torres para antenas

TORRES PARA ANTENAS Constantino Prez Vega - 2001

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An cuando, en general el ingeniero de comunicaciones no tiene que ver directamente con el diseo, construccin y ereccin de las torres utilizadas para soportar las antenas, es frecuente que tenga necesidad de actuar como director de proyectos que incluyan torres o bien con la utilizacin de torres ya existentes o con su mantenimiento. Por ello, es necesario que tenga conocimientos bsicos sobre algunos de los aspectos ms importantes relacionados con estas estructuras. Tipos de torres. En los sistemas de comunicaciones suelen utilizarse bsicamente dos tipos de torres: autosoportadas o autoestables y arriostradas, cuya geometra general se muestra en la figura 1.

Figura 1. La figura muestra la torre de televisin de Ostankino, en Mosc. Esta torre, de 500 metros de altura incluye las antenas transmisoras en la parte superior, as como el centro de transmisin, en la parte inmediatamente inferior a las antenas. La torre de Ostankino sufri un incendio a mediados del ao 2000, quedando seriamente daadas las antenas y el centro emisor. Fotografa propiedad del autor.

TORRES PARA ANTENAS

Constantino Prez Vega Departamento de Ingeniera de Comunicaciones

Universidad de Cantabria


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Aunque la seccin de las torres puede ser variada, por ejemplo circular, hexagonal, etc., los ms frecuentemente utilizadas en comunicaciones tienen seccin cuadrada o triangular. Las torres autosoportadas son por lo general de seccin cuadrada, en tanto que las arriostradas pueden ser de seccin cuadrada o triangular.

Figura 2. Torre autosoportada de la emisora regional de la empresa Televisa en Cerro Culiacn, Guanajuato, Mxico. La torre tiene en su parte superior, una antena del tipo de mariposa o ala de murcilago (superturnstile) y en la parte inferior a sta, una antena de parrillas de dipolos. Fotografa propiedad del autor.

Figura 3. Torre autosoportada, instalada en el Cerro de las Nubes, cercano a Managua, Nigaragua. La torre de alrededor de 30 m de altura, soporta una antena de parrillas para la banda I de VHF. Fotografa propiedad del autor.


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Las torres arriostradas se mantienen en posicin mediante cables anclados a cierta distancia de la base de la torre, en tanto que las autosoportadas, como su nombre lo indica, se mantienen en posicin por s mismas, como estructuras en cantilever. Con pocas excepciones, el costo de la estructura y cimentacin es inferior para las torres arriostradas que para las autosoportadas, sin embargo, aqullas requieren de un terreno considerablemente mayor, de modo que la eleccin de un tipo u otro de torre no est condicionado nicamente por el costo de la estructura, sino por el terreno disponible y con frecuencia, por las condiciones topogrficas del lugar de ereccin de la torre. Una torre autosoportada requiere de un terreno cuadrado cuyos lados tienen una longitud aproximadamente, entre el 8 y el 20% de la altura de la torre, en tanto que una torre arriostrada, el rea del terreno necesario depende de la distancia entre las anclas de las riostras y la base de la torre. Esta distancia es, generalmente, entre el 70 y el 80% de la altura de la torre. Materiales. Elementos estructurales. El material utilizado con ms frecuencia para torres de celosa es el acero de tipo A36 ATSM1 y el de tipo A572 ATSM, de grado 50 o equivalente. El acero A36 es acero estructural al carbn y el A572 es acero de alta resistencia y baja aleacin de niobio y vanadio. En cualquier caso, el acero utilizado es de bajo contenido de carbn, con tensiones de deformacin entre 36,000 psi2 (2531 kg/cm2) y 60,000 psi (4218 kg/cm2). Aunque no hay una forma de los materiales que pueda considerarse mejor desde el punto de vista estructural, prcticamente todos los miembros estructurales de las torres suelen ser de perfil angular, rolados en caliente y deben estar galvanizados por inmersin para conseguir mxima proteccin contra la corrosin. El espesor del galvanizado no debe ser inferior a 0.0034 pulgadas (0.086 mm). En prcticamente todas las torres de celosa, los miembros estructurales deben ir atornillados y nunca soldados, excepto en condiciones especiales que deben ser objeto de estudio cuidadoso. Los tornillos deben ser de acero y llevar arandela plana, arandela de presin y, preferiblemente, doble tuerca para evitar que la vibracin causada por el viento llegue a aflojar los tornillos.

1 Los tipos de materiales que se dan aqu estn basados en el estndard americano EIA-RS-222E, el ms completo y detallado desde el punto de vista de ingeniera que conoce el autor y que es utilizado en muchos pases. 2 psi = libra/pulg2

Figura 4. Torre para televisin, de 100 m de altura hasta la base de la antena, del Sistema de Televisin de la Repblica Mexicana (TRM), instalada en 1980 en el Cerro de la Virgen en Zacatecas, Mxico. La fotografa muestra la torre a un 90% de avance en su construccin. La antena, del tipo de ala de murcilago se aprecia en la parte superior, en tanto que an no se haba instalado la lnea de transmisin ni se haban montado los descansos. La fotografa permite apreciar con cierto detalle, las caractersticas estructurales de la torre. Fotografa propiedad del autor.


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Riostras. El material ms comn utilizado para las riostras es cable de acero galvanizado. En torres de radio (AM), o que estn cercanas a otras antenas de TV o de FM, con frecuencia es deseable utilizar materiales no conductores en las riostras. En estos casos se usan cables de Kevlar3 o de fibra de vidrio. Cuando se emplean estos materiales, es necesario prestar atencin cuidadosa a la proteccin contra el efecto corona, fatiga mecnica y deterioro causado por exposicin a luz ultravioleta. Tambin es necesario valorar sus caractersticas de elongacin bajo condiciones de carga y prestar atencin cuidadosa a las recomendaciones para su manejo. Igual de importante que para la estructura de la torre, las conexiones o juntas para la sujeccin de las riostras son tan importantes como el propio material de stas. Algunas de las juntas ms usadas estn los zcalos de acero forjado o moldeado, galvanizados por inmersin o tratados con resinas epxicas que soporten todo el esfuerzo de la riostra. Se prueban en fbrica a una carga del 50% de la tensin de ruptura de la riostra. Este tipo de junta es ms comn para las riostras ms largas en torres altas. Otro tipo de juntas son los clips4, en forma de silla de montar, para sujetar los extremos de las riostras, una vez que stas han sido tensadas al 90% del esfuerzo que deben soportar. En la figura

Riostras

Placa de soporte de la base

Anclas

Figura 5. Esquema de una torre arriostrada.

3 El Kevlar pertenece a una familia de productos fabricados por la empresa Dupont de Nemours que combinan elevada resistencia y gran estabilidad trmica, entre sus aplicaciones se incluyen, adems de cables con resistencia similar a los de acero, chalecos antibala, elementos de friccin para frenos, cables de fibra de vidrio, cinturones de seguridad, etc. 4 En algunas ocasiones tambin se designan como perros o mordazas.


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Fig. 6. Placa de soporte de la base de torre (a) y forma de la base en el

extremo inferior de la torre (b)

Fig 7. Aspecto de la base de una torre


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Cimentacin

Fig. 7. Excavacin para los cimientos de una torre autosoportada.

Fig. 8. Cimentacin para una torre autosoportada.


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Montaje

Cargas mecnicas en una torre Carga muerta: Incluye el peso de la estructura ms todos los elementos adicionales sujetos a ella. Carga viva: Suele especificarse en los cdigos de construccin.. Algunos tipos de cargas vivas pueden ser de naturaleza prcticamente permanente, aunque sujetos a remocin o reubicacin. En una torre, por ejemplo, en que se instalan temporalmente antenas sobre las caras y luego se remueven. En edificios, las paredes o particiones removibles, elementos colgantes del techo, equipos, etc. La carga de suelo es parte de la carga viva. La carga viva que puede, o debe soportar una determinada estructura, se especifica en kg/m2 en el SI y en libras/pie2 o psf (1psf = 4.8824 kg/m2), en el sistema ingls.

Fig. 9. Base para una torre arriostrada tipo Pirod (vase figura 6)

Fig. 10. Ancla para sujeccin de las riostras


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Carga de nieve. En estructuras sujetas a nevadas, es necesario tener en cuenta este factor. Los servicios meteorolgicos suelen proporcionar informacin estadstica relativas a la carga de nieve sobre el suelo (kg/m2). Lo ms conveniente es disponer de informacin de la recurrencia de nevadas en los ltimos cincuenta aos cuando hay riesgo para la vida humana. La carga de nieve sobre un tejado o una superficie inclinada se obtiene multiplicando los valores de la carga de nieve sobre el suelo por un factor que depende de la exposicin y configuracin de la superficie expuesta. Algunos valores de este coeficiente, CN, para el caso de tejados planos, inclinados un ngulo sobre la horizontal, pueden ser indicativos los siguientes:

de 0 a 30: CN = 0.8

de 30 a 70: 50

308.0 NC 70: CN = 0.

Carga de viento. Presin de viento: La presin de viento est dada por:

QCP P (4) Donde CP es el coeficiente de presin, designado tambin como factor de forma y Q es la presin de velocidad, es decir, la presin causada por la velocidad del viento y que est dada por:

20324.0 vQ kg/m2 (5) donde v es la velocidad del viento en km/h. Si la presin del viento es del exterior hacia el interior de la estructura, CP es positiva y si es del interior hacia el exterior, es negativa. Esto tiene que ver con el efecto de ltigo que se menciona ms adelante. En el caso de estructuras o torres slidas, lo que no es muy usual en las torres que soportan antenas, el coeficiente de presin tiene valores entre 0.5 y 2, dependiendo de la forma del rea transversal de la estructura. Los valores ms altos (1.3 a 2) se tienen para secciones transversales cuadradas y con el viendo soplando normal a una de las caras. Si el viento sopla diagonalmente, este coeficiente tiene valores entre 1 y 1.5. Para estructuras en celosa, como es el caso de las torres de comunicaciones, los valores del coeficiente de presin, para miembros planos de la estructura estn entre 1.6 y 2 y, para secciones circulares, menos frecuentes, entre 0.8 y 1.5. La velocidad del viento vara con la altura sobre el suelo y con el tipo de terreno, por lo que la presin de velocidad a una altura h sobre el suelo suele darse como:

2300324.0 vKQ hh kg/m2 (6)

Donde Kh es un coeficiente dado por la frmula (7) y v30 es la velocidad bsica del viento, en km/h, a una altura de 10 m sobre el suelo. Se usa la velocidad a 10 m como referencia ya que esta es, por lo general, la altura a la que suele medirse. El coeficiente Kh est dado por la expresin siguiente:

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64.2g

h hhK (7)

hg se designa como gradiente de altura y es aquella a la que la velocidad del viento se supone constante. es un coeficiente que depende de la exposicin de la construccin al viento, entre otras


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cosas, de la orografa del terreno, de las caractersticas de los vientos dominantes y de las caractersticas de la propia estructura. Suelen designarse tres tipos de exposicin al viento, A B y C; el primero, cuando la presin externa del viento es baja (del orden de 54 kg/m2), el segundo cuando es moderada (98 kg/m2) y el tercero, cuando es alta (del orden de 160 kg/m2) De acuerdo a esto, algunos autores5,6 suelen recomendar lo siguientes valores para y hg:

Exposicin hg metros A 3 455

B 4.5 365

C 7 275

Una cuestin importante en lo que se refiere la carga de viento, es que ste no sopla de forma constante y, con frecuencia, lo hace en rfagas o rachas, lo que produce sobre las estructuras un efecto semejante al de un latigazo y, a causa de ello se designa como efecto de ltigo. La presin efectiva del viento es, en estas condiciones, diferente a la dada por la ecuacin (6), ya que debe tener en cuenta este efecto, y est dada por:

2300324.0 vKGQGQ hef (8)

Donde G es el factor de rfaga, cuyo valor, basndose a la velocidad del viento a 10 m de altura, suele tomarse como 1.69.

5 Davenport, A. G. A Rationale for the Determination of Design Wind Loads. J. Struct. Div. ASCE. May 1960 6 Gaylord, Jr. E.H. and Gaylord, C. N. (Ed.). Structural Engineering Handbook. 2nd Ed. McGraw-Hill Book Co. 1979.

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