Escribir un análisis técnico de esta magnitud, específicamente en relación con los coeficientes de carga de viento del acero en ángulo. Torre de transmisión crucetas en varios ángulos de guiñada: requiere una inmersión profunda en la dinámica de fluidos, confiabilidad estructural, y los matices de los códigos de diseño internacionales como IEC 60826, ASCE 74, y ES 1993-3-1.

Impedancia aerodinámica y el desafío de la capa límite

Cuando consideramos la estructura reticular de una torre de transmisión., no estamos simplemente mirando un objeto estático; Estamos ante un filtro complejo para energía cinética turbulenta.. Los miembros angulares de acero. (perfiles en L) son aerodinámicamente “afilado.” A diferencia de las secciones circulares, que experimentan una crisis de arrastre con números de Reynolds altos, El acero angular es esencialmente independiente de Reynolds en una amplia gama de velocidades operativas del viento.. La separación del flujo se produce de forma fija en los bordes afilados..

El meollo del problema al calcular el coeficiente de carga del viento ($C_t$) para una cruceta reside en la interacción entre los miembros individuales y el efecto de blindaje. Cuando el viento golpea la cruceta a una $0^\circ$ ángulo (perpendicular a la cara longitudinal), Los miembros delanteros crean una estela de alta turbulencia y impulso reducido.. los miembros traseros, sentado en esto “déficit de velocidad” zona, no experimenta la misma presión dinámica. Este es el “factor de blindaje” ($\eta$), que es función de la relación de solidez ($\phi$).

sin embargo, a medida que el ángulo del viento cambia, digamos $45^\circ$ o $60^\circ$—este blindaje se vuelve asimétrico. El efectivo “área proyectada” ($A_n$) cambios, pero no linealmente. En muchos códigos de diseño tradicionales, La carga de viento sobre una sección de celosía se simplifica utilizando un coeficiente de fuerza total aplicado al área proyectada de una cara.. Pero para crucetas de acero en ángulo, que a menudo presentan complejos “K” o “incógnita” vigorizante, El coeficiente de resistencia fluctúa enormemente porque el “nitidez” del ángulo de acero presenta un perfil diferente al viento en cada grado de guiñada.

La física del coeficiente de resistencia ($C_f$)

En un sentido técnico profundo, el coeficiente de arrastre para un miembro en ángulo aislado es aproximadamente $2.0$ cuando el viento golpea el “adentro” de la forma de V y un poco menos al llegar al ápice. Cuando se integra en una cruceta de torre, debemos tener en cuenta la relación de aspecto. A lo largo de, El brazo cruzado delgado se comporta de manera diferente que un corto., uno rechoncho debido a los vórtices finales.

Veamos los valores estándar que normalmente se utilizan como punto de referencia antes de analizar “ángulo de ataque” variaciones.

Mesa 1: Coeficientes de arrastre de referencia ($C_{ft}$) para estructuras de celosía (Referencia general)

Nota: Estos valores suponen viento normal a la cara.. los “Efecto de ángulo” es lo que complica esta tabla.

El fenómeno del viento sesgado

Cuando el viento no es perpendicular, nos encontramos con el “ley del coseno” falacia. La trigonometría simple sugiere que la fuerza debería disminuir $\cos^2(\theta)$, pero las pruebas empíricas en el túnel de viento muestran que este rara vez es el caso de las torres de acero en ángulo.. Debido a la naturaleza tridimensional de la red., en un $45^\circ$ ángulo, el viento podría “ver” una mayor densidad de acero que en $0^\circ$.

Investigación sobre líneas de transmisión de alta tensión (especialmente $500\text{kV}$ y $800\text{kV}$ Líneas UHV) indica que la carga máxima de viento en la cruceta a menudo ocurre en un ángulo sesgado, típicamente alrededor $30^\circ$ a $60^\circ$, en lugar de en $0^\circ$. Esto se debe a la “abriendo” de los miembros de refuerzo. El viento pasa por la cara frontal y golpea los miembros de la cara trasera que anteriormente estaban protegidos..

Dinámica de fluidos computacional (CFD) vs. Pruebas en túnel de viento

En la era moderna, Usamos simulación de grandes remolinos. (EL) para modelar estos coeficientes. El desafío con el acero en ángulo es la “desprendimiento de vórtices” de los bordes afilados. Estos vórtices pueden volverse resonantes con la frecuencia natural de la cruceta., provocando inestabilidad aeroelástica.

Si nos fijamos en los coeficientes de presión. ($C_p$) a lo largo de la superficie de un único perfil en L dentro del travesaño, encontramos que la succión en el lado de sotavento de la brida es el principal impulsor de la fuerza de arrastre.. Cuando la cruceta está en ángulo, Una brida del ángulo de acero podría alinearse con el flujo., reduciendo significativamente su resistencia individual, mientras que la otra brida se convierte en una “cuerpo de farol,” maximizándolo.

Mesa 2: Comparativo $C_t$ Variaciones según el ángulo de guiñada ($\theta$) para la solidez típica del brazo transversal ($\phi \approx 0.2$)

La tabla anterior ilustra una discrepancia peligrosa. Los códigos simplificados tradicionales a menudo suponen que a medida que aumenta el ángulo, la carga cae. sin embargo, para una cruz, la fuerza total del viento en realidad puede aumentar a medida que el viento comienza a golpear más directamente los largueros de la cruceta y el arriostramiento diagonal.

El papel de los refuerzos secundarios y las placas de refuerzo

A menudo ignoramos las cosas pequeñas: las placas de refuerzo, pernos, y miembros secundarios redundantes. sin embargo, en torres de acero en ángulo, Estos pueden aumentar la relación de solidez en $5\%$ a $10\%$. Más importante aún, Crean turbulencias locales que “viajes” el flujo, impidiendo cualquier recuperación aerodinámica limpia. en mi análisis, el “eficaz” El ancho de un miembro debe incrementarse en un factor. (generalmente $1.05$ a $1.15$) tener en cuenta estas conexiones al calcular el coeficiente de carga de viento.

Respuesta estructural y confiabilidad

¿Por qué esto es importante para el ingeniero?? Si subestimamos la carga de viento en un $45^\circ$ ángulo, Estamos subdiseñando los miembros principales de las patas y los accesorios de los brazos transversales.. los “a favor del viento” La pata de la torre recibe la carga acumulada.. Si el coeficiente $C_t$ esta fuera por $30\%$, el factor de seguridad de $1.5$ es efectivamente erosionado a $1.1$.

Es más, la cruceta no es sólo un voladizo; es un elemento estructural sujeto a torsión bajo viento sesgado. El viento no sólo empuja la cruceta “atrás”; intenta torcerlo porque el centro de presión no se alinea con el centro de corte de la sección del brazo transversal. Esta excentricidad se ve exacerbada por el coeficiente de carga de viento dependiente del ángulo..

Formulaciones avanzadas para carga de viento

Para avanzar hacia una situación más “científico” y “profundo” cálculo, deberíamos considerar la fuerza como una suma vectorial de resistencia ($D$) y levantar ($L$) componentes relativos a la dirección del viento, luego resolverlos en el sistema de coordenadas local de la torre (Longitudinal y Transversal).

la fuerza total $F$ se puede expresar como:

Dónde:

• $q$ es la presión de velocidad dinámica.

• $G_z$ es el factor de respuesta a la ráfaga (que debería ser más alto para las crucetas debido a su altura y flexibilidad).

• $C_t$ es nuestro coeficiente variable.

• $A_n$ es el área neta proyectada.

los “verdadero” $C_t$ para un ángulo sesgado $\theta$ se modela mejor mediante un ajuste elíptico o polinómico en lugar de una simple función coseno. Para una celosía de acero en ángulo, un ajuste recomendado para el coeficiente $C_{t(\theta)}$ podría parecer:

Dónde $\alpha$ y $\beta$ son constantes derivadas de la relación de solidez y los tipos de miembros.

Pensamientos finales y direcciones futuras

El estudio de las torres de transmisión de acero en ángulo está pasando de supuestos cuasiestáticos a supuestos dinámicos., realidades sensibles al ángulo. los “ángulo de ataque” no es un factor de reducción; en muchos casos, Es un factor de amplificación para miembros específicos dentro del conjunto del brazo transversal..

Debemos alejarnos de la idea de que el “peor escenario” Siempre hay viento golpeando la torre de cara.. La compleja interacción del blindaje, reinserción de turbulencia, y la alta resistencia inherente a los perfiles en L sugiere que para torres que exceden $50\text{m}$, un completo $360^\circ$ Es necesario realizar un análisis de la carga de viento.. Los coeficientes utilizados deben reflejar la “pico” encontrado en ángulos sesgados, no solo el “estándar” Valores encontrados en los libros de texto del siglo XX..

El siguiente paso de esta investigación sería integrar estos coeficientes dependientes del ángulo en un análisis de elementos finitos no lineal. (FEA) para ver cómo la redistribución de la fuerza afecta la capacidad de pandeo del cuerpo principal de la torre.