Mástiles arriostrados : análisis dinámico no lineal y cuantificacioón de incertidumbres

Abstract

Frecuentemente las empresas de telecomunicaciones (radio, TV, telefonía móvil, etc.) hacen uso de mástiles arriostrados como estructuras de soporte de sus antenas. Esta tipología estructural está generalmente conformada por una columna esbelta de sección triangular, reticulada, que es soportada por varios niveles de cables tensos. Estudios detallados de la respuesta de mástiles arriostrados, frente a acciones dinámicas como viento o sismo, no son frecuentes pese al gran potencial de impacto adverso, debido a que se trata de una estructura flexible y a que los cables añaden un comportamiento geométricamente no lineal. Por otra parte, algunos parámetros estructurales como la tensión de los cables o la rigidez del mástil tienen un alto grado de incertidumbre. En el primer caso, porque generalmente no se cuenta con dispositivos que permitan medir con precisión esta variable y en el segundo, porque frecuentemente el mástil debe ser reforzado (para cumplir con los requerimientos de rigidez de la estructura, cada vez mayores, debidos a la creciente sensibilidad de los equipos instalados) y la gran variedad de mecanismos de refuerzo usados (incluso dentro de la misma torre) no permite evaluar su efectividad. En este trabajo, primeramente, se presentan estudios sobre la dinámica no lineal de mástiles arriostrados, mediante programas comerciales de elementos finitos, explorando también la sensibilidad de la respuesta a la variación de parámetros de diseño, como la tensión inicial de los cables o la rigidez del mástil. Las cargas dinámicas provenientes de la acción del viento son generadas como procesos estocásticos, con consideración de las correlaciones espaciales y temporales, a través del Método de Representación Espectral (SRM). Luego, se presentan estudios sobre la propagación de incertidumbres en cargas o parámetros estructurales sobre la respuesta. Para ello se desarrollaron modelos simplificados (tipo cable-viga o columna-cable) y de orden reducido. Finalmente, un modelo de elementos finitos no lineal fue implementado, con el objetivo de crear una herramienta de cálculo y/o verificación de la respuesta estática y/o dinámica de mástiles arriostrados que resulte útil tanto para futuras investigaciones, como para el uso profesional.

Guyed masts are frequently used by telecommunication companies (radio, TV, cell, etc.) as support structures for the antennas. A typical configuration comprises a lattice tower with triangular cross-section, supported by several levels of prestressed guys. Despite the large potential of adverse impact, considering the slenderness of the structure and the non linear behavior of the guys, dynamic analysis of guyed masts subjected to natural loads, as wind and earthquakes, are not commonly addressed in detail. Furthermore, a high level of uncertainty is present on structural parameters such as the initial tension of the guys, due de lack of instruments to precisely measure it in the field, or the mast stiffness, since the mast frequently must be reinforced (the communication technologies poses increasing higher structural demands since the growing sensitivity of the new equipment) and the large extent of adopted reinforcement mechanisms (even in a single structure) does not allow the evaluation of their performance. In this thesis, first, the non linear dynamic response of guyed masts subjected to wind loads is studied, using finite element commercial software. The sensitivity of the response to design parameters, as the initial pretension of the guys or the stiffness of the mast is also explored. The dynamic wind load records are simulated as stochastic processes, with consideration of temporal and spatial correlations, through the Spectral Representation Method (SRM). Next, simplified and reduced order models (ROM) of guyed structures were developed and tested. Then, by means of the ROM and considering structural or load parameters as stochastic variables, uncertainty propagation studies were performed. Finally, an ad hoc non linear finite element tool, to study the static and dynamic behavior of guyed structures, is developed, which can be useful both for future research in the topic as well as for professional use.