Validación estructural de Torres de Alta de Tensión

Como referente en energía y sostenibilidad, la Oficina Técnica de Ferrovial Construcción ha desarrollado en los últimos años numerosos trabajos de investigación asociados al comportamiento y optimización de las estructuras de las torres de trasmisión eléctricas.

Concretamente en el Proyecto de líneas de transmisión eléctrica de Centella, situada en el centro oeste de Chile, surgió la idea de desarrollar una nueva metodología para la validación estructural de las torres diseñadas que minimizara el coste de realizar ensayos a escala real de las mismas, y generara un incremento de la fiabilidad y la confianza sobre las torres instaladas.

Esta nueva metodología se desarrolló, testeó y documentó en paralelo con la realización de los ensayos convencionales estáticos de este proyecto, con objeto de determinar su validez, objetivar los ahorros y permitir su implementación en cualquier otra línea de transmisión eléctrica, para cualquier localización geográfica.

Validación estructural de Torres de Alta Tensión mediante ensayos dinámicos y modelos virtuales avanzados

La metodología permitió validar las torres instaladas con ensayos dinámicos sencillos de realizar, correlacionando la respuesta con los resultados de los modelos virtuales previamente obtenidos en gabinete. Hasta la fecha, en Chile y en el resto de países, la práctica habitual consiste en la realización de pruebas estáticas de validación que en bancos de pruebas instalan una torre a escala 1:1, y mediante tiros con cables, agotan su capacidad última o de rotura.

Todas las actuaciones, procedimientos, y conclusiones realizadas, tanto en la generación de los modelos virtuales como de las operaciones en campo, han sido registrados y forman parte de la metodología para su implementación en futuros proyectos de infraestructuras de transmisión de energía eléctrica, tanto en aquellos de nueva construcción, objeto de esta innovación, como para la evaluación estructural de líneas existentes.

Resumen de trabajos realizados

Con el fin de abordar los objetivos tecnológicos del proyecto, tras el diseño conceptual del método se genera un grupo de trabajo con personal interno del Área de Estructuras de Obra Civil de la Dirección Técnica de Ferrovial Construcción, se identifica una obra en marcha significativa para realizar los estudios y validaciones, Centella, y se buscan colaboradores externos especialistas en el cálculo dinámico y la sensórica, Grupo de Mecánica de Estructuras de la Universidad de Coruña y Metiri Consulting respectivamente.

Se subdividen las tareas en los siguientes hitos:

• Desarrollo de modelos virtuales avanzados.
• Diseño y ejecución del plan de pruebas.
• Calibración de los modelos computacionales, obtención de parámetros de correlación y validación de resultados.
• Desarrollo de la metodología para su futura replicabilidad.

Desarrollo de modelos virtuales avanzados

Los trabajos iniciales se centran en el desarrollo de modelos virtuales con los programas SAP2000 y Abacus que debían ser imagen de las torres del plan de pruebas para un doble objetivo: permitir la validación de los mismos a partir de los datos extraídos de los ensayos convencionales, y generar los parámetros de correlación para la nueva metodología de ensayos.

Con ello, se incorporaron en el estudio nudos de detalle modelados en 3D y se analizaron diversos efectos como el pretensado de pernos, contacto con fricción, materiales no lineales y la no linealidad geométrica, evaluando su impacto en las frecuencias naturales y modos de vibración de las estructuras.

Diseño y ejecución del plan de ensayos

El plan de ensayos estaba previsto realizarse en su totalidad sobre las torres a escala real instaladas en la estación de prueba de Rumanía (Bucarest). Sin embargo, siendo los ensayos estáticos coincidentes en el tiempo con las restricciones de viaje por el COVID, se tomó la decisión de mantener su agenda y posponer los ensayos dinámicos para realizarlos sobre las torres reales que se instalaran en Chile, correlacionando en ambos casos resultados con los modelos virtuales.

Durante el proceso, se realizaron diversas labores de gabinete, tanto de coordinación y formación, como de análisis de los modelos para la evaluación de las mejores posiciones de recepción de las aceleraciones, métodos de excitación de las torres y simulación de fallos entre conexiones.

Finalmente se realizaron los ensayos dinámicos sobre dos de las torres de la traza, aplicando una única carga instantánea en diferentes puntos de las torres de forma secuencial y estudiando las vibraciones que se producían en las estructuras bajo el impacto producido por dicha carga. Estas vibraciones se recogían a través de unos acelerómetros que se colocan en 8 puntos a distintas alturas de la torre y enviaban posteriormente los datos de la aceleración recogida a un receptor.

Calibración, parámetros de correlación y validación de resultados

De la información recogida en los ensayos dinámicos se procedió a la calibración final de los modelos, así como a la obtención de los parámetros de correlación y validación. Para ello se identificaron modos de vibración global, amortiguamiento, influencia de las cimentaciones en las frecuencias naturales, influencia del deslizamiento inicial de las uniones atornilladas, análisis de la alteración de las frecuencias debido a fallos en los perfiles o falta de apriete de sus conexiones.

Desarrollo de la metodología para su futura replicabilidad

Con los resultados obtenidos en los ensayos de campo y su contraste con los modelos numéricos, se genera un documento final con las conclusiones y metodología de aplicación que incluye recomendaciones y procedimientos para la futura replicabilidad de estos ensayos dinámicos. Su objetivo es la validación de las torres en campo sin la necesidad de realizar prototipos a escala real para ensayarlos a colapso o carga última.

En conclusión, se ha finalizado con éxito un nuevo método de validación estructural de torres eléctricas en sus ubicaciones definitivas mediante ensayos dinámicos de baja carga y correlaciones con modelos virtuales avanzados.

Esta nueva metodología genera un cambio disruptivo en las prácticas en el sector, y por tanto, con el objetivo de promover este cambio en la industria, se ha comenzado a dar difusión de este procedimientos y conclusiones en diversos congresos y seminarios, siendo el primero el Congreso de Dinámica Estructural de septiembre 2024 celebrado en Sevilla.