Escrever uma análise técnica desta magnitude - especificamente em relação aos coeficientes de carga de vento das cantoneiras de aço torre de transmissão braços cruzados em vários ângulos de guinada - requer um mergulho profundo na dinâmica dos fluidos, confiabilidade estrutural, e as nuances dos códigos de design internacionais como IEC 60826, ASCE 74, e PT 1993-3-1.

Impedância Aerodinâmica e o Desafio da Camada Limite

Quando consideramos a estrutura treliçada de uma torre de transmissão, não estamos apenas olhando para um objeto estático; estamos olhando para um filtro complexo para energia cinética turbulenta. Os membros angulares de aço (Perfis L) são aerodinamicamente “afiado.” Ao contrário das seções circulares, que enfrentam uma crise de arrasto com altos números de Reynolds, o aço angular é essencialmente independente de Reynolds em uma ampla faixa de velocidades operacionais do vento. A separação do fluxo ocorre fixamente nas arestas vivas.

O cerne do problema no cálculo do coeficiente de carga do vento ($C_t$) para uma cruzeta reside na interação entre os membros individuais e o efeito de proteção. Quando o vento atinge a cruzeta a uma $0^\circ$ ângulo (perpendicular à face longitudinal), os membros da frente criam uma esteira de alta turbulência e impulso reduzido. Os membros traseiros, sentado neste “déficit de velocidade” zona, não experimentam a mesma pressão dinâmica. Este é o “fator de blindagem” ($\eta$), que é uma função da razão de solidez ($\phi$).

Contudo, conforme o ângulo do vento muda - digamos para $45^\circ$ ou $60^\circ$—esta blindagem se torna assimétrica. O eficaz “área projetada” ($A_n$) mudanças, mas não linearmente. Em muitos códigos de design tradicionais, a carga do vento em uma seção treliçada é simplificada usando um coeficiente de força total aplicado à área projetada de uma face. Mas para cruzetas angulares de aço, que muitas vezes apresentam complexos “K” ou “X” tonificante, o coeficiente de arrasto flutua muito porque o “nitidez” da cantoneira de aço apresenta um perfil diferente para o vento em cada grau de guinada.

A Física do Coeficiente de Arraste ($C_f$)

Em um sentido técnico profundo, o coeficiente de arrasto para um membro de ângulo isolado é aproximadamente $2.0$ quando o vento está batendo “dentro” da forma de V e um pouco menos quando atinge o ápice. Quando integrado em uma cruzeta de torre, devemos levar em conta a proporção. Junto, braço cruzado fino se comporta de maneira diferente de um braço curto, atarracado por causa dos vórtices nas pontas.

Vejamos os valores padrão normalmente usados ​​como linha de base antes de dissecarmos o “ângulo de ataque” variações.

Mesa 1: Coeficientes de arrasto de linha de base ($C_{ft}$) para estruturas treliçadas (Referência Geral)

Nota: Esses valores assumem vento normal à face. o “Efeito de ângulo” é o que complica esta tabela.

O fenômeno do vento distorcido

Quando o vento não é perpendicular, nos deparamos com o “lei do cosseno” falácia. A trigonometria simples sugere que a força deve diminuir $\cos^2(\theta)$, mas testes empíricos em túnel de vento mostram que esse raramente é o caso de torres angulares de aço. Devido à natureza tridimensional da rede, em um $45^\circ$ ângulo, o vento pode “ver” uma densidade de aço mais alta do que em $0^\circ$.

Pesquisa em linhas de transmissão de alta tensão (especialmente $500\text{kV}$ e $800\text{kV}$ Linhas UHV) indica que a carga máxima do vento na cruzeta ocorre frequentemente em um ângulo distorcido, normalmente ao redor $30^\circ$ para $60^\circ$, em vez de em $0^\circ$. Isto é devido ao “abrindo” dos membros de reforço. O vento passa pela face frontal e atinge os membros da face traseira que antes estavam blindados.

Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) contra. Teste em túnel de vento

Na era moderna, usamos simulação de grande redemoinho (O) para modelar esses coeficientes. O desafio das cantoneiras de aço é o “derramamento de vórtice” das arestas afiadas. Esses vórtices podem se tornar ressonantes com a frequência natural do braço cruzado, levando à instabilidade aeroelástica.

Se olharmos para os coeficientes de pressão ($C_p$) através da superfície de um único perfil L dentro do braço transversal, descobrimos que a sucção no lado de sotavento do flange é o principal impulsionador da força de arrasto. Quando o braço cruzado está inclinado, um flange da cantoneira de aço pode ficar alinhado com o fluxo, reduzindo significativamente seu arrasto individual, enquanto o outro flange se torna um “corpo blefe,” maximizando.

Mesa 2: Comparativo $C_t$ Variações por ângulo de guinada ($\theta$) para solidez típica de braço cruzado ($\phi \approx 0.2$)

A tabela acima ilustra uma discrepância perigosa. Os códigos simplificados tradicionais muitas vezes assumem que à medida que o ângulo aumenta, a carga cai. Contudo, para um braço cruzado, a força total do vento pode realmente aumentar à medida que o vento começa a atingir as longarinas da cruzeta e o contraventamento diagonal mais diretamente.

O papel do reforço secundário e das placas de reforço

Muitas vezes ignoramos as pequenas coisas – placas de reforço, parafusos, e membros redundantes secundários. Contudo, em torres angulares de aço, estes podem aumentar a taxa de solidez em $5\%$ para $10\%$. Mais importante, eles criam turbulência local que “viagens” o fluxo, impedindo qualquer recuperação aerodinâmica limpa. Na minha análise, a “eficaz” a largura de um membro deve ser aumentada por um fator (geralmente $1.05$ para $1.15$) levar em conta essas conexões ao calcular o coeficiente de carga do vento.

Resposta Estrutural e Confiabilidade

Por que isso importa para o engenheiro? Se subestimarmos a carga do vento a uma $45^\circ$ ângulo, estamos subprojetando os membros principais das pernas e os acessórios dos braços cruzados. o “a favor do vento” perna da torre recebe a carga acumulada. Se o coeficiente $C_t$ está desligado por $30\%$, o fator de segurança de $1.5$ é efetivamente corroído para $1.1$.

além disso, a cruzeta não é apenas um cantilever; é um elemento estrutural sujeito à torção sob vento enviesado. O vento não empurra apenas a cruzeta “voltar”; ele tenta torcê-lo porque o centro de pressão não está alinhado com o centro de cisalhamento da seção do braço transversal. Esta excentricidade é exacerbada pelo coeficiente de carga do vento dependente do ângulo.

Formulações avançadas para carga de vento

Para avançar em direção a uma situação mais “científico” e “profundo” cálculo, devemos olhar para a força como uma soma vetorial de arrasto ($D$) e levante ($L$) componentes relativos à direção do vento, em seguida, resolva-os no sistema de coordenadas local da torre (Longitudinal e Transversal).

A força total $F$ pode ser expresso como:

Onde:

• $q$ é a pressão de velocidade dinâmica.

• $G_z$ é o fator de resposta à rajada (que deve ser mais alto para cruzetas devido à sua altura e flexibilidade).

• $C_t$ é o nosso coeficiente variável.

• $A_n$ é a área líquida projetada.

o “verdadeiro” $C_t$ para um ângulo inclinado $\theta$ é melhor modelado por um ajuste elíptico ou polinomial em vez de uma simples função cosseno. Para uma treliça de aço angular, um ajuste recomendado para o coeficiente $C_{t(\theta)}$ pode parecer:

Onde $\alpha$ e $\beta$ são constantes derivadas do índice de solidez e dos tipos de membros.

Considerações finais e direções futuras

O estudo de torres de transmissão angulares de aço está mudando de suposições quase estáticas para dinâmicas, realidades sensíveis ao ângulo. o “ângulo de ataque” não é um fator de redução; em muitos casos, é um fator de amplificação para membros específicos dentro da montagem do braço cruzado.

Devemos afastar-nos da ideia de que o “pior cenário” é sempre o vento batendo na torre de frente. A complexa interação da blindagem, reanexação de turbulência, e o elevado arrasto inerente aos perfis L sugere que para torres superiores $50\text{m}$, um completo $360^\circ$ análise de carga de vento é necessária. Os coeficientes utilizados devem refletir a “pico” encontrado em ângulos distorcidos, não apenas o “padrão” valores encontrados em livros didáticos do século 20.

O próximo passo para esta pesquisa seria integrar esses coeficientes dependentes do ângulo em uma análise não linear de elementos finitos (FEA) para ver como a redistribuição de força afeta a capacidade de flambagem do corpo da torre principal.