizaron dos revisiones: suponiendo que el momento resistente actúa en forma
perpendicular a una de las caras y suponiendo que actúa sobre una de las esquinas del octágono. En la
mayoría de los casos, se tendrá una condición intermedia, con lo que el diseño será bastante aproximado. Sin
embargo, para tomar en cuenta el que exista una ligera inclinación en dicha orientación, las cargas se
incrementaron en 30%. Las revisiones realizadas son las siguientes:
Resistencia máxima de los tronillos en tensión, considerando la interacción con el cortante resultante
en el tornillo más crítico.
Resistencia a flexión de la placa de unión para el esfuerzo máximo en la zona de compresión.
Resistencia a flexión de la placa de unión para el esfuerzo máximo en la zona de tensión de los
tornillos.
Unión trabe/caballete-pata de columna
Este tipo de unión se muestra en la figura 17. En ella, un elemento horizontal sujeto a flexocompresión se
conecta rígidamente con otro elemento de mayor diámetro, que es prácticamente vertical. Debido a la
diferencia de diámetros, es necesario revisar la capacidad local de los elementos de la columna para resistir
las fuerzas máximas que imponen las placas que forman la trabe. Para reforzar la conexión es necesario
incrementar localmente el espesor de las placas de la columna en la conexión y agregar placas atiesadoras
interiores, que resistan las fuerzas totales en la unión y le den estabilidad.
Figura 17. Unión entre trabe/caballete-pata de columna
Las revisiones realizadas para revisar la capacidad de la conexión son las siguientes:
Revisión de espesor de cara frontal de la columna como viga a flexocompresión sujeta a la carga
resistente de las placas de la trabe. En esta revisión se supone que en cada cara del octágono de la
trabe se tiene una carga igual al esfuerzo máximo que puede resistir multiplicado por el área de dicha
placa, como se muestra en la figura 18.
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XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Veracruz, Ver. 2008.
Revisión de caras inclinadas de la columna como vigas flexocomprimidas, sujetas a las fuerzas
resistentes de las placas de la trabe (ver figura 18).
Revisión de capacidad de atiesadores interiores de la columna para soportar las cargas máximas de
las trabes. Esta revisión se realizó considerando que los atiesadores trabajan en compresión.
Figura 18. Fuerzas sobre columna provenientes de esfuerzo en trabe
Atraques de cables
La conexión para el atraque de las cadenas de aisladores propuesta se muestra en la figura 19. Se compone de
tres placas que forman un canal, en cuya alma se conecta una barra en forma de U, que sirve para sujeción de
las cadenas de aisladores.
Figura 19. Conexión para atraque de cables
En esta conexión se realizaron las siguientes revisiones:
Revisión de la barra en forma de U para resistir la tensión y fuerzas laterales máximas en los apoyos,
considerándola como viga en voladizo, sujeta a en flexotensión.
Revisión de la placa de alma del canal en flexión, como viga simplemente apoyada sujeta a la tensión
máxima en el centro del claro.
Revisión de las placas de apoyo (patines del canal) como vigas en voladizo sujetas a las reacciones
en la placa de alma.
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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Revisión de la cara frontal de la trabe en flexión como viga ancha sujeta a los esfuerzos transmitidos
por las placas de apoyo (patines del canal)
CONCLUSIONES
La rápida expansión que el Sistema Eléctrico Nacional ha tenido en los últimos años ha llevado a la
construcción o ampliación de una numerosa cantidad de subestaciones Eléctricas de Transmisión de CFE. El
ritmo de crecimiento de dicho sistema influye en el desarrollo social y económico del país.
El concepto de diseño normalizado permite acelerar en forma confiable el proceso de planeación, licitación y
construcción de las subestaciones, al contar con diseños que cubren la mayor parte del territorio nacional.
Asimismo, los diseños normalizados permiten unificar los diseños y el nivel de seguridad de las
subestaciones, mejorándose la eficiencia de los perfiles estructurales.
Otros beneficios adicionales del diseño normalizado lo constituye la facilidad de ampliación de las
subestaciones existentes, contemplada desde la etapa de diseño sin necesidad de realizar modificaciones o
refuerzo en los marcos, con lo cual se elimina la necesidad de interrumpir el servicio durante la construcción
de las ampliaciones.
Se introduce en México el empleo de subestaciones tubulares, que mejoran grandemente el aspecto visual de
las subestaciones, lo cual es importante cuando se requiere mejorar el impacto estético de la zona en que se
ubican.
En dichas subestaciones, se emplearon módulos de tamaños manejables empleando soldadura solamente en la
fabricación de dichos módulos en taller y utilizando conexiones completamente atornilladas en campo. Un
punto importante en el diseño de las subestaciones tubulares lo constituye el comportamiento de las
conexiones para lograr un diseño eficiente de las mismas.
Agradecimientos
Se agradece a la Coordinación de Proyectos de transmisión y Transformación de la Comisión Federal de
Electricidad, por el apoyo técnico y financiero para la realización de los trabajos.
REFERENCIAS
American Institute of Steel Construction (2005), “Specification for Structural Steel Buildings”,
AISC/AISC 360-05
American Society of Civil Engineers (1997a), “Design of Latticed Steel Transmission Structures”, ASCE
10-97
American Society of Civil Engineers (1997b), “Design of Steel Transmission Pole Structures”, ASCE/SEI
48-05
Comisión Federal de Electricidad (2005), “Estructuras
Subestaciones”, especificación CFE JA100-57
Metálicas
Mayores
y
Menores
para
Comisión Federal de Electricidad-Instituto de Investigaciones Eléctricas (1993a), “Diseño por Sismo”,
Manual de Diseño de Obras Civiles, Sección C, Tema 1, , Capítulo 3
Comisión Federal de Electricidad-Instituto de Investigaciones Eléctricas (1993b), “Diseño por Viento”,
Manual de Diseño de Obras Civiles, Sección C, Tema 1, Capítulo
21
XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Veracruz, Ver. 2008.
Vilar Rojas, Jorge Iván, Corona Fortunio, Juan Carlos, Alanís Velázquez, Armandina (2007), “Diseño
normalizado de estructuras mayores en subestaciones eléctricas de transmisión”, Informe
IIE/42/13067/I009/F/DC/A05
Vilar Rojas, Jorge Iván, (2008), “Diseño normalizado de las estructuras mayores en subestaciones de
transmisión de 400 kV y 115 kV”, Informe IIE/42/13374/I009/F/DC/A05
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